• Homo double Ru 2 /Mo 2 CO 2 는 활성도, 안정성 및 선택성 스크리닝을 통해 도출되었다. • MXene 지지체를 구성하는 금속 양이온의 d-band 구조와 단일 원자 및 homo double 원자 촉매에서 페르미 준위 근처의 전자 밀도 사이의 상관관계를 규명하였다. • MXene 표면에 지지된 단일 원자 및 이중 원자의 활성 변화는, NH 2 흡착물에서 이들의 d 궤도와 N 원자의 p 궤도 간 중첩 비율의 차이에서 기인하였다. 본 연구에서는 DFT 계산을 사용하여 전기화학적 질소 환원 반응(N 2 RR)을 통해 효율적인 NH 3 생산을 위해 Fe, Ru 및 Os의 단일 원자와 homo double 원자를 향상시키도록 MXene 지지체를 설계하였다. 우리는 9종의 초기 전이금속으로 구성된 서로 다른 MXene 표면 [M 2 CO 2 (M = Cr, Hf, Mo, Nb, Ta, Ti, V, W, Zr)]을 설계하고, N 2 RR의 자유에너지 도표, 용해 전위, 응집 에너지를 계산하여 단일 원자 및 homo double 원자의 활성/안정성을 평가하였다. 먼저, NH 2 흡착 에너지가 NH 3 생산성을 나타내는 활성 지시자임을 확인하였으며, 단일 Ru 원자의 페르미 준위 근처 상태 밀도는 N 2 RR 활성 결정에 중요한 요인임을 밝혔다. 다음으로, 지시자 기반의 계산적 탐색을 통해 새 MXene 기반 촉매를 조사한 DFT 계산 결과, 화학적 및 전기화학적으로 안정한 후보 촉매들 가운데 homo double Ru 2 /Mo 2 CO 2 촉매가 수소 발생 반응에 비해 높은 N 2 RR 선택성을 보이면서 가장 높은 NH 3 생산성을 나타냈다. 또한, 최적의 Ru 2 /Mo 2 CO 2 촉매는 페르미 준위 근처의 상태 밀도가 중간 수준이어서 NH 3 생산을 위한 최적 지시자 값(NH 2 흡착 강도)을 유도하였고, 결과적으로 전기화학적 NH 3 생산에서 과전위를 감소시켰다. 보다 근본적으로, 우리는 이들 단일 원자 또는 이중 원자의 페르미 준위 근처 전자 밀도가 MXene 지지체를 구성하는 양이온 금속 원자의 전자 구조와 밀접하게 상관되어 있음을 확인하였다. 본 연구는 MXene 지지체의 특성을 조절함으로써 단일 원자 및 homo double 원자 촉매를 합리적으로 설계할 수 있음을 강조하며, 대기 조건에서 NH 3 생산을 향상시키는 핵심 요인에 대한 통찰을 제공한다.

양성자 교환막 연료전지에서 탄소로 캡슐화된 Pt 또는 Pt 합금 서브나노클러스터 촉매를 활용하는 것은 Pt 로딩을 추가로 감소시키면서 촉매 활성과 안정성을 향상시키기 위한 유망한 전략이다. 그러나 탄소 캡슐화를 갖는 이러한 서브나노클러스터 촉매는 현재까지 거의 탐색되지 않았으므로, 여전히 전망 있는 나노재료로 남아 있다. 본 연구에서는 스핀 편극 밀도범함수이론(DFT) 계산을 사용하여, 서브나노클러스터를 특징으로 하는 탄소 캡슐화 Pt 및 Pt 합금 촉매(Ptn@C 및 Pt3M3@C)를 개발하였다. 다양한 금속에서 관찰되는 해리형 산소 환원 반응과 달리, Pt6@C는 고유 활성 자리(탄소 표면)에서 H2O2 분해를 통한 용이한 4전자 산소 환원 반응(ORR) 경로를 제공하였으며, 낮은 동역학적 장벽(0.11 eV)을 보였다. 또한 Pt(111) 촉매(0.52 V)에 비해 개시 전위가 더 높은 0.60 V에서 ORR 활성이 향상되었다. Pt 로딩을 줄이고 Pt6@C의 촉매 활성을 조절하기 위해, 이원 Pt3M3 합금 서브나노클러스터(M = 3d, 4d 및 5d 블록 금속)를 도입하였다. 활성 디스크립터(*OOH 흡착 에너지)를 이용하여 Pt3M3@C 후보군에 대한 스크리닝을 수행하였다. 그 결과, Pt6@C에 대해 동등하거나 그 이상의 ORR 활성을 나타내는 Pt3Co3(0.62 V), Pt3Rh3(0.60 V), Pt3Ta3(0.65 V), Pt3Re3(0.61 V) 합금 서브나노클러스터가 제시되었다. 높은 ORR 성능의 달성은 또한 금속 서브나노클러스터에서 탄소 껍질로의 효과적인 전하 전달을 통해 밝혀졌다. 이는 탄소 자리의 pz 밴드 중심을 하향 이동시키고, 그 결과 *OOH와 탄소 사이의 결합 궤도가 더 깊은 에너지 준위에서 형성되도록 하여, 결과적으로 *OOH 흡착을 강화하고 과전위를 감소시킨다. 본 연구는 효율적인 ORR 및 기타 전기촉매 응용을 위한, 높은 수준으로 Pt 로딩을 낮춘 하이브리드 금속-탄소 촉매를 개발하는 데 유용한 통찰을 제공할 수 있다.