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.

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