• 정렬된 PtZn 나노입자(O-PtZn)는 Zn 및 질소 도핑 탄소(ZnNC) 상에서 합성되었다. • ZnNC 지지체는 Zn 공급원 및 고정(anchoring) 부위로 활용되었다. • 고정 효과는 양성자 교환막 연료전지에서 산소 환원 반응에 대한 우수한 내구성을 나타냈다. • 밀도 범함수 이론 계산은 ZnNC가 O-PtZn과 강한 결합 에너지를 가진다는 것을 보여주었다. 산소 환원 반응(ORR)에 대한 촉매 활성은 우수하지만, 정렬된 백금(Pt)–전이금속 나노입자는 정렬 변환 동안의 입자 성장 및 장시간 운전에서의 불충분한 내구성 등으로 인해 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)에서의 적용에 제약이 있다. 본 연구에서는 제올라이트 이미다졸레이트 프레임워크-8(ZIF-8)을 열분해하여 Zn 및 질소 도핑 탄소(ZnNC)를 제조하였다. ZnNC 상에서 Pt 나노입자를 합성하고 열처리를 수행하였다. 이러한 간단한 공정을 통해 평균 입자 크기 약 4.5 nm의 정렬 PtZn 나노입자(O-PtZn/ZnNC)를 얻었다. 반쪽전지에서 O-PtZn/ZnNC는 ORR 질량 활성(0.9 V에서 1.21 A mg Pt−1) 및 내구성(30 k 사이클 후 질량 활성 35% 손실)을 뛰어나게 달성하였으며, 이는 Pt/C(0.41 A mg Pt−1 및 61% 손실)를 크게 상회한다. PEMFC의 양극 촉매로서 O-PtZn/ZnNC는 성능과 내구성 모두에서 Pt/C를 능가하였다. O-PtZn/ZnNC 및 Pt/C 셀은 0.8 V의 셀 전압에서 각각 71 및 39 mA cm−2의 전류 밀도를 보였다. 이 값들은 30 k 사이클 후 각각 43(−39%) 및 11(−72%) mA cm−2로 감소하였다. 밀도 범함수 이론 계산 결과, ZnNC는 O-PtZn과 강한 결합 에너지(−8.13 eV)와 작은 계면 최소 거리(2.03 Å)를 가지며, 그 결과 O-PtZn/ZnNC에 대한 전기화학적 활성 표면적의 탁월한 유지가 나타났다(30 k 사이클 후 57.9에서 53.8 m2 g Pt−1로, −7% 손실).

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