환경에 대한 우려와 탄소중립 사회로의 전환이 중요해짐에 따라, 수소를 연료로 사용하는 양성자 교환막 연료전지(proton exchange membrane fuel cells, PEMFCs)는 친환경 에너지 기술로서 큰 주목을 받아왔다. Pt는 PEMFC 양극의 주요 촉매이지만, 높은 비용과 제한된 가용성은 상용화에 주요한 장벽이 된다. 이러한 과제를 해결하기 위해 비(非)Pt 촉매, 합금 촉매, 코어-쉘(core-shell) 구조 촉매가 광범위하게 연구되어 왔으나, 성능 저하와 구조적 불안정성은 여전히 중요한 문제로 남아 있다. 본 연구에서는 금속 전구체 리간드의 탄소 공급원으로부터 유래한 초박막 탄소 쉘로 둘러싼 Pt-저감(p t-lean) Pt1Co4 합금 나노입자를 설계한다. 특히, 탄소가 포함된 합금 나노입자를 합성한 후, 일산화탄소(CO) 분위기에서 열처리를 하면 Pt 원자의 CO에 대한 강한 결합 친화도에 의해 선택적 표면 분리가 유도되는데, 이는 탄소 쉘 형성을 위한 탄소화 온도에 도달하기 전에 발생하여 Pt가 농축된 표면 구조를 형성한다. 탄소 쉘은 열처리 동안 입자의 성장과 응집을 효과적으로 억제하는 나노-구속(nano-confinement) 효과를 제공함으로써 전기화학적 안정성을 크게 향상시킨다. 놀랍게도 Pt 함량을 55% 감소시켰음에도 불구하고, 표면 분리와 준-표면 합금화의 결합은 Pt-저감 합금 촉매가 내구성은 더 우수하면서도, 단순 Pt 촉매와 비교할 만한 수소 산화 반응 활성을 유지하도록 한다. 이러한 열처리의 이중 기능에 힘입어, Pt-저감 합금 촉매 구조의 설계는 PEMFC용 고효율이면서도 비용 효과적인 양극 촉매를 개발하기 위한 유망한 전략을 제공한다.

Ru 기반 촉매의 가혹한 전기화학 조건 하에서의 안정성은 에너지 변환 시스템에서의 실용적 적용을 제한하는 핵심 과제이다. 본 연구에서는 금속-유기 골격체(MOF)의 열분해를 통해 ZrO 2‐x, CeO 2‐x, 및 ZrCeO 2‐x 위에 지지된 Ru 촉매를 합성하고, 촉매 성능 및 내구성에 대한 지지체 상호작용의 역할을 규명하기 위해 체계적으로 평가하였다. HR‐TEM, XRD, XPS, 및 EXAFS를 포함한 고도화된 특성분석 결과, Ru‐ZrCeO 2‐x는 Ru‐ZrO 2‐x 및 Ru‐CeO 2‐x에 비해 특히 고전위 주사(HPS) 조건에서 더 우수한 구조적 안정성을 보였다. ZrO 2‐x에 Ce를 도입하면 산소 공석이 안정화되고 Ru 촉매와 지지체 간 상호작용이 향상되어 촉매 열화가 완화됨이 입증되었다. 밀도범함수이론(DFT) 계산 또한 Ce 도핑이 산소 공석의 형성 에너지를 감소시켜, Ru 안정화에 열역학적으로 유리한 환경을 제공함을 추가로 확인하였다. 본 연구는 ZrCeO 2‐x가 Ru 기반 촉매를 위한 견고한 지지체 소재로서의 가능성을 보여주며, 내구성과 효율을 갖춘 에너지 응용의 잠재력을 진전시킨다.