촉매 나노입자(NP)를 단일 원자(SA)로 축소하는 전략은 다양한 전기화학 반응에서 촉매 활성의 향상과 필요한 촉매 양의 감소에 매우 효과적인 것으로 입증되었다. 그러나 단일원자 사이트 촉매(SAC)의 충분하지 않은 안정성은 실제 적용을 위한 중요한 과제로 남아 있다. 본 연구에서는 안정적인 금속 산화물 NP에 견고하게 결합된 SAC를 제안하여 수소 발생 반응(HER)을 위한 SA 기반 촉매의 전기화학적 활성과 안정성을 극적으로 향상시키고자 하였다. Ru가 침투된 Zr 기반 금속유기프레임워크(MOF)에서 출발하여, 사지정방정(테트라고날) 지르코늄 옥사이드(tetragonal zirconium oxide, ZrO 2‐x) NP가 포함된 탄소 매트릭스를 용이한 열분해를 통해 지지체로 제조하였다. 동시에 사지정방정 ZrO 2‐x에서 산소 결손의 생성으로 인해 Ru SA는 ZrO 2‐x NP의 표면에 잘 분산되었다. Ru–ZrO 2‐x SAC는 상용 Pt 및 Ru 촉매 대비 질량 활성(mass activity)이 4–5배 더 높으며, Ru 원자와 ZrO 2‐x 기판 사이의 강한 금속-지지체 상호작용(SMSI)으로 인해 우수한 내구성을 나타낸다.

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