a) 탄소쉘을 가지며 백금계 합금인 PtxMy 서브나노클러스터 촉매에 대한 구조 조사 및 안정성 예측을 수행하는 단계;b) 상기 a) 단계에서 안정성이 확인된 촉매에 대해 산소환원반응물의 흡착에너지를 계산하여 흡착에너지의 감소 여부를 판단하는 단계;c) 상기 b) 단계에서 흡착에너지가 감소한 촉매에 대해 반응 메커니즘 조사 및 검토를 수행하는 단계;d) 상기 c) 단계의 결과를 기반으로 촉매의 산소환원반응 개시전위를 계산 및 검토하여 개시전위가 증가하는지 여부를 판단하는 단계; 및e) 상기 d) 단계에서 개시전위가 증가하는 것으로 확인된 탄소쉘을 가지며 백금계 합금인 PtxMy 서브나노클러스터 촉매를 포함하는 산소환원반응용 촉매를 도출하는 단계;를 포함하며,상기 M은 코발트(Co), 로듐(Rh), 레늄(Re), 탄탈럼(Ta) 중 어느 하나이고, 상기 PtxMy 서브나노클러스터 촉매의 직경이 0.1nm 내지 1nm 미만인 것을 특징으로 하는 산소환원반응용 촉매의 설계방법.

제1항에 있어서,상기 a) 단계의 안정성 예측은 하기 수학식 1에 의해 계산된 형성에너지(Ef)가 0 eV 미만인지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 산소환원반응용 촉매의 설계방법:수학식 1상기 수학식 1에서 은 촉매의 형성에너지를 나타내며, 은 서브나노클러스터 촉매 에너지, 은 그래핀 구조의 탄소쉘 에너지, 는 그래파이트 구조 지지체의 에너지, , 은 Pt, Ta 금속 단일원자 에너지, 및 는 서브나노클러스터 촉매가 포함하는 각각의 Pt, Ta의 개수를 나타낸다.

제1항에 있어서, 상기 b) 단계의 산소환원반응물의 흡착에너지 계산은 산소(O), 수산기(OH), 과산화수소기(OOH)에 대한 흡착에너지를 각각 계산하고, 이를 Pt(111) 표면에서의 흡착에너지와 비교하여 감소 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 산소환원반응용 촉매의 설계방법.

제1항에 있어서, 상기 c) 단계의 반응 메커니즘 조사는 4전자 반응 경로, 2전자 반응 경로, 및 과산화수소 분해를 통한 4전자 반응 경로를 포함하여 조사하는 것을 특징으로 하는 산소환원반응용 촉매의 설계방법.

제1항에 있어서, 상기 d) 단계의 개시전위 계산은 하기 수학식 2를 이용하여 산소환원반응 활성에 대한 자유에너지를 계산함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 산소환원반응용 촉매의 설계방법:수학식 2여기서 는 산소 환원 반응 단계에 해당하는 흡착에너지를 나타내며, 는 절대온도, 는 엔트로피 에너지, 는 제로포인트 에너지, 은 산소 환원 반응의 물 환경을 고려한 수화에너지, 은 반응에 참여하는 전자의 개수, 는 기본 전하량, 는 electrode potential을 나타낸다.

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