Atomically dispersed noble metal catalysts (ADNCs) drew attention due to the special properties of maximized metal usage and selectivity in electrochemical reactions. Despite many studies on ADMCs, technical limitations in synthesizing highly loaded ADCM still exist, because widely used conductive catalyst carbon supports cannot efficiently stabilize single metal sites. Herein, we report ultrahigh loading of atomically dispersed ruthenium (~15 wt.%) on porous tungsten carbide (WxC) support. Hydrophobic Ru precursor is selectively incorporated into the PS domain of the PS-b-PEO template. PS domain provides a physical barrier and in-situ formed carbon gases during 900 ℃ heat treatment that prevents particle aggregation. Simultaneously formed tungsten carbide at high temperature provides ample anchoring sites and strongly attracts Ru, stabilizing atomically dispersed Ru atoms. The as-synthesized catalyst showed a superior overpotential of 12 mV at 10 mA cm$^{-2}$ in alkaline hydrogen evolution reaction. This novel and facile ADMC design strategy overcame the general problem of low synthesis temperature and low metal loading, offering a promising route for synthesizing ADMCs with ample active sites.
원자단위 금속 촉매는 금속의 사용량을 극대화할 수 있고 전기화학 반응의 선택성을 보여 많은 주목을 받아왔지만, 탄소처럼 전기전도성이 뛰어나며 전기화학 촉매 담지체로 흔히 사용되는 담지체들이 원자단위 촉매를 효율적으로 안정화하지 못해 아직까지 고로딩 원자단위 촉매를 합성하는데 기술적 한계가 있다. 본 연구는 귀금속과 텅스텐 탄화물 간의 강한 상호작용을 이용하여, 루테늄을 원자단위로 약 15 wt.%까지 대량 로딩했다. PS-b-PEO와 소수성 루테늄 전구체를 자가조립 하게 되면 루테늄 전구체는 PS 영역에 선택적 혼입되고, 고온 열처리 시 PS는 루테늄 전구체의 물리적 장벽이 되어 입자 응집을 막아주며 in-situ 카본 가스를 생성하여 원자단위 루테늄 생성에 기여한다. 또한, 동시에 생성되는 텅스텐 탄화물과 루테늄은 강하게 결합하여 루테늄이 고온에서 뭉치는 것을 방지한다. 합성된 촉매는 매우 낮은 과전압인 12 mV (@10 mA cm$^{-2}$)을 염기 조건 수소발생반응에서 달성했다. 본 합성법은 원자단위 촉매의 고질적 문제인 저온 합성과 낮은 로딩량을 극복했고, 전도유망한 원자단위 촉매 합성법을 제시한다.
