Commercialization of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) requires a dramatic reduction in the price of catalysts, which account for a significant portion of the total cost. Therefore, since most catalysts in PEMFCs are present in cathode where the oxygen reduction reaction (ORR) occurs, it is necessary to ensure sufficient durability after the reaction and activity of the catalysts for the ORR. In this work, using metal-organic framework (MOF)-based carbon support, platinum (Pt) catalysts were converted into platinum-zinc (Pt-Zn) intermetallic catalysts to enhance the durability of the catalysts, moreover, the additional interaction was introduced between nanoparticles and supports, improving the stability of the catalyst. High-magnification transmission electron microscopy and X-ray diffraction analysis confirmed the ordered structure of intermetallic Pt-Zn nanoparticles. In the half-cell test, the mass activity and the specific activity of the L1$_0$-PtZn/Zn-NC catalyst were 3.8 and 5.7 times as great as that of commercial Pt/C, respectively. Furthermore, to evaluate the stability of the catalysts while the ORR condition, we conducted the durability cycles from 0.6 V to 1.0 V versus RHE. After the durability cycles of 30k, the electrochemically active surface areas (ECSAs) of the L1$_0$-PtZn/Zn-NC(103.1% of the initial ECSA) showed significantly enhanced stability compared to that of the commercial Pt/C(66.2% of the initial ECSA). This work provides us a new strategy to obtain the high stability of the intermetallic catalysts as well as the enhanced activity using MOF-derived carbon support.
고분자 전해질 연료전지의 상용화를 위해서는 전체 비용에서 상당한 부분을 차지하는 촉매의 가격을 획기적으로 저감할 수 있어야 한다. 따라서, 촉매의 대부분을 차지하는 산소 환원 반응 전극에서의 촉매 활성과 반응 후 내구성을 충분히 확보하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 금속-유기 구조체 (metal-organic framework, MOF)기반의 탄소 담지체를 이용하여 원자 수준에서 높은 정렬도를 갖는 백금-아연 금속간화합물 촉매를 합성하였다. 정렬된 금속간화합물 구조로 인해 산소환원반응 활성과 촉매 자체의 내구성을 향상시켰음은 물론 촉매와 담지체 사이의 상호작용을 증가시켜 반응 중 촉매의 반응 중 구조 안정성을 크게 향상시켰다. 고배율 전자 현미경 사진과 X-선 회절 패턴 분석을 통해 백금-아연 금속간화합물 입자의 정렬된 구조를 확인하였으며 반응 후에도 구조가 유지되는 안정성을 확인하였다. 산소 환원 반응의 전기화학적 활성의 향상을 확인하기 위해 반쪽 전지 평가를 진행하여 백금-아연 금속간화합물 촉매에서 상용 백금 촉매 대비 3.8 배의 질량 비 활성도 향상과 5.7 배의 면적 비 활성도 향상을 확인하였다. 또한, 반응 중의 구조 안정성을 확인하기 위해 산소 환원 반응을 모사한 0.6 V ~ 1.0 V의 사이클링을 진행하였으며, 30,000 사이클 후에 전기화학적 활성 표면적의 변화는 상용 Pt/C 촉매의 경우 66.2%로 감소하였지만, 백금-아연 금속간화합물 촉매의 경우 103.1%로 내구성 사이클 후에도 큰 변화가 없이 유지됨을 확인하였다. 즉, MOF 기반의 탄소 담지체를 통한 백금-아연 금속간화합물 촉매의 합성을 통해 산소 환원 반응에 대한 성능 및 구조 안정성을 효과적으로 향상시켰다.
