- Enhancing Metal-Support Interactions of Ru Catalysts via Relaxation of Oxygen Vacancies for Hydrogen Production

- Mansu Kim,* Jonghwan Park, Hyuk Choi, Sohui Kim, Injoon Jang, Hyun You Kim, Namgee Jung,* Sung Jong Yoo,* Joseph T. Hupp,* and Dongmok Whang*

- Advanced Functional Materials, 2025, e06866 (IF: 19.0)

- 2025. DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202506866

 Ru 기반 촉매는 HER, ORR, OER에서 뛰어난 활성에도 불구하고 고산화 전기화학 조건에서 Ru 입자의 용출·응집으로 내구성이 낮습니다. 따라서 Ru 나노입자를 전자적 지지체-촉매 상호작용(EMSI)이 뛰어난 지지체 위에 견고히 고정하는 것이 필수적입니다. ZrO₂는 우수한 열적 안정성과 강한 EMSI을 제공하지만, 산소 공공(oxygen vacancy)이 모두 채워지면 구조 붕괴가 일어나고, CeO₂는 산소 공공 형성 능력이 뛰어나지만 산성 환경에서 Ce 이온이 용해된다는 단점이 있습니다. 이 두 산화물의 장점을 결합한 Zr₁₋ₓCeₓO₂₋ᵧ 고상용액(solid solution) 지지체는 기계적 안정성과 산소 공공(oxygen vacancy) 안정성을 동시에 확보하며, Ru–지지체 간 강한 EMSI를 유도할 최적 후보로 제시되었습니다.

 본 연구에서는 MOF 전구체 열분해법으로 합성한 ZrO₂₋ₓ, CeO₂₋ₓ, Zr₁₋ₓCeₓO₂₋ᵧ 지지체에 Ru 나노입자를 고정화하여, Zr₁₋ₓCeₓO₂₋ᵧ 기반 촉매가 가장 우수한 구조 안정성과 전기화학적 내구성을 보임을 규명하였습니다. HR-TEM, XRD, XPS, EXAFS 분석을 통해 Ce 도핑이 산소 공공(oxygen vacancy)을 안정화하고 Ru–지지체 간 강한 상호작용을 형성함을 확인했으며, DFT 계산에서는 순수 ZrO₂에서 산소 공공 형성 에너지가 6.24 eV였으나 Ce 도핑 시 1.28 eV로, Ru 부착 시 0.72 eV까지 크게 낮아져 Ru 안정화에 기여함을 밝혀냈습니다.