고분자 전해질 연료전지는 높은 에너지 변환 효율과 환경친화적 특성으로 인해 지속 가능한 에너지 기술의 핵심으로 주목받고 있다. 하지만 산소 환원 반응의 느린 속도와 백금 기반 촉매의 고비용 및 제한된 내구성은 상용화의 주요 걸림돌로 작용하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 비귀금속 촉매와 금속-질소-탄소 촉매가 유망한 대안으로 떠오르고 있다. 본 논문에서는 질소 도핑된 탄소와 M-N-C의 최신 연구 동향과 성능 개선 전략을 종합적으로 분석한다. 질소 도핑된 탄소는 질소 도핑을 통해 활성 부위의 밀도와 전자 전달 특성을 향상시키며, 특히 피리딘형 및 피롤형 질소가 산소 환원 반응 성능 향상에 중요한 역할을 한다. 한편, M-N-C는 M-N 결합을 통해 높은 촉매 활성과 내구성을 나타내며, 백금 기반 촉매에 비해 우수한 경제성과 안정성을 보여주고 있다. 또한, 금속-유기 골격체 기반 합성 전략과 sacrificial support method와 같은 혁신적인 접근법을 통해 촉매 성능을 극대화하고 있다. 본 논문은 이러한 촉매 설계 및 성능 향상 전략을 제안함으로써 고분자 전해질 연료전지의 상용화 가능성을 높이는 데 기여하고자 한다.

Polymer electrolyte membrane fuel cells are gaining attention as a key technology for sustainable energy due to their high energy conversion efficiency and environmentally friendly characteristics. However, the slow kinetics of the oxygen reduction reaction, along with the high cost and limited durability of platinum-based catalysts, remain major obstacles to commercialization. To overcome these challenges, non-precious metal catalysts and metal-nitrogencarbon(M-N-C) catalysts have emerged as promising alternatives. This paper provides a comprehensive analysis of recent research trends and performance enhancement strategies for nitro-gen-doped carbon and M-N-C. Nitrogen-doped carbon improves the density of active sites and electron transfer properties through nitrogen doping, with pyridinic and pyrrolic nitrogen playing a crucial role in enhancing oxygen reduction reaction performance. Meanwhile, M-N-C, such ad Fe-N-C and Co-N-C, exhibit high catalytic activity and durability through M-N bonding, offering superior cost-effectiveness and stability compared to platinum-based catalysts. Additionally, innovative approaches such as metal-organic framework-based synthesis strategies and the sacrificial method are being employed to maximize catalytic performance. In conclusion, nitrogen-doped carbon and M-N-C have the potential to replace platinum-based catalysts PEMFCs by leveraging their unique characteristics and complementary strengths. This paper aims to contribute to the commercialization of PEMFCs by proposing catalyst design and performance enhancement strategies.