황윤정 연구실의 핵심 연구 주제 중 하나는 전기화학적 이산화탄소 환원 반응(CO2RR)을 위한 고활성·고선택성 촉매의 개발이다. 이 연구는 온실가스인 이산화탄소를 일산화탄소, 에틸렌, 액체 연료 및 다양한 화학 원료로 전환함으로써 탄소중립형 화학 산업의 기반을 마련하는 것을 목표로 한다. 특히 구리 전극에서의 C-C 결합 형성 중간체를 시간분해 방식으로 관찰한 연구는 다탄소 생성물 형성 메커니즘을 정밀하게 이해하는 데 중요한 기여를 보여준다. 이 연구실은 금속 나노구조, 단일원자 촉매, 결함 구조, 그레인 바운더리, 덴드라이트형 표면 등 촉매 표면의 구조적 특징이 반응 경로와 생성물 선택성에 미치는 영향을 체계적으로 분석한다. 단일 원자 Ni 촉매를 이용해 포집된 CO2를 다양한 아민 용매 환경에서 선택적으로 CO로 전환하는 연구는 촉매 중심의 전자구조 설계가 실제 공정 친화적 조건에서도 높은 성능을 유지할 수 있음을 보여준다. 또한 반응 중 활성상 변화와 시공간적 상 진화를 추적하는 최근 연구는 촉매가 정적인 재료가 아니라 작동 중 동적으로 재구성되는 시스템이라는 점을 강조한다. 궁극적으로 이 연구는 전기화학 기반 탄소자원화 기술을 실용화하기 위한 원천 지식을 제공한다. 고전류 밀도, 높은 패러데이 효율, 장기 안정성, 생성물 선택성의 동시 확보는 산업 적용의 핵심 조건이며, 연구실은 이를 위해 소재 설계와 반응기 운전 조건을 함께 최적화하고 있다. 이산화탄소를 단순히 저감하는 수준을 넘어 유용한 화학물질과 연료로 전환하는 기술은 미래 에너지·환경 분야에서 매우 큰 파급효과를 가질 것으로 기대된다.

이 연구실은 전기화학 반응의 성능이 단순히 촉매 물질 자체만으로 결정되지 않고, 촉매와 전해질이 만나는 계면 환경에 의해 크게 좌우된다는 관점에서 계면 화학을 집중적으로 연구한다. 전기화학적 CO2 환원에서 전해질 이온, 용매 구조, 양성자 전달, 반응물 농도 분포, 3상 경계 조건은 반응 속도와 생성물 선택도에 직접적인 영향을 준다. 따라서 계면에서 실제로 어떤 화학종이 존재하고 어떤 중간체가 형성되는지 이해하는 것은 고성능 전기촉매 설계의 핵심이다. 이를 위해 연구실은 실시간 전기화학 분광학과 구조 분석 기술을 적극 활용한다. X-선 흡수 분광법을 반응 중에 적용할 수 있는 흐름 전지 시스템, 실시간 라만 분석, ATR-SEIRAS 등은 촉매 표면의 활성종과 반응 중간체를 직접 추적하는 데 사용된다. 이러한 접근은 CO 흡착과 CO 이합체화, 양성자-전자 전달, *CHO 형성 등 서로 다른 반응 경로의 속도론적 차이를 밝히는 데 유용하며, 촉매-전해질 계면이 반응 장벽을 어떻게 조절하는지 정량적으로 이해하게 해준다. 최근에는 수계/비수계 혼합 전해질 환경에서의 용매화 구조와 양성자-전자 전달 메커니즘까지 연구 범위를 확장하고 있다. 이는 기존 수용액 기반 전기화학에서 다루기 어려웠던 반응성 제어 문제를 해결할 수 있는 새로운 전략으로 주목된다. 계면 화학에 대한 정밀한 이해는 단순한 기초 연구를 넘어, 포집된 CO2의 직접 전환이나 차세대 배터리·에너지 변환 시스템의 전해질 설계에도 폭넓게 활용될 수 있다.

황윤정 연구실은 이산화탄소 전환뿐 아니라 바이오매스 유래 유기분자의 전기화학적 전환을 통해 고부가가치 화학소재를 생산하는 연구도 수행한다. 대표적으로 HMF의 FDCA 전환, 푸르푸랄의 말레산 전환과 같은 반응은 그린 플라스틱 단량체 및 친환경 화학 원료 생산과 직결된다. 이는 화석연료 기반 화학공정을 대체할 수 있는 지속가능 제조 기술로서 큰 의미를 가진다. 이 연구에서는 복합원소 미세·나노구조 전극촉매의 설계가 중요한 역할을 한다. 예를 들어 비스무트가 도핑된 산화납계 호스트 기반 촉매는 산화 반응에서 높은 선택성과 반응 효율을 제공하며, 특허로도 이어질 만큼 응용 가능성이 높다. 연구실은 촉매 나노구조화, 활성점 제어, 전극 대면적화, 반응기 설계 등을 통해 높은 전환율과 수율, 고순도 생성물을 동시에 달성하는 방향으로 기술을 발전시키고 있다. 이러한 연구는 친환경 화학 산업 전환에 필요한 전기화학 기반 생산 플랫폼을 제시한다. 재생에너지 전력을 사용해 유기 분자를 선택적으로 전환하면 탄소 배출을 줄이면서도 부가가치가 높은 화학제품을 생산할 수 있다. 따라서 본 연구는 탄소중립, 순환형 바이오경제, 지속가능 소재 생산이라는 세 가지 흐름을 연결하는 중요한 연구 축으로 평가할 수 있다.