본 연구실은 고분자전해질막 연료전지(PEMFC)의 핵심 병목인 산소환원반응(ORR) 성능과 내구성 향상을 위해 전극 촉매와 막전극접합체(MEA)를 집중적으로 연구한다. 특히 자동차용 연료전지와 중대형 상용차용 연료전지 시스템을 염두에 두고, 낮은 백금 사용량으로도 높은 활성과 장기 안정성을 확보할 수 있는 촉매 조성 및 전극 구조를 설계하는 데 강점을 보인다. 관련 저서, 다수의 특허, 그리고 초저백금 촉매 개발 과제들은 이 연구실이 연료전지의 상용화를 뒷받침하는 실용 지향형 연구를 지속해 왔음을 보여준다. 구체적으로는 PtAu, PtIr, Pt계 합금 및 인터메탈릭 촉매, 코어-셸 구조, 금속-지지체 상호작용 제어, 인산 존재 하의 ORR 거동 분석 등 다양한 전기화학 촉매 설계 전략을 다룬다. 또한 촉매의 활성만이 아니라 담지체의 부식, 촉매 입자 탈리, 전극층 내 이오노머 분포, 기체 확산 및 수분 관리 같은 계면 현상까지 함께 고려하여 전극 구조를 최적화한다. 최근에는 전기촉매 고정화를 위한 중공 자이로이드 탄소 플랫폼처럼 복합소재 및 나노구조 설계를 통해 촉매의 유효 표면적과 내구성을 동시에 높이는 방향으로 연구가 확장되고 있다. 이 연구는 수소 모빌리티, 친환경 상용차, 분산형 전원 등 다양한 응용 분야와 직접 연결된다. 백금 사용량 저감과 고내구성 확보는 연료전지 가격 경쟁력 향상과 시스템 수명 연장에 핵심적이며, 이는 산업화의 가장 큰 장벽을 낮추는 데 중요하다. 따라서 본 연구실의 연료전지 연구는 기초 전기화학, 재료 설계, 전극 제조, 시스템 적용 가능성을 아우르는 융합 연구로서 차세대 수소에너지 기술의 실질적 구현에 기여하고 있다.

본 연구실은 친환경 수소 생산을 위한 PEM 수전해(고분자전해질막 수전해) 핵심 소재 개발을 주요 연구축으로 삼고 있다. 특히 수전해 양극에서 요구되는 산소발생반응(OER)은 높은 과전압과 촉매 열화 문제로 인해 귀금속 기반 촉매의 성능과 안정성이 매우 중요하므로, 연구실은 이리듐 및 비귀금속 보조 성분을 포함한 차세대 전기촉매 개발에 집중하고 있다. 최근 수행 중인 다수의 대형 국가과제 역시 차세대 PEM 수전해 소재, 신뢰성 기술, 귀금속 저감 소재 개발을 중심으로 구성되어 있어 연구 방향이 매우 명확하다. 대표적으로 코발트-몰리브덴 카바이드 복합체를 통한 OER 활성 증진, TiO2-MoOx 담지체 기반 Ir 촉매의 안정화, 니켈 촉매의 표면 거칠기 제어를 통한 산소 기포 탈착 향상 등은 이 연구실의 핵심 성과를 보여준다. 이러한 연구는 단순히 촉매 조성 변화에 머무르지 않고, 담지체 구조, 전자구조 조절, 표면 반응성, 기포 거동, 용출 억제와 같은 계면 수준의 전기화학 현상을 정밀하게 다룬다는 점에서 특징적이다. 또한 확산체, 분리판, 막전극접합체를 포함한 수전해 셀 구성 요소 전반을 함께 고려함으로써 소자 수준의 성능 향상까지 연결하고 있다. 이 연구의 궁극적 의미는 그린수소 생산의 경제성과 신뢰성을 동시에 끌어올리는 데 있다. 고가의 Ir 사용량을 줄이면서도 높은 전류밀도와 장기 내구성을 유지하는 촉매 기술은 수전해 설비 보급 확대에 직접적인 영향을 미친다. 본 연구실은 전기화학 촉매의 본질적 활성 메커니즘과 실용 소자 구현 사이를 연결하는 연구를 수행함으로써, 탄소중립 시대의 수소 생산 기술 고도화와 국내 핵심 부품·소재 자립화에 중요한 역할을 하고 있다.

본 연구실은 연료전지와 수전해를 넘어 리튬이차전지, 나트륨이온전지, 아연-공기전지 등 다양한 전기화학 에너지저장 시스템으로 연구 범위를 넓혀 왔다. 공통된 핵심은 복합소재기술과 전기화학을 결합하여 반응성, 구조 안정성, 전하 이동, 열화 메커니즘을 통합적으로 이해하는 데 있다. 이를 통해 단일 촉매 개발을 넘어서, 나노구조 복합체·탄소 기반 지지체·금속 유기 골격체 유래 소재·전극/계면 보호층 등 차세대 에너지소재 플랫폼을 설계한다. 특히 최근 프로젝트와 학술발표에서는 리튬이차전지의 멀티스케일 데이터 융합형 설계, 디지털 트윈 기반 열화 해석, 공간적 미세조직 불균일성과 전극 열화의 상관관계 분석이 두드러진다. 이는 실험 데이터와 이론 모델, 인공지능 기반 물성 예측, 계면 반응 해석을 통합하는 연구 방향으로 이어진다. 동시에 MOF 유래 촉매, 단일원자-나노입자 시너지 촉매, 금속 산화물 및 황화물 기반 전극재 등 다양한 복합소재를 활용해 전지와 전해 시스템 모두에서 전기화학 반응을 정밀하게 제어하려는 접근을 보여준다. 이러한 연구는 차세대 에너지재료 개발의 속도와 정확도를 높이는 데 큰 장점이 있다. 복잡한 전기화학 시스템에서는 단순한 조성 최적화만으로는 한계가 있기 때문에, 구조·계면·열화·데이터를 함께 다루는 통합적 관점이 필수적이다. 본 연구실은 재료공학 기반의 합성 및 분석 역량에 더해 전기화학 평가와 데이터 기반 설계 전략을 접목함으로써, 미래형 배터리와 에너지변환 소재의 설계 패러다임을 확장하고 있다.