이 연구실은 MXene, 그래핀과 같은 2차원 나노소재를 활용하여 차세대 분리막의 성능을 고도화하는 연구를 수행한다. 기존 고분자 기반 분리막은 선택도와 투과도 사이의 상충관계, 막 오염에 대한 취약성, 내화학성 및 장기 안정성의 한계가 존재하는데, 연구실은 이러한 문제를 해결하기 위해 층상 나노구조와 표면 기능성을 정밀하게 제어하는 접근법을 채택하고 있다. 특히 2차원 소재의 높은 비표면적, 조절 가능한 층간 간격, 우수한 전기적·화학적 특성을 활용해 수처리와 자원회수에 적합한 새로운 막 플랫폼을 제안하고 있다. 구체적으로는 MXene 기반 분리막의 박리, 분산 안정성, 적층 구조 형성, 고분자 복합화와 같은 제조 기술을 바탕으로 가스 분리, 폐수 처리, 담수화, 유기용매 정제 등 다양한 공정에 적용 가능한 막을 설계한다. 또한 그래핀 라미나 막에서 두께 증가에 따른 수송 메커니즘 전이와 같이, 나노유로 내부에서의 물 분자 거동과 응집 상호작용을 이해하는 기초 연구도 병행한다. 이러한 연구는 단순한 소재 개발을 넘어 막 내부 미세구조와 성능의 상관관계를 규명하고, 실제 공정 조건에서 요구되는 선택성·내구성·재현성을 함께 확보하는 데 초점을 둔다. 향후 이 연구는 고염분 산업폐수, 고농도 유기오염수, 복합이온 혼합계와 같은 난처리 수계에 적용될 수 있는 맞춤형 분리막 기술로 확장될 가능성이 크다. 특히 대면적 모듈화와 공정 통합이 가능해지면 실험실 수준을 넘어 산업 현장 적용성이 크게 높아질 수 있다. 연구실이 축적한 2차원 나노소재 기반 분리막 설계 역량은 차세대 환경정화, 자원순환, 에너지-환경 융합 시스템의 핵심 기반기술로 발전할 수 있다.

이 연구실의 또 다른 핵심 분야는 외부 전압 인가에 반응하는 electro-responsive 분리막을 이용해 수처리 성능을 능동적으로 제어하는 기술이다. 일반적인 막여과 공정은 수동적인 분리에 의존하기 때문에 오염물 축적과 플럭스 저하, 세정 비용 증가와 같은 문제가 반복적으로 발생한다. 연구실은 전기화학적 기능을 부여한 막을 통해 선택성을 조절하고, 오염물질 제거 효율을 높이며, 동시에 막 표면에서의 비가역 오염을 완화하는 새로운 수처리 전략을 연구하고 있다. 특히 폴리도파민 코팅을 적용한 한외여과막 연구에서는 미생물연료전지 기반 시스템에서 출력 밀도를 향상시키면서 생물막 형성과 생물오염을 저감하는 가능성을 보여주었다. 더 나아가 전기화학적 산화 반응을 막 공정과 결합함으로써 유기물, 미생물, 난분해성 오염물질을 보다 효과적으로 제어하려는 방향으로 연구가 확장되고 있다. 이는 막 소재 자체의 표면 특성 조절뿐 아니라, 전하 전달, 계면 반응, 유동 및 오염층 형성 메커니즘을 함께 고려하는 융합적 연구라고 볼 수 있다. 이러한 기술은 차세대 스마트 수처리 시스템 구현에 매우 중요한 의미를 가진다. 오염 상황에 따라 막 성능을 실시간으로 조절하거나, 막 세정과 오염 억제를 공정 내부에서 동시에 수행할 수 있기 때문이다. 궁극적으로는 에너지 소비를 줄이고 막 수명을 연장하며, 고도처리와 운영 효율을 동시에 달성하는 방향으로 발전할 수 있어, 산업용 폐수처리와 재이용 분야에서 높은 파급효과가 기대된다.

연구실은 환경오염 저감과 에너지 생산을 동시에 달성하기 위한 생물전기화학 시스템 연구에도 주력하고 있다. 미생물연료전지(MFC)와 미생물전해전지(MEC)를 활용하여 폐수 또는 바이오매스로부터 전기와 수소를 생산하는 연구는, 오염물질 제거 공정을 단순한 처리 기술이 아니라 에너지 회수형 시스템으로 전환한다는 점에서 큰 의미가 있다. 특히 전통적 수처리 공정에서 소모되던 유기물을 유용한 전기에너지와 연료로 전환하려는 시도는 지속가능한 환경공학의 중요한 방향과 맞닿아 있다. 연구실의 선행 연구에서는 비이온교환막 기반 유동형 미생물연료전지를 통해 고품질 방류수 생산과 전력 생산을 동시에 구현하였고, 나노섬유로 보강된 SPEEK 복합 양성자교환막을 이용해 미생물전해전지의 성능 향상 가능성을 제시하였다. 이는 막 소재 개발과 생물전기화학 반응기 설계를 유기적으로 연결하는 연구로, 전극-막-미생물 간 상호작용을 최적화해 시스템 효율을 높이는 데 초점을 둔다. 또한 막의 이온전도성, 화학적 안정성, 내오염성 확보는 실제 장기 운전에 필수적인 요소로 다뤄진다. 이 연구 분야는 폐수처리, 바이오자원 활용, 탄소중립형 수소 생산을 하나의 플랫폼 안에서 통합할 수 있다는 장점이 있다. 향후 농축산 바이오매스, 고농도 유기성 폐수, 산업 부산물 등 다양한 원료에 적용되면 친환경 수소 생산과 자원순환 경제 구현에 직접 기여할 수 있다. 따라서 연구실의 생물전기화학 기반 연구는 환경정화 기술을 넘어 분산형 에너지 생산 및 순환형 사회 구축을 위한 핵심 기술로 평가될 수 있다.

최근 연구실은 리튬 배터리 산업에서 발생하는 고염분·고농도 폐수를 대상으로 선택적 이온 분리와 자원회수를 결합한 차세대 재이용 시스템 개발을 추진하고 있다. 배터리 산업 폐수는 리튬, 나트륨, 황산계 이온 등 유가자원과 고농도 염류를 동시에 포함하고 있어, 단순 처리보다는 선택적 회수와 공정 내 재순환이 훨씬 중요하다. 연구실은 이러한 산업적 수요에 대응하기 위해 2차원 소재 기반 Li+ 또는 Na+ 선택전도성 분리막과 레독스 플로우 배터리를 결합한 융합 시스템을 연구하고 있다. 이 접근은 분리막을 이용한 이온 선택 분리와 전기화학적 에너지 저장·회수 기능을 동시에 활용한다는 점에서 차별성이 있다. 연구 과제에서는 five-chamber 구조의 듀얼 레독스 플로우 배터리 시스템을 통해 리튬 폐수 처리와 함께 LiOH, NaOH, H2SO4와 같은 유가물질 회수, 에너지 수확, 탄소 포집까지 통합적으로 수행하는 것을 목표로 한다. 이는 기존 폐수처리 공정의 비용 중심 패러다임에서 벗어나, 폐수를 자원과 에너지의 공급원으로 전환하는 순환형 공정 기술로 해석할 수 있다. 향후 이 연구가 성숙하면 배터리 소재 산업, 자원 재활용 산업, 탄소중립형 제조공정에 중요한 기반기술이 될 수 있다. 특히 국내외에서 배터리 산업 확대와 함께 리튬 자원 확보의 중요성이 커지고 있어, 고효율 선택적 회수 기술의 산업적 가치가 매우 높다. 연구실의 분리막·전기화학 융합 역량은 폐수 재이용, 핵심광물 회수, 공정 탈탄소화를 동시에 실현하는 전략적 환경기술로 발전할 가능성이 크다.