김효연 연구실의 핵심 연구 주제 가운데 하나는 전이금속 기반 나노소재의 결함을 정밀하게 제어하여 전기화학 촉매 성능을 높이는 것이다. 연구실은 고체무기화학의 관점에서 산화물, 질화물, 인화물, 황화물 등 다양한 무기 고체의 결정구조와 전자구조를 이해하고, 빈자리 결함, 표면 홀 구조, 비정상 배위 환경과 같은 활성 요소를 도입해 반응성이 높은 촉매를 개발한다. 이러한 접근은 귀금속 의존도를 낮추면서도 높은 활성과 안정성을 동시에 확보하기 위한 전략으로 중요하다. 특히 수소 발생 반응(HER), 산소 발생 반응(OER), 산소 환원 반응(ORR)과 같이 에너지 저장·전환 장치의 핵심이 되는 전기화학 반응에서 결함은 반응 중간체의 흡착 세기와 전하 이동 경로를 좌우한다. 연구실은 vacancy-engineered NiO 촉매, 표면 반응성이 조절된 페로브스카이트 산화물, 활성자리가 극대화된 2차원 나노시트 등을 통해 반응 과전압을 낮추고 장시간 구동 안정성을 향상시키는 방향으로 연구를 수행한다. 또한 방사광 및 분광 분석을 활용해 결함이 실제 반응 메커니즘에 미치는 영향을 해석하며, 구조-성능 상관관계를 체계적으로 규명한다. 이 연구는 차세대 수전해, 금속-공기전지, 친환경 연료 생산과 같은 에너지 기술에 직접적으로 연결된다. 결함공학을 통해 얻어진 고활성 촉매는 저비용·고효율 전극 소재 개발에 기여할 수 있으며, 향후에는 전기화학 반응뿐 아니라 광촉매, 질소 환원, 바이오매스 전환 등으로 응용 범위를 넓힐 수 있다. 연구실은 합성, 구조분석, 반응평가를 유기적으로 결합하여 실용성과 학문성을 모두 갖춘 촉매 플랫폼을 구축하고 있다.

연구실은 원자 수준으로 얇은 2차원 무기 나노시트를 차세대 촉매 및 전극 소재의 핵심 빌딩블록으로 활용하는 연구를 활발히 수행하고 있다. 층상 구조 물질을 박리하거나 재적층하는 방식으로 넓은 비표면적과 풍부한 노출 활성자리를 확보하고, 전도성 및 기계적 안정성을 동시에 향상시키는 혼성 구조를 설계한다. 이는 기존 벌크 소재가 갖는 낮은 활성면 노출도와 느린 전하 이동 문제를 극복하기 위한 전략이다. 특히 전도성 2차원 무기 나노시트와 다른 촉매상 또는 금속 나노입자·단일원자를 결합해 전자적 결합이 강화된 하이브리드 촉매를 구현하는 데 강점이 있다. 나이오븀 질화물, 다금속 산화물, 전이금속 칼코게나이드, 금속 인화물 기반 나노시트 등은 전하 수송 경로를 제공하는 동시에 촉매 활성종을 안정화하는 기판으로 작용한다. 특허로 이어진 전기화학 촉매용 2차원 나노시트, 재적층 혼성나노시트, MoS2 기반 전극 재료 연구는 이러한 방향성을 잘 보여주며, 대면적·초박막 구조와 대량합성 가능성까지 고려한 실용 지향적 연구가 이루어지고 있다. 이러한 2차원 혼성 구조 연구는 고성능 수전해 전극, 금속-공기전지용 촉매, 차세대 이차전지 전극 등 다양한 에너지 소자에 파급효과를 가진다. 구조적 유연성과 조성 설계의 자유도가 높기 때문에, 향후 단일원자 촉매 지지체, 광전기화학 플랫폼, 다기능 복합 전극으로의 확장 가능성도 크다. 연구실은 2차원 무기화학과 계면 설계를 결합하여, 성능뿐 아니라 구조 안정성과 제조 용이성까지 고려한 차세대 소재 개발을 추진하고 있다.

김효연 연구실은 엑솔루션(exsolution) 전략을 활용해 금속 촉매를 전도성 무기 매트릭스 내부 또는 표면에 안정적으로 고정화하는 연구를 수행하고 있다. 엑솔루션은 고체 내부에 치환된 금속 성분을 반응 과정에서 나노입자, 나노클러스터, 단일원자 형태로 석출시키는 방법으로, 높은 분산도와 우수한 내구성을 동시에 얻을 수 있다는 장점이 있다. 연구실은 질화, 인화, 황화와 같은 음이온화 반응을 정교하게 활용해 입자 크기와 분산 상태를 제어하는 고도화된 합성법을 제시하고 있다. 최근 연구에서는 루테늄이 치환된 층상 이중 수산화물로부터 금속 나노촉매를 엑솔루션시키고, 동시에 금속 질화물 또는 금속 인화물 매트릭스로 상전환시키는 방법을 통해 우수한 수소 발생 촉매를 구현하였다. 질화 반응에서는 나노클러스터, 인화 반응에서는 단일원자 수준의 촉매 종을 형성하는 등 반응성 차이를 이용한 크기 조절이 핵심이다. 이 과정에서 촉매 금속과 지지체 사이의 강한 전자적 상호작용이 형성되며, 내구성과 전하 전달 효율이 크게 향상된다. 이는 단순 담지형 촉매보다 구조적으로 더 안정하고 작동 중 집합이나 탈리가 적다는 점에서 중요한 의미가 있다. 이 연구는 비귀금속 또는 저귀금속 기반 고효율 촉매 개발이라는 점에서 경제성과 기술성을 동시에 갖는다. 단일원자 촉매, 나노클러스터, 다공성 전도성 지지체를 하나의 플랫폼으로 통합함으로써, 수전해와 연료전지뿐 아니라 다양한 전기화학 변환 반응에 적용 가능한 범용성을 보여준다. 향후에는 반응 환경에 따른 활성종의 동적 변화, 계면 전자구조의 실시간 추적, 대면적 전극화 기술과 결합하여 산업화 가능성을 높이는 연구로 발전할 수 있다.