NRL@KAIST

화학과 송현준

NRL@KAIST(나노촉매 연구실)는 에너지 전환 및 환경 문제 해결을 위한 첨단 나노구조 촉매의 설계, 합성, 분석, 응용에 중점을 두고 있는 연구실입니다. 본 연구실은 이산화탄소 환원, 수소 생성, 메탄 및 에틸렌 등 고부가가치 화합물 생산을 위한 광촉매 및 전기화학 촉매 개발에 집중하고 있으며, 다양한 금속 및 금속 산화물, 합금, 하이브리드 나노입자를 정밀하게 제어하여 촉매의 활성, 선택성, 안정성을 극대화하는 연구를 수행하고 있습니다. 특히, 나노입자의 구조-물성 관계를 심도 있게 분석하고, 촉매 표면의 활성점, 계면, 결함, 도메인 구조 등이 반응 경로와 효율에 미치는 영향을 규명하는 데 초점을 맞추고 있습니다. ZnO-Cu2O 하이브리드 나노입자를 이용한 이산화탄소의 메탄 전환, 구리 기반 나노입자의 에틸렌 선택적 전환, 귀금속 나노별 구조를 통한 고효율 촉매 등 다양한 시스템을 개발하고 있으며, 플라즈모닉 나노입자와 단일 입자 분광법을 활용하여 촉매 반응의 실시간 모니터링과 메커니즘 규명에도 앞장서고 있습니다. 또한, 나노플라즈모닉스와 단일 입자 분광법을 활용하여 나노촉매의 반응 메커니즘을 실시간으로 정밀하게 분석하는 연구를 선도하고 있습니다. 플라즈모닉 나노입자는 빛과 상호작용하여 강한 국소 표면 플라즈몬 공명을 일으키며, 이 특성을 이용해 나노입자 표면에서 일어나는 화학 반응의 미세한 변화를 감지할 수 있습니다. 이를 통해 기존의 벌크 분석으로는 관찰할 수 없었던 개별 입자 수준의 반응 경로, 속도, 구조 변화를 실시간으로 추적할 수 있습니다. 유기금속화학을 기반으로 한 다양한 하이브리드 나노촉매의 합성과 그 응용에도 큰 강점을 가지고 있습니다. 팔라듐, 백금, 금, 은 등 귀금속과 전이금속을 다양한 산화물, 실리카, 탄소 구조체와 결합하여, 촉매의 활성점 노출, 전자 구조 조절, 계면 특성 제어를 통해 유기합성, 가스 센싱, 에너지 변환 등 다양한 반응에서 뛰어난 성능을 구현하고 있습니다. 요크-쉘 구조, 코어-쉘 구조, 다중 셸 하이브리드, 비대칭 덤벨 구조 등 정밀한 나노구조 제어 기술을 바탕으로, 촉매의 활성, 선택성, 내구성을 극대화하고 있습니다. 이러한 연구는 궁극적으로 태양광, 전기 등 재생에너지를 활용한 친환경 화학공정의 실현을 목표로 하며, 대량 생산 및 산업적 적용 가능성을 높이기 위한 촉매의 내구성, 재사용성, 공정 최적화 연구도 병행하고 있습니다. 이를 통해 지속가능한 에너지 사회 구현과 탄소중립 실현에 기여하고자 하며, 나노과학 및 재료화학 분야의 새로운 패러다임을 제시하고 있습니다.