본 연구실은 에너지 전환 및 환경 문제 해결을 위한 나노구조 기반 촉매의 설계와 합성에 중점을 두고 있습니다. 특히, 이산화탄소 환원, 수소 생성, 메탄 및 에틸렌 등 고부가가치 화합물 생산을 위한 광촉매 및 전기화학 촉매 개발에 집중하고 있습니다. 다양한 금속 및 금속 산화물, 합금, 하이브리드 나노입자를 정밀하게 제어하여 촉매의 활성, 선택성, 안정성을 극대화하는 연구를 수행하고 있습니다. 이러한 연구는 나노입자의 구조-물성 관계를 심도 있게 분석하고, 촉매 표면의 활성점, 계면, 결함, 도메인 구조 등이 반응 경로와 효율에 미치는 영향을 규명하는 데 초점을 맞춥니다. 예를 들어, ZnO-Cu2O 하이브리드 나노입자를 이용한 이산화탄소의 메탄 전환, 구리 기반 나노입자의 에틸렌 선택적 전환, 귀금속 나노별 구조를 통한 고효율 촉매 등 다양한 시스템을 개발하고 있습니다. 또한, 플라즈모닉 나노입자와 단일 입자 분광법을 활용하여 촉매 반응의 실시간 모니터링과 메커니즘 규명에도 앞장서고 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 합니다.

본 연구실은 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. 특히, 단일 입자 다크필드 분광법과 산란 이미징 기술을 접목하여, 촉매 반응 중 발생하는 구조적 변화, 표면 활성점의 생성 및 소멸, 계면 전하 이동 등을 정량적으로 분석합니다. 예를 들어, 금-은 합금 나노입자, 구리 산화물 나노입자, 금속-반도체 하이브리드 구조 등 다양한 촉매 시스템에서 전기화학적 또는 광화학적 활성화 과정, 반응 중간체의 형성, 전자-정공 재결합 동역학 등을 규명하고 있습니다. 이러한 첨단 분석법은 나노촉매의 설계와 최적화에 필수적인 정보를 제공하며, 궁극적으로 고효율, 고선택성, 고내구성 촉매 개발로 이어집니다. 또한, 이 기술은 환경 센서, 바이오센서, 에너지 변환 소자 등 다양한 응용 분야로 확장될 수 있으며, 나노과학 및 재료화학 분야의 새로운 패러다임을 제시하고 있습니다.

연구실은 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. 특히, 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 구조적 설계는 촉매 표면의 활성점 밀도 증가, 반응물의 확산 경로 최적화, 전자 전달 효율 향상 등 다양한 이점을 제공합니다. 또한, 표면 기능화 고분자, 생체분자, 이종 금속 도입 등을 통해 촉매의 다기능화와 새로운 반응 경로 개척에도 도전하고 있습니다. 이러한 유기금속화학 기반 하이브리드 나노촉매는 탄소-탄소 결합 형성, 수소화, 산화, 가스 감지, 광촉매 반응 등 다양한 유기 및 무기 반응에서 탁월한 성능을 보이며, 실제 산업 공정 및 환경 모니터링, 바이오센서 등 실용적 응용으로의 확장 가능성을 보여주고 있습니다.