강성구 연구실은 밀도범함수이론(DFT)과 같은 계산화학 기법을 활용하여 촉매의 전자구조, 흡착 특성, 반응 경로를 정밀하게 분석하고, 이를 바탕으로 고성능 촉매를 합리적으로 설계하는 연구를 수행한다. 연구의 핵심은 실험적 시행착오를 줄이면서도 에너지·환경 공정에 적합한 촉매 후보를 빠르게 발굴하는 데 있으며, 금속 표면, 합금 촉매, 산화물, 페로브스카이트, 탄소 기반 재료 등 다양한 플랫폼을 대상으로 한다. 이러한 접근은 촉매화학공학과 재료설계를 연결하는 대표적인 계산 기반 연구 전략으로 볼 수 있다. 구체적으로 연구실은 암모니아 산화 반응, 암모니아 분해, 탈수소화 반응, 기체 흡착 및 표면 반응 메커니즘 해석에 강점을 보인다. 학술발표 및 논문 실적을 보면 Pt 기반 합금, Pt-Ir 이원금속 촉매, CeO2 담지 촉매, TiPc 기반 클러스터 촉매, LOHC 탈수소화용 촉매 등 다양한 계를 대상으로 반응 중간체의 안정성, 활성화 장벽, 선택성 변화를 계산적으로 규명하고 있다. 이는 촉매 활성뿐 아니라 CO 내성, 내구성, 반응물 친화도까지 포함한 다차원 최적화를 지향한다는 점에서 산업적 의미가 크다. 이 연구는 차세대 에너지 변환 시스템과 청정 화학공정의 기반 기술로 확장될 가능성이 높다. 계산화학을 활용한 촉매 스크리닝은 연료전지, 수전해, 수소 생산, 유해가스 저감, 탄소중립 공정 개발에 직접적으로 기여할 수 있으며, 향후에는 멀티스케일 시뮬레이션 및 실험 검증과 결합해 더욱 정교한 촉매 설계 플랫폼으로 발전할 수 있다. 특히 최근 진행 중인 연료전지 핵심소재 연구와 연계할 때, 계산 기반 예측은 장기 내구성과 상용화 가능성을 동시에 높이는 중요한 도구가 된다.

연구실은 수소 생산, 물 분해, 산소환원반응(ORR), 산소발생반응(OER) 등 에너지 변환 핵심 반응에 적용되는 전기화학 및 광촉매 소재를 개발하고 있다. 특히 그래핀 하이드로겔, 보론 도핑 그래핀 양자점, g-C3N4 기반 나노구조, 원자분산 Pt 활성점 등 저비용·고활성 촉매 플랫폼을 활용해 기존 귀금속 촉매를 대체하거나 보완하는 전략을 추진한다. 이는 전극 반응의 효율 향상과 동시에 안정성, 내구성, 대면적 적용 가능성을 고려하는 응용지향형 연구다. 대표 논문에서는 그래핀 하이드로겔과 보론 도핑 그래핀 양자점 복합체를 이용해 ORR, OER, HER을 동시에 수행할 수 있는 삼기능 전기촉매를 구현하고, 이를 Zn-air 배터리와 전체 물 분해 시스템에 적용하였다. 또한 g-C3N4 육각 나노시트 위에 배위 불포화 원자분산 Pt2+-N4 활성점을 형성하여 광촉매 수소 발생 성능을 크게 향상시킨 연구도 수행하였다. 이러한 결과는 전도성 향상, 활성점 밀도 증가, 이온 확산 최적화, 전하 이동 효율 개선과 같은 재료 설계 원리가 실제 성능 향상으로 연결될 수 있음을 보여준다. 이 분야의 연구는 수소경제와 재생에너지 저장 기술의 고도화에 직접 연결된다. 고효율 전기촉매와 광촉매는 수전해 기반 청정수소 생산, 금속-공기전지 성능 개선, 차세대 에너지 저장장치 개발에 핵심적인 역할을 한다. 강성구 연구실의 접근은 계산화학 기반의 메커니즘 이해와 실제 촉매 소재 구현을 연계한다는 점에서 강점이 있으며, 향후 비귀금속 촉매, 하이브리드 탄소 재료, 연료전지 전극 소재 개발로 연구 범위가 더욱 확장될 것으로 기대된다.

강성구 연구실은 수소의 저장, 방출, 분리, 전환을 위한 기능성 재료 연구를 지속적으로 수행하고 있다. 연구 대상에는 금속-유기구조체(MOF), 페로브스카이트형 수소화물, 프로톤 전도성 산화물, 프로토닉 세라믹 연료전지(PCFC) 핵심 소재 등이 포함되며, 이들 재료의 구조 안정성, 기체 흡착 특성, 이온전도성, 반응성을 계산 및 설계 관점에서 해석한다. 이는 수소의 생산뿐 아니라 저장·운송·이용 전 주기를 포괄하는 통합적 연구 방향이다. 논문 실적에서는 유연한 MOF의 동위원소 선택적 breathing 전이와 코발트 포메이트 기반 수소 동위원소 분리 현상을 다루며, D2와 H2의 미세한 상호작용 차이를 활용한 고선택도 분리 메커니즘을 제시하였다. 또한 학술발표에서는 페로브스카이트형 수소화물의 수소 저장 및 방출 특성, 프로톤 전도성 페로브스카이트 도펀트 스크리닝, LOHC 탈수소화 메커니즘, PCFC 연료극·전해질·공기극 최적화 등 수소 저장 및 연료전지 전반의 주제를 다루고 있다. 이는 단일 소재 개발에 그치지 않고 저장소재와 변환소재를 통합적으로 연구하고 있음을 보여준다. 이 연구는 차세대 수소 인프라 구축과 에너지 시스템 상용화에 큰 의미를 가진다. 동위원소 분리 기술은 핵융합 및 고부가가치 정제 공정에 활용될 수 있고, LOHC와 수소저장체 연구는 안전한 수소 운송과 저장 문제 해결에 기여할 수 있다. 더불어 현재 수행 중인 PCFC 관련 프로젝트는 고효율 연료전지 상용화에 직접 연결되며, 멀티스케일 시뮬레이션과 소재 최적화를 통해 내구성과 성능을 동시에 향상시키는 실용적 성과를 기대하게 한다.