이 연구 주제는 태양광을 직접 화학에너지로 전환하는 광전기화학 시스템을 설계하여, 탄소 배출 없이 수소를 생산하고 다양한 태양연료 전환 반응을 구현하는 데 초점을 둔다. 연구실은 물분해 반응을 위한 광전극, 광촉매, 전극-전해질 계면, 반도체 이종접합 구조를 정밀하게 제어함으로써 광흡수, 전하 분리, 표면 반응 선택성을 동시에 향상시키는 전략을 추구한다. 특히 외부 보조 촉매 없이도 높은 효율을 내는 수소 발생 시스템, 고안정성 광전극, 그리고 반응 경로 제어형 전극 시스템 개발이 핵심 방향이다. 대표 연구 성과로는 co-catalyst-free 광촉매 수소 발생, BiVO4 기반 광양극의 성능 향상, 그리고 반도체-물질 계면의 에너지 밴드 제어를 통한 물질 변환 시스템 개발이 있다. 블랙포스포러스 양자점 감응 BiVO4 광양극, 다중 헤테로정션 단일 나노입자, 광-전기 복합 구동 방식 등은 빛의 흡수 범위를 넓히고 광전류 밀도를 높이며, 수전해 및 solar-to-X 반응의 효율을 끌어올리기 위한 구체적 접근법이다. 이러한 연구는 단순한 소재 개발을 넘어, 전자구조와 계면 반응성을 함께 설계하는 통합적 에너지 변환 공학의 성격을 띤다. 향후 이 분야 연구는 카본프리 수소 생산, 대면적 광전극 실증, 장시간 구동 안정성 확보, 환경 폐기물의 선택적 자원화와 같은 방향으로 확장될 가능성이 크다. 연구실은 수소 생산뿐 아니라 글리세롤, 플라스틱, PFAS, 1,4-다이옥세인 등 다양한 기질의 산화·환원 반응을 통해 고부가가치 화학물 생산으로 연결되는 시스템까지 고려하고 있다. 이는 에너지 생산과 환경 정화를 결합한 차세대 지속가능 에너지 기술로서 높은 파급력을 가진다.

이 연구 주제는 에너지 변환 소자와 저장 소자의 성능을 좌우하는 나노재료 설계와 계면 공학에 집중한다. 연구실은 반도체 내부의 결함, 표면 산소 공공, 상 안정성, 전하 이동 경로, 그리고 이종재료 접합부에서의 에너지 정렬을 정밀 제어함으로써 소자 효율을 높이는 연구를 수행한다. 특히 나노입자, 양자점, 산화물, 페로브스카이트, 그래핀 및 2차원 소재 등 다양한 에너지 나노소재를 활용하여 광전소자와 전기화학 소자의 근본 성능 한계를 극복하고자 한다. 논문과 학술발표 이력을 보면, 페로브스카이트의 상 안정화, SnO2 계면의 산소 공공 저감, TiO2/페로브스카이트 계면의 전자구조 분석, 플라즈모닉 금속 나노구 어레이 제조, 고효율 텐덤 태양전지 및 광양극 개발 등 계면 중심 연구가 매우 강하게 나타난다. 이러한 연구는 소재 자체의 밴드갭이나 결정성뿐 아니라, 실제 소자 구동 시 발생하는 재결합 손실, 전하 추출 비효율, 광흡수 손실을 계면 설계를 통해 해결하려는 접근이다. 또한 DSSC/실리콘 텐덤 태양전지와 같은 융합형 구조는 여러 소재의 장점을 결합해 단일 소자의 성능을 넘어서는 전략으로 볼 수 있다. 이 분야의 확장성은 매우 크다. 계면 공학은 태양전지, 광전기화학 전극, 센서, 촉매, 차세대 전자소자 등 거의 모든 기능성 소재 시스템에 공통적으로 적용되며, 연구실의 특허 포트폴리오 역시 이를 반영한다. 향후에는 더욱 정밀한 계면 분석, 결함 제어, 대면적 공정화, 그리고 기계학습을 활용한 소재-계면 최적화가 결합되면서, 고효율·고안정성 에너지 소자의 실용화 가능성을 한층 높일 것으로 기대된다.

이 연구 주제는 리튬이온전지와 전고체전지 등 차세대 이차전지를 위한 고성능 전극 소재와 제조 공정을 개발하는 데 초점을 둔다. 연구실은 양극 활물질의 코어-쉘 구조 설계, 실리콘 음극의 계면 안정화, 그래핀 기반 유연 전극, 바인더 프리 또는 첨가제 프리 전극 제조, 건식 전극 공정 등 차세대 배터리 제조 기술을 다루고 있다. 이러한 연구는 높은 에너지 밀도와 안정성, 그리고 친환경 공정의 동시 확보를 목표로 한다. 특허와 학회 발표 자료를 보면, 고용량 복합 양극 활물질, 건식 전극 제조법, 실리콘 음극의 저압 구동성 향상, reduced graphene oxide 기반 유연 전극, 분리막 및 복합 전극 구조 등 전지 시스템의 핵심 요소 전반을 연구하고 있음을 확인할 수 있다. 특히 건식 전극 공정은 기존 습식 공정에서 사용되던 유해 용매를 줄이고, 공정을 단순화하며, 고로딩 전극 구현에 유리하다는 점에서 산업적 가치가 높다. 또한 전고체전지용 실리콘 음극 인터레이어 엔지니어링은 차세대 고에너지밀도 전지 상용화와 직결되는 핵심 과제다. 향후 연구는 친환경 제조, 고에너지밀도, 장수명, 기계적 안정성, 대면적 생산성의 균형을 맞추는 방향으로 더욱 심화될 것으로 보인다. 연구실의 접근은 단순한 소재 개발이 아니라 공정-구조-성능 간의 상관관계를 통합적으로 최적화하는 데 강점이 있다. 따라서 전기차, 웨어러블 디바이스, 분산형 에너지 저장 장치 등 다양한 응용 분야에서 실질적인 파급 효과를 낼 수 있는 연구 영역으로 평가된다.

이 연구 주제는 대기 중 또는 배출원에서 포집한 이산화탄소를 다시 유용한 화학물질이나 연료로 전환하는 탄소 네거티브 기술 개발에 초점을 둔다. 연구실은 직접공기포집용 흡착 소재, CO2 전환 촉매, 다중 에너지원 기반 반응 시스템을 결합하여 포집과 전환이 유기적으로 연결된 통합 플랫폼을 구축하고자 한다. 이는 단순 감축을 넘어 실질적으로 순탄소 배출을 마이너스로 만드는 기술이라는 점에서 기후위기 대응의 핵심 축에 해당한다. 진행 중인 대형 과제에서는 MOF/COP 기반 직접공기포집 흡착제 개발, 고효율·고선택성 CO2 변환 촉매 개발, 그리고 광-전기 또는 플라즈모닉-전기 기반의 다중에너지원 반응 시스템 설계가 중요한 축으로 제시된다. 이러한 접근은 희박한 농도의 CO2를 효율적으로 포집해야 하는 직접공기포집의 난제와, 포집된 CO2를 낮은 에너지로 선택적으로 환원해야 하는 전환 공정의 난제를 동시에 다룬다. 더불어 머신러닝을 활용한 소재 및 시스템 최적화는 실험 효율과 설계 정밀도를 높이는 데 기여할 수 있다. 이 연구는 에너지·환경·소재·화학공학이 융합된 대표적 분야로, 장기적으로는 탄소 순환형 산업 생태계의 구축에 기여할 수 있다. 포집 소재의 재생 에너지 비용 절감, 전환 촉매의 선택성 향상, 모듈형 시스템의 스케일업이 달성된다면, 발전·화학·소재 산업 전반에 적용 가능한 플랫폼 기술로 성장할 가능성이 높다. 연구실은 기존의 광전기화학 및 나노소재 역량을 바탕으로 탄소 감축과 자원화를 동시에 실현하는 실용 지향형 연구를 전개하고 있다.