M-design Laboratory
화학과 김형준
M-design Laboratory는 양자화학, 계산화학, 멀티스케일 시뮬레이션 등 첨단 이론 및 계산 방법론을 기반으로 차세대 에너지 소재와 촉매를 설계하고, 그 작동 원리를 원자 및 분자 수준에서 규명하는 융합 연구실입니다. 본 연구실은 밀도범함수이론(DFT), 분자동역학(MD), GW/BSE, QM/MM 등 다양한 계산 기법을 자체적으로 개발 및 활용하여, 전기화학 촉매, 연료전지, 이산화탄소 및 질소 전환, 광촉매, 차세대 태양전지 등 다양한 에너지 및 환경 소재의 구조와 반응 메커니즘을 정밀하게 예측하고 있습니다.
특히, 전기화학적 이산화탄소 환원, 질소 고정, 연료전지 산소환원반응 등에서 고활성·고선택성·고내구성 촉매를 이론적으로 설계하고, 실험적 결과와의 정합성을 통해 새로운 촉매 설계 원리를 제시합니다. 단일 원자 촉매, 금속-질소-탄소(M-N-C) 촉매, 페로브스카이트 태양전지 소재, 2차원 반도체 등 다양한 시스템에서, 활성점 구조와 반응 경로, 계면 현상, 결함 및 도핑 효과 등을 원자 수준에서 규명하여, 맞춤형 소재 개발에 앞장서고 있습니다.
또한, 고체-액체 계면, 촉매 표면, 에너지 소재 등 복잡한 시스템의 거동을 정확히 예측하기 위한 멀티스케일 시뮬레이션 및 이론 방법론을 자체적으로 개발하고 있습니다. DFT-CES, uMBD, GW/BSE-용매화 결합 이론 등은 기존 계산화학의 한계를 극복하며, 실제 실험적 관측과의 정합성, 대규모 소재 데이터베이스 구축, 인공지능 기반 소재 예측 등 다양한 분야로 확장되고 있습니다.
광활성 및 광전기 촉매 소재의 설계와 메커니즘 규명도 본 연구실의 주요 연구 분야입니다. 페로브스카이트, 단일 원자 도핑 산화물, 2차원 반도체 등 다양한 광활성 소재의 전자구조, 광동역학, 계면 반응 메커니즘을 규명하여, 고효율·고안정성 광촉매 및 태양전지 소재 개발에 기여하고 있습니다.
이러한 연구는 고성능 에너지 소재의 개발뿐만 아니라, 지속가능한 에너지 전환 및 저장 기술, 친환경 촉매 및 환경 정화 기술, 미래 소재 과학의 패러다임 전환에 중요한 기여를 하고 있습니다. 이론-실험-데이터 기반의 융합적 연구를 통해, 미래 에너지 및 환경 산업에서 요구되는 혁신적 소재 설계와 신기술 창출에 앞장서고 있습니다.
Graphene Oxide Doping
Perovskite Solar Cells
2D Photocatalysts
전기화학 촉매 및 에너지 소재의 양자화학적 설계
본 연구실은 전기화학 촉매 및 에너지 소재의 혁신적인 설계를 위해 양자화학 기반의 시뮬레이션과 이론적 접근을 적극적으로 활용하고 있습니다. 특히, 밀도범함수이론(DFT)과 다양한 멀티스케일 시뮬레이션 기법을 결합하여, 이산화탄소(CO2) 및 질소(N2) 전환, 연료전지, 수소 생산, 전기화학적 촉매 반응 등 다양한 에너지 변환 반응의 촉매를 원자 수준에서 설계하고 그 반응 메커니즘을 규명합니다. 이러한 연구는 고효율, 고선택성, 고내구성 촉매의 개발을 목표로 하며, 실제 산업적 응용에 적합한 신소재 촉매의 개발로 이어지고 있습니다.
대표적으로, 전기화학적 CO2 환원 반응에서 높은 활성과 선택성을 보이는 촉매를 이론적으로 설계하고, 실험적 결과와의 정합성을 통해 새로운 촉매 설계 원리를 제시하였습니다. 예를 들어, 금속-질소-탄소(M-N-C) 단일 원자 촉매, 페로브스카이트 기반 태양전지 소재, 연료전지용 질소 도핑 탄소 촉매 등 다양한 시스템에 대해 고성능 촉매의 활성점 구조와 반응 경로를 규명하였습니다. 또한, 촉매 표면의 결함, 도핑, 계면 구조 등 미세구조가 촉매 성능에 미치는 영향을 정량적으로 분석하여, 촉매의 활성-안정성 상관관계와 최적화 전략을 제시하고 있습니다.
이러한 연구는 고성능 에너지 소재의 개발뿐만 아니라, 지속가능한 에너지 전환 및 저장 기술의 실현에 중요한 기여를 하고 있습니다. 나아가, 양자화학적 시뮬레이션과 실험의 유기적 연계를 통해, 미래 에너지 산업에서 요구되는 맞춤형 소재 설계와 신기술 창출에 앞장서고 있습니다.
멀티스케일 시뮬레이션 및 이론 방법론 개발
본 연구실은 복잡한 고체-액체 계면, 촉매 표면, 에너지 소재 등 다양한 시스템의 원자 및 분자 수준 거동을 정확히 예측하기 위한 멀티스케일 시뮬레이션 및 이론 방법론을 개발하고 있습니다. 대표적으로, DFT-CES(평균장 QM/MM) 방법, uMBD(보편적 vdW 보정), GW/BSE-용매화 결합 이론 등 다양한 계산화학 기법을 자체적으로 개발하여, 기존 방법의 한계를 극복하고 소재의 전자구조, 계면 반응, 광물성 등 다양한 물성을 정밀하게 예측합니다.
DFT-CES 방법은 고체-액체 계면에서의 전기화학 반응, 촉매 표면에서의 전하 이동, 계면 구조 변화 등을 원자 수준에서 모사할 수 있도록 고안된 혁신적인 시뮬레이션 프레임워크입니다. 또한, uMBD 방법은 금속, 이온성, 반데르발스 결합이 혼재된 다양한 재료에서의 상호작용을 정확히 기술할 수 있도록 개발되었으며, 리튬이온 배터리, 불균일 촉매, 고체-액체 계면 등 다양한 응용 분야에서 높은 신뢰성을 입증하였습니다. GW/BSE-용매화 결합 이론은 2차원 소재 및 광촉매의 밴드 구조, 광학적 특성, 용매 효과 등을 정밀하게 예측할 수 있어, 차세대 에너지 소재 설계에 핵심적인 역할을 하고 있습니다.
이러한 방법론 개발은 단순히 계산 정확도 향상에 그치지 않고, 실제 실험적 관측과의 정합성, 대규모 소재 데이터베이스 구축, 인공지능 기반 소재 예측 등 다양한 분야로 확장되고 있습니다. 본 연구실은 이론-실험-데이터 기반의 융합적 연구를 통해, 미래 소재 과학의 패러다임을 선도하고 있습니다.
광활성 및 광전기 촉매 소재의 설계와 메커니즘 규명
광활성 및 광전기 촉매 소재는 차세대 태양전지, 인공광합성, 환경 정화 등 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 합니다. 본 연구실은 DFT, 전자기 시뮬레이션, 분자동역학 등 다양한 계산화학 기법을 활용하여, 페로브스카이트, 단일 원자 도핑 산화물, 2차원 반도체 등 다양한 광활성 소재의 전자구조, 광동역학, 계면 반응 메커니즘을 규명하고 있습니다.
예를 들어, 납 프리 페로브스카이트(Cs2Au2I6) 소재의 대칭 깨짐에 의한 밴드갭 조절, 단일 원자 Cu가 도핑된 TiO2 광촉매의 광활성화 메커니즘, 수용액 내 광(전기)촉매의 밴드 엣지 예측 등 다양한 시스템에서, 실험적으로 관측된 특이 현상의 원인을 이론적으로 해명하였습니다. 또한, 광활성 소재의 결함, 도핑, 계면 구조가 광흡수, 전하 분리, 촉매 활성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하여, 고효율·고안정성 광촉매 설계의 새로운 원리를 제시하고 있습니다.
이러한 연구는 고효율 태양전지, 인공광합성, 환경 오염물 분해 등 다양한 응용 분야에서 혁신적인 소재 개발로 이어지고 있습니다. 본 연구실은 이론적 예측과 실험적 검증의 유기적 연계를 통해, 미래 친환경 에너지 및 환경 기술의 실현에 기여하고 있습니다.
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H.-K. Lim, H. Lee, and H. Kim, J. Chem. Theory Comput., 2016, 12, 10, 5088-5099 (a general methodology + parameters for hydrogen bond)
H.-K. Lim, H. Lee, H. Kim
J. Chem. Theory Comput., 2016
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S Gim, H.-K. Lim, and H. Kim, J. Phys. Chem. Lett., 2018, 9, 7, 1750-1758 (parameters for water-graphene)
S Gim, H.-K. Lim, H. Kim
J. Phys. Chem. Lett., 2018
3
S Gim, K. J. Cho., H.-K. Lim, and H. Kim, Sci. Rep., 2019, 9, 14805 (parameters for water-Ag/Au/Pd/Pt)
S Gim, K. J. Cho., H.-K. Lim, H. Kim
Sci. Rep., 2019
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