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.