우리 연구실은 차세대 에너지 저장 장치의 성능 향상을 위해 다양한 나노소재의 합성 및 구조 제어에 중점을 두고 있습니다. 특히, 리튬-이온 및 리튬-황 배터리, 슈퍼커패시터 등 고효율 에너지 저장 시스템에 적용 가능한 나노구조 탄소, 금속 산화물, 금속 황화물, 그리고 다공성 복합체의 개발에 주력하고 있습니다. 이러한 소재들은 높은 표면적, 우수한 전기전도성, 그리고 구조적 안정성을 바탕으로 기존 소재의 한계를 극복하고자 합니다. 연구실에서는 다양한 합성 방법론을 도입하여, 나노입자, 나노와이어, 나노시트 등 다양한 형태의 나노소재를 제작합니다. 예를 들어, 실리카 템플릿을 활용한 다공성 탄소 구조체, 금속-그래핀 복합체, 그리고 이종원소 도핑 탄소소재 등이 대표적입니다. 이러한 소재들은 전극의 이온 및 전자 이동 경로를 최적화하여, 에너지 저장 장치의 용량, 수명, 충방전 속도 등 핵심 성능을 크게 향상시킵니다. 특히, 리튬-황 배터리 분야에서는 비전도성 실리카, 규조토 등 자연 유래 소재를 활용한 황 담지 복합체를 개발하여, 폴리설파이드 셔틀 현상 억제와 장기 사이클 안정성 확보에 성공하였습니다. 또한, 고체 전해질 기반의 전고체 배터리에서도 비전도성 호스트를 적용하여, 전해질 분해 억제 및 황의 안정적 고정화라는 혁신적인 결과를 도출하였습니다.

본 연구실은 수소 경제 실현을 위한 연료전지 및 물 분해(수전해) 시스템의 핵심인 고성능 전기촉매 개발에 집중하고 있습니다. 특히, 고가의 백금(Pt) 기반 촉매의 사용량을 줄이면서도 높은 활성과 내구성을 갖는 비백금계 전기촉매, 전이금속 기반 합금, 그리고 이종원소 도핑 탄소 촉매를 설계 및 합성합니다. 이를 통해 산소환원반응(ORR), 산소발생반응(OER), 수소발생반응(HER) 등 다양한 전기화학 반응에서 우수한 촉매 성능을 구현하고 있습니다. 연구실에서는 나노구조 제어, 표면 도핑, 합금화, 그리고 코어-셸 구조 등 다양한 전략을 통해 촉매의 활성점 노출을 극대화하고, 전자구조를 조절하여 반응 선택성과 내구성을 동시에 확보합니다. 예를 들어, Fe-N-C, Co-N-C 등 금속-질소-탄소 복합체, Pt-Mg, Pt-Co, PtP2 등 합금 촉매, 그리고 그래핀 기반 고흑연성 탄소 지지체 위에 나노입자를 균일하게 분산시키는 기술을 개발하였습니다. 이러한 촉매들은 고온 고내구성 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 그리고 알칼라인 수전해 시스템 등 다양한 차세대 에너지 변환 장치에 적용되고 있습니다. 실제로, 본 연구실에서 개발한 촉매는 미국 DOE의 2025년 내구성 기준을 만족하는 등 세계적 수준의 성능과 내구성을 입증하였으며, 산업적 응용 가능성도 활발히 모색되고 있습니다.

우리 연구실은 태양광을 활용한 물 분해 및 이산화탄소(CO2) 전환을 통한 청정 연료(수소, 탄화수소 등) 생산 기술 개발에도 앞장서고 있습니다. 특히, 가시광선 영역에서 높은 효율을 보이는 환원형 TiO2, ZrO2, AgBiS2 등 다양한 반도체 광촉매와, 금속 나노입자 코-촉매를 결합한 복합체를 설계하여, 태양광 기반 수소 생산 및 CO2의 고부가가치 화합물 전환에 적용하고 있습니다. 광촉매 합성에서는 마그네슘 환원, 수소 도핑, 이종원소 도핑, 나노구조 제어 등 다양한 혁신적 방법을 도입하여, 광흡수 범위 확장과 전하 분리 효율을 극대화합니다. 또한, Pt, Ni, Co 등 금속 나노입자를 표면에 정밀하게 분산시켜, 전자 이동 및 반응 활성도를 높이고, 장기적 안정성도 확보하였습니다. 이러한 복합 광촉매는 실제 메탄올-물, 해수, 이산화탄소-수증기 등 다양한 조건에서 우수한 수소 및 탄화수소 생산 성능을 보이고 있습니다. 특히, CO2 전기환원 분야에서는 고활성 나노촉매와 복합체를 활용하여, CO2를 직접적으로 유용한 화학연료(예: 메탄, 에탄올 등)로 전환하는 기술을 선도적으로 개발하고 있습니다. 이는 기후변화 대응과 에너지 전환 시대에 매우 중요한 연구로, 친환경적이며 지속가능한 에너지 생산의 새로운 패러다임을 제시합니다.