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Energy Conversion Materials Lab

충남대학교 에너지공학과

정남기 교수

Hydrogen Production

Water Electrolysis

Metal-based Electrocatalysts

Energy Conversion Materials Lab

에너지공학과 정남기

에너지전환소재연구실(Energy Conversion Materials Lab)은 전기화학적 에너지 변환을 위한 첨단 나노소재 및 촉매 개발에 중점을 두고 있습니다. 본 연구실은 연료전지, 수전해, 슈퍼커패시터 등 다양한 에너지 변환 시스템에서 요구되는 고성능, 고내구성 촉매의 설계와 합성, 그리고 실제 시스템 적용에 이르기까지 전주기적 연구를 수행하고 있습니다. 특히, 카본쉘 캡슐화 금속 나노입자, 금속-탄소 하이브리드, 유무기 하이브리드 촉매, 단원자 촉매 등 다양한 구조의 혁신적 촉매를 개발하여, 연료전지의 산소환원반응(ORR), 수소산화반응(HOR), 수전해 반응 등에서의 활성 및 내구성을 극대화하고 있습니다. 카본쉘의 두께, 기공 구조, 결함 제어 등 미세구조 조절을 통해 촉매의 선택성과 안정성을 높이고, 실제 대면적 연료전지 스택에서의 성능 편차와 내구성 저하 문제를 해결하고 있습니다. 또한, 촉매의 대량 합성 및 MEA(막-전극 접합체) 부품화 기술, 잉크 조성 제어, 촉매층 구조 최적화 등 시스템 통합 연구를 통해, 산업 현장에 적용 가능한 실용적 기술 개발에도 앞장서고 있습니다. 정부 및 산업체와의 다양한 협력 과제를 통해 차세대 수소 모빌리티, 발전용 연료전지, 친환경 도시형 발전소 등 실질적 응용 분야로 연구를 확장하고 있습니다. 본 연구실은 국내외 특허, SCI급 논문, 학회 발표 등으로 활발히 연구 성과를 공유하며, 에너지 전환 시대의 핵심 기술 확보와 연료전지 산업의 경쟁력 강화에 기여하고 있습니다. 앞으로도 에너지 소재 및 촉매 분야의 혁신을 선도하며, 친환경 에너지 사회 실현에 이바지할 것입니다. 연구실 구성원들은 다양한 배경과 전문성을 바탕으로, 창의적이고 도전적인 연구를 지속하고 있습니다. 이를 통해 미래 에너지 기술의 패러다임 전환을 이끌고, 지속가능한 사회 구현에 앞장서고 있습니다.

Hydrogen Production
Water Electrolysis
Metal-based Electrocatalysts
카본쉘 캡슐화 금속 촉매의 설계 및 응용
카본쉘 캡슐화 금속 촉매는 연료전지 및 수전해 시스템에서 핵심적인 역할을 담당하는 첨단 나노소재입니다. 본 연구실에서는 금속 나노입자를 초박막 카본쉘로 감싸는 구조를 정밀하게 설계하여, 촉매의 내구성과 선택성을 극대화하는 연구를 수행하고 있습니다. 카본쉘은 금속 표면을 외부 환경으로부터 보호함과 동시에, 전자 및 이온의 이동을 조절하여 촉매 반응의 효율을 높입니다. 이를 통해 연료전지의 장기 운전에서 발생하는 금속 용출, 응집, 산화와 같은 문제를 효과적으로 억제할 수 있습니다. 특히, 카본쉘의 두께, 기공 구조, 결함 제어 등 미세구조 조절을 통해 촉매의 활성 부위를 최적화하고, 다양한 가스 환경(예: 수소, 이산화탄소, 일산화탄소)에서의 선택적 반응성을 구현하고 있습니다. 최근에는 그래핀, 하이브리드 유무기 소재 등 다양한 카본 기반 소재를 활용하여, 기존의 한계를 뛰어넘는 고성능 촉매를 개발하고 있습니다. 이러한 연구는 수소 연료전지, 암모니아 연료전지, 직접 메탄올 연료전지 등 다양한 차세대 에너지 변환 시스템에 적용되고 있습니다. 본 연구실의 카본쉘 캡슐화 촉매 연구는 국내외 특허와 다수의 국제 저널 논문으로 그 우수성이 입증되고 있으며, 실제 산업 현장에 적용 가능한 대량 합성 기술 및 MEA(막-전극 접합체) 부품화 기술 개발로 이어지고 있습니다. 이를 통해 친환경 에너지 사회 실현과 연료전지 상용화에 기여하고 있습니다.
혁신적 촉매 설계와 연료전지 시스템 내구성 향상
연료전지의 상용화와 장기 운전을 위해서는 촉매의 활성뿐만 아니라 내구성, CO 내피독성, 구조적 안정성 등이 필수적으로 요구됩니다. 본 연구실은 혁신적인 촉매 설계 전략을 통해 연료전지 시스템의 기술적 난제를 해결하고자 다양한 접근을 시도하고 있습니다. 대표적으로, 금속-탄소 하이브리드, 금속 합금, 단원자 촉매, 유무기 하이브리드 촉매 등 다양한 구조의 촉매를 개발하여, 산소환원반응(ORR), 수소산화반응(HOR), 수전해 반응 등에서의 성능을 극대화하고 있습니다. 특히, 촉매 표면의 전자 구조 제어, 이종 금속 도핑, 표면 개질, 결함 공학 등 첨단 나노공정 기술을 접목하여, CO 및 기타 독성 가스에 대한 내피독성을 높이고, 촉매의 장기 내구성을 확보하고 있습니다. 또한, 촉매의 대량 합성 및 MEA 구조 최적화, 잉크 조성 제어, 촉매층 두께 및 조성 비율 조절 등 시스템 전반에 걸친 통합적 연구를 수행함으로써, 실제 대면적 연료전지 스택에서의 성능 편차와 내구성 저하 문제를 해결하고 있습니다. 이러한 혁신적 촉매 설계 연구는 다양한 정부 및 산업체 과제와 연계되어, 차세대 수소 모빌리티, 발전용 연료전지, 친환경 도시형 발전소 등 실질적 응용 분야로 확장되고 있습니다. 본 연구실의 연구 성과는 국내외 특허, 학술지 논문, 학회 발표 등으로 활발히 공유되고 있으며, 연료전지 산업의 경쟁력 강화와 에너지 전환 시대의 핵심 기술 확보에 기여하고 있습니다.
유무기 하이브리드 및 금속 기반 전기화학 촉매 개발
본 연구실은 유무기 하이브리드 소재와 금속 기반 전기화학 촉매의 개발을 통해 연료전지 및 수전해 시스템의 효율과 내구성을 극대화하는 연구를 선도하고 있습니다. 유무기 하이브리드 촉매는 금속 나노입자와 유기 분자, 또는 금속 산화물과 탄소 소재를 결합하여, 전기화학적 활성 부위의 전자 구조와 표면 특성을 정밀하게 제어할 수 있습니다. 이를 통해 산소환원반응, 수소발생반응, 산소발생반응 등 다양한 전기화학 반응에서 뛰어난 촉매 성능을 구현하고 있습니다. 특히, 금속 합금 촉매(예: PtCo, PtNi, Fe-N-C 등), 단원자 촉매, 금속 산화물-탄소 복합체 등 다양한 구조의 촉매를 설계하여, 반응 선택성, 활성, 내구성, 비용 효율성 등 여러 측면에서 기존 촉매의 한계를 극복하고 있습니다. 또한, 촉매 표면의 분자 수준 개질, 전자 효과 조절, 표면 결함 도입 등 첨단 나노공정 기술을 활용하여, 촉매의 전기화학적 특성을 극대화하고 있습니다. 이러한 유무기 하이브리드 및 금속 기반 촉매 연구는 수소 생산, 연료전지, 슈퍼커패시터, 이차전지 등 다양한 에너지 변환 및 저장 시스템에 적용되고 있습니다. 본 연구실은 촉매의 대량 합성, 구조 분석, 전기화학적 평가, 시스템 통합 등 전주기적 연구를 통해, 차세대 에너지 소재 분야의 혁신을 이끌고 있습니다.
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Pressure-induced size control: A protective-layer-free strategy for sub-4 nm PtFe@Pt intermetallic electrocatalysts for the oxygen reduction reaction
Hyun-Uk Park, Iksung Lim, Eunjik Lee, Min Ho Seo, Jong Min Lee, Byeong-Seon An, Narim Kim, Yongmin Kwon, Swan Kim, Namgee Jung, Gu-Gon Park
Chem. Eng. J., 2025
2
Design of hybrid electrocatalyst (Fe/FeSx/NC/MoWOxSy) through disproportionation reaction for water splitting: Role of multiple interfaces for improving reaction kinetics
Sourabh S. Chougule, Rakesh Kulkarni, Ernesto Chicardi, Krishnamoorthy Shanmugaraj, Mohammad Raish, Clament Sagaya Selvam, A. Anto Jeffery, Namgee Jung
ACS Appl. Mater. Interfaces, 2025
3
Charge transfer dynamics and tuning of reorganization energy in graphene-encapsulated Co-based alloy catalysts for fuel cells
A. Anto Jeffery, Sourabh S. Chougule, Monika Sharma, Yunjin Kim, Keonwoo Ko, Jiho Min, Hyung‐Kyu Lim, Namgee Jung
Nanoscale, 2025
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차세대 글로벌 신재생 에너지 전문가 양성
한국에너지기술평가원
2024년 05월 ~ 2025년 04월
2
그래핀 보호층 적용 초저백금 촉매 양산기술 및 MEA 부품화 기술개발
한국산업기술기획평가원
2024년 04월 ~ 2024년 12월
3
타겟 맞춤형 연료전지 응용을 위한 sub-nm 수준의 자가조립 카본쉘 캡슐화 나노입자 개발
한국연구재단
2024년 03월 ~ 2025년 02월