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.

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.

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.