이 연구 주제는 물 분해를 통한 청정수소 생산과 같은 에너지 전환 기술에 필요한 고성능 전기촉매를 개발하는 데 초점을 둔다. 연구실은 귀금속 사용량을 줄이면서도 높은 활성과 내구성을 확보할 수 있는 페로브스카이트 산화물, 전이금속 황화물·인화물, 그래핀 복합체 등의 차세대 촉매 소재를 설계하고, 산성 및 알칼라인 환경에서의 반응 거동을 체계적으로 분석한다. 특히 산소발생반응(OER)과 수소발생반응(HER)의 반응 속도 한계를 극복하기 위해 조성 제어, 전자구조 조절, 표면 활성점 최적화 전략을 적극 활용한다. 연구 방법론 측면에서는 3차원 구조화, 이종원소 치환, 결정질-비정질 하이브리드화, 전도성 탄소 지지체 결합과 같은 재료공학적 접근이 핵심이다. 예를 들어 Co-Ni-S-P/그래핀 하이브리드와 같은 다성분 촉매는 넓은 반응 표면적과 향상된 전하 이동 특성을 제공하여 전체 수전해 성능을 높일 수 있다. 또한 산성 수전해 환경에서 안정하게 작동할 수 있는 페로브스카이트 기반 촉매 연구를 통해, 기존 Ir·Ru 기반 귀금속 촉매 의존도를 낮추는 방향의 기술적 대안을 제시한다. 이 연구는 궁극적으로 저탄소 수소 경제 실현을 위한 핵심 소재 기술로 이어질 수 있다. 고활성·고내구성 전기촉매의 확보는 PEM 수전해, 알칼라인 수전해, 차세대 전해 시스템의 상용화 가능성을 높이며, 재생에너지 기반 수소 생산 공정의 경제성을 개선하는 데도 중요하다. 따라서 본 주제는 에너지·환경 문제를 동시에 해결할 수 있는 나노소재 기반 전기화학 연구의 중심축이라고 볼 수 있다.

이 연구 주제는 탄소 배출이 큰 기존 하버-보슈 공정을 대체할 수 있는 차세대 그린 암모니아 생산 기술 개발을 목표로 한다. 연구실은 전기화학적 질소환원반응(NRR), 특히 리튬 매개 반응 경로를 활용하여 상온·상압 조건에서 선택적이고 효율적인 암모니아 합성을 구현하고자 한다. 최근 수행 중인 기체확산전극 기반 연구는 질소 공급, 반응 계면 제어, 전하 전달 효율 향상을 동시에 고려하는 접근으로, 암모니아 생산의 실질적 성능 향상에 중요한 기반을 제공한다. 핵심 연구 요소는 전극 소재 설계와 반응 환경 최적화이다. 환원전극과 산화전극에 다양한 기체확산전극을 도입하여 질소, 전해질, 촉매 표면이 만나는 삼상계면을 정밀하게 제어하고, 리튬 매개 질소환원에서 발생하는 선택성 저하 요인과 경쟁 반응을 줄이는 전략을 개발한다. 또한 전극 표면의 나노구조, 기공 구조, 전해질 상호작용, 리튬 종의 생성 및 재생 메커니즘을 분석하여, 암모니아 생성 수율과 패러데이 효율을 동시에 높이는 방향으로 연구를 진행한다. 이 주제는 재생에너지와 연계된 분산형 화학 생산 시스템으로 확장될 수 있다는 점에서 산업적 의미가 크다. 그린 암모니아는 비료 원료일 뿐 아니라 수소 저장체, 무탄소 연료, 에너지 운반체로서도 주목받고 있어, 해당 기술이 성숙하면 에너지 전환 및 화학 산업 전반에 큰 파급효과를 낼 수 있다. 따라서 이 연구는 전기화학, 촉매, 나노소재, 공정 설계를 아우르는 융합형 차세대 에너지 화학 연구라고 할 수 있다.

이 연구 주제는 리튬 금속전지와 리튬-산소전지와 같은 차세대 이차전지 시스템에 적용되는 고기능성 전극 및 보호층 소재 개발을 다룬다. 연구실은 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 배터리 시스템에서 반복적으로 발생하는 덴드라이트 성장, 전극 열화, 큰 과전압, 느린 이온 이동 등의 문제를 해결하기 위해 금속-유기골격체(MOF), 산화물-그래핀 복합체, 표면 기능화 보호층 등을 활용한 소재 설계를 수행한다. 이는 단순한 배터리 성능 향상을 넘어 안전성과 수명 향상을 동시에 달성하기 위한 핵심 연구이다. 대표적으로 MgF2가 도입된 UiO-66 기반 인공 보호층 연구는 리튬 이온의 탈용매화와 수송 동역학을 제어하여 덴드라이트 없는 리튬 금속전지를 구현하는 방향을 보여준다. 또한 CuGeO3/그래핀 복합체와 같은 1D/2D 하이브리드 구조는 산소환원반응(ORR)과 산소발생반응(OER) 활성을 높여 리튬-산소전지의 충방전 효율 및 사이클 안정성 향상에 기여한다. 이러한 연구는 소재의 결정구조, 계면 결합, 전도성 네트워크 형성, 표면 화학 제어가 전지 성능에 미치는 영향을 정밀하게 규명하는 데 기반한다. 차세대 전지 분야에서 본 연구의 의의는 고에너지 저장장치 상용화를 가로막는 핵심 병목을 소재 차원에서 해결하려는 데 있다. 안정적인 리튬 금속 음극과 고활성 산소 전극이 확보되면 전기차, 대용량 에너지 저장장치, 휴대형 전자기기용 배터리 성능이 비약적으로 향상될 수 있다. 따라서 이 연구는 에너지 저장 기술의 미래를 좌우하는 재료 혁신 연구로서 높은 학문적·산업적 가치를 가진다.