정우철 연구실은 페로브스카이트 및 복합 산화물의 표면에서 일어나는 구조 변화와 조성 변화를 정밀하게 분석하고, 이것이 촉매 활성과 내구성에 미치는 영향을 규명하는 연구를 수행한다. 특히 Sr 분리 편석, 표면 양이온 분리, 표면 재구성, 변형률 유도 안정화와 같은 현상은 고온 전기화학 소자에서 반응 속도와 열화 거동을 좌우하는 핵심 변수로 다뤄진다. 대표 논문인 페로브스카이트 산화물의 Sr segregation 연구는 이러한 표면 열화 현상을 근본적으로 이해하는 데 중요한 기반을 제공하며, 연구실의 장기적인 연구 방향을 잘 보여준다. 이 연구는 박막 모델 전극, 원자 수준의 표면 분석, 전기화학 반응 속도 측정, 조성 도핑 및 비금속 이온 도입 같은 방법을 결합하여 수행된다. 단순히 새로운 조성을 합성하는 데 그치지 않고, 온도·가스 분위기·시간에 따라 표면이 어떻게 진화하는지 정량적으로 추적하며, 그 결과를 산소 교환 반응, 산소 환원 반응, 산소 발생 반응과 연결한다. 최근에는 플루오린 도입, 표면 산성도 조절, 전해질-전극 계면 제어 등을 통해 공기극의 활성과 안정성을 동시에 향상시키는 전략도 적극적으로 탐구하고 있다. 이러한 표면 제어 연구는 고체산화물 연료전지와 수전해전지, 프로토닉 세라믹 전지 등 다양한 에너지 변환 시스템의 핵심 성능을 좌우하는 기초 원리를 제공한다. 궁극적으로는 고활성·고안정성 전극 소재 설계 원리를 확립하여, 장시간 구동에서도 열화가 적은 차세대 세라믹 에너지 소자를 구현하는 것이 목표다. 또한 원자 수준에서의 표면 반응 이해는 불균일계 촉매와 금속-산화물 계면 설계 전반으로 확장될 수 있어, 학문적 파급력과 산업적 활용 가능성이 모두 큰 연구 주제이다.

연구실의 핵심 축 중 하나는 고체산화물 연료전지(SOFC), 고체산화물 수전해전지(SOEC), 그리고 프로토닉 세라믹 연료전지(PCFC)와 같은 고온 세라믹 전기화학 소자의 전극 소재와 셀 구조를 개발하는 것이다. 관련 논문과 다수의 국가 연구과제에서 확인되듯이, 연구실은 연료 생산과 전력 생산을 모두 포괄하는 양방향 에너지 변환 소자에 관심을 두고 있으며, 저온화·고성능화·대면적화·장수명화를 동시에 달성하는 방향으로 연구를 확장하고 있다. 특히 산소 전극의 범용화, 프로톤 전도성 세라믹 기반 소자, 직접 암모니아 연료전지 등은 연구실의 대표적인 응용 분야이다. 이 연구에서는 공기극과 연료극의 반응성 향상, 전극 열화 회복, 계면 접합 공정 최적화, 전해질 지지형 셀 설계, 금속지지형 단위셀 개발 등이 유기적으로 연결된다. 실제 프로젝트에서도 실시간 성능 복원 기술, 열화 후 회복률 향상, 대면적 셀 실증, 국산 전해질 기반 첨단 공정 개발 등이 강조되고 있으며, 이는 기초 소재 연구를 소자 수준의 성능 검증으로 연결하는 연구실의 강점을 보여준다. 또한 산소 이온 전도와 프로톤 전도를 모두 고려한 범용 산소 전극 개발은 차세대 가역형 전기화학 셀의 활용성을 크게 넓히는 전략으로 볼 수 있다. 이러한 연구는 그린수소 생산, 고효율 전력 변환, 암모니아 기반 에너지 순환, 분산형 에너지 시스템 구현과 밀접하게 연계된다. 고온 세라믹 전지는 재생에너지의 변동성을 흡수하고 전기와 연료 사이를 효율적으로 전환할 수 있는 핵심 플랫폼이기 때문에, 전극 소재와 계면의 정밀 설계가 기술 경쟁력의 본질이 된다. 정우철 연구실은 소재-전극-셀-시스템을 연결하는 관점에서 고성능 세라믹 에너지 소자 기술을 발전시키며, 실용화 가능성이 높은 에너지 전환 플랫폼 구축에 기여하고 있다.

정우철 연구실은 복합 산화물 표면에서 금속 나노입자를 자발적으로 형성시키는 엑솔루션(ex-solution) 현상을 활용하여, 고활성·고안정성 금속 나노촉매를 설계하는 연구를 활발히 수행하고 있다. 이는 전통적인 담지 촉매와 달리 금속 입자가 산화물 지지체와 강하게 결합된 상태로 형성되어 고온에서도 응집과 탈리를 억제할 수 있다는 장점이 있다. 연구실의 Nature Nanotechnology 논문과 관련 특허들은 금속 나노입자-페로브스카이트 복합 구조체를 연료전지 전극과 가스 센서에 적용하여 기능성과 내구성을 동시에 향상시킨 성과를 보여준다. 이 연구의 방법론은 금속-산화물 계면의 전자구조와 반응성을 정밀하게 설계하는 데 초점이 있다. 수증기 기반 자발적 나노입자 형성, 다성분계 합금 나노입자 설계, 지지체 조성 제어, 표면 비금속 도핑, 산화·환원 분위기 조절 등을 통해 촉매 입자의 크기, 분포, 고정성, 활성점을 조절한다. 최근에는 암모니아 분해, 수소 발생, 메탄 개질, 선택적 역수성가스전환(RWGS), 과산화수소 생산 등으로 응용 영역을 넓히며, 엑솔루션 촉매를 에너지와 환경 촉매 전반에 적용하는 방향으로 발전하고 있다. 이러한 엑솔루션 기반 촉매 연구는 고온 전기화학 전극뿐 아니라 일반적인 불균일계 촉매 반응에도 중요한 설계 원리를 제공한다. 특히 강한 금속-지지체 상호작용을 이용해 나노입자의 안정성과 반응 선택성을 동시에 확보할 수 있다는 점에서 산업적 잠재력이 크다. 연구실은 금속 나노입자의 생성 메커니즘과 계면 기능을 심층적으로 이해함으로써, 고내구성 촉매·센서·에너지 소자에 공통적으로 적용 가능한 범용 소재 플랫폼을 구축하고 있다.