Park Research Lab – Sustainable Catalysis Lab
화학과 박윤수
박윤수 연구실(지속가능 촉매 연구실)은 유기화학, 무기화학, 광화학의 경계를 넘나드는 융합적 연구를 통해 지속가능한 촉매 시스템 개발에 앞장서고 있습니다. 본 연구실은 초기 전이금속을 기반으로 한 새로운 촉매 설계, 빛을 활용한 혁신적 반응 개발, 그리고 데이터 과학을 접목한 반응 최적화 등 다양한 연구를 수행하고 있습니다.
특히, 전이금속 착물을 활용한 광촉매 반응은 기존의 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 경제적이고 친환경적인 대안을 제시합니다. 이러한 촉매 시스템은 빛을 에너지로 활용하여 약한 결합의 형성, 선택적 탄소-수소 결합 활성화, 그리고 새로운 화학적 전환을 가능하게 합니다. 최근에는 가시광선 영역의 빛을 이용한 수소 결합 형성, 암모니아 합성, 유기 분자의 선택적 변환 등 다양한 분야에 적용되고 있습니다.
또한, 데이터 과학 및 기계학습 기법을 도입하여 촉매 반응의 조건 최적화와 새로운 촉매 설계에 혁신을 가져오고 있습니다. 대규모 실험 데이터와 계산화학 데이터를 통합 분석함으로써, 반응 경로 예측, 최적 조건 도출, 그리고 비대칭 합성 반응의 효율적 개발이 가능해졌습니다. 자동화 흐름 반응 시스템과 실시간 모니터링 기술은 실험의 효율성과 재현성을 극대화하고 있습니다.
지속가능한 수소 및 암모니아 화학 분야에서도 연구실은 빛과 촉매를 결합한 새로운 합성법을 개발하고 있습니다. 이는 기존의 고에너지 공정을 대체할 수 있는 친환경적이고 에너지 효율적인 방법으로, 미래 에너지 및 화학 산업의 패러다임 전환에 기여하고 있습니다.
이처럼 박윤수 연구실은 실험적 연구와 이론적 분석을 유기적으로 결합하여, 지속가능한 화학 합성의 새로운 지평을 열고 있습니다. 다양한 국내외 연구 프로젝트와 산학협력을 통해, 신약 개발, 친환경 화학 공정, 고부가가치 화합물 합성 등 다양한 응용 분야로 연구 성과를 확장하고 있습니다.
Photocatalysis
Enantioselective Reactions
Hydrogenation
초기 전이금속 기반 광촉매 개발
초기 전이금속을 활용한 광촉매 개발은 박윤수 연구실의 핵심 연구 분야 중 하나입니다. 이 연구는 전이금속 착물을 이용하여 빛을 에너지로 변환하고, 이를 통해 화학 반응을 촉진하는 새로운 촉매 시스템을 설계하는 데 중점을 둡니다. 특히, 기존의 귀금속 기반 촉매에 비해 저렴하고 풍부한 초기 전이금속(예: 철, 코발트, 몰리브덴 등)을 활용함으로써 지속가능한 화학 공정의 실현을 목표로 하고 있습니다.
이러한 광촉매 시스템은 빛을 흡수하여 전자적 들뜸 상태를 유도하고, 이를 통해 새로운 반응 경로를 개척할 수 있습니다. 예를 들어, 분자 내 또는 분자 간의 결합 형성, 약한 결합의 활성화, 그리고 기존 촉매로는 달성하기 어려운 선택적 반응을 가능하게 합니다. 최근에는 가시광선 영역의 빛을 활용하여 수소 결합 형성, 암모니아 합성, 유기 분자의 선택적 변환 등 다양한 반응에 적용되고 있습니다.
이 연구는 실험적 접근뿐만 아니라, 분광학적 분석과 이론 계산(DFT 등)을 병행하여 촉매의 작동 원리와 반응 메커니즘을 심도 있게 규명하고 있습니다. 이를 통해 새로운 촉매 설계 원리를 제시하고, 궁극적으로는 에너지 효율적이고 환경 친화적인 화학 합성법 개발에 기여하고 있습니다.
데이터 과학 기반 촉매 반응 최적화 및 비대칭 합성
박윤수 연구실은 데이터 과학과 화학의 융합을 통해 촉매 반응의 효율적 설계와 최적화를 선도하고 있습니다. 최근에는 대규모 실험 데이터와 계산화학 데이터를 통합하여, 반응 조건의 자동화 최적화, 반응 경로 예측, 그리고 새로운 촉매 시스템의 설계에 데이터 기반 접근법을 적극적으로 도입하고 있습니다. 이를 통해 기존의 경험적 방법론을 뛰어넘는 혁신적인 촉매 개발이 가능해졌습니다.
특히, 비대칭 합성 반응에서 데이터 과학적 도구를 활용하여 다양한 리간드, 금속, 반응 조건의 조합을 체계적으로 분석하고, 다변량 회귀분석 및 기계학습 기법을 적용함으로써 최적의 선택성을 갖는 촉매 시스템을 신속하게 도출하고 있습니다. 이러한 접근법은 실시간 반응 모니터링 및 자동화 흐름 반응 시스템과 결합되어, 실험 효율성과 재현성을 극대화하고 있습니다.
이러한 데이터 기반 연구는 화학 반응의 미세한 인자들이 반응 결과에 미치는 영향을 정량적으로 분석할 수 있게 하며, 새로운 촉매 및 합성 전략의 개발을 가속화합니다. 궁극적으로는 신약 개발, 친환경 화학 공정, 고부가가치 화합물의 합성 등 다양한 분야에 응용될 수 있는 플랫폼 기술로 발전하고 있습니다.
지속가능한 수소 및 암모니아 화학
지속가능한 에너지 및 화학 산업을 위한 수소(H₂)와 암모니아(NH₃) 관련 연구도 연구실의 중요한 축을 이룹니다. 박윤수 연구실은 분자 촉매를 이용한 수소 활성화, 저장, 그리고 암모니아 합성에 관한 혁신적인 연구를 수행하고 있습니다. 특히, 빛을 이용한 촉매 반응을 통해 저에너지 조건에서 암모니아를 합성하거나, 수소 결합을 형성하는 새로운 반응 경로를 개척하고 있습니다.
이러한 연구는 기존 하버-보슈(Haber-Bosch) 공정과 같은 고온·고압 기반의 전통적 합성법을 대체할 수 있는 친환경적이고 에너지 효율적인 방법을 제시합니다. 예를 들어, 전이금속 촉매와 가시광선을 결합하여 질소 기체(N₂)와 수소 기체(H₂)로부터 직접적으로 암모니아를 합성하는 반응, 또는 약한 결합의 선택적 형성을 통한 새로운 화학적 전환을 실현하고 있습니다.
이와 같은 지속가능한 화학 연구는 미래 에너지 저장, 운송, 그리고 친환경 비료 생산 등 다양한 산업적 응용 가능성을 지니고 있습니다. 또한, 반응 메커니즘의 심층 분석을 통해 촉매의 효율성과 선택성을 극대화하는 설계 원리를 제시하고, 실용화에 한 걸음 더 다가가고 있습니다.
1
Visible Light Enables Catalytic Formation of Weak Chemical Bonds with Molecular Hydrogen.
Park, Y., Kim, S., Tian, L., Zhong, H., Scholes, G. D., Chirik, P. J.
Nature Chem., 2021
2
Visible Light-Driven, Iridium-Catalyzed Hydrogen Atom Transfer: Mechanistic Studies, Identification of Intermediates and Catalyst Improvements.
Park, Y.†, Tian, L.†, Kim, S., Pabst, T. P., Kim, J., Scholes, G. D., Chirik, P. J.
JACS Au, 2022
3
Synthesis, Electronic Structure, and Reactivity of a Planar Four-Coordinate, Cobalt-Imido Complex.
Park, Y., Semproni, S. P., Zhong, H., Chirik, P. J.
Angew. Chem. Int. Ed., 2021
1
가시광선을 활용한 분자 교정법의 개발(2024년도)
2
(통합EZ)데이터 과학적 도구를 활용한 비대칭 교차 짝지음 반응의 개발과 이해(2024년도)
