전기화학적 이산화탄소 환원 반응(CO2RR)은 이산화탄소를 전기 에너지를 이용해 고부가가치 화합물로 전환하는 첨단 기술입니다. 본 연구실에서는 CO2RR을 통해 메탄, 에틸렌, 에탄올, 포름산 등 다양한 탄화수소 및 산소화합물을 생산하는 데 주력하고 있습니다. 이를 위해 이산화탄소의 환원 경로를 정밀하게 제어할 수 있는 이종 촉매 개발과 반응 중간체의 결합 에너지 조절에 관한 연구를 수행하고 있습니다. CO2RR의 효율성과 선택성을 높이기 위해 전극 표면에서 일어나는 프로톤-전자 결합 전달, 전기 이중층 형성 등 반응 메커니즘을 심층적으로 분석합니다. 실시간 분광학적 분석(XAS, 라만 분광 등)을 통해 촉매의 산화 상태와 중간체의 결합 변화를 추적하며, 이를 바탕으로 촉매의 구조적·화학적 특성을 최적화합니다. 또한, 전해조 및 전극 시스템(플로우 셀, MEA 등)의 설계와 공정 조건 제어를 통해 실제 산업 적용 가능성을 높이고 있습니다. 이러한 연구는 탄소 중립 사회 실현을 위한 핵심 기반 기술로, 이산화탄소의 자원화와 재생에너지 활용의 시너지를 극대화할 수 있습니다. 본 연구실은 CO2RR의 근본적 이해와 혁신적 촉매 및 시스템 개발을 통해 지속 가능한 에너지 및 화학 산업의 미래를 선도하고자 합니다.

전기화학 촉매는 물, 이산화탄소, 바이오매스 등 다양한 원료를 전기 에너지를 이용해 고부가가치 화합물로 전환하는 데 필수적인 역할을 합니다. 본 연구실은 금속, 합금, 금속화합물(산화물, 황화물, 질화물, 탄화물 등) 기반의 나노소재를 설계하고, 이들의 표면 및 계면 구조를 정밀하게 제어하는 합성법을 개발하고 있습니다. 기브스 자유 에너지, 화학 퍼텐셜 계산 등 열역학적 이론을 바탕으로 다성분 소재의 상변화와 성장 경로를 예측하고, 이를 실제 합성에 적용하여 새로운 촉매 플랫폼을 구축합니다. 특히, 나노소재의 표면적과 계면 구조가 전기화학 반응의 활성 및 선택성에 미치는 영향을 규명하고, 이종계(금속/금속화합물, 금속/탄소, 금속/유기물 등)에서의 상호작용을 심층적으로 연구합니다. 다양한 합성 조건(온도, 압력, 조성 등)을 조절하여 결정립계, 상계면, 다상 복합체의 미세구조를 정밀하게 조절함으로써, 촉매의 내구성과 효율을 극대화합니다. 이러한 소재 개발은 이산화탄소 환원, 수소 발생, 산소 발생, 바이오매스 전환 등 다양한 전기화학 반응에 적용될 수 있으며, 궁극적으로 에너지 변환 및 저장 시스템의 성능 향상에 기여합니다. 본 연구실은 소재 과학과 전기화학의 융합을 통해 차세대 친환경 에너지 기술의 혁신을 이끌고 있습니다.

전기화학 반응의 근본적인 이해를 위해서는 반응 메커니즘의 규명이 필수적입니다. 본 연구실은 오페란도 X-선 흡수 분광(XAS), XANES, EXAFS, 인-시투 라만 분광 등 첨단 실시간 분광 분석 기법을 활용하여, 촉매의 산화 상태 변화, 활성점의 구조적 변화, 반응 중간체의 결합 및 해리 과정을 실시간으로 추적합니다. 이를 통해 전기화학 반응에서 일어나는 복잡한 전자 및 원자 이동 경로를 명확히 밝히고 있습니다. 실시간 분광 분석은 촉매의 활성화 과정, 중간체의 생성 및 소멸, 반응 경로의 전환점 등을 정밀하게 관찰할 수 있게 하여, 기존의 정적 분석으로는 알 수 없었던 동적 반응 특성을 규명할 수 있습니다. 이러한 데이터는 촉매 설계 및 반응 조건 최적화에 직접적으로 활용되며, 반응 효율과 선택성 향상에 중요한 역할을 합니다. 본 연구실은 실험적 분광 분석과 이론적 계산을 결합하여, 전기화학 반응의 미시적 메커니즘을 체계적으로 해석하고 있습니다. 이를 통해 새로운 촉매 개발과 반응 시스템 설계에 있어 과학적 근거를 제공하며, 궁극적으로 고효율·고선택성 전기화학 변환 기술의 실현을 목표로 하고 있습니다.