Multiscale Energy Materials Lab
융합에너지공학과 이병훈
Multiscale Energy Materials Lab은 신재생에너지 전환 및 저장을 위한 혁신적인 소재와 시스템을 개발하는 융합 연구실입니다. 본 연구실은 에너지 소재의 설계 및 합성, 전기화학적 에너지 변환, 탄소 포집 및 전환, 플라스틱 업사이클링 등 다양한 분야에서 세계적인 연구를 선도하고 있습니다.
특히, 원자 수준의 정밀한 소재 설계와 합성 기술을 바탕으로 연료전지, 수전해, 이차전지, 광촉매 등 다양한 에너지 시스템에 적용 가능한 첨단 소재를 개발하고 있습니다. 금속-유기 골격체(MOF/COF), 고엔트로피 합금, 단일 원자 촉매 등 혁신적인 소재를 활용하여 에너지 변환 효율과 내구성을 동시에 극대화하는 연구를 수행합니다.
전기화학적 에너지 변환 및 저장 시스템 분야에서는 프로톤 교환막 수전해(PEMWE), 이산화탄소 전기환원, 고성능 배터리 등 차세대 에너지 기술의 상용화를 위한 핵심 소재와 시스템을 개발하고 있습니다. 실시간 분석 및 이론 계산을 통해 반응 메커니즘을 규명하고, 고활성·고내구성 촉매 및 전극 소재를 구현합니다.
또한, 이산화탄소의 전기화학적 환원 및 촉매적 전환, 폐플라스틱의 광촉매적/전기화학적 업사이클링 등 기후변화 대응과 자원순환을 위한 미래 지향적 연구도 활발히 진행 중입니다. 실험실에서 개발된 기술을 대면적, 장기 운전이 가능한 실용적 시스템으로 확장하여, 지속가능한 에너지 및 자원순환 사회 구현에 기여하고 있습니다.
이처럼 Multiscale Energy Materials Lab은 소재 과학, 전기화학, 촉매, 환경공학 등 다양한 학문 분야의 융합을 통해, 에너지 및 환경 문제 해결을 위한 혁신적인 연구를 지속적으로 추진하고 있습니다.
Electrocatalysis
Advanced Batteries
Photocatalysis
에너지 소재의 설계 및 합성
에너지 소재의 설계 및 합성은 본 연구실의 핵심 연구 분야 중 하나로, 연료전지, 전기촉매, 광촉매, 수전해 및 배터리 등 다양한 신재생에너지 시스템에 적용 가능한 혁신적인 소재를 개발하는 데 중점을 두고 있습니다. 본 연구실은 원자 수준에서의 정밀한 소재 설계와 합성 기술을 통해, 기존 소재의 한계를 극복하고 새로운 기능을 부여하는 연구를 활발히 수행하고 있습니다.
특히, 금속-유기 골격체(MOF), 금속-유기 프레임워크(COF), 고엔트로피 합금, 단일 원자 촉매(SACs, DACs) 등 첨단 소재를 활용하여 에너지 변환 효율을 극대화하고, 촉매의 활성 및 내구성을 동시에 향상시키는 전략을 개발하고 있습니다. 이를 위해 다양한 합성법과 표면/계면 제어 기술, 그리고 나노구조 제어 기법을 접목하여 소재의 구조적·화학적 특성을 정밀하게 조절합니다.
이러한 연구는 수소 생산, 이산화탄소 전환, 차세대 이차전지 등 다양한 에너지 응용 분야에서 뛰어난 성능을 발휘할 수 있는 소재 개발로 이어지고 있으며, 실험과 이론을 결합한 다중 스케일 접근법을 통해 소재의 구조-성능 상관관계를 심층적으로 규명하고 있습니다.
전기화학적 에너지 변환 및 저장 시스템
전기화학적 에너지 변환 및 저장 시스템 연구는 수전해, 연료전지, 이차전지(리튬-황, 리튬-공기, 리튬-이온 등)와 같은 차세대 에너지 기술의 효율성과 안정성을 높이기 위한 핵심 분야입니다. 본 연구실은 전기화학 반응의 활성화와 선택성 향상을 위해 원자 수준에서의 촉매 설계와 전극 구조 최적화에 집중하고 있습니다.
특히, 프로톤 교환막 수전해(PEMWE), 이산화탄소 전기환원, 수소 생산 및 저장, 고성능 배터리 개발 등 다양한 시스템에서의 전기화학 반응 메커니즘을 규명하고, 실시간(Operando) 분석 및 이론 계산을 통해 반응 중 발생하는 구조적·화학적 변화를 정밀하게 추적합니다. 이를 바탕으로, 고활성·고내구성 촉매 및 전극 소재를 개발하여 산업적 적용 가능성을 높이고 있습니다.
이러한 연구는 에너지 전환 효율의 극대화, 장기 안정성 확보, 그리고 친환경적 에너지 생산 및 저장 기술의 상용화에 기여하고 있으며, 실제 산업 현장에서 요구되는 고전류 밀도, 저과전압, 장시간 운전 조건에서도 우수한 성능을 발휘하는 시스템 구현을 목표로 하고 있습니다.
탄소 포집 및 전환, 플라스틱 업사이클링
탄소 포집 및 전환, 그리고 플라스틱 업사이클링은 기후변화 대응과 자원순환을 위한 미래 지향적 연구 분야입니다. 본 연구실은 이산화탄소(CO2)의 전기화학적 환원 및 촉매적 전환을 통해 고부가가치 화합물(예: 에틸렌, 알코올 등)로 전환하는 기술을 개발하고 있습니다. 이를 위해, 산성 및 중성 조건에서 높은 선택성과 효율을 보이는 촉매 및 전극 소재를 설계하고, 실제 반응 환경에서의 구조적 변화와 반응 메커니즘을 심층적으로 분석합니다.
또한, 플라스틱 폐기물의 광촉매적/전기화학적 업사이클링을 통해 수소 등 청정 연료를 생산하는 폐자원 기반 에너지 전환 기술도 연구하고 있습니다. 폐플라스틱의 분해 및 전환 과정에서 발생하는 다양한 중간체와 최종 생성물의 선택적 생산을 위해, 다기능성 촉매와 하이드로젤 기반의 새로운 반응 시스템을 개발하고 있습니다.
이러한 연구는 지속가능한 에너지 및 자원순환 사회 구현에 기여하며, 실험실에서 개발된 기술을 대면적, 장기 운전이 가능한 실용적 시스템으로 확장하는 데 중점을 두고 있습니다.
1
Energy Materials for Electrocatalysis
Nature Catalysis, 1970
2
Energy Materials for Photocatalysis
Nature Materials, 1970
3
Energy Materials for Batteries and Fuel Cell
Adv. Funct. Mater., 1970
