이 연구실은 태양광을 이용해 물로부터 수소를 생산하는 광촉매 및 광전기화학 시스템을 핵심 연구 주제로 다루고 있다. TiO2, CdS, WO3, 철산화물, 구리 델라포사이트 등 다양한 반도체 소재를 활용하여 빛 흡수, 전하 분리, 계면 반응을 정밀하게 제어하고, 이를 통해 태양에너지를 화학에너지로 저장하는 고효율 수소 생산 기술을 개발한다. 특히 단순한 수소 발생 반응의 실험적 확인에 머무르지 않고, 실제 태양광 조건에서 작동 가능한 전극 구조와 반응 시스템을 구축하는 데 연구의 초점을 둔다. 세부적으로는 이종접합 설계, 표면 개질, 미세구조 제어, 패터닝 전극 제작, 전기증착 기반 광전극 합성 등 소재공학적 접근을 통해 광생성 전자와 정공의 재결합을 억제하고 전하 이동을 향상시키는 전략을 수행한다. 연구실의 대표 논문들에서 나타나듯이 수정된 TiO2 기반 광촉매의 전하 전달 메커니즘, WO3 마이크로디스크 배열의 광공명 효과, CdS 기반 태양광 수소 생산 촉매 설계 등은 모두 효율적인 광전환을 위한 핵심 기술 요소이다. 이러한 접근은 광촉매 반응의 양자효율 향상뿐 아니라 장시간 안정성 확보에도 기여한다. 이 연구는 궁극적으로 탄소중립 시대의 청정연료 생산 기술을 실현하는 데 중요한 의미를 가진다. 화석연료 기반 수소 생산을 대체할 수 있는 태양광 수소 생산 시스템은 에너지 전환의 핵심 축이며, 해수 기반 수소 생산, 오프그리드 수소 시스템, 수처리와 결합된 하이브리드 수소 생산 공정으로도 확장될 수 있다. 따라서 본 연구실의 수소 생산 연구는 기초 광화학, 소재 설계, 반응공학, 시스템 통합을 포괄하는 융합형 에너지공학 연구로 평가할 수 있다.

이 연구실은 대기 및 저농도 배출원에 존재하는 이산화탄소를 포집한 뒤, 이를 햇빛을 이용해 고부가가치 화합물로 전환하는 인공광합성 기술을 중점적으로 연구하고 있다. 최근 수행 중인 대기 이산화탄소 인공광합성 공장 개발, 도심 공기 이산화탄소 직접 포집 및 활용 기술 개발, 건축물 일체형 이산화탄소 포집 및 전환 기술 개발 등의 과제는 연구실이 단순한 촉매 반응 연구를 넘어 실제 공기 중 CO2를 활용하는 시스템 수준의 기술 개발을 지향하고 있음을 보여준다. 이는 기후변화 대응과 에너지·화학 원료 생산을 동시에 해결하려는 대표적인 탄소중립형 연구 방향이다. 연구 방법 측면에서는 CO2 흡착 소재 개발, 수분 안정성을 갖는 MOF 및 아민계 포집 소재 설계, 광재생 가능한 포집-전환 통합 공정, 광전기촉매 기반 다전자 환원 반응 제어 등이 주요 축을 이룬다. 실제 논문에서는 CO2와 물로부터 포메이트를 1% 에너지 효율로 합성하는 구리-철 산화물 촉매 시스템을 제시하였으며, 이는 태양광 기반 탄소자원화의 가능성을 보여주는 성과다. 또한 액체화합물 생산용 고효율 광전환 시스템, 유기산 선택적 생산, 바이오매스 유래 원료와의 연계 전환 등 생성물의 선택성과 공정 연속성까지 고려한 연구가 진행되고 있다. 이러한 연구는 CO2를 단순한 온실가스가 아니라 순환 가능한 탄소자원으로 전환하는 기술적 기반을 제공한다. 특히 직접공기포집(DAC)과 태양광 전환을 결합하면 외부 전력 의존도를 낮춘 저에너지 탄소활용 공정이 가능해지며, 건축물·도시 인프라와 통합된 분산형 CCU 기술로 발전할 수 있다. 따라서 본 연구실의 인공광합성 연구는 환경공학, 촉매화학, 재료공학, 에너지시스템 공학이 융합된 차세대 탄소자원화 연구라 할 수 있다.

이 연구실은 수질오염 저감, 담수 확보, 에너지 생산, 유가자원 회수를 통합한 차세대 수처리 기술을 폭넓게 연구하고 있다. 특히 해수담수화와 폐수 정화, 수소 생산, 가치화학물 생산을 결합한 물-에너지 넥서스 기술은 연구실의 대표적인 융합 연구 분야이다. 관련 논문에서는 태양광 기반 탈염과 수질정화, 수소 생산을 하나의 시스템으로 연계한 새로운 개념을 제시하였고, 최근에는 오염물 정화와 부가가치 화합물 생산이 가능한 태양광 탈염 충전 장치까지 확장하고 있다. 이는 물 부족과 에너지 문제를 동시에 해결하려는 실용 지향적 연구이다. 기술적으로는 광전기촉매 전극, 양면 전극 구조, 전기화학 산화, 전기투석, 양극성막 전기투석(BPED), 분리막 생물반응기, 나노소재 기반 수처리 공정 등 다양한 단위 기술이 활용된다. 연구실이 보유한 특허에는 수처리용 양면전극, 야간 수처리가 가능한 태양광 충방전 반도체, 선박평형수 전기분해용 촉매 전극 등이 포함되어 있어 실제 수처리 현장에 적용 가능한 공정과 장치 개발 역량을 보여준다. 또한 이차전지 제조 폐수 처리와 리튬 회수, 망초 처리용 전기투석 시스템, 수처리용 나노소재 성능평가 표준 개발 등은 환경정화와 자원순환을 동시에 지향하는 연구 흐름을 반영한다. 이 분야의 가장 큰 강점은 오염 제거 중심의 전통적 환경기술을 넘어, 처리 과정에서 에너지나 유가물질을 함께 회수하는 순환형 시스템을 구축한다는 점이다. 해수와 폐수는 단순히 처리 대상이 아니라 수소, 리튬, 화학원료, 재이용수 등을 생산할 수 있는 자원으로 재해석된다. 따라서 본 연구실의 수처리 연구는 물 재이용, 산업폐수 관리, 담수화, 전기화학 공정, 자원회수를 아우르는 고도 환경공학 연구로서 높은 산업적 확장성을 가진다.