이 연구 주제는 아민 기능화 금속-유기 골격체(MOF)를 설계하여 대기 및 배가스와 같은 저농도 조건에서도 높은 선택성과 용량으로 이산화탄소를 포집하는 기술에 초점을 둔다. 연구실은 고체무기화학과 다공성 소재 설계 역량을 바탕으로, 열린 금속자리와 유기 리간드 구조를 정밀하게 제어하여 CO2와 강하게 상호작용하는 흡착 환경을 구현한다. 특히 직접공기포집(DAC)과 연계되는 저농도 CO2 포집은 에너지 전환과 탄소중립 실현을 위한 핵심 기술로서 중요한 의미를 가진다. 세부적으로는 에틸렌디아민과 같은 아민기를 MOF 내부에 도입하는 후합성 변형 전략을 통해 흡착량, 흡착 속도, 재생 효율, 습도 안정성을 동시에 향상시키는 연구가 수행된다. 연구실의 대표 논문은 대기 중 농도에 가까운 조건에서도 매우 우수한 CO2 흡착 성능을 보인 MOF를 제시하였으며, 흡착 메커니즘을 구조 분석과 계산화학으로 규명하였다. 또한 특허에서는 실제 유동층 및 연속 공정에서 사용 가능한 성형 흡착제, 결합제 도입형 흡착제, 알카놀아민/아민 접지형 흡착제 등을 개발하여 실용화 가능성을 높였다. 이 연구의 궁극적 목표는 실험실 수준의 고성능 소재 개발을 넘어, 저차압 고정층 연속 시스템과 같은 공정 기술로 연결되는 실질적 탄소포집 플랫폼을 구축하는 것이다. 이를 통해 흡착-탈착 과정의 재생 에너지를 낮추고, 수분과 반복 사용 환경에서도 성능을 유지하는 안정한 소재를 확보하고자 한다. 나아가 도시 인프라, 배출원 처리, 공기 중 탄소 회수 등 다양한 응용 분야로 확장될 수 있는 차세대 탄소저감 기술의 기반을 마련한다.

이 연구 주제는 초다공성 유기 고분자(POP)와 다공성 방향족 골격체(PAF)를 활용하여 가볍고 안정적이면서도 고용량의 수소를 저장할 수 있는 차세대 에너지 소재를 개발하는 데 중점을 둔다. 수소는 탄소중립 사회를 위한 핵심 에너지원이지만, 높은 압력과 낮은 온도 조건에서의 저장 비용과 안전성 문제가 상용화를 제한해 왔다. 연구실은 이러한 한계를 극복하기 위해 높은 비표면적, 큰 세공 부피, 우수한 구조적 안정성을 동시에 갖는 다공성 유기 소재를 설계하고 있다. 구체적으로는 삼각기둥형 단량체 기반의 고다공성 방향족 프레임워크를 합성하고, 연결자 구조와 골격 강성을 조절하여 수소의 중량 저장 용량과 부피 저장 밀도를 향상시키는 전략을 사용한다. 최근 연구에서는 매우 높은 BET 표면적과 세공 부피를 갖는 PAF 소재를 제시하였고, 압력-온도 스윙 조건에서 우수한 수소 전달 용량을 달성하였다. 또한 계산 스크리닝과 분자동역학적 해석을 병행하여 구조-흡착 성능 상관관계를 이해하고, 실제 저장 환경에 적합한 소재 설계 지침을 도출하고 있다. 이 연구는 단순한 저장 용량 경쟁을 넘어서 장기 내구성, 습도 및 산소 존재 하 안정성, 성형 가능성, 양산 가능성까지 고려하는 점에서 실용적 가치가 높다. 관련 국가과제에서도 반복 충방전 조건과 실제 공정 적용성을 반영한 목표 성능을 설정하고 있어, 향후 연료전지 시스템 및 수소 모빌리티 인프라와 연계될 가능성이 크다. 따라서 이 연구는 다공성 유기 소재를 기반으로 한 차세대 수소 저장 기술의 핵심 축을 형성한다.

이 연구 주제는 이미 형성된 다공성 소재의 골격을 유지하면서 내부 활성자리와 표면 화학을 정밀하게 바꾸는 후합성 변형(PSM) 기술을 중심으로 한다. 연구실은 MOF와 POP 같은 다공성 플랫폼에 다양한 기능기를 도입하여 기체 분리, 유해물질 제거, 생체의학 응용 등 목적 지향적 성능을 구현하고 있다. 이러한 접근은 합성 단계에서 도입하기 어려운 민감한 기능기를 안정적으로 부여할 수 있다는 점에서 매우 유용하다. 연구실의 성과는 후합성 변형 전략이 단순한 표면 개질을 넘어, 선택적 흡착, 촉매 반응성, 생체적합성, 전달 기능 등 다면적 성질을 조절할 수 있음을 보여준다. 특히 다공성 유기 고분자의 생체의학 응용을 다룬 리뷰 논문에서는 바이오이미징, 약물 전달, 효소 및 유전자 전달, 광치료, 암 치료 등으로의 확장 가능성을 체계적으로 제시하였다. 또한 유해물질 탐지 및 제거 과제에서는 n차 후합성 변형 전략을 통해 활성자리의 초고밀도화와 구조 안정성을 동시에 확보하는 방향으로 연구가 진행되었다. 이 주제는 특정 분자에 대한 선택성을 높이는 정밀 소재화 기술이라는 점에서 매우 폭넓은 파급력을 가진다. 기체 분리 분야에서는 Xe/Kr 분리와 같은 난분리 시스템에 대응할 수 있고, 환경 분야에서는 오염물 제거 및 감지 플랫폼으로 활용될 수 있으며, 바이오 분야에서는 약물 및 생체분자 전달체로 발전할 수 있다. 즉, 후합성 변형은 연구실의 다공성 소재 연구 전반을 관통하는 핵심 방법론이자, 응용 확장을 가능하게 하는 전략 기술이다.