이 연구실은 불균일 촉매의 활성점 구조를 원자 수준에서 정밀하게 제어하는 연구를 핵심 축으로 수행한다. 특히 단일 원자 촉매를 넘어 금속 클러스터, 금속 앙상블, 이합체 및 나노입자까지 아우르는 계층적 촉매 구조를 설계함으로써, 기존 촉매가 지니는 활성·선택도·내구성 간의 상충 관계를 극복하고자 한다. 대표적으로 귀금속의 사용 효율을 극대화하면서도 실제 반응 조건에서 안정적으로 작동하는 촉매 구조를 구현하는 것이 주요 목표이다. 이러한 연구는 금속-지지체 상호작용, 표면 산소 이동, 결함 자리, 표면 수산기, 전자구조 조절과 같은 촉매 과학의 본질적 요소를 중심으로 전개된다. 연구실의 논문과 학술발표를 보면 세리아, 알루미나, 지르코니아, 질화물, 탄소계 지지체 등 다양한 담체 위에 귀금속 및 비귀금속 활성종을 고분산시키고, 표면 구조와 전자 상태를 조절하여 반응성을 향상시키는 접근이 반복적으로 나타난다. 특히 단일 원자 촉매의 한계를 보완하는 금속 앙상블 촉매, 쉘 형성 촉매, 결함 제어 기반 촉매는 이 연구실의 차별화된 방법론으로 볼 수 있다. 이 연구 방향은 산화 반응, 수소화 반응, 메탄 전환, 자동차 배기가스 정화, 저온 산화, 전기화학 반응 등 매우 넓은 응용 분야로 이어진다. 또한 형상 제어 금속 나노결정과 제올라이트·나노입자 합성에 관한 축적된 역량은 촉매 활성점의 구조-성능 상관관계를 정립하는 데 중요한 기반이 된다. 궁극적으로 이 연구는 고성능 촉매를 합리적으로 설계하는 원리를 확립하고, 고가 금속 사용량을 줄이면서도 산업 현장에 적용 가능한 고내구성 촉매 플랫폼을 제공하는 데 기여한다.

이 연구실은 수소 생산과 전기화학 에너지 변환을 위한 촉매 및 막-전극 접합체 기술을 활발히 개발하고 있다. 특히 PEM 수전해, AEM 수전해, 고분자전해질 연료전지 분야에서 고활성·고내구성 전극 촉매를 설계하여 차세대 청정에너지 시스템의 핵심 병목을 해결하는 데 집중하고 있다. 귀금속 사용량을 최소화하면서도 장시간 운전 안정성을 확보하는 것이 주요 연구 목표이며, 이는 수전해와 연료전지 상용화에 직접 연결되는 중요한 과제이다. 구체적으로는 이리듐계 산화물 촉매의 산소발생반응 향상, 니켈계 비귀금속 촉매의 알칼라인 수전해 적용, 초저백금 연료전지 촉매, 블록 공중합체 기반 다공성 탄소 담지체, 탄소 임베디드 백금 합금 클러스터 등 다양한 소재 기술이 연구되고 있다. 연구실의 논문, 특허, 프로젝트를 종합하면 촉매 자체의 조성 제어뿐 아니라 담지체의 기공 구조, 질량전달 특성, 전극층 구조, 반응 중 열화 메커니즘까지 함께 다룬다는 점이 두드러진다. 즉, 단순한 소재 합성을 넘어서 실제 막-전극 접합체 환경에서 작동하는 공학적 성능 검증까지 포함하는 통합형 연구를 수행하고 있다. 이러한 연구는 수소경제 실현과 직접적으로 연결된다. 수전해에서는 저가·고내구 촉매를 통해 그린수소 생산 비용을 낮출 수 있고, 연료전지에서는 백금 저감과 내구성 향상을 통해 차량 및 분산전원용 시스템의 경제성을 높일 수 있다. 또한 기업 및 연구기관과의 공동 특허와 대형 국책과제 수행 이력은 연구실의 기술이 학문적 성과를 넘어 산업적 실용화 단계까지 지향하고 있음을 보여준다. 따라서 이 분야는 연구실의 대표적인 에너지 촉매 응용 축이라고 할 수 있다.

이 연구실은 이산화탄소를 고부가가치 화학물질과 연료로 전환하는 촉매 및 공정 연구를 통해 탄소중립 사회에 기여하고자 한다. 단순한 CO2 저감에 머무르지 않고, 전기화학적 CO2 환원, 열촉매 전환, 바이오-전기 하이브리드 시스템, 지속가능항공유(e-SAF) 생산 연계 공정 등 다양한 경로를 통합적으로 탐구한다. 이는 촉매 반응과 에너지 시스템, 공정 설계를 결합한 융합형 화학공학 연구의 전형적인 사례이다. 세부적으로는 기체확산전극 기반 CO2 전해 시스템, 막-전극 접합체 환경에서의 고전류밀도 운전, CO 선택적 생성 촉매, C2+ 화합물 생산, 광전기화학적 CO2 전환, 그리고 미생물 대사공학과 결합한 바이오하이브리드 전환 기술이 포함된다. 최근 학술발표에서는 CO2로부터 젖산, 폴리에스터, 바이오매스 전구체를 직접 생산하는 시스템까지 다루고 있어, 연구 범위가 무기촉매 중심의 전환을 넘어 생물학적 전환 플랫폼으로 확장되고 있음을 보여준다. 또한 마이크로웨이브 열화학 전환과 연속 촉매 공정의 결합 연구는 실험실 수준을 넘어 공정 집적화와 에너지 효율 극대화에 초점을 둔 접근이다. 이 연구 방향의 중요성은 재생전력 기반 화학산업 전환에 있다. CO2를 단순 배출원이 아니라 탄소 자원으로 활용하면, 화석자원 의존도를 낮추고 탄소순환형 생산 체계를 구축할 수 있다. 특히 수전해 수소 생산, CO2 포집, 전기화학 전환, SAF 합성까지 연결하는 연구는 미래 탄소중립 공정의 통합 설계 역량을 보여준다. 따라서 이 연구실의 CO2 전환 연구는 촉매 소재 개발을 넘어 에너지·환경·화학공정이 결합된 차세대 지속가능 제조기술로 평가할 수 있다.