권영국 연구실의 핵심 연구 축 가운데 하나는 전기화학적 이산화탄소 환원 반응을 고효율·고선택도로 구현하기 위한 촉매 및 계면 설계이다. 이 연구는 단순히 CO2를 환원하는 수준을 넘어, 메탄·일산화탄소와 같은 단일 탄소 생성물뿐 아니라 에틸렌과 같은 고부가가치 C2+ 화합물로의 선택적 전환을 목표로 한다. 특히 탄소중립 사회에서 이산화탄소를 폐기물이 아닌 자원으로 재해석한다는 점에서, 본 연구는 에너지·환경·화학공정의 접점에 있는 매우 전략적인 주제라 할 수 있다. 연구실은 구리 기반 촉매의 표면 구조, 산화 상태, 상계면 및 원자 수준 거리 조절이 생성물 선택도에 미치는 영향을 정밀하게 분석해 왔다. CuO/Al2CuO4 계면이 풍부한 표면을 설계하여 에틸렌 생산 선택도를 높인 연구, 원자 스케일 간격을 갖는 구리 촉매를 통해 C2+ 생성 효율을 크게 향상시킨 연구는 이러한 방향성을 잘 보여준다. 또한 전극-전해질 계면에서의 전기장, 흡착 중간체의 결합 세기, C-C 결합 형성 경로를 함께 고려하여 촉매 구조와 반응 환경을 통합적으로 설계하는 접근이 특징이다. 이 연구는 학문적으로는 전기화학 반응 메커니즘 규명에 기여하고, 산업적으로는 저온 CO2 전해 시스템의 실용화 가능성을 높인다. 연구실의 발표 및 프로젝트 흐름을 보면, 선택적 CO2 전환을 위한 계면 공학이 단일 논문 주제가 아니라 장기적 연구 플랫폼으로 자리 잡고 있음을 알 수 있다. 향후에는 대면적 전극, 연속 공정형 전해 시스템, 실시간 분석 기반 반응 제어 기술과 결합하여 탄소자원화의 실질적 공정 기술로 확장될 가능성이 크다.

연구실의 또 다른 대표 주제는 질소계 화합물과 탄소원을 결합하여 암모니아와 요소를 생산하는 전기화학적 C-N 결합 반응이다. 이는 기존의 고온·고압 화학공정을 대체할 수 있는 차세대 친환경 합성 경로로 주목받고 있으며, 특히 CO2와 질산염 또는 질소산화물을 동시에 활용해 요소를 만드는 연구는 탄소와 질소 문제를 함께 해결하는 융합형 접근이라는 점에서 중요하다. 연구실은 이러한 반응을 통해 단순 환원 반응을 넘어서 새로운 결합 형성 반응의 선택적 제어에 도전하고 있다. 대표적으로 원자 스케일 간격을 갖는 구리 촉매를 활용하여 CO2와 질산염의 공동환원으로 요소를 효율적으로 생산한 연구는 이 분야에서 높은 주목을 받았다. 또한 이중 활성점 촉매, 단원자 촉매, 비구리계 바이메탈 촉매 등 다양한 촉매 플랫폼을 탐색하며, 반응 중간체의 흡착과 결합 경로를 정교하게 설계하는 방향으로 연구가 전개되고 있다. 관련 특허에서도 이중 활성점을 가진 단원자 촉매와 그린 요소 생산용 전해 시스템이 강조되고 있어, 기초 메커니즘 규명과 실용 기술 개발이 병행되고 있음을 알 수 있다. 이 연구는 지속가능 화학 산업 측면에서 매우 큰 잠재력을 가진다. 요소는 비료, 화학 원료, 수소 운반체 및 에너지 순환 매개체로도 활용 가능해 응용 범위가 넓다. 연구실은 실시간 분석이 가능한 전해장치와 계산화학 기반 설계를 접목해 반응 경로를 정밀하게 추적하고 있으며, 이를 통해 높은 요소 부분전류밀도와 장기 안정성을 동시에 확보하려는 목표를 갖고 있다. 향후에는 그린 수소 생산, 질소 자원 순환, 탄소 저감형 화학공정과 연계된 통합 플랫폼으로 발전할 가능성이 높다.

권영국 연구실은 수소 생산을 위한 차세대 수전해 기술, 특히 음이온교환막 수전해(AEMWE)와 해수 수전해 분야에서도 활발한 연구를 수행하고 있다. 이 연구는 귀금속 의존도를 낮추면서도 높은 전류밀도와 내구성을 확보할 수 있는 수전해 시스템을 구현하는 데 초점을 둔다. 수전해는 재생에너지 기반 그린수소 생산의 핵심 기술이며, 연구실은 촉매 소재 개발부터 막전극접합체(MEA), 스택 적용까지 연결되는 실용 지향형 연구를 폭넓게 전개하고 있다. 특히 백금족 금속이 없는 산소발생반응 전극 개발, 금속 질화물과 산화·수산화물 계면을 활용한 고활성 OER 촉매 설계, 초순수 및 알칼라인 조건에서 작동 가능한 AEM 수전해 기술이 주요 성과로 나타난다. 관련 논문에서는 전기화학적으로 재구성된 촉매 표면과 비귀금속 질화물의 결합을 통해 산업적 전류밀도에서 매우 낮은 과전압과 우수한 장기 안정성을 달성하였다. 또한 해수 특화형 선택적 이온 반응 수전해, 대면적 MEA 공정, 200 kW급 시스템 국산화 등 프로젝트를 통해 실험실 수준을 넘어 실제 시스템 개발 단계까지 연구 범위를 확장하고 있다. 이 연구의 의의는 고효율 수소 생산과 소재·장치 국산화를 동시에 겨냥한다는 점에 있다. 해수 수전해의 경우 염소 발생 억제와 선택적 산소발생 반응 유도가 핵심 과제인데, 연구실은 원자 수준 거리두기와 계면 설계를 통해 이 문제를 해결하려 한다. 장기적으로는 저가 촉매, 고내구성 막, 균일한 전극 제조, 스택 통합 기술을 통해 재생에너지 연계형 수소 생산 시스템을 현실화하는 데 기여할 수 있다. 따라서 본 연구 분야는 에너지 전환 시대의 핵심 기반기술로 평가할 수 있다.