nano ∙ surface/interface ∙ charge/energy transfer ∙ energy-matter interactions ∙ sustainable
These keywords encapsulate the core focus of our research group, which is dedicated to advancing catalytic science and technologies. In essence, our aim is to understand and manipulate the underlying mechanisms and molecular dynamics of chemical processes during catalysis. Our research approach combines experimental techniques, including material synthesis, characterization, and kinetic measurements, with theoretical modeling and computational simulations to gain an understanding of catalytic systems. Through our discoveries, we derive design principles and valuable feedback for iterative process optimization.
연구실 개요
나노픽스랩(NanofixLab)은 비균질 및 균질 촉매의 표면 또는 계면에서 발생하는 화학과정의 메커니즘과 분자동역학을 이해하고, 이를 제어하는데 중점을 두고 있습니다. 현재 주요 연구주제는 나노 스케일에서 발생하는 빛과 물질의 상호작용 이해하고 이를 바탕으로 삶의 질을 향상시킬 수 있는 지속가능한 화학을 목표로 합니다. 마치 식물이 광합성 작용(i.e., 6CO2 + 6H2O + 빛 → C6H12O6 + 6O2)을 하듯 온실가스로부터 유용한 화합물을 제조하기 위한 인공물질 및 화학반응을 탐구합니다. 응용분야로는 탄소활용, 수소에너지, 미세먼지 저감, 수처리 등이며, 특히, 수소, 산소, 질소, 이산화탄소, 메탄올 등과 같은 작은 분자 중심의 화학반응에 관심을 두고 있습니다. 이 과정에서 화학반응 실험, 나노소재 합성 및 특성분석, 분광분석, 전기화학분석, 이론계산 등의 연구를 병행합니다(그림 1).
주요 연구내용 소개
1. 플라즈몬 화학 및 에너지전환 연구
금속 나노구조체는 특정 주파수 범위의 전자기복사선과 강한 상호작용을 하며, 이를 통해 표면에 국소적으로 편재된 전자들의 집합적 진동을 일으키고 나노구조체 주위에 전자기장을 형성합니다. 이러한 특징을 국부 표면 플라즈몬 공명이라 하며, 금속의 촉매활성 특성과 결합하였을 때 작은 분자의 활성화 및 반응을 촉진합니다(그림 2). 연구팀은 플라즈몬 자유에너지(또는 화학포텐셜)가 금속과 분자의 상호작용에 미치는 영향과 그로 인해 촉진되는 화학반응 메커니즘 및 원리를 연구합니다. 더불어 플라즈몬 구동방식 및 촉매작용 원리에 관한 연구를 진행 중이며, 기존 촉매작용의 발전과 더불어 신규 연구분야 창출을 기대합니다.
2. 탄소 전환을 위한 저에너지 촉매기술 연구
이산화탄소 또는 메테인을 높은 에너지 밀도를 갖는 액체연료(e.g., 알코올, 산 등)로 업그레이드하기 위한 새로운 개념의 촉매적 접근방식을 연구합니다. 이산화탄소 분자의 활성화 단계에서 형성되는 반응중간체의 안정성(수명) 향상을 통해 C1+ 탄화수소를 제조할 수 있는 플라즈모닉 광합성 촉매시스템을 개발하였으며, 비선형적 반응속도 변화와 관련된 플라즈모닉 촉매작용의 화학포텐셜 이론모델을 개발하였습니다(그림 3). 실험적으로 관찰이 어려운 분자간 상호작용이나 빛-나노입자의 상호작용은 분광연구와 이론연구 병행을 통해 탐구합니다. 주요 반응중간체의 결합에너지와 활성화에너지를 제어할 수 있는 실험적 변수를 찾음으로써 속도론적, 열역학적 관점에서 해당 반응을 효율적으로 촉진할 수 있는 소재와 시스템의 합리적인 설계방법을 제시합니다.
3. 수소생산 촉매 및 촉진제 연구
겉보기 양자효율(apparent quantum yield)이 40%인 경우, 상용화 가능 수치인 STH(solar-to-hydrogen) 효율 > 10%를 만족하기 위해서는 이론적으로 700 nm 파장의 전자기복사선 에너지를 활용해야 합니다. 연구팀은 그린수소 생산효율과 장시간 내구성을 개선하기 위한 입자형 촉매물질 및 시스템을 연구 개발합니다(그림 4). 특히, 촉매 제조비용의 큰 비중을 차지하는 귀금속 사용량을 최소화하고, 벌크 촉매합성 가능성을 고려함으로써 그린수소 제조의 시장성을 갖춘 고효율 저가 수소생산기술 개발(그린수소 생산단가 절감)을 목표로 합니다. 더불어 기존 촉매들의 활성을 보조하기 위한 촉진제 개발을 병행합니다. 촉진제는 다양한 촉매소재와 반응시스템(e.g., 열/압력, 광, 전기, 광전기)에 범용적으로 첨가하여 수소생산을 촉진하는 역할을 합니다. 촉매소재와 촉진제 연구를 통해 자외선-가시광선-근적외선 영역에 걸쳐 있는 태양광 스펙트럼을 효과적으로 활용함으로써 기존 수소생산 효율을 향상시키고 촉매 제조비용 절감 효과를 기대할 수 있습니다.
