최근 연구 소개 | EES Lab (2022–2026)

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1. 연구 개요

EES Lab (Energy & Environment Surface Lab) 은 전극–전해질 계면(interface) 의 전자구조·산화상태·조성 분포를 제어하여, CO₂를 합성가스(syngas), formate, oxygenates, 장쇄 탄화수소 등 부가가치 탄소 화합물로 전환하는 전기·광화학 촉매 연구를 수행한다.

연구 초점은 (i) 고온·고압 열화학 공정을 대체·보완할 수 있는 상온·상압 전기화학 경로, (ii) 금속 합금·산화물 계면·레이저 표면개질·분자 리간드·광 조사의 조합에 의한 선택성(selectivity) 제어, (iii) depth-profiling XPS 및 전기화학 임피던스(EIS)를 통한 계면 재구성(restructuring)의 정량적 해석에 있다.

2. 연구 축과 전체 구조

2022–2026 기간의 최근 성과는 다음 네 축으로 정리된다.

연구 축	내용	대표 키워드
전기화학 CO₂ 환원 (EC CO₂RR)	C1 생성물(CO, formate) 및 syngas(H₂/CO) 선택성	Bi, Sn, In, Zn, Cu 합금
전기화학 F–T (EC F–T)	전극 상 CO/H 매개 C₂–C₇ 사슬 성장	ASF, α, Au/Ti·Ni, phosphate
계면 엔지니어링	레이저·스퍼터·갈바닉 치환·리간드–광 결합	산화상태, XPS depth, EIS
광화학·환경 응용	광촉매/광전기화학, 물분해, 살균·제독, PET 재자원화	perovskite, GaN, ozone

연구 전개 논리

2022년 C1·syngas 반응 지도를 확립한 뒤, 2023년 상온 전기화학 Fischer–Tropsch(EC F–T) 경로를 제시하였다. 2024년에는 Cu 다금속 조합과 레이저 산화상태 제어로 C1–C3+ 스펙트럼을 체계적으로 분리하였으며, 2025–2026년에는 리간드–광 결합, in situ 임피던스, 미량 이종원소 도입을 통해 반응 경로를 의도적으로 전환(switch) 하는 단계로 진입하였다.

3. 연도별 전개 (2022–2026)

2022 — C1·syngas 반응 지도와 광촉매 기반 구축

p-블록 금속 전극에서 formate 고선택성 확보 (Bi 필름: Faradaic efficiency(FE) ~94%).
Zn·ZnO·ZnGa₂O₄ 하이브리드에서 인가 전위·도핑·광조사에 따른 H₂/CO(syngas) 비율 제어.
광촉매·광전기화학 CO₂ 환원에서 CH₃OH, CH₄ 및 장쇄 탄화수소 생성 단서 확인.
란타나이드 전기화학 회수, Ni-rich 양극(NCM), 슈퍼커패시터, UV 살균 등 에너지·환경 응용 스펙트럼 확장.

2023 — 전기화학 Fischer–Tropsch 경로의 정식화

Au/Ti, Au/Ni, Au/스테인리스, Cd, CuNiZn 계에서 C₂–C₇ 장쇄 탄화수소 직접 생성 보고.
CO₂ 조건(표면 *CO 간접 형성)과 CO 조건(직접 흡착)을 비교하여 F–T형 C–C 사슬 성장 메커니즘 해석.
Anderson–Schulz–Flory(ASF) 분포 분석으로 표면 중합 특성 정량.
depth-profiling XPS로 전기화학 반응 후 계면 원소 분포·산화상태 재배열 규명.
Sn·In 합금은 formate FE 90%대 후반을 유지하며 C1 선택 경로의 기준 전극으로 기능.

2024 — Cu 다금속 전개, 전이금속 전수 검토, 레이저 계면 제어

Ag/Cu, CuZn, CuNiZn, Pd–Ag/Cu, Sn·In/Cu 등에서 C1/C2/C3+ 생성물의 동적 Faradaic 맵 구축.
전이금속 전반에 대한 EC F–T 가능성 체계적 검토 (다수 금속에서 C₂–C₇ 확인).
Au–SrTiO₃ perimeter 설계와 DFT 결합으로 C–C coupling 활성 사이트 규명.
적외선 레이저 처리로 CuSn 등 표면 산화상태·조성 변조 → C2+/C3+에서 C1(CO, formate) 쪽으로 선택성 이동.
CWA 모사체 광제독, 오존 살균, NiO@GaN 광전기화학 물분해 등 응용 연구 병행.

2025 — 레이저 계면의, in situ EIS, 리간드–광, PET 재자원화

Ni/Cu 레이저 개질 전극으로 PET 가수분해 유래 ethylene glycol의 formate 전환 (FE 84.9%) — 플라스틱-to-chemical 경로.
Pt/Cu, Au/Cu, CuZn, In/Sn 레이저 계면 엔지니어링으로 다탄소 생성물 스펙트럼 제어.
Au/Mo, Pd–Au, Ag/Ni, Au/NiCr 등에서 in situ EIS로 *CO/*H 경쟁, 전하전달, 이중층 거동 해석.
분자 리간드(4-aminothiophenol)와 가시광 조사의 결합으로 Au 계면 C–C 사슬 성장 촉진.
Electrochemical Fischer–Tropsch chemistry 총설을 통해 분야 개념 체계 정리.

2026 — 반응 경로 스위치와 비평형 광열 촉매

Cu에 미량 Fe 도입: 액상 상에서는 formate 선택성 향상, 기상 상에서는 C₃₊ 탄화수소 비중 증가 — 이중 상(phase) 경로 스위치.
Phenanthroline–Cu + 520 nm 광열 조건에서 다탄소 FE 및 사슬 성장 확률(α) 향상.
Ag/Ag oxide 레이저 계면과 DFT를 결합하여 CO 경로(COOH*) vs formate 경로(HCOO*) 규명.
펄스 레이저 기반 비평형 광열 반응 총설 및 광촉매·광전기촉매 관련 에디토리얼 발표.

4. 핵심 과학 질문

금속 조합·표면 산화상태·전해질 조성은 CO₂RR 중간체(*CO, *OCHO, *H 등)의 결합 강도와 체류 시간을 어떻게 규정하는가.
열화학 F–T와 동일한 *CO/*H 삽입 사슬 성장을 수용액 전기화학 조건에서 어느 정도 재현할 수 있는가.
레이저 표면개질, 분자 리간드, 가시광 광열이 계면 전자구조와 C–C coupling 확률을 어떤 메커니즘으로 바꾸는가.
depth-profiling XPS와 EIS로 관측되는 동적 재구성(restructuring)을 촉매 설계 변수로 어떻게 환원하는가.
동일 계면공학 프레임을 PET 전기산화, 질산염 환원 등 탄소 외 재자원화 반응으로 확장할 수 있는가.

5. 주요 성과

영역	성과 요약
Formate 선택성	Bi·Sn·In 계 p-블록 전극에서 FE 90%대 달성 (전해질·전위 의존)
Syngas 비율 제어	Zn 계 전극에서 H₂/CO 비를 전위·표면 개질로 조절
EC F–T	다수 전이금속·Au 하이브리드에서 C₂–C₇ 생성 및 ASF 분포 확인
Perimeter 설계	Au–SrTiO₃ 최적 계면에서 C–C coupling 활성 규명
레이저 계면 제어	산화상태 변조에 의한 C2+↔C1 선택성 이동; PET→formate FE 84.9%
리간드–광 결합	ATP–Au, Phen–Cu 계에서 다탄소 FE 및 사슬 성장 향상
경로 스위치	Fe–Cu 계에서 액상/기상 생성물 분포의 위상적 전환

6. 생성물 선택성 설계 원칙

목표 생성물	설계 전략
Formate	p-블록(Bi, Sn, In); 산화된 CuSn; 레이저 유도 표면 산화
Syngas (H₂/CO)	Zn·ZnO; Au/산화물; 전위 및 metal coverage 제어
C₂ oxygenates (에탄올 등)	Cu 기반 이원·삼원 합금; 전위·전해질 농도 최적화
C₂–C₇ 탄화수소 (EC F–T)	Au/Ti·Ni·Mo, Cd 등; phosphate 전해질; CO/H 균형
선택성 스위치	레이저 산화, 미량 Fe 도입, 리간드 + 가시광 광열

7. 관련 자료

핵심 키워드: electrochemical CO₂ reduction, electrochemical Fischer–Tropsch, interface engineering, laser-treated electrodes, syngas, formate, C–C coupling, EIS
연구 기간 기준: 2022–2026 최근 출판물

Introduction