By using the state-of-the-art computational methods, we are working on computational designs of new (electro)catalyst materials. By elucidating the complicated reaction mechanism of heterogeneous catalysis, we derive a theoretical guideline for better-performing catalysts and perform a computational high-throughput screening.

본 연구실에서는 다양한 최신의 컴퓨터 시뮬레이션 기법들을 활용하여 새로운 (전기화학) 촉매를 이론적으로 설계하는 연구를 하고 있습니다. 특히 불균일 촉매에서 일어나는 복잡한 반응 메커니즘을 이해하고, 이로부터 촉매 설계를 위한 이론적 가이드라인을 세운 후, 이를 이용하여 수많은 촉매 소재 후보군을 컴퓨터로 스크리닝 하는 연구를 하고 있습니다.

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I. Catalysts for electrochemical carbon and nitrogen cycles

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CO2 conversion technology has been regarded as one of the most important and urgent current scientific issues. Many researchers anticipate developing a way to efficiently transform CO2 from various emission sources into more valuable chemicals and fuels. Although a number of studies have been performed to improve the catalytic performance of electrochemical CO2 reduction, it still requires substantial improvement. We thus perform high-throughput quantum mechanics (QM) screening to discover new better performing catalysts for the electrochemical CO2 conversion. Particularly, we suggested a new design principle, coined as a covalency-aided electrochemical reaction (CAER) mechanism that can drastically decrease the overpotential by optimally tune the binding affinity of the catalyst surface. Recently, we also investigate electrocatalysis for interconversion of small nitrogen-containing molecules (NH4, NO, NH2OH, etc.) towards developing new sustainable energy cycles.

이산화탄소의 전기화학적 전환은 최근 에너지 환경 문제에세 매우 중요한 기술로 여겨지고 있습니다. 다양한 소스로부터 배출되는 이산화탄소를 고부가가치의 연료나 화학물질로 전환하고자 하는 연구가 활발히 진행 중이며, 특히 전기화학 촉매 반응을 활용하여 이산화탄소를 전환시키고자 하는 노력이 많이 진행되고 있습니다. 하지만, 이산화탄소 전환이 실생활에 유용한 기술이 되기 위해서는 여전히 활성이나 선택성 등의 촉매 성능을 획기적으로 높여야 합니다. 이를 위해 양자 화학 시뮬레이션을 활용하여 전기화학적 이산화탄소 전환을 위한 새로운 촉매 스크리닝 연구를 하고 있습니다. 특히, 이산화탄소 전환에 필요한 과전위를 낮추고자 covalency-aided electrochemical reaction (CAER)이라는 새로운 촉매 설계 가이드라인을 제시하고, 이를 이용하여 촉매 표면의 결합 특성을 조절하여 촉매 성능을 높일 수 있는 전략을 제시하기도 하였습니다. 최근에는 이산화탄소의 화학 전환 뿐 아니라 다양한 질소-포함 분자의 전기화학적 변환을 위한 전기 화학 촉매 연구를 수행하고 있으며, 이는 지속가능한 새로운 에너지 사이클 구축에 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대합니다.