전기화학 분자변환 연구센터(2025년 10월호)
- 洪均 梁
- 2025년 10월 1일
- 3분 분량
부산 금정구 장전동 부산대학로 63번길2 606동(화학관) 116-1호
051) 510-7346
전기화학 분자변환 연구센터(Center for Electro-chemical Molecular Conversion, 단장: 양해식)는 재생 가능한 에너지인 전기와 빛을 이용하여, 환경에 부담을 주 지 않으면서도 에너지를 적게 소비하는 새로운 분자변환 기술을 개발하는 것을 목표로 한다. 본 센터는 국가거점국 립대학교를 중심으로 하여 총 11명의 연구자로 구성되어 있으며, 다양한 학문적 배경을 가진 연구자들이 전기화학, 유기화학, 무기화학, 계산화학 등의 융합적 접근을 통해 함께 협업하고자 한다.
본 연구센터가 특히 주목하는 분자는 질소(N2), 이산 화탄소(CO2)처럼 공기 중에 풍부하게 존재하지만, 화학적 으로 매우 안정하여 전환이 어려운 분자들이다. 이러한 분자들을 보다 반응성이 높은 소분자나 유기분자로 전환하는 것은 지속 가능한 화학의 중요한 도전 과제이다.
이를 위 해 센터는 다양한 전기화학 및 광화학 기반 촉매 시스템을 개발하고자 하며, 반응의 경로를 정밀하게 분석하고 예측 할 수 있는 계산 및 분석 기술 개발도 병행하고자 한다.
연구 개요
1. 지속 가능한 화학을 위한 분자변환의 필요성
지금까지의 화학 산업은 주로 석유를 기반으로 하는 물질들을 원료로 사용해왔다. 하지만 석유 자원은 유한하며, 생산과정에서 대량의 온실가스가 발생하는 등 환경 문제를 야기하고 있다. 이에 따라, 공기 중의 질소(N2), 이산화탄소(CO2)와 같은 값싸고 풍부한 자원을 이용해 유용한 화합물을 합성하려는 시도가 활발히 이루어지고 있다. 이와 같은 분자변환은 화학 산업의 지속 가능성을 확보하는 데 필수적인 기술이다.
그러나 이러한 분자들은 화학적으로 매우 안정하여 반응성이 낮고, 변환 과정에서 높은 에너지가 요구되는 경우가 많다. 대표적으로, 질소를 암모니아로 전환하는 하버-보슈법은 섭씨 수백 도와 수백 기압의 조건에서 진행되며, 전 세계 에너지의 약 1~2%를 소비하는 고에너지 공정이다. 따라서 보다 온화한 조건에서 이러한 분자들을 전환할 수 있는 새로운 반응 경로와 촉매 시스템이 필요하다.
전기화학과 광화학은 외부에서 강한 산화제나 환원제를 사용하지 않고, 전기 또는 빛 에너지를 이용해 분자에 직접 에너지를 공급함으로써 반응을 유도할 수 있는 기술이다. 이 방법을 활용하면 높은 반응 선택성 과 낮은 에너지 소비를 동시에 달성할 수 있으며, 향후 친환경 화학의 핵심 기술이 될 것으로 기대된다.
2. 효소를 모방한 ‘협동촉매’ 전략
자연계의 효소는 복잡한 화학 반응을 매우 빠르고 정밀하게 촉진하는 놀라운 능력을 가지고 있다. 이러한 효소의 작용은 활성 중심 근처에 있는 다양한 아미노산 잔기들이 서로 협력하여 반응물을 조절하는 데서 비롯된다. 본 센터는 이와 유사한 방식으로, 둘 이상의 촉매 또는 보조 리간드를 조합하여 작동하는 ‘협동촉매’를 개발하고자 한다.
이러한 촉매 시스템은 단일 촉매로는 구현하기 어려운 복잡한 반응을 조절하는 데 유리하다. 예를 들어, 하나의 금속 촉매가 전자를 전달하는 역할을 하고, 다른 촉매 또는 리간드가 반응물과의 선택적인 결합을 조절함으로써, 전체 반응의 속도와 선택성을 동시에 향상시킬 수 있다. 이러한 방식은 실제로 생체 내에서 작동하는 메커니즘과 유사하며, 특히 다단계 전자전달 반응이나 여러 결합이 끊어지고 생성되는 복잡한 분자변환 에서 큰 장점을 가진다.
3. 촉매 안정성 향상을 위한 접근
촉매의 반응 효율 못지않게 중요한 요소는 안정성과 반복 사용 가능성이다. 전기화학 및 광화학 반응에서는 고에너지 중간체(예: 라디칼)가 생성되며, 이들이 촉매 자체를 공격하여 촉매가 분해되거나 탈착되는 문제가 발생하기 쉽다. 이러한 문제는 촉매의 수명과 실제 응용 가능성을 제한하는 요인이 된다.
본 센터는 이러한 문제를 해결하기 위해, 화학적으로 안정한 다배위 리간드를 활용하거나, 촉매를 전극 표면에 공유결합 또는 금속-기질 상호작용을 통해 고정하는 기술을 연구하고자 한다. 또한 금속 단일원자 촉매를 이용해 높은 반응성을 유지하면서도 안정성을 확보할 수 있는 시스템을 개발하고자 한다.
이와 함께, 분자 촉매를 전극 표면에 고정시키고 전자 전달 매개체로 활용함으로써 낮은 전위에서도 반응을 유도할 수 있도록 설계하고자 한다. 이러한 접근은 부반응을 줄이고 촉매의 선택성을 정밀하게 제어할 수 있는 장점을 가진다.
4. 고효율 광전기화학 반응을 위한 광촉매 개발
빛과 전기를 동시에 활용하는 광전기화학 반응은 전하 분리를 촉진시켜 반응 효율을 극대화할 수 있는 유망한 기술이다. 그러나 실제 반응에서 사용할 수 있는 광촉매는 매우 제한적이며, 많은 경우 들뜬 상태의 수명이 짧거나, 광분해에 약한 특성이 있다.
본 센터는 단일항과 삼중항 들뜬 상태 간의 에너지 간격이 작아 지연 형광(delayed fluorescence)을 나타내는 유기 분자를 광촉매로 개발하고자 한다. 이러한 물질은 들뜬 상태에서 긴 시간 유지될 수 있으며, 빛을 효율적으로 이용하여 고효율 반응을 이끌어낼 수 있다. 또한, 이 광촉매와 전극 간의 전자 전달이 원활히 이루어질 수 있도록 광전극 구조도 함께 최적화하고자 한다.
5. 복잡한 반응의 해석을 위한 분석 및 계산 기술 개발
분자변환은 일반적으로 다단계로 진행되며, 반응 도중 다양한 중간체가 생성된다. 이러한 반응의 경로를 정확히 이해하기 위해서는 다양한 분석 기술의 융합이 필요하다. 본 센터는 전기화학 분석, 적외선(IR) 및 라만 분광법, 질량분석법 등을 통합적으로 활용하여 반응 도중 생성되는 중간체와 생성물을 실시간으로 분석 하고자 한다.
이와 더불어, 실험적으로 얻은 데이터를 바탕으로 양자역학적 계산을 수행하여 반응 경로와 선택성을 예측하고 검증하는 계산화학 연구도 병행하고자 한다. 이러한 계산과 실험의 상호 보완을 통해 고난도 반응 의 메커니즘을 정밀하게 규명하고자 한다.
6. 반응 선택성 향상을 위한 전략적 기질 설계
고난도 분자변환에서는 다양한 반응 경로가 동시에 진행되기 때문에, 원하는 생성물을 선택적으로 얻기 어렵다. 특히, 중간체가 반응 도중 다른 경로로 빠지거나 불필요한 부산물이 생기는 경우가 많다. 이를 해결 하기 위해, 본 센터는 반응 중간체와 빠르게 결합할 수 있는 기질을 추가하여 반응의 방향을 원하는 쪽으로 조절하는 방법을 개발하고자 한다.
예를 들어, 생성된 중간체가 특정 기질과 빠르게 반응하면서 큰 자유에너지 감소를 유도하면, 해당 경로가 우선적으로 진행되어 목표 생성물의 수율을 높일 수 있다. 이러한 반응 경로 제어 전략은 효소가 반응 경로를 선택적으로 유도하는 방식과 유사하다.
7. 전기-광 시너지 반응 시스템 개발
강한 화학 결합을 끊는 반응에는 매우 큰 에너지가 필요하며, 이를 위해 고전압이나 고에너지 빛을 사용 하는 경우가 많다. 하지만 이러한 조건은 반응 선택성을 떨어뜨리고 촉매나 전극을 손상시킬 위험이 있다. 이를 해결하기 위해, 전기화학적으로 산화되거나 환원된 촉매 중간체를 빛으로 들뜨게 하여 더욱 강력한 산화 제 또는 환원제를 형성하는 전략을 개발하고자 한다.
이러한 방식은 작은 전기 에너지와 작은 빛 에너지를 결합하여, 고에너지 반응을 보다 안전하고 효율적으로 유도할 수 있는 장점을 갖는다. 나아가, 이러한 들뜬 상태에서도 높은 안정성과 긴 지속 시간을 유지할 수 있는 새로운 광촉매를 개발하는 것이 목표이다.
전기화학 분자변환 연구센터는 이처럼 다양한 접근을 통해 고난도 분자변환 반응을 제어하고, 환경 문제와 에너지 소비 문제를 동시에 해결할 수 있는 기술 기반을 구축하고자 한다. 이러한 기술은 향후 친환경 화학 산업과 지속 가능한 사회를 위한 핵심 동력이 될 것으로 기대된다.
About 부산대학교 전기화학 분자변환 연구센터
양해식 단장 및 1세부 책임자 / 부산대학교 화학과 교수
양해식 교수는 전기화학 및 바이오센서 분야의 전문가로, 전기화학 바이오센서에 적용 가 능한 다양한 촉매 반응과 이를 활용한 신호 증폭 기법(특히 다양한 산화·환원 순환 반응 기반의 증폭 방법)을 개발해 왔다. 2020년부터 Bulletin of the Korean Chemical So-ciety, 2023년부터는 Electroanalysis의 Associate Editor으로도 활동 중이며, 한국전 기화학회 아이센스 학술상(2019), 부산과학기술상(2021), 부산대학교 윤인구 학술상 (2023) 등 다수의 수상 경력을 보유하고 있다.
임성열
경희대학교 화학과 교수
임성열 교수는 전극 계면에서 일어나는 (광)전기화학 반응의 메커니즘을 실시간 분석하는 연구를 수행하고 있다. 전극 표면의 정밀 제어와 분광 분석을 결합하여, 전기화학 반응의 근본적인 작동 원리를 규명하고자 한다.
Paul Cheong
Oregon State University 화학과 교수
Paul Cheong 교수는 계산화학 분야의 세계적 전문가로, DFT 및 다양한 이론 계산 기법 을 이용해 화학 반응성과 선택성을 해석하고 설계하는 연구를 수행하고 있다. 전기화학 반 응 메커니즘 해석에 특화된 계산 기반 협업 연구도 활발히 진행 중이다.
박진균
2세부 책임자 / 서울대학교 화학교육과 교수
박진균 교수는 유기합성과 전기화학 촉매 시스템을 융합하여, 실용적인 기능성 분자 및 신 소재를 개발하고 있다. 비대칭 합성, 연속흐름화학, 전기유기화학 등 다양한 합성기술을 기 반으로 새로운 반응 경로를 탐색하고 있다.
이선우
전남대학교 화학과 교수
이선우 교수는 다양한 유기합성 전략을 통해 고기능성 유기분자를 합성하고, 전기화학 합 성과 같은 새로운 반응 방법론과 개발하고 있다. 합성화학 전반에 걸쳐 실용성과 학문적 완 성도를 겸비한 연구를 수행 중이다.
백윤정
KAIST 화학과 교수
백윤정 교수는 전이금속 촉매를 활용한 탄소-수소 결합 활성화 및 광화학 반응에 대한 연 구를 수행하고 있다. 전략적으로 설계된 유기 리간드를 이용해 유기금속화합물의 반응성과 선택성을 제어하는 데 주력하고 있다.
최상일
경북대학교 화학과 교수
최상일 교수는 무기 나노소재 합성 및 촉매화학 분야에서 활발한 연구를 수행하고 있다. 새 로운 나노소재의 개발과 이를 기반으로 한 전기화학 촉매 시스템의 반응성, 내구성, 선택성 향상에 중점을 두고 있다.
남기민
3세부 책임자 / 부산대학교 화학과 교수
남기민 교수는 전기화학 및 광전극 시스템에서의 반응 속도와 메커니즘에 대한 연구를 수 행하고 있다. 특히 전극-전해질 계면에서의 전하 이동과 촉매 활성 조절을 중심으로, 고효 율 전기화학 반응 설계에 집중하고 있다.
김영석
부산대학교 화학과 교수
김영석 교수는 주족원소화학 및 유기금속화학을 기반으로 산화-환원 활성 리간드를 설계 하고, 이를 활용한 금속 착화합물과 금속-황 클러스터의 합성을 연구하고 있다. 독특한 배 위 구조와 전자 구조를 가진 화합물을 통해 새로운 반응성과 결합 양식을 탐구하고 있다.
주정민
경희대학교 화학과 교수
주정민 교수는 전이금속 유기화학과 전기화학을 융합하여 새로운 유무기 분자를 설계하고, 이를 기반으로 레독스 흐름 전지, 바이오센서 등의 응용 연구를 수행하고 있다. 전기화학 반응 조건에서 유기 분자의 반응성과 촉매 디자인에 관한 연구를 지속하고 있다.
이안나
전북대학교 화학과 교수
이안나 교수는 유무기 반응을 포함한 촉매 반응 전반에 대해 연구하며, 특히 지속가능하고 친환경적인 화학 변환 방법론 개발에 집중하고 있다. 다양한 금속 촉매 시스템을 활용하여 반응 효율과 선택성을 동시에 향상시키는 전략을 모색하고 있다.
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