지금까지의 화학 산업은 주로 석유를 기반으로 하는 물질들을 원료로 사용해왔다. 하지만 석유 자원은 유한하며, 생산 과정에서 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 선택성과 낮은 에너지 소비를 동시에 달성할 수 있으며, 향후 친환경 화학의 핵심 기술이 될 것으로 기대된다.

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.

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 분석하고자 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 반응의 메커니즘을 정밀하게 규명하고자 한다.