에너지, 환경 문제가 인류 사회의 중요한 어젠다로 떠오르면서, 신재생 전기 에너지를 기반으로 다양한 화학 물질을 전환하는 전기화학 촉매 기술의 중요성이 날로 높아지고 있습니다. 일반적인 다른 화학 반응에 비하여 전기화학 반응이 갖는 가장 큰 차이점은 반응물이 섞여 있는 액체 “전해질” 속에서 고체 “전극”을 대전시켜서 화학 반응을 유도한다는 점입니다. 따라서 전기화학 촉매 반응의 근원적인 이해 및 성능 제어를 위해서는 전극-전해질로 구성된 고체-액체 계면에서 일어나는 복잡한 물리화학적 현상의 이해가 필수적이라고 할 수 있습니다.

전기화학 계면에서 일어나는 대표적이며 공통적인 물리화학적 현상은 전기 이중층이라는 특별한 계면 구조가 형성된다는 것입니다. 더욱이 전기화학 촉매 반응은 이러한 전기 이중층 내에서 일어나는 전자 전달 현상에 의하여 매개되기 때문에 전기화학 반응성은 전기 이중층 구조와 필연적으로 밀접하게 연결되어 있을 수 밖에 없습니다. 하지만 이 둘의 상관관계는 복잡성이 너무 높아 아직까지 밝혀진 바가 많지 않으며, 이를 정확히 규명하는 것은 오래된 난제 중 하나로 여겨져 오고 있습니다.

지금까지의 전기 이중층 구조 연구에 있어서 가장 큰 어려움의 원인 중 하나는 “드러나있는 표면”이 아닌 “숨어있는 계면”이라는 특성입니다. 이는 전통적인 분광학적 기법 혹은 이미징 기법의 활용을 매우 제한적으로 만들고, 최신 분광학 기술과 시뮬레이션 기반 이론 해석을 통해서도 여전히 전기 이중층 구조에 관하여 매우 단편적인 정보 제공만을 가능케 합니다. 이에 관점을 바꾸어, 본 연구에서는 광학적 시그널 대신에 캐패시턴스와 같은 전기적 시그널을 단결정 금속 전극에서 실험적으로 얻고, 이 때 관측되는 특징적인 전기적 시그널을 이론적으로 해석하여 전기 이중층 구조의 변화를 규명해 보고자 합니다. 이를 위하여 대전된 고체-액체 계면을 효과적으로 다룰 수 있는 시뮬레이션 이론 방법론이 필수적인데, 평균장 이론에 기반한 새로운 QM/MM 멀티스케일 방법론 개발을 통하여 이를 가능케하고자 합니다.

더 나아가 전기 이중층 구조를 결정하는 이온, 표면 전하, 물 구조 각각에 변화를 꾀할 수 있는 실험적 방법론을 개발하고 이 때 전기 이중층이 겪는 구조 변화를 이론적으로 밝혀냄으로써, 기존에 추구되어오던 촉매 물질 제어를 뛰어넘어 전기 이중층 계면 구조 제어를 통한 전기화학 촉매 반응성 제어라는 새로운 전기화학 촉매 설계 패러다임을 제시해보고자 합니다.