화학반응은 아주 짧은 시간 안에 일어나기 때문에 반응이 일어나는 원리와 중간에 생성되는 물질을 알기 어렵다. 과학자들은 이런 한계를 극복하기 위해 입자의 모양, 움직임, 결합력, 안정성 등을 수학방정식으로 나타낸 후 컴퓨터로 시뮬레이션하는 ‘계산화학’ 기법을 이용해 화학반응을 예측하고 분석한다.

화학공학과 한정우 교수가 이끄는 계산촉매 및 첨단소재설계 연구실은 계산화학 기법을 이용해 새로운 물질을 설계하고 물성을 예측한 후 이를 실험으로 검증해 새로운 촉매와 에너지 소재를 개발한다. 주요 연구 대상은 수소 연료 전지 전극에 활용되는 촉매, 수소 저장에 활용되는 촉매, 배기가스 저감 촉매 등 에너지와 환경과 관련된 촉매다.

대표적인 연구는 일산화탄소나 탄화수소 등의 배기가스를 이산화탄소, 물로 정화할 때 쓰이는 백금 촉매를 재설계해 촉매의 효율을 높인 연구다. 보통 백금 촉매는 백금 원자가 응집해 만들어진 덩어리 형태여서 덩어리 안쪽 백금 원자는 반응에 참여할 수 없다. 연구실은 계산화학 기법을 이용해 티타늄-탄소로 이뤄진 특정 구조의 지지체를 이용하면 백금 원자를 각각 떨어뜨려도 응집하지 않도록 해주는 것을 예측한 후 실제 실험을 통해 이를 검증해 백금 촉매의 효율을 높일 수 있다는 사실을 입증했다. 이 연구는 국제학술지 ‘ACS 에너지 레터스’ 2019년 1월호에 실렸고 온라인을 통해 미리 공개한 결과 ‘2018년 12월 가장 많이 읽은 논문’에 선정됐다.

2020년에는 일산화탄소를 산화시켜 이산화탄소로 바꾸는 활성과 안정성이 높은 세륨 산화물 촉매를 개발했다. 이 촉매는 세륨 산화물에 희토류 금속과 전이금속을 동시에 도핑하는 방법으로 설계했다. 먼저 계산화학 기법으로 희토류 금속인 란타넘, 전이금속인 구리를 동시에 도핑할 때 활성과 안정성이 높다는 것을 확인한 후 세륨 산화물 촉매를 설계했다. 실험으로 검증한 결과 150도의 낮은 온도에서도 기존의 세륨 산화물 촉매와 같은 효율을 보였고 큰 온도 변화에도 약 700시간 동안 활성이 안정하게 유지되는 것을 증명했다. 이 연구는 국제학술지 ‘ACS 촉매’ 2020년 12월호 표지 논문으로 선정됐다.

계산화학은 연구가 거듭될수록 데이터가 쌓여 입자들의 상호작용을 더 정확하게 예측할 수 있다는 것과 적은 시간과 비용으로 실험할 수 있다는 것이 장점이다. PC나 스마트폰을 연구실이 보유하고 있는 고성능 컴퓨터와 연결해 어디서나 연구를 할 수 있다는 것도 장점이다. 연구실은 새로운 촉매와 에너지 소재 개발, 상용화를 비롯해 에너지 소재 데이터 네트워크 구축하고 이를 기반으로 소재·촉매 개발에 인공지능을 접목해 새로운 물질을 개발하는 방법론을 만드는 게 목표로 삼고 있다.