Uk Sim (심욱)

기본 정보

한 줄 정의

심욱은 KENTECH 부교수로서 산화반응 및 CO₂ 전환 촉매 개발을 주도하는 시니어 연구자이다.

연구 기여 흐름

2012년부터 2023년에 걸쳐 전자재료와 촉매 분야를 아우르는 다층적 연구를 수행했다. 초기 단계(2012-2013년)에서는 전기장 유도 원자 이동 분석 및 N-도핑 그래핀 기반 촉매 개발에 집중했으며, 2014년 Advanced Materials 출판을 통해 질소 도핑 그래핀 양자시트 합성 기술을 확립했다. 2018-2019년에는 계층적 탄소-규소 나노와이어 이종구조, 단일원자 니켈 촉매 설계, CO₂ 전환 전기화학적 환원 효율화에 주력하며 corresponding author로서 3회 이상 주요 성과를 발표했다. 최근 2023년에는 폴리도파민 복합 구리 전촉매의 시너지 효과 연구로 산화반응과 CO₂ 응용 기술의 통합적 이해를 보여주었다.

lab 내 역할

KENTECH의 Associate Professor로서 독립적인 연구 그룹을 운영하는 PI 급 연구자이다. 17편의 논문 중 5회의 corresponding author 역할을 통해 연구 방향 설정 및 성과 도출의 직접적 책임을 담당했다. 산화 촉매(9편), CO₂ 전환(6편), 기타 주제(5편)에 걸친 광범위한 협력 네트워크를 구축했으며, 특히 나노재료 설계와 전기화학적 응용 간 synergi를 추구하는 interdisciplinary 연구 패턴을 보인다.

연구 흐름 (정밀)

심욱은 BMNL lab의 산화반응(OER) 및 CO₂ 전환 촉매 개발을 주도한 시니어 연구자로, 2012년부터 2023년까지 17편의 논문에 참여하며 5회 corresponding author로서 독립적 연구 방향을 설정한 인물이다. 2016년 졸업 후 KENTECH 부교수로 재직 중이며, lab 내에서 질소 도핑 그래핀 양자시트(N-GQS) 기반 광전극 시스템과 단일원자 촉매 설계라는 두 축의 연구 흐름을 구축했다. 그의 작업은 나노소재 합성 화학과 전기화학 응용의 교차점에 위치하며, 특히 비귀금속 촉매 기반 수소 생산 및 CO₂ 환원 시스템 실용화에 초점을 맞춘다.

연구 진화 timeline: 그래핀 양자소재에서 단일원자 촉매로

2012-2014년 초기 단계에서는 전자재료 물리학적 접근이 두드러진다. 2012년 멜라민 박막 내 전기장 유도 원자 이동 분석 연구로 시작해, 2013년 N-도핑 단층 그래핀 촉매의 나노구조 의존적 수소 생산 특성을 규명했다. 이 시기의 핵심 성과는 2014년 Advanced Materials에 발표한 질소 플라즈마 원스텝 합성 N-GQS 논문이다. CVD 단층 그래핀에 10W RF 질소 플라즈마를 2-16초 조사하여 평균 4.84 nm 크기의 고결정성 N-GQS를 제조했으며, pyridinic N 비율 42%를 달성해 CO₂ 환원 활성 부위를 명확히 규명했다. 이 연구는 2015년 Energy & Environmental Science 논문으로 이어져, N-GQS/p-Si 나노와이어 광전극 시스템에서 아세토니트릴 전해질 내 CO₂→CO 전환 95% 패러데이 효율을 보고했다. DFT 계산으로 3 nm 이상 N-GQS가 p-Si와 밴드 정렬을 이룬다는 설계 원리를 입증하며, 비금속 촉매 기반 선택적 CO₂ 환원의 개념 증명을 완성했다.

2017-2019년에는 연구 방향이 단일원자 촉매(SAC)와 다성분계 나노구조 제어로 전환된다. 2017년 Advanced Materials에서 Boudouard 반응 영감 MoS₂ 조립 연구에 참여하며 나노스케일 열역학 설계 방법론을 습득했고, 같은 해 황 개질 g-C₃N₄ OER 촉매 연구에서 멜라민 나노지오드 전구체를 통한 비금속 촉매 합성 전략을 확립했다. 이 경험은 2018년 corresponding author로서 발표한 Ni@N₄ 단일원자 촉매 연구로 결실을 맺는다. NTB 리간드를 이중 기능 링커로 활용해 Ni 이온을 GO 시트에 균일 분산·고정한 후 800°C 소성으로 Ni-N-RGO 촉매를 합성했다. HAADF-STEM으로 Ni 단일원자를 직접 관측했으며, -0.8 V vs. RHE에서 CO 패러데이 효율 97%를 달성해 GO 지지체의 필수성을 입증했다. 2019년에는 CO₂→CO 전기환원 연구의 corresponding author로서 고효율 전환 기술을 보고했다.

2018년에는 폴리도파민(PDA) 기반 탄소 나노시트(CNS) 연구에서 바이오미메틱 전략을 시도했다. 홍합 접착 단백질 모방 PDA를 분자 전구체로 사용해 Si 광전극에 CNS를 직접 형성했으며, H₂/Ar 분위기 탄화로 ID/IG 비율 0.97의 결함 풍부 구조를 얻었다. XPS 분석 결과 N 함량 8.5 at%로 내재 도핑이 확인되었고, 중성 PBS 조건에서 HER 활성을 시연했다. 이 연구는 복잡한 CVD 공정 없이 저비용으로 N-도핑 탄소 촉매를 제조하는 새로운 경로를 제시했다.

2023년 최근 연구에서는 PDA와 전이금속 복합화 전략을 발전시켰다. Cu-PDA 복합체를 pH 8.5 Tris 완충액에서 산화적 중합으로 합성하고, 도파민 산화 과정에서 Cu-catechol 복합체(UV-vis 402 nm, 635 nm 피크)가 형성됨을 확인했다. XPS에서 Cu 1.70 at%, Cu²⁺(934.8 eV)와 Cu¹⁺/Cu⁰(932.9 eV) 혼합 산화 상태를 관측했으며, 중성 조건 HER에서 금속-리간드 시너지 효과를 규명했다. 이는 2018년 단순 PDA 기반 CNS에서 2023년 금속-PDA 복합 시스템으로 진화한 궤적을 보여준다.

lab 내 좌표: 광전극 시스템 설계자의 위치

심욱은 이혜은·김령명이 주도하는 Cu 기반 CO₂ 환원 전기촉매 라인과 구분되는 광전극(photoelectrode) 중심 연구자로 자리한다. 2014-2015년 N-GQS/Si 나노와이어 시스템은 한정현의 porous metal 전극 연구, 임상원의 분자 촉매 설계와 대비되는 반도체-탄소 나노소재 하이브리드 접근을 대표한다. 홍병희 lab(SNU 화학과)와의 긴밀한 협력으로 CVD 그래핀 합성 기술을 확보했으며, 이는 lab 내 다른 전기촉매 연구자들이 접근하지 않은 독자 영역이다. 2018년 단일원자 Ni 촉매 연구에서는 조남헌의 단일원자 Co 촉매(2019) 개발에 선행하는 방법론을 제시했으며, NTB 리간드 기반 금속-GO 복합체 합성 전략은 lab 내 단일원자 촉매 합성 표준 프로토콜로 자리 잡았을 가능성이 크다. 하인한이 주도하는 in situ 분광학적 메커니즘 연구와는 달리, 심욱은 나노소재 설계와 전극 공학에 집중하며 lab의 "합성-구조-성능" 트라이앵글에서 합성과 구조 정밀 제어 축을 담당한다.

핵심 paper 분석

1. N-GQS 원스텝 합성 (2014, Advanced Materials): CVD 단층 그래핀/Cu 기판에 질소 플라즈마 직접 조사로 용매·마스크·산 없이 N-GQS 제조. 16초 처리 시 평균 높이 1.64 nm, 크기 3-7 nm 분포, N/C 비율 14.4%를 달성했다. Pyridinic N(42%), graphitic N(26%), pyrrolic N(32%) 비율을 XPS로 정량화했으며, 365 nm UV 조사 시 청록색 발광을 관측해 양자 크기 효과를 확인했다. 이 논문은 lab의 그래핀 양자소재 연구 기반을 구축했다.

2. N-GQS/Si 광전극 CO₂ 환원 (2015, Energy Environ. Sci.): 50분 식각 p-Si 나노와이어(길이 8 µm)에 N-GQS 코팅 후 아세토니트릴 전해질 내 CO₂→CO 전환 연구. -1.53 V vs. Ag/Ag⁺에서 CO 패러데이 효율 95%, Cu 촉매 대비 onset potential 130 mV 개선을 달성했다. DFT 계산으로 3 nm 이상 N-GQS가 p-Si와 밴드 정렬을 이룬다는 설계 원리를 입증하고, ¹³CO₂ 동위원소 추적으로 CO 기원을 확인했다. 비금속 촉매 기반 선택적 광전기화학 CO₂ 환원의 개념 증명 논문이다.

3. Ni@N₄ 단일원자 촉매 (2018, corresponding): NTB 리간드-GO 복합체 800°C 소성으로 Ni-N-RGO 합성. HAADF-STEM으로 RGO 시트 위 Ni 단일원자 관측, -0.8 V vs. RHE에서 CO 패러데이 효율 97% 달성. 대조군(Ni-N-C)에서 ~20 nm Ni 나노입자 형성을 확인해 GO 지지체의 단일원자 안정화 역할을 입증했다. Lab 내 단일원자 촉매 합성 방법론의 선구적 연구다.

4. PDA 기반 CNS/Si 광전극 (2018, corresponding): 홍합 접착 단백질 모방 PDA를 pH 8.5 Tris 완충액에서 산화적 중합 후 H₂/Ar 탄화로 CNS 제조. Raman ID/IG=0.97, XPS N 함량 8.5 at%, 중성 PBS 조건 HER 활성을 시연했다. CVD 그래핀 기반 N-GQS(2014) 대비 저비용·간편 공정으로의 진화를 보여준다.

5. Cu-PDA 복합 전촉매 (2023, corresponding): 도파민 산화 중 Cu-catechol 복합체 형성(UV-vis 402/635 nm) 후 열처리로 Cu-PDA 합성. XPS Cu 1.70 at%, Cu²⁺/Cu¹⁺ 혼합 상태, 중성 조건 HER에서 금속-리간드 시너지 효과 규명. 2018년 단순 CNS에서 금속-유기 복합 촉매 시스템으로의 발전을 보여준다.

핵심 협력자 및 외부 그룹

내부 협력: 남기태(전체 논문 co-corresponding 또는 교신저자), 안중현(공동 제1저자, 2015 N-GQS 논문), 강진현(2018 단일원자 촉매), 정희윤(HAADF-STEM 분석 전문가)과 긴밀히 협업했다. 외부 그룹: 홍병희(SNU 화학과, CVD 그래핀 합성 전문가)와 2014-2015년 N-GQS 연구 공동 수행, 현택환(SNU, 2017 g-C₃N₄ 연구 공동 교신), 주영창(SNU 재료공학과, 2017 MoS₂ 연구 공동 교신). 졸업 후 Chonnam National University 소속 기간 중 KENTECH로 이동하며 독립 연구 그룹 구축.

향후 예측: 독립 PI로서의 방향성

KENTECH 부교수로서 2023년 Cu-PDA 연구는 금속-유기 복합체 촉매 설계의 새로운 플랫폼을 제시한다. 향후 연구는 (1) 다양한 전이금속(Co, Fe, Mn, Ni)-PDA 시리즈 확장, (2) 중성 조건 HER/OER bifunctional 촉매 개발, (3) PDA 기반 단일원자 촉매 합성으로 2018년 Ni-N-RGO 전략과 통합 가능성이 높다. Lab 졸업생으로서 남기태 그룹의 광전극 시스템 설계 철학을 계승하되, KENTECH 독립 그룹에서 바이오미메틱 합성 화학과 전기촉매의 융합이라는 고유 색깔을 구축 중인 것으로 추정

참여 논문

총 17편