- อุปกรณ์ที่ NTU พัฒนาสามารถผลิตไฮโดรเจนจากน้ำทะเลและย่อยสลายไฮดราซีนได้
- ระบบดังกล่าวใช้แสงอาทิตย์ขับเคลื่อนปฏิกิริยาเคมีโดยไม่ต้องใช้พลังงานจากภายนอก
- อุปกรณ์สามารถย่อยสลายไฮดราซีนในน้ำได้โดยตรง โดยลดความเข้มข้นลงสู่ระดับที่ปลอดภัย
- การวิจัยแสดงให้เห็นว่าระบบนี้มีคุณค่าทั้งในเชิงเศรษฐกิจและสิ่งแวดล้อมสำหรับเทคโนโลยีเชื้อเพลิงจากพลังงานแสงอาทิตย์
นักวิทยาศาสตร์จาก Nanyang Technological University (NTU) ของสิงคโปร์ได้พัฒนาอุปกรณ์พลังงานแสงอาทิตย์ที่สามารถผลิตไฮโดรเจนจากน้ำทะเล พร้อมทั้งย่อยสลายสารมลพิษอุตสาหกรรมที่มีความเป็นพิษสูงอย่างไฮดราซีน คณะผู้วิจัยระบุว่าระบบดังกล่าวเป็นแนวทางที่มีจุดประสงค์สองด้าน ซึ่งผสานการผลิตเชื้อเพลิงสะอาดเข้ากับการบำบัดน้ำเสีย อุปกรณ์นี้ใช้แสงอาทิตย์ในการผลิตพลังงานไฟฟ้าที่จำเป็นต่อการขับเคลื่อนปฏิกิริยาเคมี โดยได้แรงบันดาลใจจากวิธีที่ใบพืชดักจับแสงอาทิตย์ และไม่จำเป็นต้องใช้ไฟฟ้าจากแหล่งภายนอก
โดยทั่วไป ไฮโดรเจนถูกผลิตผ่านกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสน้ำ ซึ่งกระแสไฟฟ้าจะทำให้โมเลกุลของน้ำแยกออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปยังแคโทด (ขั้วลบ) ซึ่งทำหน้าที่ช่วยในการสร้างไฮโดรเจน การใช้น้ำทะเลสามารถทำให้กระบวนการนี้มีความยั่งยืนมากขึ้น เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้น้ำจืดและไม่ต้องผ่านกระบวนการเพิ่มเติมเพื่อกำจัดเกลือ อย่างไรก็ตาม ไอออนคลอไรด์ที่อยู่ในน้ำทะเลอาจรบกวนกระบวนการอิเล็กโทรไลซิส และกระบวนการนี้ยังอาจก่อให้เกิดสารประกอบคลอรีนที่มีฤทธิ์กัดกร่อนและเป็นพิษ ซึ่งจะทำลายขั้วไฟฟ้า ทีมวิจัยของ NTU นำโดยศาสตราจารย์ Lydia Wong จากสถาบันวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมวัสดุ ได้แก้ปัญหาเหล่านี้ด้วยการเปลี่ยนปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่แอโนด
หลักการทำงานของอุปกรณ์
ตัวเร่งปฏิกิริยาในแอโนดประกอบด้วยเหล็ก โคบอลต์ และโครเมียม ซึ่งสามารถย่อยสลายไฮดราซีนให้กลายเป็นไฮโดรเจนและไนโตรเจน เนื่องจากปฏิกิริยานี้ต้องการพลังงานน้อยกว่าการผลิตออกซิเจนในกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสน้ำแบบดั้งเดิม ระบบนี้จึงสามารถผลิตไฮโดรเจนได้ด้วยความต้องการพลังงานที่ต่ำกว่า นอกจากนี้ แอโนดยังช่วยกำจัดไฮดราซีนออกจากน้ำ พร้อมทั้งผลิตไฮโดรเจนเพิ่มเติมอีกด้วย
คณะผู้วิจัยใช้เพอรอฟสไกต์ (perovskite) บนพื้นฐานของเฮไลด์ตะกั่วในการสร้างแคโทด ซึ่งเป็นวัสดุสารกึ่งตัวนำที่สามารถดูดซับแสงอาทิตย์และเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้า มีการใช้อีพอกซีนำไฟฟ้าที่มีอนุภาคของเงินและทองแดง รวมถึงฟอยล์ไทเทเนียม เพื่อปกป้องแคโทดจากการเสื่อมสภาพ การทดสอบกับน้ำทะเลจำลองและน้ำทะเลจริงแสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้อย่างคงที่ภายใต้การฉายแสง โดยมีความหนาแน่นกระแสโฟโตอยู่ที่ 25 mA cm⁻² ซึ่งเป็นการวัดกระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้จากพื้นที่ของขั้วไฟฟ้าที่ถูกฉายแสง ระบบนี้สามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องนานกว่า 72 ชั่วโมง ภายใต้สภาวะที่เทียบเท่าแสงแดดในวันที่ท้องฟ้าแจ่มใสบนพื้นผิวโลก และผลิตไฮโดรเจนด้วยอัตรา 466 μmol cm⁻² h⁻¹ ซึ่งคณะผู้วิจัยระบุว่าผลผลิตดังกล่าวมีค่าเทียบเท่ากับระบบพลังงานแสงอาทิตย์อื่น ๆ
ความก้าวหน้าครั้งสำคัญของเทคโนโลยีด้านสิ่งแวดล้อม
อุปกรณ์นี้ยังแสดงให้เห็นถึงขีดความสามารถในการบำบัดน้ำเสีย โดยสามารถย่อยสลายไฮดราซีนในน้ำได้โดยตรง โดยไม่จำเป็นต้องแยกสารมลพิษออกก่อน ภายในระยะเวลา 30 ชั่วโมง ระบบสามารถลดความเข้มข้นของไฮดราซีนจาก 0.5 M (คิดเป็นประมาณ 1.6% ของน้ำหนัก) ลงสู่ระดับ 0.5 ppb ซึ่งความเข้มข้นขั้นสุดท้ายนี้ต่ำกว่าเกณฑ์ 10 ppb ที่องค์การพิทักษ์สิ่งแวดล้อมแห่งสหรัฐอเมริกาอนุญาตมากกว่า 20 เท่า "อุปกรณ์อเนกประสงค์นี้ถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญของเทคโนโลยีด้านสิ่งแวดล้อม ด้วยการดักจับพลังงานแสงอาทิตย์อย่างมีประสิทธิภาพเพื่อย่อยสลายสารมลพิษอุตสาหกรรมที่เป็นพิษ พร้อมทั้งเก็บเกี่ยวเชื้อเพลิงสะอาด เรากำลังแก้ไขทั้งปัญหาด้านพลังงานและปัญหามลพิษไปพร้อมกัน" ศาสตราจารย์ Wong กล่าวในแถลงการณ์ข่าว
"ความก้าวหน้าครั้งนี้ไม่ได้มีเพียงการผลิตไฮโดรเจนจากพลังงานแสงอาทิตย์เท่านั้น แต่ยังแสดงให้เห็นถึงเส้นทางเชิงปฏิบัติสู่ระบบโฟโตอิเล็กโตรเคมีเอนกประสงค์ แนวทางที่มีจุดประสงค์สองด้านนี้จะมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อย ๆ ในอนาคต เนื่องจากการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีเชื้อเพลิงจากพลังงานแสงอาทิตย์จำเป็นต้องดำเนินควบคู่ไปกับการพิจารณาทั้งคุณค่าทางเศรษฐกิจและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม" ศาสตราจารย์ James Durant ผู้เชี่ยวชาญด้านเคมีแสงและพลังงานยั่งยืนจากภาควิชาเคมี มหาวิทยาลัย Oxford ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการวิจัยนี้ กล่าวเสริม
ขณะนี้ ทีมวิจัยกำลังพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่สามารถรับมือกับสารมลพิษอื่น ๆ รวมถึงการเปลี่ยนของเสียให้เป็นผลิตภัณฑ์ที่มีประโยชน์ ทั้งเชื้อเพลิงและสารเคมีอุตสาหกรรม งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Communications
ศักยภาพของระบบโฟโตอิเล็กโตรเคมีเอนกประสงค์
ความสำคัญของงานวิจัยนี้อยู่ที่การผสานการผลิตไฮโดรเจนเข้ากับการบำบัดน้ำเสียอย่างสร้างสรรค์ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงศักยภาพของเทคโนโลยีที่ยั่งยืน เมื่อทั่วโลกมีความต้องการพลังงานสะอาดเพิ่มมากขึ้น ระบบที่มีจุดประสงค์สองด้านนี้ไม่เพียงแต่จะช่วยแก้ปัญหาด้านพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพเท่านั้น แต่ยังช่วยจัดการกับมลพิษทางสิ่งแวดล้อม ซึ่งสอดคล้องกับแนวโน้มการพัฒนาที่ยั่งยืนในปัจจุบัน นอกจากนี้ การที่ทีมวิจัยยังคงพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างต่อเนื่อง จะช่วยขยายขอบเขตการประยุกต์ใช้งานให้กว้างขวางยิ่งขึ้น ซึ่งอาจส่งผลกระทบอย่างลึกซึ้งต่อเทคโนโลยีด้านการอนุรักษ์สิ่งแวดล้อมในอนาคต