วัสดุ COF ชนิดใหม่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตไฮโดรเจนและยืดอายุการชาร์จ

ทีมวิจัยจากสถาบันวิจัยเทคโนโลยีวิศวกรรมวัสดุหนิงปั๋ว (Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering: NIMTE) สังกัดสถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์จีน (Chinese Academy of Sciences) ได้พัฒนาวัสดุโครงข่ายอินทรีย์โคเวเลนต์ (Covalent Organic Frameworks: COF) ที่เชื่อมต่อด้วยคูมาริน ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการแยกไฮโดรเจนออกจากน้ำโดยใช้แสงอาทิตย์ ขณะที่ทั่วโลกกำลังมองหาเส้นทางหลุดพ้นจากเชื้อเพลิงฟอสซิล พลังงานหมุนเวียนอย่างลมและแสงอาทิตย์จึงได้รับความสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ โรงไฟฟ้าขนาดใหญ่ได้ถูกจัดตั้งขึ้นเพื่อจ่ายพลังงานปราศจากคาร์บอนให้กับระบบสายส่ง อย่างไรก็ตาม ไฟฟ้าที่ผลิตจากแหล่งเหล่านี้ไม่สามารถทดแทนเชื้อเพลิงฟอสซิลได้อย่างสมบูรณ์ในงานที่ต้องการความหนาแน่นของพลังงานสูง ในกรณีเช่นนี้ ไฮโดรเจนทำได้ดีกว่าพลังงานหมุนเวียน เพราะสามารถเผาไหม้ได้เช่นเดียวกับเชื้อเพลิงที่มีคาร์บอนสูง แต่ปล่อยเพียงน้ำเป็นผลพลอยได้ พร้อมทั้งให้พลังงานจำนวนมาก

อย่างไรก็ตาม การผลิตไฮโดรเจนอาจก่อให้เกิดการปล่อยคาร์บอนสูง ซึ่งจูงใจให้นักวิจัยแสวงหาวิธีการที่ดีกว่า วิธีหนึ่งคือการใช้แสงอาทิตย์แยกโมเลกุลน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน ซึ่งในทางเทคนิคเรียกว่าการแยกน้ำด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง (photocatalytic water splitting) เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาดังกล่าว นักวิทยาศาสตร์มักใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์ด้วยแสง ซึ่งเป็นสารประกอบบนฐานคาร์บอนที่สามารถดูดซับแสงที่มองเห็นหรืออัลตราไวโอเลต และกระตุ้นให้อิเล็กตรอนขึ้นสู่สถานะกระตุ้น ช่วยผลักดันการผลิตไฮโดรเจน ซึ่งอาจช่วยคลี่คลายวิกฤตพลังงานของโลก อย่างไรก็ตาม อิเล็กตรอนและโฮลที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการจะรวมตัวกันใหม่อย่างรวดเร็ว ส่งผลต่อประสิทธิภาพโดยรวมของปฏิกิริยา

ความท้าทายของการแยกน้ำด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง

ด้วยเหตุนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงหันมาใช้โครงข่ายอินทรีย์โคเวเลนต์ (COFs) ซึ่งเป็นพอลิเมอร์ที่มีรูพรุน เกิดจากโมเลกุลอินทรีย์เชื่อมต่อกันด้วยพันธะโคเวเลนต์ที่แข็งแรง และสามารถปรับแต่งได้สูง ใน COF แบบดั้งเดิม ตัวเชื่อมที่ยืดหยุ่นจะหมุนออกนอกระนาบ ซึ่งทำให้การสูญเสียพลังงานรุนแรงขึ้นและเป็นหนึ่งในสาเหตุที่ทำให้ประสิทธิภาพของกระบวนการเร่งปฏิกิริยาลดลง ดังนั้น นักวิจัยของ NIMTE จึงร่วมมือกับเพื่อนร่วมงานจากสถาบันเทคโนโลยีเคมีฟิสิกส์ (Institute of Physical Chemistry Technology) สังกัดสถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์จีน ในการนำตัวเชื่อมคูมารินแบบแข็งและระนาบเข้ามาใส่ใน COF ที่มีโครงสร้างคอนจูเกตอย่างสมบูรณ์

ข้อได้เปรียบของตัวเชื่อมคูมาริน

เมื่อเปรียบเทียบกับตัวเชื่อมแบบอิมีนและไวนิลีนแบบดั้งเดิม ตัวเชื่อมคูมารินแสดงให้เห็นความแข็งเชิงโครงรูปที่สูงกว่า พร้อมยับยั้งการแกว่งตัวของโครงสร้าง นอกจากนี้ ตัวเชื่อมดังกล่าวยังส่งเสริมการกระจายตัวของ π-อิเล็กตรอน ช่วยให้การขนส่งประจุระยะไกลเป็นไปได้ดีและลดช่องว่างพลังงาน นักวิจัยสังเกตเห็นว่า COF ที่เชื่อมต่อด้วยคูมารินแสดงการแยกประจุที่ดีขึ้น โดยสถานะแยกประจุมีระยะเวลายาวนานกว่าคู่เทียบที่เชื่อมต่อด้วยอิมีนถึง 1,000 เท่า เมื่อใช้อนุภาคนาโน Pt เป็นโคตัวเร่งปฏิกิริยา อิเล็กตรอนที่เกิดจากแสงจาก COF จะถ่ายโอนไปยัง Pt ภายในเวลาประมาณ 407 พิโควินาที ซึ่งช่วยผลักดันการผลิตไฮโดรเจน

ศักยภาพด้านอัตราการผลิตไฮโดรเจน

ภายใต้การฉายแสงที่ 440 nm อัตราการผลิตไฮโดรเจนของ COF ที่เชื่อมต่อด้วยคูมารินอยู่ที่ 531 mmol g⁻¹ h⁻¹ และมีผลผลิตควอนตัมที่ 405 nm เท่ากับ 37.95% ภายใต้แสงที่มองเห็นได้ที่ความยาวคลื่นเกิน 420 nm อัตราการผลิตไฮโดรเจนอยู่ที่ 166 mmol g⁻¹ h⁻¹ สะท้อนถึงศักยภาพในการผลิตไฮโดรเจนที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ ศาสตราจารย์จาง เทา (Zhang Tao) แห่ง NIMTE อธิบายในข่าวประชาสัมพันธ์ว่า "งานนี้นำเสนอกลยุทธ์ที่เรียบง่ายและมีประสิทธิภาพในการปรับพลศาสตร์ของประจุใน COF คอนจูเกตผ่านวิศวกรรมของตัวเชื่อม และให้แนวทางสำหรับการออกแบบและประยุกต์ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงอินทรีย์สมรรถนะสูงในการผลิตไฮโดรเจนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์"

ผลการวิจัยดังกล่าวได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Synthesis

ผลกระทบของวัสดุ COF ชนิดใหม่ต่อการผลิตไฮโดรเจน

เมื่อความต้องการพลังงานหมุนเวียนทั่วโลกเพิ่มสูงขึ้น ศักยภาพของไฮโดรเจนในฐานะพลังงานสะอาดจึงได้รับความสนใจมากยิ่งขึ้น นักวิจัยสามารถยกระดับประสิทธิภาพการผลิตไฮโดรเจนได้อย่างเป็นรูปธรรม ด้วยการพัฒนาวัสดุ COF ชนิดใหม่ ซึ่งไม่เพียงช่วยลดการปล่อยคาร์บอน แต่ยังส่งเสริมการใช้งานพลังงานหมุนเวียนอีกด้วย COF ที่เชื่อมต่อด้วยคูมารินช่วยยกระดับประสิทธิภาพการแยกประจุ เปิดทิศทางใหม่ให้กับการพัฒนาเทคโนโลยีตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง และบ่งชี้ถึงบทบาทที่อาจเป็นกุญแจสำคัญในการเปลี่ยนผ่านด้านพลังงานในอนาคต