ทีมวิจัยของ Oregon State University พัฒนาวัสดุเร่งปฏิกิริยาแสงชนิดใหม่ ผลิตไฮโดรเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่ต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะ

นักวิจัยของ Oregon State University ได้สร้างวัสดุที่ทำงานได้ด้วยแสงชนิดใหม่ ซึ่งสามารถผลิตไฮโดรเจนจากน้ำได้ เปิดเส้นทางที่มีศักยภาพจะสะอาดกว่าจากแสงแดดสู่เชื้อเพลิง ตัวเร่งปฏิกิริยาแสงชนิดนี้สามารถผลิตไฮโดรเจนได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ ในขณะที่วัสดุนี้ไม่ต้องการตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะที่มีราคาแพงเพิ่มเติม การวิจัยนี้นำโดย Kyriakos Stylianou จากคณะวิทยาศาสตร์ของมหาวิทยาลัย ผลการวิจัยอาจเป็นเครื่องมืออีกอย่างหนึ่งสำหรับลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกและเผชิญหน้ากับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ไฮโดรเจนถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในเซลล์เชื้อเพลิง การผลิตแอมโมเนีย การกลั่นโลหะ และการผลิตพลาสติก

หลักการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยาแสงคือ ตัวเร่งปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาเคมีโดยไม่ถูกเปลี่ยนแปลงอย่างถาวร ในขณะที่ตัวเร่งปฏิกิริยาแสงก็สามารถทำหน้าที่นี้ได้เมื่อถูกกระตุ้นด้วยแสง Stylianou กล่าวว่า วัสดุจะเข้าสู่สถานะพลังงานที่สูงขึ้นหลังจากดูดซับแสง และสามารถใช้พลังงานนี้ขับเคลื่อนปฏิกิริยาให้เร็วขึ้น หัวใจของการวิจัยนี้คือกรอบโลหะ-อินทรีย์ (MOFs) ซึ่งเป็นวัสดุเจลลี่หลายรูที่เป็นผลึก สร้างขึ้นจากไอออนโลหะที่มีประจุบวกและโมเลกุลเชื่อมอินทรีย์ รูพรุนขนาดเล็กและโครงสร้างที่ปรับได้ ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถปรับแต่งคุณสมบัติเพื่อวัตถุประสงค์ที่แตกต่างกันได้

Stylianou ชี้ให้เห็นว่า ทฤษฎีแล้วมีโครงสร้าง MOF ที่แตกต่างกันไปถึงหลายล้านโครงสร้าง นักเคมีได้สังเคราะห์ MOFs ไปแล้วเกือบ 100,000 ชนิด และคาดการณ์คุณสมบัติของอีกประมาณ 500,000 ชนิด

ความเฉพาะตัวของ BVR-19

ทีมวิจัยมุ่งเน้นไปที่ MOF ชนิดหนึ่งชื่อ BVR-19 วัสดุนี้มีพันธะไซด์ที่ไม่ธรรมดา ซึ่งจะขาดชั่วคราวภายใต้แสงสร้างสปีชีส์กำมะถันที่มีความตอบสนองสูง Stylianou กล่าวว่า "ส่วนประกอบอินทรีย์เป็นผู้ทำหน้าที่สำคัญ" วัสดุนี้ไม่ได้พึ่งพาอะตอมโลหะเป็นหลัก แต่ใช้บล็อกสร้างอินทรีย์ที่มีกำมะถันของมันจับพลังงานแสงและส่งอิเล็กตรอนไปยังกระบวนการผลิตไฮโดรเจน เขาเรียกวิธีการออกแบบนี้ว่า "การคิดใหม่" ว่าจะออกแบบวัสดุประเภทนี้อย่างไร การออกแบบนี้หมายความว่า BVR-19 ไม่ต้องการตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะที่มีราคาแพงเพิ่มเติม ซึ่งอาจทำให้การพัฒนาระบบไฮโดรเจนขับเคลื่อนด้วยแสงในอนาคตง่ายขึ้น

นอกจากนี้ วัสดุนี้ยังก่อตัวขึ้นด้วยตัวเองในสารละลายน้ำที่อุณหภูมิห้อง ลดพลังงานที่ใช้ในการผลิต

การเปรียบเทียบกับวิธีการผลิตไฮโดรเจนแบบดั้งเดิม

กระบวนการแยกน้ำด้วยตัวเร่งปฏิกิริยานั้นสะอาดกว่าวิธีอุตสาหกรรมหลักคือ การปฏิกิริยาเมเทนกับไอน้ำ (methane steam reforming) ซึ่งใช้ก๊าซธรรมชาติและปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์เพื่อผลิตไฮโดรเจน วิธีการแยกน้ำที่มีอยู่ส่วนใหญ่พึ่งพาการเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้า (electrocatalysis) ซึ่งประโยชน์ต่อสิ่งแวดล้อมขึ้นอยู่กับแหล่งกำเนิดไฟฟ้า เพื่อรักษาความยั่งยืนและความสามารถในการแข่งขันทางเศรษฐกิจ ไฟฟ้าต้องมาจากพลังงานหมุนเวียนที่มีต้นทุนต่ำ ต้นทุนยังคงเป็นอุปสรรค: ไฮโดรเจนจากกระบวนการปฏิกิริยาเมเทนกับไอน้ำ มีต้นทุนประมาณ US$1.50 ต่อกิโลกรัม (ประมาณ HK$12) ในขณะที่ไฮโดรเจนสีเขียวมีต้นทุนประมาณ US$5 ต่อกิโลกรัม (ประมาณ HK$39)

Stylianou หัวหน้าห้องปฏิบัติการค้นพบวัสดุของ Oregon State University กล่าวว่า การวิจัยนี้ให้แผนผังสำหรับการออกแบบวัสดุที่ลดต้นทุนไฮโดรเจนสีเขียวได้ ด้วยการเปลี่ยนโลหะขณะที่รักษาวัสดุอื่นๆ ไว้เหมือนเดิม ทีมของเขาจึงเข้าใจได้ว่าทำไมบางเวอร์ชันของ MOF มีประสิทธิภาพสูงกว่าอื่นๆ มาก ผลค้นพบเหล่านี้ให้เกณฑ์การออกแบบใหม่สำหรับสร้างวัสดุผลิตเชื้อเพลิงแสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น การวิจัยของพวกเขาได้รับการสนับสนุนจาก Murdoch Charitable Trust, National Science Foundation และคณะวิทยาศาสตร์ Oregon State University ชื่อบทความวิจัยคือ "การถ่ายโอนประจุลิแกนด์ภายในกรอบโลหะ-อินทรีย์ ส่งเสริมการผลิตไฮโดรเจนที่ได้รับการ توسطรากอิสระแอนไอออน"

Emmanuel Musa จากห้องปฏิบัติการ และสมาชิกคนอื่นๆ รวมถึงนักวิจัยหลายคนของ Oregon State University ทุกคนมีส่วนร่วมในงานนี้ การวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ใน Journal of the American Chemical Society

ผลกระทบของวัสดุใหม่ต่อการผลิตไฮโดรเจน

ความสำเร็จของการวิจัยนี้อยู่ที่การพัฒนาวัสดุเร่งปฏิกิริยาแสงที่ไม่ต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะ ซึ่งไม่เพียงแต่ลดต้นทุนการผลิต แต่ยังเพิ่มความยั่งยืนทางสิ่งแวดล้อม วิธีการผลิตไฮโดรเจนแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่พึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิล ปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ สร้างภาระต่อสิ่งแวดล้อม ในขณะที่การประยุกต์ใช้วัสดุใหม่นี้อาจส่งเสริมการแพร่หลายของไฮโดรเจนสีเขียว และขับเคลื่อนการพัฒนาพลังงานหมุนเวียน ด้วยความต้องการพลังงานสะอาดที่เพิ่มขึ้น การพัฒนาวัสดุชนิดนี้จึงมีความสำคัญยิ่งขึ้น เปิดโอกาสใหม่สำหรับการเปลี่ยนผ่านด้านพลังงานในอนาคต