นักวิทยาศาสตร์มหาวิทยาลัยเยลผสมผสานพลาสมาและไฟฟ้า เพื่อเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นเชื้อเพลิงการบินอย่างยั่งยืน

นักวิทยาศาสตร์ของมหาวิทยาลัยเยลได้พัฒนาระบบที่ผสมผสานพลาสมาเข้ากับพลังงานไฟฟ้า เพื่อแปลงคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ให้เป็นสารเคมีที่มีมูลค่า รวมถึงเมทานอลและบิวเทน การวิจัยนี้นำโดย ดร. Lea Winter ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีและสิ่งแวดล้อมของมหาวิทยาลัยเยล Winter และทีมพยายามผสมผสานพลาสมาเข้ากับกระบวนการอิเล็กโทรคatalysis พลาสมามักถูกเรียกว่าสถานะที่สี่ของสสาร ถัดจากของแข็ง ของเหลว และก๊าซ โดยเป็นก๊าซพลังงานสูงที่อิเล็กตรอนถูก剥离ออกจากอะตอม จนเกิดเป็นอนุภาคที่มีประจุ Winter ระบุว่า วิธีนี้สามารถแปลง CO2 ให้เป็นเชื้อเพลิง ยา ตัวทำละลาย และสารเคมีอื่นๆ ที่ได้จากเชื้อเพลิงฟอสซิล

เธอเสริมว่า "ผลิตภัณฑ์ที่มีคาร์บอนหลายอะตอมซึ่งเราผลิตได้ด้วยวิธีนี้มีประโยชน์อย่างมากต่ออุตสาหกรรมเคมีหลายประเภท" นอกจากนี้ยังสามารถผลิตสารตั้งต้นสำหรับเชื้อเพลิงการบินอย่างยั่งยืนได้อีกด้วย

การผสมผสานระหว่างพลาสมากับอิเล็กโทรคatalysis

การสลาย CO2 แม้ว่า CO2 จะมีอยู่มากมาย แต่ยังไม่ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่า เนื่องจากเป็นโมเลกุลที่มีความเสถียรสูงและเฉื่อย การเปลี่ยนให้เป็นสารที่เป็นประโยชน์จึงต้องใช้พลังงานจำนวนมาก อิเล็กโทรคatalysis เป็นแนวทางแก้ปัญหาที่มีความน่าสนใจ โดยอาศัยพลังงานไฟฟ้าและตัวเร่งปฏิกิริยาในการขับเคลื่อนปฏิกิริยาเคมี เพื่อเปลี่ยน CO2 ไปเป็นสารประกอบอื่น อย่างไรก็ตาม การใช้อิเล็กโทรคatalysis เพียงอย่างเดียวมักให้ผลิตภัณฑ์คาร์บอนที่เรียบง่ายในขอบเขตจำกัด ทีมของเยลจึงพิจารณาผสมอิเล็กโทรคatalysis เข้ากับพลาสมา ซึ่งประกอบด้วยอิเล็กตรอนพลังงานสูง อิเล็กตรอนเหล่านี้จะกระตุ้นโมเลกุล CO2 และทำให้พันธุ์ของมันอ่อนลงก่อนที่จะเข้าถึงตัวเร่งปฏิกิริยา

จากนั้นตัวเร่งปฏิกิริยาจะใช้สารที่ถูกกระตุ้นเหล่านี้สร้างผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกันออกไป Winter ระบุว่า พลาสมาเปิดเส้นทางเคมีที่อิเล็กโทรคatalysis เพียงอย่างเดียวไม่สามารถเข้าถึงได้

นวัตกรรมรอยต่อสามเฟส

อย่างไรก็ตาม กระบวนการทางเคมีไฟฟ้าที่ใช้พลาสมาเหล่านี้มักขึ้นอยู่กับรอยต่อน้ำ ซึ่งอาจจำกัดประสิทธิภาพ แม้พลาสมาจะสามารถกระตุ้นก๊าซ CO2 ได้ แต่น้ำอาจดับและทำให้สปีชีส์พลาสมาที่มีปฏิกิริยาสูงสุดเป็นกลางเสียก่อน ก่อนจะไปถึงตัวเร่งปฏิกิริยา Winter เสริมว่า "การหาวิธีผสมพลาสมาเข้ากับตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อให้เรามองเห็นผลของพลาสมาอย่างแท้จริง และให้สปีชีส์ที่ถูกกระตุ้นเหล่านี้เข้าร่วมปฏิกิริยาเร่ง เป็นความท้าทายมาโดยตลอด"

การเอาชนะข้อจำกัด เพื่อแก้ปัญหานี้ นักวิทยาศาสตร์ได้นำเสนอรอยต่อสามเฟสที่ผสมผสานองค์ประกอบของก๊าซ ของเหลว และของแข็งเข้าด้วยกัน ขณะเดียวกันก็ป้องกันไม่ให้พลาสมาทำปฏิกิริยาโดยตรงกับน้ำ ระบบนี้ใช้อิเล็กโทรดแบบก๊าซดิฟฟิวชัน ซึ่งเป็นเมมเบรนที่ทำจากวัสดุชนิดเดียวกับที่ใช้ในกระทะเคลือบ บางส่วนเคลือบด้วยทองแดงบางๆ ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้า รูพรุนมีขนาดใหญ่พอที่อนุภาคพลาสมาจะผ่านชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาไปพบโปรตอนในน้ำ และขับเคลื่อนปฏิกิริยาเคมี นักวิทยาศาสตร์ระบุว่า วิธีนี้ทำให้ได้ผลผลิตแอลกอฮอล์ที่มีมูลค่า และสารที่มีคาร์บอนสามถึงสี่อะตอมสูงที่สุดเท่าที่เคยมีมา

ผลิตภัณฑ์เหล่านี้สามารถนำไปใช้เป็นเชื้อเพลิงเหลว ยา และผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าอื่นๆ โดยขั้นต่อไปทีมจะปรับแต่งตัวเร่งปฏิกิริยาและทดลองกับวัสดุอื่น

ศักยภาพในเชิงพาณิชย์และการประยุกต์ใช้

นอกจากนี้ ระบบยังทำงานที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศ ซึ่งอาจทำให้การนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ทำได้ง่ายขึ้น Winter สรุปในข่าวเผยแพร่ว่า "นี่คือกระบวนการที่เปิด-ปิดได้ทันที คุณสามารถเปิดหรือปิดได้ตามความพร้อมของกระแสไฟฟ้า และยังทำงานร่วมกับไฟฟ้าหมุนเวียนที่ผันผวนได้โดยตรง ดังนั้นเราจึงมองเห็นการปรับเปลี่ยนโรงงานที่มีอยู่เดิม คุณจึงไม่จำเป็นต้องสร้างโรงงานใหม่ทั้งหมดเพื่อรองรับ" งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Catalysis

ผลกระทบของเทคโนโลยีนี้ต่อพลังงานอย่างยั่งยืน

งานวิจัยของมหาวิทยาลัยเยลแสดงให้เห็นถึงศักยภาพของการผสมผสานระหว่างพลาสมากับอิเล็กโทรคatalysis ในการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ โดยนำเสนอแนวทางใหม่ เมื่อทั่วโลกมีความต้องการลดการปล่อยคาร์บอนเพิ่มมากขึ้น เทคโนโลยีนี้สามารถแปลง CO2 ไปเป็นเชื้อเพลิงการบินอย่างยั่งยืนและสารเคมีอื่นๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งมีความสำคัญต่อการรักษาสิ่งแวดล้อมและการเปลี่ยนผ่านด้านพลังงาน นอกจากนี้ ระบบยังทำงานที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศ ซึ่งช่วยลดอุปสรรคทางเทคนิคในการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ และอาจส่งเสริมการปรับเปลี่ยนโรงงานที่มีอยู่เดิม เพื่อให้การใช้พลังงานมีประสิทธิภาพมากขึ้น