ตัวเร่งปฏิกิริยา(อาจ)เป็นคำตอบ

โลกร้อน!  น้ำมันแพง! ค่าแรงถูก!

ปัญหาเหล่านี้ (อาจ) มี catalyst เป็นคำตอบ!

“Catalyst” หรือ “ตัวเร่งปฏิกิริยา” มีความหมายตรงตัวคือ เป็นสิ่งที่ช่วยเร่งปฏิกิริยาให้เกิดเร็วขึ้น ปฏิกิริยาเคมีทั้งหลายที่มีความสำคัญต่อชีวิต หากไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยามักจะไม่สามารถเกิดได้เองตามธรรมชาติ หรือเกิดได้อย่างเชื่องช้า และใช้เวลานานนับเดือนหรือนับปีกว่าที่เราจะได้ผลิตภัณฑ์ในปริมาณที่ต้องการ กระบวนการทางเคมีที่เรียกว่า “Catalysis” หรือ “การเร่งปฏิกิริยา” จึงมีความจำเป็นอย่างยิ่ง เพราะมันทำหน้าที่เปลี่ยนกลไกในการเกิดปฏิกิริยา ซึ่งนำไปสู่การลดพลังงานในการเกิดปฏิกิริยาจึงสามารถเร่งปฏิกิริยาให้เร็วขึ้นได้ อาจกล่าวได้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยานั้นเปรียบเสมือนเครื่องทุ่นแรง ทำให้สารเคมีเกิดการแตกตัวและรวมตัวขึ้นเป็นสารเคมีชนิดใหม่ได้ง่ายขึ้นอย่างมาก

 

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับชีวิตประจำวันของคนเรามีหลากหลาย ตั้งแต่เอ็นไซม์สารพัดชนิดในร่างกาย ซึ่งจัดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพ หรือตัวเร่งปฏิกิริยากลุ่มโลหะที่ใช้อย่างหลากหลายในอุตสาหกรรม เช่น โลหะแพลตินัมในเครื่องฟอกไอเสียในรถยนต์ (catalytic converter) ที่ทำหน้าที่กำจัดก๊าซพิษจากท่อไอเสีย ตัวเร่งปฏิกิริยานิเกิลที่ใช้ในกระบวนการผลิตก๊าซไฮโดรเจน จากปฏิกิริยาระหว่างก๊าซมีเทนและไอน้ำ (ปฏิกิริยา steam reforming) ซึ่งมีความสำคัญยิ่งต่อกระบวนการผลิตสารเคมีและเชื้อเพลิง หรือตัวเร่งปฏิกิริยาเหล็ก ที่ใช้ในกระบวนการผลิตแอมโมเนียจากปฏิกิริยาระหว่างก๊าซไนโตรเจนในอากาศและก๊าซไฮโดรเจน (ปฏิกิริยา Haber–Bosch) อันเป็นสารตั้งต้นของปุ๋ยบำรุงพืช ซึ่งการค้นพบปฏิกิริยานี้ทำให้เราสามารถทำเกษตรกรรมขนาดใหญ่และผลิตอาหารเพียงพอเลี้ยงคนทั้งโลกได้

 

นอกจากตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพและตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะที่ใช้ในชีวิตประจำวันแล้ว หลายคนอาจจะเคยได้ยินข่าวว่ารางวัลโนเบลสาขาเคมีปีล่าสุดนี้ (2021) ตกเป็นของนักเคมีอินทรีย์ Benjamin List ชาวเยอรมัน และ David W.C. MacMillan ชาวอเมริกัน สำหรับงานวิจัยเรื่องตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีอินทรีย์แบบอสมมาตร (Asymmetric organocatalysis) ในการสังเคราะห์สารเคมีบางชนิด สารที่มีสูตรโครงสร้างเดียวกันอาจจะมีโครงสร้างที่สลับด้านกัน คล้ายมือซ้ายกับมือขวาของเราที่เป็นภาพสะท้อนของกันและกัน เราเรียกสารประเภทนี้ว่า Chiral molecule ซึ่งโมเลกุลเหล่านี้อาจจะมีคุณสมบัติที่ต่างกันโดยสิ้นเชิง (เช่น น้ำตาลกลูโคส มี 2 รูป ร่างกายเราย่อย D-glucose ได้ แต่ย่อย L-glucose ไม่ได้ เช่นนี้เป็นต้น) ตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีอินทรีย์นี้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทที่ 3 ที่ไม่ใช่ทั้งเอ็นไซม์หรือโลหะ แต่เป็นสารเคมีอินทรีย์โมเลกุลเล็กๆ ที่มีโครงสร้างจำเพาะและมีความอสมมาตรในตัว จึงสามารถเร่งปฏิกิริยาอสมมาตรนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งมีประโยชน์มากสำหรับการสังเคราะห์สารเคมีที่ต้องการความจำเพาะสูง เช่น ยารักษาโรค

 

ว่าแต่… ตัวเร่งปฏิกิริยาจะช่วยแก้ปัญหาที่บอกไว้ข้างต้นได้อย่างไร?

 

ประเด็นโลกร้อน และน้ำมันแพง เป็นโจทย์ใหญ่ระดับโลกที่ต้องการความร่วมมือจากนานาชาติในการแก้ปัญหา การผลักดันงานวิจัยด้านตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อความยั่งยืนทางพลังงานและสิ่งแวดล้อมอาจจะเป็นหนึ่งในกลไกเชิงเทคโนโลยีที่จะช่วยแก้เหล่านี้ได้ เช่น การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเปลี่ยนของเสียทางเกษตรกรรมให้กลายเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพ (bio-based fuel) หรือผลิตภัณฑ์มูลค่าสูง (bio-based fine chemicals) เพื่อทดแทนการใช้ปิโตรเลียม การพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อดักจับ กักเก็บ และใช้ประโยชน์จากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (Carbon Capture Utilization and Storage; CCUS) รวมไปถึงการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับพลังงานสะอาดอื่นๆ เทคโนโลยีเหล่านี้ หากได้รับการผลักดันและสนับสนุนจากทั้งภาครัฐและเอกชน อาจนำไปสู่เทคโนโลยีใหม่ ธุรกิจใหม่ หรือเศรษฐกิจใหม่ ก็เป็นได้

 

กลุ่มวิจัย Nanocatalysis and Molecular Simulation (NCAS) จากศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (NANOTEC) ของเรามีเป้าหมายเพื่อศึกษาและพัฒนาเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีเพื่อความยั่งยืนทางพลังงานและสิ่งแวดล้อมดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ เพื่อให้ได้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีความจำเพาะสูง มีราคาที่แข่งขันได้ในตลาดอุตสาหกรรม และมีความคงทนต่อสภาวะปฏิกิริยาเคมีที่หลากหลาย งานของพวกเราครอบคลุมตั้งแต่การสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยา การทดสอบตัวเร่งปฏิกิริยา การศึกษาคุณลักษณะจำเพาะของตัวเร่งปฏิกิริยา (characterization) ด้วยเครื่องมือที่มีความทันสมัย การศึกษาคุณสมบัติของปฏิกิริยาเคมีด้วยแบบจำลองขั้นสูง (Computational chemistry) รวมถึงการจัดเก็บข้อมูลและสร้างเครื่องมือทำนายคุณสมบัติของตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยปัญญาประดิษฐ์ (Artificial Intelligence; A.I.)

 

อยากรู้หรือไม่ว่าพวกเราใช้เงินวิจัย (ซึ่งส่วนใหญ่มาจากภาษีของพวกท่าน) ไปทำอะไรกันบ้าง? ขอเชิญกดไลค์ กดฟอล เพื่อติดตามเรื่องราวความคืบหน้าในวงการวิจัยด้านตัวเร่งปฏิกิริยา และอัพเดทผลงานวิจัยระดับแนวหน้า (ที่อธิบายเป็นภาษามนุษย์และไม่ติด paywall) ได้ที่นี่เพจ NCAS นี้ หรือแวะชมเว็บไซต์ของเราได้ที่ www.nanotec.or.th/ncas

 

#NCASresearch

เรียบเรียงโดย ดร. โชติธัช สรรพิทักษ์เสรี

ภาพโดย ดร. ปองกานต์ จักรธรานนท์

อ้างอิง

https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2021/press-release/

โพสต์ที่คุณน่าจะสนใจ

CCUS เทคโนโลยีกำจัดคาร์บอน สู่ทางรอดของประเทศไทย?

สวัสดีปีใหม่ 2567 ผู้อ่านทุกท่าน ปีเก่าผ่านไปปีใหม่เข้ามาพร้อมกับความท้าทายโจทย์ใหญ่โจทย์เดิม คือ สภาวะโลกร้อน ที่ทำให้เกิดสภาพอากาศแปรปรวน อันส่งผลกระทบต่อชีวิตมนุษย์และระบบนิเวศของโลก สภาวะโลกร้อนนี้มีสาเหตุหลักมาจากกิจกรรมของมนุษย์ที่เพิ่มปริมาณก๊าซเรือนกระจกในบรรยากาศ โดยก๊าซเรือนกระจกหลักก็คือคาร์บอนไดออกไซด์

CARBANO เทคโนโลยีผลิตถ่านกัมมันต์ประสิทธิภาพสูงจากวัสดุคาร์บอน

ประเทศไทยขึ้นชื่อว่าเป็นประเทศแห่งอุตสาหกรรมเกษตรและมีวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรที่มากมายหลายหลาก การนำวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรมาแปรรูปเป็นผลิตภัณฑ์มูลค่าสูงจึงเป็นหนึ่งในแนวคิดสำคัญที่จะช่วยเพิ่มรายได้ให้กับอุตสาหกรรมเกษตรของประเทศไทย หนึ่งในผลิตภัณฑ์มูลค่าสูงที่สามารถผลิตได้จากวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตร คือ ถ่านกัมมันต์ (activated carbon) ซึ่งเป็นถ่านที่มีรูพรุนปริมาณมาก สามารถนำไปใช้ดูดซับและกำจัดสิ่งปนเปื้อนเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่สะอาดเหมาะกับการนำไปใช้อุปโภคและบริโภคในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น

รางวัลโนเบล สาขาเคมี 2023 ผู้ปลูกควอนตัมดอทส์ เมล็ดพันธุ์แห่งวงการนาโนเทคโนโลยี

รางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2023 ได้มอบรางวัลให้กับการค้นพบและการพัฒนาควอนตัมดอทส์(Quantum Dots, QTDs) หรือ “จุดควอนตัม” ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีขนาดเล็กมากในระดับ 1-10 นาโนเมตร

รู้จักกับ “ลิกนิน” สารธรรมชาติที่แสนจะไม่ธรรมดา

ลิกนิน (Lignin) เป็นพอลิเมอร์ธรรมชาติ ที่สามารถพบได้ในพืชทั่วไปสูงถึง 30% ทำหน้าที่เปรียบเสมือนกาวประสานช่วยยึดโครงสร้างพืชให้มีความแข็งแรง นอกจากนี้ยังช่วยลดการระเหยของน้ำ และช่วยป้องกันการถูกทำลายของเนื้อเยื่อจากจุลินทรีย์ได้อีกด้วย ลิกนินมีโครงสร้างแบบอะโรมาติก (Aromatic

หมวดหมู่

โพสต์ยอดนิยม

Biorefinery series: การผลิตกรดแลคติกจากน้ำตาล ด้วยกระบวนการเชิงเคมีความร้อน

ไบโอรีไฟเนอรี่ (Biorefinery) หรือ อุตสาหกรรมพลังงานและเคมีชีวภาพ คือ อุตสาหกรรมการผลิตแห่งอนาคตที่นำชีวมวล หรือวัตถุดิบที่ได้จากพืช มาใช้เป็นสารตั้งต้น (feedstock) ในการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ

Biorefinery series: น้ำมันเชื้อเพลิงอากาศยานชีวภาพจากน้ำมันปาล์ม

น้ำมันปาล์มเป็นน้ำมันพืชที่ได้จากผลของต้นปาล์มน้ำมันซึ่งเป็นพืชเศรษฐกิจที่หมุนเวียนได้ น้ำมันปาล์มนั้นสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้อย่างหลากหลาย ตั้งแต่นำมาใช้ได้โดยตรงเพื่อการปรุงอาหาร นำมาผลิตเป็นผลิตภัณฑ์เครื่องสำอาง หรือนำมาใช้เป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมโอลีโอเคมี (oleochemical industry) เช่น ผลิตสารหล่อลื่นชีวภาพ (biolubricant)

โพสต์ล่าสุด

นาโนสารสนเทศและปัญญาประดิษฐ์ ใน ยุค Web 3.0

เราคงคุ้นเคยกับคำว่า ปัญญาประดิษฐ์ หรือ AI เป็นอย่างดี ว่าจะมาช่วยมนุษย์ทำงาน คิดวิเคราะห์ข้อมูล และช่วยในการตัดสินใจ ทำให้เราทำงานได้รวดเร็วและมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น เนื่องจาก

การคำนวณเคมีเชิงคอมพิวเตอร์ภายใต้กลุ่มวิจัย NCAS (ตอนที่ 1)

การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีใหม่ๆ เพื่อช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการเคมี โดยหลักการนั้นไม่ต่างจากการออกแบบรถยนต์ ที่ต้องอาศัยความรู้ความเข้าใจเชิงลึกเกี่ยวกับการทำงานของเครื่องยนต์ แต่ในกรณีของตัวเร่งปฏิกิริยาเคมี เครื่องยนต์กลไกที่เป็นหัวใจของการเกิดปฏิกิริยานั้น เป็นผลมาจากแรงอันตรกิริยาที่เป็นแรงดูดหรือแรงผลักระหว่างพื้นผิวของตัวเร่งและโมเลกุลของสาร ซึ่งปรากฎการณ์ดังกล่าวนั้นเกิดขึ้นในระดับนาโนเมตรหรือเล็กกว่า การวิเคราะห์วัสดุที่มาตราส่วนดังกล่าวนั้นมีความซับซ้อนและมักมีข้อกำจัดด้านเครื่องมือ หรือในบางกรณีสมบัติที่สำคัญนั้นยังไม่สามารถวัดได้โดยเครื่องมือที่มีอยู่ในปัจจุบัน