นักวิจัยนาโนเทค พัฒนาโมเดลที่อธิบายกลไกการเปลี่ยน CO2 เป็นเอทิลีนและเอทานอลด้วยไฟฟ้า ทำให้เข้าใจว่าขั้นตอนไหนเป็นตัวกำหนดความไวของปฏิกิริยา และนำมาใช้ออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาลดโลกร้อนที่ดีขึ้นได้ #TLDR
…
ทุกคนคงจะทราบดีว่าตัวการของ “ภาวะโลกร้อน” ที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพอากาศซึ่งส่งผลกระทบอันใหญ่หลวงต่อระบบนิเวศ คือการปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) จากกิจกรรมของมนุษย์ แม้ว่าทีมวิจัยของเราไม่อาจมีส่วนร่วมผลักดันนโยบายเพื่อลดการปล่อยก๊าซ CO2 โดยตรง แต่เรามุ่งมั่นที่จะพัฒนางานวิจัยเพื่อเป็นรากฐานในการแก้ปัญหาที่สำคัญยิ่งนี้ เทคโนโลยีการดักจับ กักเก็บ และการนำ CO2 ไปใช้ประโยชน์ (Carbon capture, utilization, and storage; CCUS) เป็นโจทย์ที่พวกเราพยายามผลักดันอย่างยิ่ง เพราะนอกจากจะช่วยลดปริมาณการปลดปล่อยก๊าซ CO2 ยังเปลี่ยน CO2 เจ้าปัญหา ไปเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าและนำไปใช้ประโยชน์ได้

หนึ่งในวิธีนำ CO2 ไปใช้ประโยชน์ที่น่าสนใจมาก คือการเปลี่ยน CO2 ไปเป็นสารเคมีที่มีความต้องการในอุตสาหกรรมสูง ได้แก่ เอทิลีน และ เอทานอล ด้วยปฏิกิริยารีดักชันเชิงเคมีไฟฟ้า (electrochemical CO2 reduction reaction, CO2RR) ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้านี้มีจุดเด่นคือ สามารถเกิดได้ที่อุณหภูมิห้อง อาศัยเพียง CO2 และน้ำเป็นสารตั้งต้น และใช้พลังงานไฟฟ้าในการกระตุ้นการเกิดปฏิกิริยาบนตัวเร่งปฏิกิริยาประเภททองแดง
เป็นที่ทราบกันดีในวงการว่า ประเภทหน้าตัดของตัวเร่งปฏิกิริยามีผลต่อชนิดของผลิตภัณฑ์ ทองแดงหน้าตัด (111) (เรียงตัวสับหว่างกันเป็นกริดสามเหลี่ยม) สามารถผลิตก๊าซมีเทนที่มีคาร์บอนอะตอมเดียวได้ดี ในขณะที่หน้าตัด (100) (เรียงแถวเป็นกริดสี่เหลี่ยม) สามารถผลิตเอทิลีนและเอทานอลที่มีคาร์บอน 2 อะตอมได้มากกว่า

ในงานวิจัยฉบับนี้ ทีมวิจัย NCAS นำโดย ดร. ผุศนา หิรัญสิทธิ์ ดร. ขจรศักดิ์ เฟื่องนวกิจ และ นางสาวจิรภัทร์ สันตติวงศ์ไชย ใช้การคำนวณทางเคมีคอมพิวเตอร์ (Computational molecular simulation) ด้วยระเบียบวิธี Density Functional Theory (DFT) เพื่อศึกษากลไกการเกิดปฏิกิริยา CO2RR บนตัวเร่งปฏิกิริยาทองแดงหน้าตัด (100) เพื่อทำความเข้าใจถึงขั้นตอนการเกิดปฏิกิริยาที่ทำให้คาร์บอน 2 อะตอมเกิดการเชื่อมต่อกัน
จุดเด่นของการงานวิจัยนี้คือ ทีมวิจัยได้จำลองโมเลกุลน้ำแบบ explicit (ผ่านการใช้ซุปเปอร์คอมพิวเตอร์จากสถาบัน ThaiSC) ซึ่งให้ผลที่ถูกต้องกว่าเมื่อเทียบกับแบบจำลองโมเลกุลน้ำแบบอื่นๆ ที่ใช้ในการศึกษาก่อนหน้า จึงนำไปสู่การค้นพบว่า น้ำมีผลต่อการดูดซับของสารตัวกลาง (ภาษาเคมีเรียก สารมัธยันต์ หรือ intermediate) บนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา ทำให้มีกลไกการเกิดปฏิกิริยาที่เป็นไปได้หลายกลไก และทีมวิจัยสามารถระบุสารมัธยันต์ที่สำคัญต่อการผลิตเอทิลีนและเอทานอลได้ และยังทำให้ทราบอีกว่าขั้นปฏิกิริยาที่ทำให้คาร์บอนเชื่อมต่อกันได้นั้นขึ้นอยู่กับปริมาณสารมัธยันต์ CO บนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาที่เปลี่ยนแปลงไปตามศักย์ไฟฟ้า ซึ่งการเข้าใจกลไกการเกิดปฏิกิริยาเชิงลึกเช่นนี้มีความสำคัญยิ่งต่อการออกแบบและพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยา CO2RR ให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นในอนาคต ซึ่งเราจะมาเล่าต่อในตอนถัดไป

งานวิจัยเพียงหนึ่งเรื่องอาจถูกมองว่าเป็นเพียงก้าวเล็กๆ แต่ทุกก้าวล้วนสำคัญ และไม่ว่าคุณผู้อ่านจะเป็นบุคลากรสายวิทย์หรือเป็นใครก็ตามที่บังเอิญกดมาเจอเพจนี้ ยังไงก็ฝากติดตาม และขอเชิญชวนแลกเปลี่ยนความเห็นในเพจนี้กันได้เลยนะคะ

ติดตามอ่านข่าวสารความคืบหน้างานวิจัยอื่นๆ จากทีม NCAS ณ ศูนย์นาโนเทค ทางเพจ NCAS นี้ หรือ www.nanotec.or.th/ncas และสามารถอ่านงานวิจัยเรื่อง “Comprehensive Mechanism of CO2 Electroreduction toward Ethylene and Ethanol: The Solvent Effect from Explicit Water−Cu(100) Interface Models” ได้ที่วารสาร ACS Catalysis (https://doi.org/10.1021/acscatal.1c01486)

เรียบเรียงโดย จิรภัทร์ สันตติวงศ์ไชย และ ดร. ผุศนา หิรัญสิทธิ์