การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีใหม่ๆ เพื่อช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการเคมี โดยหลักการนั้นไม่ต่างจากการออกแบบรถยนต์ ที่ต้องอาศัยความรู้ความเข้าใจเชิงลึกเกี่ยวกับการทำงานของเครื่องยนต์ แต่ในกรณีของตัวเร่งปฏิกิริยาเคมี เครื่องยนต์กลไกที่เป็นหัวใจของการเกิดปฏิกิริยานั้น เป็นผลมาจากแรงอันตรกิริยาที่เป็นแรงดูดหรือแรงผลักระหว่างพื้นผิวของตัวเร่งและโมเลกุลของสาร ซึ่งปรากฎการณ์ดังกล่าวนั้นเกิดขึ้นในระดับนาโนเมตรหรือเล็กกว่า การวิเคราะห์วัสดุที่มาตราส่วนดังกล่าวนั้นมีความซับซ้อนและมักมีข้อกำจัดด้านเครื่องมือ หรือในบางกรณีสมบัติที่สำคัญนั้นยังไม่สามารถวัดได้โดยเครื่องมือที่มีอยู่ในปัจจุบัน ทางเดียวที่นักวิจัยจะทำความเข้าใจคุณสมบัติของวัสดุเชิงลึกได้ คือผ่านการคำนวณเคมีเชิงคอมพิวเตอร์

ในบทความนี้ เราจะมาเล่าถึงงานวิจัยใน NCAS ที่นำการคำนวณเคมีเชิงคอมพิวเตอร์มาใช้แก้โจทย์ที่สำคัญเชิงเคมีและวัสดุ เพื่อนำไปสู่องค์ความรู้เชิงลึกที่ประยุกต์ใช้จริงได้ในอุตสาหกรรม

การคำนวณเคมีเชิงคอมพิวเตอร์ เป็นศาสตร์ซึ่งเกิดจากวิชาพื้นฐานของทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม (Quantum Mechanics) และทฤษฎีกลศาสตร์สถิติ (Statistical Mechanics) โดยการคำนวณเชิงคอมพิวเตอร์จะเป็นการจำลองโครงสร้างวัสดุในสามมิติและการคำนวณเคมีควอนตัมผ่านซอฟต์แวร์การคำนวณ ซึ่งสามารถใช้อธิบาย และทำนายคุณสมบัติทางโครงสร้าง คุณสมบัติเชิงแสง สมบัติทางอุณหพลศาสตร์ (thermodynamics) พลังงานจลน์ พลังงานความร้อน ความว่องไวในการเกิดปฏิกริยาเคมี ของวัสดุที่สนใจ ซึ่งจะทำให้นักวิจัยเข้าใจจากรากฐานถึงแรงอันตรกิริยาระหว่างอะตอม โมเลกุล องค์ประกอบของวัสดุ ตลอดจนโครงสร้างและปัจจัยที่มีผลต่อสมบัติในด้านต่างๆ เช่น ความแข็งแรง การนำไฟฟ้า ความสามารถในการเกิดปฏิกิริยาเคมีและอันตรกิริยาทางชีวภาพ  และในที่สุดจะนำไปสู่ความสามารถในการทำนายและออกแบบโครงสร้างวัสดุนาโนให้มีสมบัติที่พึงประสงค์ เหมาะกับการประยุกต์ใช้งานเฉพาะด้านต่างๆ โดยที่ผ่านมาเทคนิคนี้ได้มีส่วนช่วยในการพัฒนาอุตสาหกรรมที่เกี่ยวกับนาโนเทคโนโลยีในหลากหลายด้าน ได้แก่ อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ เคมี พอลิเมอร์ ปิโตรเคมี และยา เป็นต้น

ทีมวิจัยการคำนวณระดับนาโน (Nanoscale Simulation Research Team) หรือ SIM ภายใต้กลุ่มวิจัยตัวเร่งปฏิกิริยาและการคำนวณระดับนาโน หรือ NCAS ได้มุ่งมั่นผลักดันงานวิจัยด้านการคำนวณเคมีเชิงคอมพิวเตอร์ในประเทศไทยมาเป็นเวลา 15 ปี และมีความเชี่ยวชาญในการใช้ระเบียบวิธีคำนวณต่างๆ ไม่ว่าจะเป็น Quantum Mechanics (QM), Ab Initio Molecular Dynamic Simulation (AIMD), hybrid Quantum Mechanics and Molecular Mechanics (QM/MM) เป็นต้น โดยหัวข้อวิจัยที่พวกเราสนใจและเชี่ยวชาญ สามารถแบ่งออกเป็น 4 หัวข้อ ได้แก่

1.   การศึกษาการเร่งปฏิกิริยาเพื่อเปลี่ยนสารชีวมวลเป็นสารเคมีชีวภาพ (catalysis for biorefinery) ซึ่งครอบคลุมถึงการเพิ่มประสิทธิภาพของสารเคมีเชื้อเพลิงให้สูงขึ้นผ่านกระบวนการเกิดปฏิกิริยาต่างๆ เช่น การกำจัดออกซิเจนเพื่อเพิ่มค่าออกเทนให้กับน้ำมัน หรือการกำจัดซัลเฟอร์เพื่อลดกลิ่นและการกัดกร่อนของน้ำมัน เป็นต้น
2. การพัฒนาวัสดุนาโนเพื่อการกำจัดมลพิษ (catalysts and adsorbents for pollutant removal) เช่น ตัวเร่งปฏิกิริยาการกำจัดไอของโลหะหนัก เช่น สารหนู ปรอท ออกจากแก๊สเผาไหม้จากโรงไฟฟ้าถ่านหิน รวมทั้งแก๊สพิษและสารเคมีระเหยง่าย ต่างๆ เช่น ไนโตรเจนออกไซด์ ไฮโดรเจนซัลไฟด์ ฟอร์มัลดีไฮด์ เป็นต้น
3. การพัฒนาวัสดุสำหรับการใช้งานพลังงาน ได้แก่ การพัฒนาสารอินทรีย์ไวแสงสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ และไดโอดเปล่งแสง รวมทั้งวัสดุสำหรับขั้วแบตเตอรี่ เป็นต้น
4. การสังเคราะห์แสงประดิษฐ์ (Artificial Photosynthesis) มุ่งเน้นการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับการเปลี่ยนแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์เป็นสารเคมีที่มีมูลค่า ผ่านปฏิกิริยาต่างๆ อาทิ ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า (electrochemical reaction) ปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีที่เร่งด้วยแสง (photo-electrochemical reaction) และ ปฏิกิริยาที่เร่งด้วยความร้อน (Thermal reaction) เป็นต้น

ในตอนที่ 1 นี้เราจะขอยกตัวอย่างงานวิจัยของทีมที่ใช้การคำนวณเคมีเชิงคอมพิวเตอร์มาช่วยในการพัฒนาวัสดุนาโนเพื่อประยุกต์ใช้การกำจัดมลพิษและงานพลังงาน ได้แก่

การพัฒนาฐานข้อมูลตัวดูดซับและตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อบำบัดไอปรอทจากโรงไฟฟ้าถ่านหิน

จากสถิติปริมาณการใช้ไฟฟ้าในช่วง 10 ปีที่ผ่านมา ประเทศไทยมีความต้องการใช้ไฟฟ้าเพิ่มขึ้นทุกปี และด้วยปัจจัยเชิงราคา โรงไฟฟ้าถ่านหินจึงยังเป็นที่ต้องการสำหรับภาคอุตสาหกรรมไทย การเผาไหม้ถ่านหินนั้นปลดปล่อยสู่มลพิษมากมาย ไม่ว่าจะเป็น แก๊สคาร์บอนออกไซด์ (COx) ไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) ไดออกซิน และไอของโลหะหนักหลายชนิด รวมทั้งไอปรอท ทีมวิจัยของเราได้มีส่วนร่วมในการพัฒนากระบวนการกำจัดมลพิษจากแก๊สเผาไหม้ (flue gas) ที่ปลดปล่อยออกจากโรงไฟฟ้าถ่านหินก่อนระบายออกสู่บรรยากาศ เพื่อลดผลกระทบที่จะเกิดจากการสะสมมลพิษในสิ่งแวดล้อมและการเป็นพิษต่อสิ่งมีชีวิต

จากการทุนอุดหนุนวิจัยจากสำนักงานคณะกรรมการวิจัยแห่งชาติ (วช.) ทีมวิจัยของเราได้พัฒนาโมเดลจากระเบียบวิธีคำนวณด้วยเทคนิค DFT โดยใช้โปรแกรม VASP เพื่อการออกแบบวัสดุดูดซับไอปรอทจากผงถ่านกัมมันต์ (Activated carbon) ซึ่งสามารถผลิตได้ง่ายจากวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตร อาทิเช่น กะลามะพร้าว และทลายปาล์ม ทีมวิจัยได้ศึกษาคุณสมบัติและกลไกในการยึดจับไอปรอท ของถ่านกัมมันต์ที่มีการเจือ (doping) ด้วยโลหะ 68 ชนิด ซึ่งนำไปสู่ฐานข้อมูลตัวดูดซับ (Adsorbent database) และผลพบว่าโลหะเงิน เหล็ก และพาลาเดียม ที่เจือบนแผ่นกราฟีนมีประสิทธิภาพในการดูดซับไอปรอทสูง นอกจากนี้จากการคำนวณด้วยระเบียบวิธี B3LYP/6-31G(d,p) โดยโปรแกรม Gaussian 09 ยังนำไปสู่การค้นพบอีกว่า หากเติมหมู่ฟังก์ชันในกลุ่มเฮไลด์ (halide) เช่น คลอไรด์ (Cl-) โบรไมด์ (Br-) และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ไอโอไดด์ (I-) ลงบนถ่านกัมมันต์ จะเพิ่มความสามารถในการดูดซับไอปรอทอย่างยิ่งยวด เพราะปรอทสามารถถูกออกซิไดซ์เป็น Hg halide (HgX) และดูดติดแน่นบนถ่านกัมมันต์

ผลงานวิจัยตีพิมพ์ที่เกี่ยวข้อง

• C. Rungnim, V. Promarak, S. Hannongbua, N. Kungwan, S. Namuangruk. Complete reaction mechanisms of mercury oxidation on halogenated activated carbon. Journal of hazardous materials. 310 (2016) 253-260.
• J. Meeprasert, A. Junkaew, C. Rungnim, M. Kunaseth, N. Kungwan, V. Promarak, S. Namuangruk Capability of Defective Graphene-Supported Pd13 and Ag13 Particles for Mercury Adsorption. Applied Surface Science, 364 (2016) 166–175.
• C. Rungnim, J. Meeprasert, M. Kunaseth, A. Junkaew, P. Khamdahsag, P. Khemthong, N. Pimpha, S. Namuangruk. Understanding Synergetic Effect of TiO2-supported Silver Nanoparticle as a Sorbent for Hg0 Removal. Chemical Engineering Journal 274 (2015) 132-142.
• A. Junkaew, C. Rungnim, M. Kunaseth, R. Arróyave, V. Promarak, N. Kungwan, S. Namuangruk. Metal cluster-deposited graphene as an adsorptive material for m-xylene. New Journal of Chemistry. 39 (2015), 9650-9658.
• S. Jungsuttiwong, Y. Wongnongwa, S. Namuangruk, N. Kungwan, V. Promarak, M. Kunaseth. Density functional theory study of elemental mercury adsorption on boron doped graphene surface decorated by transition metals. Applied Surface Science 362 (2016) 140-145.

การออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อกำจัดแก๊สไนโตรเจนออกไซด์จากไอเสีย

นอกจากไอปรอทแล้ว ทีมวิจัยยังได้ศึกษาตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในการกำจัด NOx จากอุตสาหกรรม ผ่านการสนับสนุนทุนวิจัยจากสำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย (สกว.) เพื่อพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยากำจัด NOx ทดแทนตัวเร่งประเภท V2O5-WO3/TiO2 ซึ่งทำงานเฉพาะที่อุณหภูมิสูงและมีความเป็นพิษสูง โดยทีมวิจัยนำเสนอตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดใหม่จากการออกแบบด้วยคอมพิวเตอร์ ที่มีองค์ประกอบของ metal-porphyrin และ metal-phthalocyanine ซึ่งเป็นโครงสร้างที่มีความเสถียรสูง จากการคำนวณด้วยระเบียบวิธี M06L/6-31G(d,p) พบว่ามีตัวเร่งปฏิกิริยา 2 ชนิดที่มีศักยภาพในการกำจัด NOx สูง ได้แก่ ตัวเร่งปฏิกิริยา Cr-phthalocyanine ซึ่งจากการคำนวณเสนอว่าสามารถทำปฏิกิริยา direct NO oxidation ได้ดีที่อุณหภูมิต่ำราวอุณหภูมิห้อง และ ตัวเร่งปฏิกิริยา Ti-porphyrins ซึ่งสามารถกำจัด NOx ได้ด้วยวิธี Selective catalytic reduction โดยใช้ NH3 เป็น reducing agent

นอกจากนี้ ทีมวิจัยยังได้ศึกษาการเพิ่มประสิทธิภาพของไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2) ผ่านการดัดแปลงสัญฐาน (Morphology) ของ TiO2 จากอนุภาคนาโนทรงกลม (Nanoparticle) ไปเป็น แผ่นนาโน (Nanosheet) และพบว่า TiO2 ที่มีโครงสร้างเป็นแผ่นนาโนมีประสิทธิภาพในการกำจัด NOx ที่สูงกว่า ซึ่งสอดคล้องกับผลการทดลองเป็นอย่างดี 

ผลงานวิจัยตีพิมพ์ที่เกี่ยวข้อง

• Chirawat Chitpakdee, Anchalee Junkaew, Phornphimon Maitarad, Liyi Shi, Vinich Promarak, Nawee Kungwan and Supawadee Namuangruk “Understanding the role of Ru dopant on selective catalytic reduction of NO with NH3 over Ru-doped CeO2 catalyst” Chemical Engineering Journal 369 (2019) 124–133. 
• Anchalee Junkaew Masahiro Ehara, Lei Huang and Supawadee Namuangruk “Facet-dependent catalytic activity of anatase TiO2 for the selective catalytic reduction of NO with NH3: A dispersion-corrected density functional theory study” Applied Catalysis A, General 623 (2021) 118250. 
• Phornphimon Maitarada, Anchalee Junkaew, Vinich Promarakb, Liyi Shi and Supawadee Namuangruk. “Complete catalytic cycle of NO decomposition on a silicon-doped nitrogen coordinated graphene: Mechanistic insight from a DFT study” Applied Surface Science 508 (2020) 145255
• Thantip Roongcharoen, Nawee Kungwan, Rathawat Daengngern, Chanchai Sattayanon and Supawadee Namuangruk “Nitric oxide oxidation on warped nanographene (C80H30): a DFT study” Theoretical Chemistry Accounts (2019) 138:18.
• Anchalee Junkaew, Supawadee Namuangruk, Phornphimon Maitarad and Masahiro Ehara”Silicon-coordinated nitrogen-doped graphene as a promising metal-free catalyst for N2O reduction by CO: a theoretical study” RSC Advances, 2018, 8, 22322.
•  Phornphimon Maitarad, Vinich Promarak, Liyi Shi and Supawadee Namuangruk “Effect of Water Molecule on Photo-Assisted Nitrous Oxide Decomposition over Oxotitanium Porphyrin: A Theoretical Study” Catalysts 2020, 10, 157.  

การออกแบบและพัฒนาโมเลกุลสารอินทรีย์เพื่อเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง (Dye-sensitized solar cell) และไดโอดเปล่งแสง (OLED)

แสงอาทิตย์เป็นแหล่งพลังงานมหาศาลที่ใช้ได้ไม่มีวันหมด การเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าแทนการใช้แหล่งพลังงานจากฟอสซิล เป็นอีกหนึ่งหัวข้อที่สำคัญที่ทีมวิจัยของเราได้มีส่วนร่วมในการศึกษา ภายใต้ทุนอุดหนุนวิจัยจากการไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย (กฟผ.) ทีมวิจัยของเราได้พัฒนากระบวนการคำนวณเพื่อคัดเลือกวัสดุ สำหรับแสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง (Dye-sensitized solar cell) จากการคำนวณโครงสร้างด้วยระเบียบวิธี time-dependent density functional theory ได้แก่ TD-B3LYP, TD-CAM-B3LYP, TD-M06 และ wB97D รวมทั้ง Symmetry Adapted Cluster/Configuration Interaction (SAC-CI) ทีมวิจัยได้ช่วยคัดกรองและคัดเลือกโครงสร้างโมเลกุลอินทรีย์ที่มีศักยภาพสูงก่อนนำไปสังเคราะห์จริงในห้องปฏิบัติการ ซึ่งสามารถร่นระยะเวลาการลองผิดถูกในการทดลองสังเคราะห์ และลดค่าใช้จ่ายด้านสารเคมีอีกด้วย 

งานวิจัยนี้ได้มีความร่วมมือวิจัยกับนักเคมีที่มีความความเชี่ยวชาญการสังเคราะห์สูง คือ ศ.ดร.วินิช พรมอารักษ์ จากสถาบันวิทยสิริเมธี องค์ความรู้ด้านการพัฒนาวิธีการคำนวณเหล่านี้ยังสามารถประยุกต์ใช้กับงานด้านการพัฒนาสารอินทรีย์สำหรับอุปกรณ์ไดโอดเปล่งแสง (organic light emitting diodes, OLED) อีกด้วย ซึ่งผลลัพธ์จากโครงการวิจัยนี้นำไปสู่ผลงานตีพิมพ์ในวารสารวิชาการนานาชาติมากกว่า 60 ฉบับ โดยปัจจุบันทีมวิจัยยังคงสนใจพัฒนางานวิจัยอย่างต่อเนื่องเพื่อคาดหวังว่าจะสามารถนำผลงานวิจัยด้านเซลล์แสงอาทิตย์มาต่อยอดสู่เชิงพาณิชย์ได้ในอนาคต

ตัวอย่างผลงานวิจัยตีพิมพ์ที่เกี่ยวข้อง

• Supawadee Namuangruk, Masahiro Ehara, Jittima Meeprasert, .., and V. Promarak, D-D-p-A-type organic dyes for dye-sensitized solar cells with a potential for direct electron injection and a high extinction coefficient: Synthesis, characterization, and theoretical investigation, Journal of Physical Chemistry C 116 (2012) 25653-25663.
•  Supawadee Namuangruk, Jittima Meeprasert, Siriporn Jungsuttiwong, Vinich Promarak, Nawee Kungwan, Organic Sensitizers with Modified Di(thiophen-2-yl)phenylamine Donor Units for Dye-Sensitized Solar Cells: A Computational Study. Theoretical Chemistry Accounts. 133 (2014) 1534.
• Supawadee Namuangruk, Siriporn Jungsuttiwong, Nawee Kungwan, Vinich Promarak, Taweesak Sudyoadsuk, Bavornpon Jansang, Masahiro Ehara. Coumarin-based donor–π–acceptor organic dyes for a dye-sensitized solar cell: photophysical properties and electron injection mechanism. Theoretical Chemistry Accounts 135 (2016) 1-13.
•  Supawadee Namuangruk, …, and S. Jungsuttiwong. Theoretical Investigation on the Charge Transfer Properties of Different Meso-linked Zinc Porphyrin for Highly Efficient Dye-Sensitized Solar Cells, Dalton Transactions. 43 (2014) 9166.)
• Chirawat Chitpakdee, Supawadee Namuangruk*, et al., Theoretical studies on electronic structures and photophysical properties of anthracene derivatives as hole-transporting materials for OLEDs, Spectrochimica Acta – Part A. 125 (2014) 36-45.
• Chirawat Chitpakdee, Supawadee Namuangruk,* et al. Effects of π-Linker, Anchoring Group and Capped Carbazole at meso-Substituted Zinc-Porphyrins on Conversion Efficiency of DSSCs. Dyes and Pigments 118 (2015) 64-75. 

ติดตามงานวิจัยที่น่าสนใจอื่นๆ จากทีมวิจัยคำนวณระดับนาโน และจากกลุ่มวิจัย NCAS ได้ในบทความตอนต่อไป

เรื่องโดย ดร. สุภาวดี นาเมืองรักษ์

บรรณาธิการโดย ดร.ปองกานต์ จักรธรานนท์