ในตอนนี้จะเล่าถึงงานวิจัยของกลุ่ม NCAS ที่ประยุกต์ใช้ atomic simulation และวิธีการคำนวณแบบ Density Functional Theory calculations (DFT) สำหรับงานวิจัยในด้าน CO2 Utilization ในหัวข้อการใช้ปฏิกิริยา CO2 electrochemical reduction เพื่อเปลี่ยนก๊าซ CO2 ไปเป็นผลิตภัณฑ์สารเคมีที่มีมูลค่าประเภท hydrocarbons และ oxygenates เช่น ฟอร์เมต มีเทน เมทานอล เอทิลีน และ เอทานอล โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทโลหะฐานคอปเปอร์ 

Electrocatalytic CO2 reduction เป็นกระบวนการที่มีศักยภาพ เนื่องจากปฏิกิริยาไม่ต้องการความร้อนสามารถเกิดได้ที่อุณหภูมิห้อง ปฏิกิริยาต้องการพลังงานไฟฟ้ามาขับเคลื่อน และยังสามารถใช้พลังงานไฟฟ้าแบบไม่ต่อเนื่องมาขับเคลื่อนปฏิกิริยาได้ ทำให้สามารถใช้พลังงานไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานบริสุทธิ์เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ หรือพลังงานลม ได้ จึงก่อให้เกิดการใช้ประโยชน์ CO2 ที่สร้างวงจร Neutral CO2 ได้อย่างแท้จริง อย่างไรก้อตามกระบวนการนี้ยังมีความท้าทายที่ต้องข้ามไปให้ได้ คือ ปริมาณผลิตภัณฑ์ ความเฉพาะเจาะจงต่อชนิดของผลิตภัณฑ์ (selectivity) ที่ผลิตได้ยังต่ำเกินไปสำหรับการ upscale กระบวนการเพื่อการผลิตทางการค้า หนึ่งในขั้นตอนสำคัญที่จะปรับปรุงประสิทธิภาพของกระบวนการ  Electrocatalytic CO2 reduction คือการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาให้มี อัตราการเร่งปฏิกิริยาสูงขึ้น (reactivity) มีความเฉพาะเจาะจงต่อชนิดของผลิตภัณฑ์มากขึ้น มีความเสถียร มีอายุการใช้งานนาน และมีราคาถูก ในปัจจุบันคอปเปอร์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทโลหะบริสุทธิ์ที่มีราคาไม่แพง มีอัตราการเร่งปฏิกิริยา CO2 electrochemical reduction ที่ดีที่สุดเมื่อเทียบกับตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทโลหะบริสุทธิ์อื่น แต่มีความเฉพาะเจาะจงต่อชนิดของผลิตภัณฑ์ (selectivity) ที่ได้ต่ำ 

หนึ่งในกลยุทธ์เพื่อเพิ่มทั้ง reactivity และ selectivity ของผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ คือการหาธาตุโลหะอื่นมาเจือกับคอปเปอร์เพื่อใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาแบบโลหะผสมฐานคอปเปอร์  โดยธาตุใหม่ที่มาเจือนี้ควรมีอิทธิพลในปรับเปลี่ยนสมบัติทั้งทางโครงสร้างและทางอิเลคโทรนิกส์ของตัวเร่งปฏิกิริยาทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเชิงลึกในกลไกการเร่งปฏิกิริยา โดยจุดประสงค์คือต้องการให้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะผสมฐานคอปเปอร์นี้ช่วยอำนวยให้ขั้นปฏิกิริยาที่เป็นขั้นจำกัดในการเร่งปฏิกิริยา (rate-limiting step และ potential-limiting step) สามารถเกิดได้ง่ายขึ้นโดยไปลดภูเขาพลังงานของขั้นปฏิกิริยาจำกัดนั้นๆ หรือ ช่วยลดภูเขาพลังงานของขั้นกลไกปฏิกิริยาโดยรวมที่มุ่งไปสู่สารผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ และในขณะเดียวกันไปเพิ่มภูเขาพลังงานของขั้นกลไกปฏิกิริยาที่นำไปสู่สารผลิตภัณฑ์อื่นที่ไม่ต้องการ 

atomic simulation และวิธีการคำนวณแบบ DFT นั้นสามารถช่วยให้เกิดความเข้าใจเชิงลึกถึงกลไกการเกิดปฏิกิริยา ทำให้สามารถระบุขั้นปฏิกิริยาที่เป็น rate-limiting step และ potential-limiting step สำหรับการผลิตสารผลิตภัณฑ์ที่ต้องการได้ และยังทำให้สามารถระบุขั้นปฏิกิริยาที่กำหนด selectivity ของสารผลิตภัณฑ์แต่ละชนิดได้ นอกจากนี้ยังช่วยให้เกิดความเข้าใจทางหลักการพื้นฐานถึงสมบัติทางโครงสร้างและทางอิเลคโทรนิคส์ของตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะฐานคอปเปอร์นั้นๆ ที่นำไปสู่การเปลี่ยนแปลง ทั้ง reactivity และ selectivity ของปฏิกิริยา CO2 electrochemical reduction ได้ ความรู้ความเข้าใจเชิงลึกทั้งหมดนี้เป็นองค์ความรู้พื้นฐานสำคัญที่ช่วยสร้างแนวทางในการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเกิด reactivity และ selectivity ในการเร่งปฏิกิริยา CO2 electrochemical reduction ไปสู่สารผลิตภัณฑ์ที่ต้องการสูงขึ้นได้

ตัวอย่างงานวิจัยของกลุ่มวิจัย NCAS ที่ใช้ atomic simulation และวิธีการคำนวณแบบ DFT สำหรับศึกษาตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทโลหะฐานคอปเปอร์ สำหรับการเร่งปฏิกิริยา CO2 electrochemical reduction เพื่อเปลี่ยนก๊าซ CO2 ไปเป็นผลิตภัณฑ์หลักดังนี้

1. 1. มีเทน และ เมทานอล (http://dx.doi.org/10.1021/jp400937e, http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b01574) งานนี้ได้ประยุกต์ใช้ระเบียบวิธีการคำนวณ DFT ร่วมกับแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่า computational hydrogen electrode (CHE) ทำการสำรวจและศึกษาความสามารถในการเร่งปฏิกิริยา และขั้นกลไกการเกิดปฏิกิริยา CO2 electrochemical reduction เพื่อเปลี่ยน CO2 ไปเป็นผลิตภัณฑ์มีเทน และ เมทานอล บนตัวเร่งปฏิกิริยาคอปเปอร์ผสมกับธาตุอื่นอีก 8 ธาตุ หน้าตัด (211) ซึ่งพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาประกอบตำหนิลักษณะขั้นบันได (step surface)  

• ฟอร์เมต (https://doi.org/10.1021/acsami.8b08428)  งานนี้เป็นความร่วมมือกับกลุ่มการทดลองที่ National University of Singapore เพื่อใช้การจำลองระดับอะตอมมาช่วยทำความเข้าใจผลการทดลองที่พบว่าตัวเร่งปฏิกิริยาคอปเปอร์ผสมกับซัลเฟอร์ (CuSx) นั้นสามารถเร่งปฏิกิริยา CO2 electrochemical reduction เกิดเป็นสารฟอร์เมตได้โดยมีทั้ง reactivity และ selectivity ที่สูง

• เอทาลีน และ เอทานอล (http://dx.doi.org/10.1021/acscatal.6b03147, https://doi.org/10.1021/acscatal.1c01486, http://dx.doi.org/10.1039/D1CY01839F)  ผลิตภัณฑ์ มีเทน เมทานอล และฟอร์เมต ล้วนเป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนประเภท C1 ซึ่งราคาขายจะไม่สูงเท่ากับสารประกอบไฮโดรคาร์บอนประเภท C2 เช่น เอทาลีน เอทานอล ดังนั้นแนวโน้มงานวิจัยส่วนใหญ่ในปัจจุบันพยายามมุ่งเน้นพัฒนาประสิทธิภาพการผลิตสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีจำนวนคาร์บอนสูงขึ้น และแน่นอนความท้าทายก้อมากขึ้นตามลำดับ เอทาลีน และเอทานอล จึงเป็นกลุ่มผลิตภัณฑ์ที่ได้รับความสนใจเป็นอย่างยิ่งและมีงานวิจัยออกมาเป็นจำนวนมากในปัจจุบัน

 งานวิจัยลำดับแรกของกลุ่มวิจัย NCAS ในกลุ่มผลิตภัณฑ์เอทาลีน และ เอทานอล  (http://dx.doi.org/10.1021/acscatal.6b03147)  เป็นความร่วมมือกับกลุ่มการทดลองที่ National University of Singapore โดยผลการทดลองแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการเร่งปฏิกิริยา CO2 electrochemical reduction บนตัวเร่งปฏิกิริยาคอปเปอร์หน้าตัดต่างๆ คือ  (100), (111), (110) พบว่าตัวเร่งปฏิกิริยาคอปเปอร์หน้าตัด (100) นั้นเกิดผลิตภัณฑ์สารประกอบไฮโดรคาร์บอนประเภท C2 เอทาลีน และเอทานอล มากที่สุด ในขณะที่ ตัวเร่งปฏิกิริยาคอปเปอร์หน้าตัด (111) เกิดผลิตภัณฑ์สารประกอบไฮโดรคาร์บอนประเภท C1 มีเทน มากที่สุด ในงานนี้การจำลองระดับอะตอมได้เข้ามาช่วยศึกษาเพื่อทำความเข้าใจถึงปัจจัยที่นำไปสู่สารผลิตภัณฑ์ที่ต่างกัน โดยพบว่า ตัวเร่งปฏิกิริยาคอปเปอร์หน้าตัด (100) นั้นสามารถสะสมสาร intermediate ที่สำคัญ *CO บนพื้นผิว (*CO build-up capability) ได้มากกว่าหน้าตัดอื่น ส่งผลให้ภูเขาพลังงานของขั้นปฏิกิริยา C-C coupling ที่สำคัญที่นำไปสู่การผลิตสารประกอบไฮโดรคาร์บอนประเภท C2 คือ ขั้น *CO-*CO coupling นั้นยิ่งต่ำลงเมื่อมี *CO ปกคลุมบนพื้นผิวเพิ่มมากขึ้น 

งานวิจัยต่อมา (https://doi.org/10.1021/acscatal.1c01486) ได้ใช้ การจำลองระดับอะตอม เพื่อศึกษาขั้นการเกิดปฏิกิริยา CO2 electrochemical reduction ไปเป็น เอทิลีน และเอทานอล บนตัวเร่งปฏิกิริยาคอปเปอร์หน้าตัด (100) อย่างละเอียด โดยมีการรวมโมเดลโมเลกุลสารละลาย (explicit solvent model) ในแบบจำลองระดับอะตอมด้วย เพื่อให้แบบจำลองระดับอะตอมมีความเสมือนจริงมากขึ้น ซึ่งได้แสดงเปรียบเทียบให้เห็นถึงความสำคัญของ solvent model ที่มีอิทธิพลอย่างมากต่อผลการคำนวณที่ได้ ผลงานวิจัยได้เสนอขั้นปฏิกิริยาที่เป็นไปได้ทั้งหมด และเสนอขั้นปฏิกิริยาสำคัญที่เป็นเหตุทำให้การควบคุม selectivity ของ เอทิลีน และ เอทานอล เป็นไปได้ยากบนตัวเร่งปฏิกิริยาคอปเปอร์หน้าตัด (100)  

งานวิจัยถัดมา (http://dx.doi.org/10.1039/D1CY01839F) เป็นงานที่ร่วมมือกันระหว่างแลปการทดลองและแลปการคำนวณของกลุ่มวิจัย NCAS  โดยงานนี้ได้ใช้แบบจำลองระดับอะตอมเพื่อช่วยอธิบายขั้นกลไกการเกิดปฏิกิริยา CO2 electrochemical reduction ไปเป็น เอทิลีน และเอทานอล บนตัวเร่งปฏิกิริยาคอปเปอร์ผสมสังกะสี จากผลการทดลองพบว่าสามารถผลิดเอทิลีนได้เป็นผลิตภัณฑ์หลักและมีปริมาณมากกว่าที่ผลิตบนตัวเร่งปฏิกิริยาคอปเปอร์บริสุทธิ์อย่างมีนัยสำคัญ นอกจากนี้แบบจำลองระดับอะตอมยังช่วยอธิบายถึงบทบาทของสังกะสีที่มีส่วนสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพของปฏิกิริยาให้มุ่งไปสู่ผลิตภัณฑ์เอทิลีนได้อย่างไร