เทคโนโลยีใหม่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นเชื้อเพลิงเหลว

กรอกแบบฟอร์มด้านล่าง แล้วเราจะส่งไฟล์ PDF ของเอกสาร “ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีใหม่ในการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นเชื้อเพลิงเหลว” ทางอีเมลให้คุณ
ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) เป็นผลผลิตจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลและเป็นก๊าซเรือนกระจกที่พบมากที่สุด ซึ่งสามารถเปลี่ยนกลับมาเป็นเชื้อเพลิงที่มีประโยชน์ได้อย่างยั่งยืน วิธีหนึ่งที่น่าสนใจในการเปลี่ยนก๊าซ CO2 ให้เป็นวัตถุดิบเชื้อเพลิงคือกระบวนการที่เรียกว่าการลดด้วยไฟฟ้าเคมี แต่เพื่อให้สามารถนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ได้ กระบวนการนี้จำเป็นต้องได้รับการปรับปรุงเพื่อคัดเลือกหรือผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีคาร์บอนสูงตามที่ต้องการมากขึ้น ล่าสุด ตามที่รายงานในวารสาร Nature Energy ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอว์เรนซ์เบิร์กลีย์ (Berkeley Lab) ได้พัฒนาวิธีการใหม่เพื่อปรับปรุงพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาทองแดงที่ใช้สำหรับปฏิกิริยาเสริม ซึ่งจะช่วยเพิ่มความคัดเลือกของกระบวนการได้
“แม้ว่าเรารู้ว่าทองแดงเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดีที่สุดสำหรับปฏิกิริยานี้ แต่ก็ไม่ได้ให้ความเลือกสรรสูงสำหรับผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ” อเล็กซิส สเปลล์ นักวิทยาศาสตร์อาวุโสในภาควิชาวิทยาศาสตร์เคมีที่ห้องปฏิบัติการเบิร์กลีย์ และศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีแห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ กล่าว “ทีมของเราพบว่าเราสามารถใช้สภาพแวดล้อมเฉพาะที่ของตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อทำเทคนิคต่างๆ เพื่อให้ได้ความเลือกสรรในระดับนี้”
ในการศึกษาครั้งก่อนๆ นักวิจัยได้กำหนดเงื่อนไขที่แม่นยำเพื่อให้ได้สภาพแวดล้อมทางไฟฟ้าและเคมีที่ดีที่สุดสำหรับการสร้างผลิตภัณฑ์ที่อุดมไปด้วยคาร์บอนซึ่งมีมูลค่าทางการค้า แต่เงื่อนไขเหล่านี้ขัดแย้งกับเงื่อนไขที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในเซลล์เชื้อเพลิงทั่วไปที่ใช้วัสดุตัวนำที่มีน้ำเป็นองค์ประกอบหลัก
เพื่อกำหนดรูปแบบการออกแบบที่สามารถนำมาใช้ในสภาพแวดล้อมน้ำของเซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการศูนย์นวัตกรรมพลังงานภายใต้โครงการ Liquid Sunshine Alliance ของกระทรวงพลังงาน เบลล์และทีมงานของเขาจึงหันมาใช้ชั้นไอโอโนเมอร์บางๆ ซึ่งยอมให้โมเลกุลที่มีประจุบางชนิด (ไอออน) ผ่านได้ แต่กีดกันไอออนอื่นๆ เนื่องจากคุณสมบัติทางเคมีที่เลือกได้สูง จึงเหมาะอย่างยิ่งที่จะมีผลกระทบอย่างมากต่อสภาพแวดล้อมระดับจุลภาค
ชานยอน คิม นักวิจัยหลังปริญญาเอกในกลุ่มเบลล์และผู้เขียนหลักของบทความ เสนอให้เคลือบพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาทองแดงด้วยไอโอโนเมอร์ทั่วไปสองชนิด ได้แก่ นาฟิออนและซัสเทนเนียน ทีมวิจัยตั้งสมมติฐานว่าการทำเช่นนั้นจะเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อมใกล้ตัวเร่งปฏิกิริยา รวมถึงค่า pH ปริมาณน้ำ และคาร์บอนไดออกไซด์ ในบางวิธี เพื่อชี้นำปฏิกิริยาไปสู่การผลิตผลิตภัณฑ์ที่อุดมไปด้วยคาร์บอน ซึ่งสามารถแปลงเป็นสารเคมีที่มีประโยชน์และเชื้อเพลิงเหลวได้ง่าย
นักวิจัยได้เคลือบไอโอโนเมอร์แต่ละชนิดเป็นชั้นบางๆ และเคลือบไอโอโนเมอร์สองชั้นลงบนฟิล์มทองแดงที่รองรับด้วยวัสดุพอลิเมอร์ เพื่อสร้างฟิล์มที่สามารถนำไปวางไว้ใกล้ปลายด้านหนึ่งของเซลล์ไฟฟ้าเคมีรูปทรงมือได้ เมื่อฉีดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เข้าไปในแบตเตอรี่และจ่ายแรงดันไฟฟ้า พวกเขาได้วัดกระแสไฟฟ้ารวมที่ไหลผ่านแบตเตอรี่ จากนั้นจึงวัดปริมาณก๊าซและของเหลวที่สะสมอยู่ในอ่างเก็บน้ำที่อยู่ติดกันระหว่างปฏิกิริยา สำหรับกรณีที่มีการเคลือบสองชั้น พวกเขาพบว่าผลิตภัณฑ์ที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบหลักคิดเป็น 80% ของพลังงานที่ใช้ในปฏิกิริยา ซึ่งสูงกว่า 60% ในกรณีที่ไม่ได้เคลือบ
เบลล์กล่าวว่า “การเคลือบแบบแซนด์วิชนี้ให้ประโยชน์ทั้งสองด้าน คือ ความสามารถในการคัดเลือกผลิตภัณฑ์สูงและกิจกรรมสูง พื้นผิวสองชั้นไม่เพียงแต่เหมาะสำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีคาร์บอนสูงเท่านั้น แต่ยังสร้างกระแสไฟฟ้าที่แรงในเวลาเดียวกัน ซึ่งบ่งชี้ถึงกิจกรรมที่เพิ่มขึ้น”
นักวิจัยสรุปว่า การตอบสนองที่ดีขึ้นนั้นเป็นผลมาจากความเข้มข้นของ CO2 ที่สะสมอยู่ในชั้นเคลือบโดยตรงบนพื้นผิวทองแดง นอกจากนี้ โมเลกุลที่มีประจุลบที่สะสมอยู่ในบริเวณระหว่างไอโอโนเมอร์ทั้งสองชนิดจะทำให้ความเป็นกรดในบริเวณนั้นลดลง การรวมกันนี้ช่วยชดเชยข้อจำกัดด้านความเข้มข้นที่มักเกิดขึ้นในกรณีที่ไม่มีฟิล์มไอโอโนเมอร์
เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของปฏิกิริยาให้ดียิ่งขึ้น นักวิจัยจึงหันมาใช้เทคโนโลยีที่เคยได้รับการพิสูจน์แล้ว ซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้ฟิล์มไอโอโนเมอร์ เป็นอีกวิธีหนึ่งในการเพิ่มปริมาณ CO2 และ pH นั่นคือ แรงดันไฟฟ้าแบบพัลส์ โดยการใช้แรงดันไฟฟ้าแบบพัลส์กับสารเคลือบไอโอโนเมอร์สองชั้น นักวิจัยสามารถเพิ่มปริมาณผลิตภัณฑ์ที่มีคาร์บอนสูงถึง 250% เมื่อเทียบกับทองแดงที่ไม่เคลือบและแรงดันไฟฟ้าคงที่
แม้ว่านักวิจัยบางกลุ่มจะมุ่งเน้นการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ แต่การค้นพบตัวเร่งปฏิกิริยานั้นไม่ได้คำนึงถึงสภาวะการทำงาน การควบคุมสภาพแวดล้อมบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นวิธีการใหม่และแตกต่างออกไป
“เราไม่ได้คิดค้นตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ทั้งหมด แต่เราใช้ความเข้าใจเกี่ยวกับจลนศาสตร์ของปฏิกิริยา และใช้ความรู้นี้เป็นแนวทางในการคิดหาวิธีเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อมของบริเวณที่เกิดปฏิกิริยา” อดัม เวเบอร์ วิศวกรอาวุโส นักวิทยาศาสตร์ในสาขาเทคโนโลยีพลังงานที่ห้องปฏิบัติการเบิร์กลีย์ และผู้ร่วมเขียนบทความกล่าว
ขั้นตอนต่อไปคือการขยายการผลิตตัวเร่งปฏิกิริยาเคลือบผิว ทีมงานห้องปฏิบัติการเบิร์กลีย์ได้ทำการทดลองเบื้องต้นกับระบบจำลองแบบแผ่นเรียบขนาดเล็ก ซึ่งง่ายกว่าโครงสร้างที่มีรูพรุนขนาดใหญ่ที่จำเป็นสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์มาก “การเคลือบผิวบนผิวเรียบนั้นไม่ใช่เรื่องยาก แต่ในเชิงพาณิชย์อาจต้องเคลือบลูกบอลทองแดงขนาดเล็ก” เบลล์กล่าว การเพิ่มชั้นเคลือบที่สองจึงกลายเป็นเรื่องท้าทาย วิธีหนึ่งที่เป็นไปได้คือการผสมและเคลือบสองชั้นเข้าด้วยกันในตัวทำละลาย และหวังว่ามันจะแยกตัวออกจากกันเมื่อตัวทำละลายระเหยไป แล้วถ้ามันไม่แยกตัวล่ะ? เบลล์สรุปว่า “เราแค่ต้องฉลาดขึ้น” อ้างอิงถึง Kim C, Bui JC, Luo X และคนอื่นๆ สภาพแวดล้อมจุลภาคของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ปรับแต่งได้สำหรับการลด CO2 ด้วยไฟฟ้าให้เป็นผลิตภัณฑ์คาร์บอนหลายชนิดโดยใช้การเคลือบไอโอโนเมอร์สองชั้นบนทองแดง Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
บทความนี้คัดลอกมาจากแหล่งข้อมูลต่อไปนี้ หมายเหตุ: เนื้อหาอาจได้รับการแก้ไขเพื่อความกระชับและเหมาะสม หากต้องการข้อมูลเพิ่มเติม โปรดติดต่อแหล่งที่มาที่อ้างถึง