พบว่าแร่ธาตุในดินที่กระจายตัวอย่างกว้างขวางอย่าง α-เหล็ก-(III) ออกซีไฮดรอกไซด์ เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้สำหรับการลดคาร์บอนไดออกไซด์ด้วยแสงให้กลายเป็นกรดฟอร์มิก เครดิต: ศาสตราจารย์ คาซึฮิโกะ มาเอดะ
การลดคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ด้วยแสงเพื่อผลิตเชื้อเพลิงที่ขนส่งได้ เช่น กรดฟอร์มิก (HCOOH) เป็นวิธีที่ดีในการต่อสู้กับระดับ CO2 ที่เพิ่มสูงขึ้นในชั้นบรรยากาศ เพื่อช่วยในภารกิจนี้ ทีมวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีโตเกียวได้เลือกแร่ธาตุที่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบซึ่งหาได้ง่าย และนำมาเคลือบลงบนตัวรองรับอะลูมินาเพื่อพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่สามารถเปลี่ยน CO2 ให้เป็น HCOOH ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยมีความเลือกสรรสูงถึงประมาณ 90%!
รถยนต์ไฟฟ้าเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับหลายคน และเหตุผลสำคัญประการหนึ่งคือไม่มีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ อย่างไรก็ตาม ข้อเสียใหญ่สำหรับหลายคนคือระยะทางการวิ่งที่จำกัดและเวลาในการชาร์จที่ยาวนาน นี่คือจุดที่เชื้อเพลิงเหลว เช่น น้ำมันเบนซิน มีข้อได้เปรียบอย่างมาก ความหนาแน่นของพลังงานสูงหมายถึงระยะทางการวิ่งที่ไกลและการเติมเชื้อเพลิงที่รวดเร็ว
การเปลี่ยนจากน้ำมันเบนซินหรือดีเซลไปใช้เชื้อเพลิงเหลวชนิดอื่นสามารถลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้ ในขณะที่ยังคงรักษาข้อดีของเชื้อเพลิงเหลวเอาไว้ได้ ตัวอย่างเช่น ในเซลล์เชื้อเพลิง กรดฟอร์มิกสามารถขับเคลื่อนเครื่องยนต์ได้พร้อมกับปล่อยน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ออกมา อย่างไรก็ตาม หากกรดฟอร์มิกผลิตโดยการลดคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศให้กลายเป็นกรดฟอร์มิก (HCOOH) ผลผลิตสุทธิที่ได้ก็จะมีเพียงน้ำเท่านั้น
ระดับคาร์บอนไดออกไซด์ที่เพิ่มสูงขึ้นในชั้นบรรยากาศและการมีส่วนร่วมต่อภาวะโลกร้อนเป็นข่าวที่แพร่หลายในปัจจุบัน ในขณะที่นักวิจัยได้ทดลองหาวิธีการต่างๆ เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ก็ได้ค้นพบวิธีแก้ปัญหาที่มีประสิทธิภาพ นั่นคือ การเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ส่วนเกินในชั้นบรรยากาศให้กลายเป็นสารเคมีที่มีพลังงานสูง
การผลิตเชื้อเพลิง เช่น กรดฟอร์มิก (HCOOH) โดยการลดคาร์บอนไดออกไซด์ด้วยแสงอาทิตย์ ได้รับความสนใจอย่างมากในปัจจุบัน เนื่องจากกระบวนการนี้มีประโยชน์สองประการ คือ ช่วยลดการปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ส่วนเกิน และช่วยลดปัญหาการขาดแคลนพลังงานที่เรากำลังเผชิญอยู่ นอกจากนี้ HCOOH ยังเป็นตัวนำไฮโดรเจนที่ดีเยี่ยมด้วยความหนาแน่นของพลังงานสูง สามารถให้พลังงานผ่านการเผาไหม้โดยปล่อยเพียงน้ำเป็นผลพลอยได้
เพื่อให้โซลูชันที่มีศักยภาพนี้เป็นจริงได้ นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาระบบโฟโตคะตาไลติกที่ช่วยลดคาร์บอนไดออกไซด์ด้วยความช่วยเหลือจากแสงแดด ระบบนี้ประกอบด้วยสารตั้งต้นที่ดูดซับแสง (เช่น สารไวแสง) และตัวเร่งปฏิกิริยาที่ช่วยให้เกิดการถ่ายโอนอิเล็กตรอนหลายตัวซึ่งจำเป็นสำหรับการลด CO2 ให้เป็น HCOOH และด้วยเหตุนี้จึงเริ่มมีการค้นหาตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสมและมีประสิทธิภาพ!
การลดคาร์บอนไดออกไซด์ด้วยปฏิกิริยาโฟโตคะตาไลติกโดยใช้สารประกอบที่ใช้กันทั่วไป (ภาพประกอบ: ศาสตราจารย์คาซึฮิโกะ มาเอดะ)
เนื่องจากประสิทธิภาพและศักยภาพในการรีไซเคิล ตัวเร่งปฏิกิริยาของแข็งจึงถือเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับงานนี้ และตลอดหลายปีที่ผ่านมา ความสามารถในการเร่งปฏิกิริยาของโครงสร้างโลหะอินทรีย์ (MOF) ที่มีโคบอลต์ แมงกานีส นิกเกล และเหล็กเป็นองค์ประกอบหลักได้รับการสำรวจอย่างมากมาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเหล็กมีข้อดีบางประการเหนือโลหะอื่นๆ อย่างไรก็ตาม ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบหลักส่วนใหญ่ที่รายงานมาจนถึงปัจจุบันนั้นผลิตคาร์บอนมอนอกไซด์เป็นผลิตภัณฑ์หลักเท่านั้น ไม่ใช่กรดฟอร์มิก (HCOOH)
อย่างไรก็ตาม ปัญหานี้ได้รับการแก้ไขอย่างรวดเร็วโดยทีมวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีโตเกียว (Tokyo Tech) นำโดยศาสตราจารย์คาซูฮิโกะ มาเอดะ ในการศึกษาล่าสุดที่ตีพิมพ์ในวารสารเคมี Angewandte Chemie ทีมวิจัยได้แสดงให้เห็นถึงตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบหลักที่รองรับด้วยอะลูมินา (Al2O3) โดยใช้ α-เหล็ก(III) ออกซีไฮดรอกไซด์ (α-FeO​​​OH; โกเอไทต์) ตัวเร่งปฏิกิริยา α-FeO​​​OH/Al2O3 ใหม่นี้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพการแปลง CO2 เป็น HCOOH ที่ยอดเยี่ยมและสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ดีเยี่ยม เมื่อถูกถามเกี่ยวกับการเลือกตัวเร่งปฏิกิริยา ศาสตราจารย์มาเอดะกล่าวว่า “เราต้องการสำรวจธาตุที่มีอยู่มากมายมากขึ้นเพื่อใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในระบบการลด CO2 ด้วยแสง เราต้องการตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งที่มีฤทธิ์ สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ปลอดสารพิษ และราคาไม่แพง นั่นคือเหตุผลที่เราเลือกแร่ธาตุในดินที่กระจายอยู่ทั่วไป เช่น โกเอไทต์ สำหรับการทดลองของเรา”
ทีมวิจัยใช้กรรมวิธีแบบง่ายๆ ในการสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยา จากนั้นจึงใช้วัสดุ Al2O3 ที่รองรับด้วยเหล็กเพื่อลด CO2 ด้วยกระบวนการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงที่อุณหภูมิห้อง โดยมีสารไวต่อแสงที่มีรูทีเนียมเป็นองค์ประกอบหลัก (Ru) สารให้อิเล็กตรอน และแสงที่มองเห็นได้ซึ่งมีความยาวคลื่นมากกว่า 400 นาโนเมตร
ผลลัพธ์ที่ได้น่าพอใจมาก ระบบของพวกเขามีความคัดเลือกสูงสำหรับผลิตภัณฑ์หลักคือ HCOOH อยู่ที่ 80–90% โดยมีผลผลิตควอนตัม 4.3% (ซึ่งบ่งชี้ถึงประสิทธิภาพของระบบ)
งานวิจัยนี้ได้นำเสนอตัวเร่งปฏิกิริยาของแข็งชนิดใหม่ที่ใช้เหล็กเป็นองค์ประกอบหลัก ซึ่งสามารถสร้างกรดฟอร์มิก (HCOOH) ได้เมื่อใช้ร่วมกับสารไวแสงที่มีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ยังได้กล่าวถึงความสำคัญของวัสดุรองรับที่เหมาะสม (Al2O3) และผลกระทบของวัสดุดังกล่าวต่อปฏิกิริยารีดักชันทางเคมีแสงด้วย
ข้อมูลเชิงลึกจากการวิจัยนี้อาจช่วยพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ที่ปราศจากโลหะมีค่าสำหรับการลดคาร์บอนไดออกไซด์ด้วยแสงให้กลายเป็นสารเคมีที่มีประโยชน์อื่นๆ “งานวิจัยของเราแสดงให้เห็นว่าเส้นทางสู่เศรษฐกิจพลังงานสีเขียวนั้นไม่ซับซ้อน แม้แต่วิธีการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาแบบง่ายๆ ก็สามารถให้ผลลัพธ์ที่ดีเยี่ยม และเป็นที่ทราบกันดีว่าสารประกอบที่มีอยู่มากมายในโลก หากได้รับการสนับสนุนจากสารประกอบเช่นอะลูมินา ก็สามารถใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาแบบเลือกได้สำหรับการลด CO2” ศาสตราจารย์มาเอดะสรุป
ข้อมูลอ้างอิง: “Alumina-Supported Alpha-Iron (III) Oxyhydroxide as a Recyclable Solid Catalyst for CO2 Photoreduction under Visible Light” โดย Daehyeon An, Dr. Shunta Nishioka, Dr. Shuhei Yasuda, Dr. Tomoki Kanazawa, Dr. Yoshinobu Kamakura, Prof .. Toshiyuki Yokoi, Prof. Shunsuke Nozawa, Prof. Kazuhiko Maeda, 12 พฤษภาคม 2565 Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
“นั่นคือข้อได้เปรียบอย่างมากของเชื้อเพลิงเหลว เช่น น้ำมันเบนซิน ความหนาแน่นของพลังงานสูงหมายถึงระยะทางการวิ่งที่ไกลและการเติมเชื้อเพลิงที่รวดเร็ว”
ลองมาดูตัวเลขกันบ้างดีกว่า ความหนาแน่นของพลังงานของกรดฟอร์มิกเทียบกับน้ำมันเบนซินเป็นอย่างไร? ด้วยสูตรทางเคมีที่มีอะตอมคาร์บอนเพียงหนึ่งอะตอม ฉันคิดว่ามันคงเทียบไม่ได้กับน้ำมันเบนซินด้วยซ้ำ
นอกจากนั้น กลิ่นของมันยังเป็นพิษมาก และเนื่องจากเป็นกรด มันจึงกัดกร่อนมากกว่าน้ำมันเบนซิน ปัญหาเหล่านี้ไม่ใช่ปัญหาทางวิศวกรรมที่แก้ไขไม่ได้ แต่เว้นแต่ว่ากรดฟอร์มิกจะให้ข้อดีที่สำคัญในการเพิ่มระยะทางและลดเวลาในการชาร์จแบตเตอรี่ มันก็อาจจะไม่คุ้มค่าที่จะพยายาม
หากพวกเขาวางแผนที่จะสกัดโกเอไทต์จากดิน มันจะเป็นการทำเหมืองที่ต้องใช้พลังงานสูงและอาจก่อให้เกิดความเสียหายต่อสิ่งแวดล้อมได้
พวกเขาอาจกล่าวถึงแร่โกเอไทต์จำนวนมากในดิน เนื่องจากผมสงสัยว่าการจัดหาวัตถุดิบที่จำเป็นและการทำปฏิกิริยาเพื่อสังเคราะห์แร่โกเอไทต์นั้นต้องใช้พลังงานมากขึ้น
จำเป็นต้องพิจารณาวัฏจักรชีวิตทั้งหมดของกระบวนการและคำนวณต้นทุนด้านพลังงานของทุกสิ่ง นาซาไม่พบสิ่งใดที่ปล่อยจรวดได้ฟรี หน่วยงานอื่นๆ จำเป็นต้องคำนึงถึงเรื่องนี้ด้วย
SciTechDaily: แหล่งรวมข่าวเทคโนโลยีที่ดีที่สุดตั้งแต่ปี 1998 ติดตามข่าวสารเทคโนโลยีล่าสุดได้ทางอีเมลหรือโซเชียลมีเดีย
แค่คิดถึงรสชาติหอมกรุ่นและเย้ายวนของบาร์บีคิวก็ทำให้หลายคนน้ำลายไหลแล้ว ฤดูร้อนมาถึงแล้ว และสำหรับหลายๆ คน…