Newswise – ความต้องการเชื้อเพลิงคาร์บอนที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องเพื่อขับเคลื่อนเศรษฐกิจ ส่งผลให้ปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ในอากาศเพิ่มขึ้นตามไปด้วย แม้ว่าจะมีการพยายามลดการปล่อย CO2 แต่ก็ไม่สามารถบรรเทาผลกระทบที่เป็นอันตรายของก๊าซนี้ในชั้นบรรยากาศได้ ดังนั้น นักวิจัยจึงคิดค้นวิธีการสร้างสรรค์เพื่อนำ CO2 ในชั้นบรรยากาศมาใช้ประโยชน์ โดยการเปลี่ยนให้เป็นสารที่มีคุณค่า เช่น กรดฟอร์มิก (HCOOH) และเมทานอล การลด CO2 ด้วยแสงโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง (photocatalysts) โดยใช้แสงที่มองเห็นได้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา เป็นวิธีการที่ได้รับความนิยมสำหรับการแปลงสารดังกล่าว
ในความก้าวหน้าล่าสุดที่เปิดเผยในวารสาร Angewandte Chemie ฉบับนานาชาติวันที่ 8 พฤษภาคม 2023 ศาสตราจารย์คาซูฮิโกะ มาเอดะ และทีมวิจัยของเขาที่สถาบันเทคโนโลยีโตเกียวได้ประสบความสำเร็จในการพัฒนาโครงสร้างโลหะอินทรีย์ (MOF) ของดีบุก (Sn) ที่ส่งเสริมการลดคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ด้วยแสงแบบเลือกได้ โครงสร้าง MOF ที่เพิ่งเปิดตัวนี้มีชื่อว่า KGF-10 และมีสูตรทางเคมีคือ [SnII2(H3ttc)2.MeOH]n (H3ttc: กรดไตรไทโอไซยานูริก, MeOH: เมทานอล) โดยใช้แสงที่มองเห็นได้ KGF-10 สามารถเปลี่ยน CO2 ให้เป็นกรดฟอร์มิก (HCOOH) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ศาสตราจารย์มาเอดะอธิบายว่า “จนถึงปัจจุบัน มีการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับการลด CO2 โดยใช้โลหะหายากและโลหะมีค่าจำนวนมาก อย่างไรก็ตาม การรวมฟังก์ชันการดูดซับแสงและฟังก์ชันการเร่งปฏิกิริยาเข้าไว้ในหน่วยโมเลกุลเดียวที่ประกอบด้วยโลหะจำนวนมากยังคงเป็นความท้าทาย ดังนั้น Sn จึงพิสูจน์แล้วว่าเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่จะเอาชนะอุปสรรคทั้งสองนี้”
MOFs ซึ่งรวมข้อดีของโลหะและวัสดุอินทรีย์เข้าด้วยกัน กำลังได้รับการศึกษาในฐานะทางเลือกที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงแบบดั้งเดิมที่ใช้โลหะหายาก ดีบุก (Sn) ซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีในบทบาทคู่ทั้งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาและตัวดูดซับแสงในกระบวนการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง อาจเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงที่ใช้ MOF แม้ว่า MOFs ที่ประกอบด้วยเซอร์โคเนียม เหล็ก และตะกั่วจะได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางแล้ว แต่ความเข้าใจเกี่ยวกับ MOFs ที่ใช้ดีบุกยังคงมีจำกัด จึงจำเป็นต้องมีการศึกษาและวิจัยเพิ่มเติมเพื่อสำรวจความเป็นไปได้และศักยภาพในการประยุกต์ใช้ MOFs ที่ใช้ดีบุกในด้านการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงอย่างเต็มที่
ในการสังเคราะห์ MOF ที่มีดีบุกเป็นองค์ประกอบหลักอย่าง KGF-10 นักวิจัยได้ใช้ H3ttc (กรดไตรไทโอไซยานูริก), MeOH (เมทานอล) และดีบุกคลอไรด์เป็นส่วนประกอบเริ่มต้น พวกเขาเลือก 1,3-ไดเมทิล-2-ฟีนิล-2,3-ไดไฮโดร-1H-เบนโซ[d]อิมิดาโซลเป็นตัวให้电子และแหล่งกำเนิดไฮโดรเจน หลังจากสังเคราะห์แล้ว KGF-10 ที่ได้ถูกนำไปทดสอบด้วยวิธีการวิเคราะห์ต่างๆ ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าวัสดุนี้มีความสามารถในการดูดซับ CO2 ในระดับปานกลาง มีช่องว่างพลังงาน 2.5 eV และมีการดูดซับที่มีประสิทธิภาพในช่วงความยาวคลื่นที่มองเห็นได้
ด้วยความรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของวัสดุใหม่ นักวิทยาศาสตร์จึงใช้มันเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในการลดคาร์บอนไดออกไซด์ด้วยแสงที่มองเห็นได้ ที่น่าสนใจคือ นักวิจัยพบว่า KGF-10 สามารถเปลี่ยน CO2 ให้เป็นฟอร์เมต (HCOO-) ได้ด้วยความเลือกสรรสูงถึง 99% โดยไม่ต้องใช้สารไวแสงหรือตัวเร่งปฏิกิริยาเสริมใดๆ นอกจากนี้ KGF-10 ยังแสดงให้เห็นถึงผลผลิตควอนตัมที่ปรากฏสูงอย่างไม่เคยมีมาก่อน ซึ่งเป็นตัววัดประสิทธิภาพของการใช้โฟตอน โดยมีค่าสูงถึง 9.8% ที่ 400 นาโนเมตร ที่สำคัญ การวิเคราะห์โครงสร้างที่ดำเนินการในระหว่างปฏิกิริยาโฟโตคะตาไลติกแสดงให้เห็นว่า KGF-10 มีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเพื่อช่วยในกระบวนการลดคาร์บอนไดออกไซด์
งานวิจัยบุกเบิกนี้ได้นำเสนอตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงชนิดดีบุกประสิทธิภาพสูง KGF-10 ซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้โลหะมีค่าใดๆ เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาแบบทางเดียวสำหรับการลด CO2 ให้เป็นฟอร์เมตโดยใช้แสงที่มองเห็นได้ คุณสมบัติที่โดดเด่นของ KGF-10 ที่แสดงให้เห็นในงานวิจัยนี้อาจปฏิวัติการใช้งานเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงในหลากหลายแอปพลิเคชัน รวมถึงการลด CO2 ด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ ศาสตราจารย์มาเอดะสรุปว่า “ผลลัพธ์ของเราบ่งชี้ว่า MOFs สามารถใช้เป็นแพลตฟอร์มสำหรับการพัฒนาความสามารถในการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงที่เหนือกว่า โดยใช้โลหะที่ไม่เป็นพิษ ราคาประหยัด และมีอยู่มากมายบนโลก ซึ่งมักจะเป็นสารประกอบเชิงซ้อนของโลหะระดับโมเลกุลที่หาได้ยาก” การค้นพบนี้เปิดโอกาสใหม่ๆ ในสาขาการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง และปูทางไปสู่การใช้ทรัพยากรของโลกอย่างยั่งยืนและมีประสิทธิภาพ
Newswise ให้บริการนักข่าวในการเข้าถึงข่าวสารล่าสุด และเป็นแพลตฟอร์มสำหรับมหาวิทยาลัย สถาบัน และนักข่าวในการเผยแพร่ข่าวสารล่าสุดไปยังกลุ่มเป้าหมายของตน