บทความนี้ได้รับการตรวจสอบตามขั้นตอนและนโยบายด้านบรรณาธิการของ Science X โดยบรรณาธิการได้เน้นย้ำคุณสมบัติต่อไปนี้ในขณะที่รับประกันความถูกต้องของเนื้อหา:
ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) เป็นทั้งทรัพยากรที่จำเป็นต่อสิ่งมีชีวิตบนโลกและก๊าซเรือนกระจกที่ก่อให้เกิดภาวะโลกร้อน ปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์กำลังศึกษาก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในฐานะทรัพยากรที่มีศักยภาพสำหรับการผลิตเชื้อเพลิงหมุนเวียนคาร์บอนต่ำและผลิตภัณฑ์เคมีมูลค่าสูง
ความท้าทายสำหรับนักวิจัยคือการหาวิธีที่มีประสิทธิภาพและคุ้มค่าในการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นสารตัวกลางคาร์บอนคุณภาพสูง เช่น คาร์บอนมอนอกไซด์ เมทานอล หรือกรดฟอร์มิก
ทีมวิจัยนำโดย KK Neuerlin จากห้องปฏิบัติการพลังงานหมุนเวียนแห่งชาติ (NREL) และผู้ร่วมงานจากห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอนและห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์ ได้ค้นพบวิธีแก้ปัญหาที่น่าสนใจ ทีมงานได้พัฒนาวิธีการแปลงคาร์บอนไดออกไซด์เป็นกรดฟอร์มิกโดยใช้ไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน ซึ่งมีประสิทธิภาพด้านพลังงานสูงและมีความทนทาน
งานวิจัยเรื่อง “สถาปัตยกรรมชุดประกอบอิเล็กโทรดเมมเบรนที่ปรับขนาดได้สำหรับการแปลงคาร์บอนไดออกไซด์เป็นกรดฟอร์มิกอย่างมีประสิทธิภาพด้วยกระบวนการทางเคมีไฟฟ้า” ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Communications
กรดฟอร์มิกเป็นสารเคมีตัวกลางที่มีศักยภาพและมีประโยชน์หลากหลาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในฐานะวัตถุดิบในอุตสาหกรรมเคมีหรือชีวภาพ นอกจากนี้ กรดฟอร์มิกยังถูกระบุว่าเป็นวัตถุดิบสำหรับการกลั่นชีวภาพเพื่อผลิตเชื้อเพลิงการบินที่สะอาดอีกด้วย
การอิเล็กโทรไลซิสของ CO2 ส่งผลให้ CO2 ถูกรีดิวซ์เป็นสารเคมีตัวกลาง เช่น กรดฟอร์มิก หรือโมเลกุล เช่น เอทิลีน เมื่อมีการให้ศักย์ไฟฟ้าแก่เซลล์อิเล็กโทรไลต์
โดยทั่วไป ชุดประกอบเมมเบรน-อิเล็กโทรด (MEA) ในเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าจะประกอบด้วยเมมเบรนนำไอออน (เมมเบรนแลกเปลี่ยนแคตไอออนหรือแอนไอออน) ที่ประกบอยู่ระหว่างอิเล็กโทรดสองตัว ซึ่งประกอบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าและพอลิเมอร์นำไอออน
ทีมงานได้ใช้ความเชี่ยวชาญด้านเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงและการแยกไฮโดรเจนด้วยไฟฟ้าในการศึกษาการจัดเรียง MEA หลายแบบในเซลล์อิเล็กโทรไลต์ เพื่อเปรียบเทียบการลด CO2 ด้วยไฟฟ้าให้กลายเป็นกรดฟอร์มิก
จากผลการวิเคราะห์ความล้มเหลวของการออกแบบต่างๆ ทีมงานจึงพยายามใช้ประโยชน์จากข้อจำกัดของวัสดุที่มีอยู่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการขาดคุณสมบัติในการแยกไอออนในเยื่อแลกเปลี่ยนประจุลบในปัจจุบัน และทำให้การออกแบบระบบโดยรวมง่ายขึ้น
สิ่งประดิษฐ์โดย KS Neierlin และ Leiming Hu จาก NREL คือเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้า MEA ที่ได้รับการปรับปรุงโดยใช้เยื่อแลกเปลี่ยนไอออนบวกแบบมีรูพรุนชนิดใหม่ เยื่อแบบมีรูพรุนนี้ให้การผลิตกรดฟอร์มิกที่สม่ำเสมอและมีความคัดเลือกสูง และช่วยลดความซับซ้อนในการออกแบบโดยการใช้ส่วนประกอบสำเร็จรูป
“ผลการศึกษาครั้งนี้แสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญในกระบวนการผลิตกรดอินทรีย์ เช่น กรดฟอร์มิก ด้วยกระบวนการทางไฟฟ้าเคมี” เนียร์ลิน ผู้ร่วมเขียนกล่าว “โครงสร้างเมมเบรนแบบมีรูพรุนช่วยลดความซับซ้อนของการออกแบบก่อนหน้านี้ และยังสามารถนำไปใช้เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานและความทนทานของอุปกรณ์แปลงคาร์บอนไดออกไซด์ด้วยกระบวนการทางไฟฟ้าเคมีอื่นๆ ได้อีกด้วย”
เช่นเดียวกับความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ใดๆ สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจปัจจัยด้านต้นทุนและความเป็นไปได้ทางเศรษฐกิจ นักวิจัยจาก NREL คือ Zhe Huang และ Tao Ling ได้นำเสนอการวิเคราะห์ทางเทคนิคและเศรษฐกิจ โดยระบุวิธีการที่จะทำให้ต้นทุนเทียบเท่ากับกระบวนการผลิตกรดฟอร์มิกในระดับอุตสาหกรรมในปัจจุบัน เมื่อต้นทุนของไฟฟ้าจากพลังงานหมุนเวียนอยู่ที่หรือต่ำกว่า 2.3 เซนต์ต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง
เนียร์ลินกล่าวว่า “ทีมงานบรรลุผลลัพธ์เหล่านี้ได้โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาและวัสดุเมมเบรนพอลิเมอร์ที่มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ ในขณะเดียวกันก็สร้างการออกแบบ MEA ที่ใช้ประโยชน์จากความสามารถในการขยายขนาดของเซลล์เชื้อเพลิงและโรงงานแยกไฮโดรเจนด้วยไฟฟ้าสมัยใหม่”
“ผลการวิจัยนี้อาจช่วยเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นเชื้อเพลิงและสารเคมีโดยใช้ไฟฟ้าและไฮโดรเจนจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน ซึ่งจะช่วยเร่งการเปลี่ยนผ่านไปสู่การขยายขนาดและการผลิตเชิงพาณิชย์”
เทคโนโลยีการแปลงทางไฟฟ้าเคมีเป็นองค์ประกอบหลักของโครงการ Electrons to Molecules ของ NREL ซึ่งมุ่งเน้นไปที่ไฮโดรเจนหมุนเวียนรุ่นใหม่ เชื้อเพลิงปลอดคาร์บอน สารเคมี และวัสดุสำหรับกระบวนการที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า
“โครงการของเรากำลังสำรวจวิธีการใช้ไฟฟ้าจากพลังงานหมุนเวียนเพื่อเปลี่ยนโมเลกุล เช่น คาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ ให้เป็นสารประกอบที่สามารถใช้เป็นแหล่งพลังงานได้” แรนดี คอร์ทไรท์ ผู้อำนวยการฝ่ายกลยุทธ์การถ่ายโอนอิเล็กตรอนและ/หรือสารตั้งต้นสำหรับการผลิตเชื้อเพลิงหรือสารเคมีของ NREL กล่าว
“งานวิจัยด้านการแปลงทางเคมีไฟฟ้าครั้งนี้ถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญที่สามารถนำไปใช้ในกระบวนการแปลงทางเคมีไฟฟ้าได้หลากหลาย และเราหวังว่าจะได้เห็นผลลัพธ์ที่น่าสนใจยิ่งขึ้นจากกลุ่มวิจัยนี้”
ข้อมูลเพิ่มเติม: Leiming Hu และคณะ สถาปัตยกรรมประกอบอิเล็กโทรดเมมเบรนที่ปรับขนาดได้สำหรับการแปลง CO2 เป็นกรดฟอร์มิกด้วยไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพ Nature Communications (2023) DOI: 10.1038/s41467-023-43409-6
หากคุณพบข้อผิดพลาดในการพิมพ์ ความไม่ถูกต้อง หรือต้องการส่งคำขอแก้ไขเนื้อหาในหน้านี้ โปรดใช้แบบฟอร์มนี้ สำหรับคำถามทั่วไป โปรดใช้แบบฟอร์มติดต่อของเรา สำหรับข้อเสนอแนะทั่วไป โปรดใช้ส่วนแสดงความคิดเห็นสาธารณะด้านล่าง (โปรดปฏิบัติตามคำแนะนำ)
ความคิดเห็นของคุณมีความสำคัญต่อเรามาก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีข้อความจำนวนมาก เราจึงไม่สามารถรับประกันได้ว่าจะตอบกลับเป็นการส่วนตัว
ที่อยู่อีเมลของคุณจะใช้เพื่อแจ้งให้ผู้รับทราบว่าใครเป็นผู้ส่งอีเมลเท่านั้น ทั้งที่อยู่อีเมลของคุณและของผู้รับจะไม่ถูกนำไปใช้เพื่อวัตถุประสงค์อื่นใด ข้อมูลที่คุณป้อนจะปรากฏในอีเมลของคุณและจะไม่ถูกจัดเก็บโดย Tech Xplore ในรูปแบบใดๆ ทั้งสิ้น
เว็บไซต์นี้ใช้คุกกี้เพื่ออำนวยความสะดวกในการนำทาง วิเคราะห์การใช้งานบริการของเรา รวบรวมข้อมูลการปรับแต่งโฆษณา และนำเสนอเนื้อหาจากบุคคลที่สาม การใช้เว็บไซต์ของเราแสดงว่าคุณได้อ่านและเข้าใจนโยบายความเป็นส่วนตัวและข้อกำหนดการใช้งานของเราแล้ว