แสงซินโครตรอนเผยกลไกตัวเร่งปฏิกิริยาโคบอลต์ เพิ่มประสิทธิภาพการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นสารเคมีมูลค่าสูง

ณัฐวุฒิ โอสระคู, พิมพ์รภัส ธวัชกุลธนดิลก, ศิรินุช ลอยหา, อิสราภรณ์ รักงาม, เฉลิมพันธ์ เขียวคำอ้าย, ยิ่งยศ ภู่อาภรณ์, พงษ์ธนวัฒน์ เข็มทอง, Karin Föttinger, สัญชัย ประยูรโภคราช, และจตุพร วิทยาคุณ

การเปลี่ยนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) ให้เป็นสารเคมีที่มีมูลค่าเป็นหนึ่งในแนวทางสำคัญของการพัฒนาเทคโนโลยีการใช้ประโยชน์จากคาร์บอน (Carbon Utilization) เพื่อลดการพึ่งพาทรัพยากรคาร์บอนจากฟอสซิล โดยเฉพาะการเปลี่ยน CO₂ เป็นก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ผ่านปฏิกิริยา Reverse Water–Gas Shift (RWGS) ซึ่ง CO เป็นสารตั้งต้นสำคัญสำหรับการผลิตเชื้อเพลิงสังเคราะห์และสารเคมีในอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่สามารถเปลี่ยน CO₂ ได้อย่างมีประสิทธิภาพและมีความจำเพาะต่อการผลิต CO สูง ยังคงเป็นความท้าทายทางวิทยาศาสตร์

ในงานนี้ คณะนักวิจัยจากหลายสถาบันร่วมกันศึกษาการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาโคบอลต์บนวัสดุรองรับซิลิกาที่มีรูพรุนระดับเมโซ (Co/SBA-15) โดยใช้การควบคุมค่าความเป็นกรด–ด่าง (pH) ระหว่างกระบวนการสังเคราะห์ เพื่อปรับโครงสร้างและอันตรกิริยาระหว่างโลหะโคบอลต์ (Co) กับโคบอลต์ซิลิเกต (Co₂SiO₄) ซึ่งมีบทบาทสำคัญต่อการกระตุ้น CO₂ และการเลือกเกิดผลิตภัณฑ์ งานวิจัยนี้ประยุกต์ใช้เทคนิค Time-Resolved X-ray Absorption Spectroscopy (TR-XAS) ภายใต้สภาวะการเกิดปฏิกิริยาจริง (Operando) ณ ระบบลำเลียงแสง BL2.2 ของสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) ร่วมกับการวิเคราะห์ผลิตภัณฑ์ด้วยเทคนิค Mass Spectrometry (MS) และ Gas Chromatography (GC) เพื่อติดตามการเปลี่ยนแปลงสถานะทางเคมีและโครงสร้างเฉพาะที่ของโคบอลต์ขณะเกิดปฏิกิริยา นอกจากนี้ ยังใช้เทคนิค In situ DRIFTS เพื่อตรวจสอบสารมัธยันตร์บนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา ทำให้สามารถเชื่อมโยงโครงสร้างของวัสดุกับกลไกการเกิดปฏิกิริยาและประสิทธิภาพการผลิต CO ได้อย่างเป็นระบบ

ผลการศึกษาพบว่า การเพิ่มค่า pH ระหว่างการเตรียมช่วยส่งเสริมการกระจายตัวของโคบอลต์และอันตรกิริยาระหว่างโลหะกับวัสดุรองรับ ส่งผลต่อสัดส่วนระหว่าง Co และ Co₂SiO₄ โดย ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เตรียมที่ pH 8 สามารถเปลี่ยน CO₂ ได้ 56.6% และมีความจำเพาะต่อการผลิต CO สูงถึง 99.3% ที่อุณหภูมิ 700 °C ซึ่งเป็นผลการทดลองที่ดีที่สุดในกลุ่มตัวเร่งปฏิกิริยาที่ศึกษา ข้อมูลจากเทคนิค Operando TR-XAS แสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงของ Co₂SiO₄ ระหว่างการเกิดปฏิกิริยา ขณะที่ผลการวิเคราะห์ด้วย In situ DRIFTS ตรวจพบสารมัธยันตร์ประเภทฟอร์เมต (Formate) และ CO บนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา ผลการศึกษาสนับสนุนว่าการทำงานร่วมกันระหว่างโลหะ Co ซึ่งช่วยในการแยกโมเลกุลไฮโดรเจน และ Co₂SiO₄ ซึ่งมีบทบาทในการกระตุ้น CO₂ เป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งเสริมการผลิต CO และยับยั้งการเกิดก๊าซมีเทนซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ข้างเคียง

ความสำเร็จของงานวิจัยนี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของเทคนิคแสงซินโครตรอนในการศึกษาการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและสถานะทางเคมีของตัวเร่งปฏิกิริยาภายใต้สภาวะการทำงานจริง นำไปสู่องค์ความรู้เกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างรอยต่อของวัสดุกับประสิทธิภาพการเกิดปฏิกิริยา ซึ่งสามารถใช้เป็นแนวทางในการออกแบบและพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับเทคโนโลยีการใช้ประโยชน์จาก CO₂ และการผลิตสารเคมีคาร์บอนต่ำในอนาคต