หลายคนอาจไม่ทราบว่าอุตสาหกรรมปิโตรเคมีลงทุนตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยเงินมหาศาล และตัวเร่งปฏิกิริยาถือเป็นความลับสุดยอดของอุตสาหกรรม เนื่องจากมีความสำคัญต่อการผลิตสารเคมีตั้งต้นในอุตสาหกรรมต่างๆ เพราะหากขาดตัวเร่งปฏิกิริยาก็จะไม่เกิดปฏิกิริยาเคมีที่สร้างผลิตภัณฑ์ต่างๆ ที่ต้องการ หรืออาจจะเกิดปฏิกิริยาช้ามากจนไม่เหมาะต่องานอุตสาหกรรม

การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาจึงเป็นงานท้าทายของนักวิทยาศาสตร์ เช่นเดียวกับ ผศ.ดร.ศิรินุช ลอยหา อาจารย์ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น ที่กำลังพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับผลิตก๊าซไฮโดรเจนจากเอทานอล โดยใช้เอทานอลจากการหมักชีวมวล เช่น กากน้ำตาล มันสำปะหลัง ซึ่งไฮโดรเจนที่ได้นี้จะเป็นเชื้อเพลิงในอุตสาหกรรมพลังงานสะอาด ขณะเดียวกันยังได้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีด้วย

เป้าหมายของงานวิจัยนี้คือ “ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพการเร่งสูง” ซึ่งต้องเป็นตัวเร่งฯ ที่เปลี่ยนสารตั้งต้นได้เร็วและได้ปริมาณมาก มีอายุการใช้งานยาวและใช้ซ้ำได้ ซึ่งจะช่วยประหยัดต้นทุนการผลิต โดยตัวเร่งฯ ที่มีสมบัติดังกล่าวนั้นเป็นที่ต้องการมากในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีและอุตสาหกรรมพอลิเมอร์ และในการพัฒนาตัวเร่งฯ นักวิจัยต้องเข้าใจกลไกการเร่งปฏิกิริยาและการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของตัวเร่งฯ ที่สัมพันธ์กับการเกิดผลิตภัณฑ์ในระหว่างกระบวนการเร่งปฏิกิริยา

ทว่าทั้งกลไกการเร่งปฏิกิริยานั้นเกิดขึ้นเร็วมากในเสี้ยววินาทีและโครงสร้างของตัวเร่งฯ เปลี่ยนแปลงน้อยมาก นักวิจัยจึงต้องใช้เทคนิควิเคราะห์ที่ตรวจวัดได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำสูงโดยอาศัยเทคนิคการดูดกลืนรังสีเอกซ์แบบร่นเวลา (TRXAS) ที่ระบบลำเลียงแสง 2.2 ณ สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) และได้พัฒนาเทคนิคร่วม XAS-GC-MS ซึ่งเป็นการรวมเทคนิคการดูดกลืนรังสีเอกซ์ (XAS) แก๊สสเปกโตรสโคปี (GC) และแมสสเปกโตรสโคปี (MS) เพื่อติดตามการเร่งปฏิกิริยาของตัวเร่งฯ ผ่านปฏิกิริยาการผลิตก๊าซไฮโดรเจนจากเอทานอลด้วยไอน้ำ และยืนยันโครงสร้างตัวเร่งฯ ด้วยเทคนิคการกระเจิงของรังสีเอกซ์ (XRD) กับเทคนิคการดูดกลืนรังสีเอกซ์ (XAS)

สำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาในงานวิจัยนี้คือตัวเร่งฯ ตระกูลเฟอร์ไรต์ ได้แก่ Fe₃O₄ , NiFe₂O₄ ,และ Ni/Fe₃O₄ ซึ่งจากการติดตามการเร่งปฏิกิริยา พบว่าเมื่อเติมโลหะนิกเกิล (Ni) ในโครงสร้างเหล็กออกไซด์ (Fe₃O₄) ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการผลิตไฮโดรเจน และตัวเร่งฯ ชนิดนี้ยังมีเสถียรภาพสูง สามารถกลับเข้าสู่วงจรการเร่งได้อย่างต่อเนื่องและยาวนานขึ้น ถือเป็นการค้นพบที่เป็นประโยชน์อย่างยิ่งในการพัฒนาตัวเร่งฯ เพื่อพัฒนาเป็นเชื้อเพลิงในอุตสาหกรรมพลังงานสะอาด และสามารถพัฒนาสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีต่อไป

 

บทความโดย
ผศ.ดร.ศิรินุช ลอยหา ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น

 

ที่มา วารสาร Radiation Physics and Chemistry 185 (2021), 109492.