ปัจจุบันปัญหาด้านสิ่งแวดล้อมโดยเฉพาะภาวะโลกร้อนซึ่งเกิดจากการปล่อยก๊าซเรือนกระจกโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) มีความรุนแรงมากขึ้นอย่างต่อเนื่อง ทำให้ส่งผลกระทบหลายด้าน โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเกิดสภาพภูมิอากาศแปรปรวนอย่างรุนแรงทั่วโลก จากปัญหาดังกล่าว นักวิจัยจึงมุ่งเป้าลดการปล่อย CO₂ โดยนำมาใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตเคมีภัณฑ์มูลค่าสูงและใช้เป็นพลังงานทดแทนจำพวกโอเลฟินส์และอัลกอฮอล์ ซึ่งเป็นการสร้างมูลค่าเพิ่มทางด้านธุรกิจและสร้างเสถียรภาพด้านวัตถุดิบได้เป็นอย่างดี อย่างไรก็ตามเนื่องจากปฏิกิริยานี้มีปฏิกิริยาที่เกิดแข่งขันจำนวนมากและต้องดำเนินการที่สภาวะความดันสูง (เป็นปฏิกิริยาที่โมลรวมของสารผลิตภัณฑ์ลดลง) และอุณหภูมิค่อนข้างสูง (ตามข้อมูลทางอุณหพลศาสตร์) ประกอบกับตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้มีสมบัติทางแม่เหล็กสูง ทำให้คณะผู้วิจัยนำสนามแม่เหล็กเข้ามาประยุกต์ในการควบคุมการเกิดปฏิกิริยา

                    จากการศึกษาผลของสนามแม่เหล็กที่มีต่อประสิทธิภาพการผลิตเมทานอลบนตัวเร่งเหล็ก-ทองแดงบนตัวรองรับอะลูมิโนซิลิเกตแบบ core–shell และ infiltrate ในปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจนของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และติดตามผลการเปลี่ยนแปลงเฟสของตัวเร่งเหล็กและทองแดง แบบ in-situ ในช่วงอุณหภูมิ 50–480 องศาเซลเซียส ด้วยเทคนิคX-ray absorption near-edge structure (XANES) โดยใช้เครื่อง Time-resolved X-ray absorption spectroscopy (TRXAS) ซึ่งคณะผู้วิจัยดำเนินการร่วมกับดร. ยิ่งยศ ภู่อาภรณ์ นักวิจัยของสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) พบว่าทองแดงออกไซด์ (CuO) ถูกรีดิวซ์เป็นทองแดง (Cu) ทั้งหมดที่อุณหภูมิ 150–200 องศาเซลเซียส ในขณะที่พบออกไซด์ของเหล็กในกลุ่มเฮมาไทต์ (Fe₂O₃) แมกนีไทต์ (Fe₃O₄) และไอรอนออกไซด์ (FeO) ในการรีดิวซ์ที่อุณหภูมิ 340–480 องศาเซลเซียส และพบเหล็ก (Fe) and FeO ในการรีดิวซ์ที่อุณหภูมิ480องศาเซลเซียส (รูปที่ 1) ซึ่งข้อมูลดังกล่าวยืนยันการเกิดเฟสผสมระหว่าง Fe และ FeO ระหว่างการเร่งปฏิกิริยาเติมไฮโดรเจนของCO₂และพบว่า แม้ว่าทองแดงจะมีคุณสมบัติความเป็นแม่เหล็กอย่างอ่อนแบบ diamagnetism และมีทิศทางความเป็นแม่เหล็กตรงกันข้ามกับสนามแม่เหล็ก แต่เมื่ออยู่รวมกับเหล็กออกไซด์ภายใต้สนามแม่เหล็ก ตัวมันสามารถถูกเหนี่ยวนำและแสดงสมบัติความเป็นแม่เหล็ก ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการเร่งปฏิกิริยาได้เป็นอย่างดีจากผลการศึกษาดังกล่าว พบว่าอัตราการแปลงผันของ CO₂ บนตัวเร่งปฏิกิริยาภายใต้สภาวะที่มีความเข้มสนามแม่เหล็ก 27.7mT ที่อุณหภูมิ 260องศาเซลเซียส มากกว่าสภาวะที่ไม่มีแม่เหล็กถึง 1.5–1.8 เท่า โดยมีร้อยละการเลือกเกิดเมทานอลและ DME เพิ่มขึ้น 2.5-5.3 เท่าอีกด้วย ทั้งนี้เนื่องมาจากการเพิ่มขึ้นของตำแหน่งว่องไวของตัวเร่งโลหะภายใต้สนามแม่เหล็ก ส่งผลให้เพิ่มขีดความสามารถในการดูดซับ CO₂ และไฮโดรเจนบนพื้นผิวตัวเร่ง การประยุกต์ใช้สนามแม่เหล็กในการเร่งปฏิกิริยาดังกล่าวจึงมีศักยภาพสูงในการช่วยเสริมการใช้ประโยชน์ CO₂ แบบเป็นกลางทางคาร์บอน (carbon-neutral route) ได้เป็นอย่างดี

 

                                                                                                                        (a)                                                                                  (b)

รูปที่1 In situ Fe K-edge XANES spectra (ก่อนและหลังการรีดิวซ์) ของตัวเร่ง (a) 10Fe/core-shell mesoporous aluminosilicateและ (b) 10Fe-10Cu/core-shell mesoporous aluminosilicateและ spectra ของ iron standards

 

วสกร อุ้มชู¹, ดร. ยิ่งยศ ภู่อาภรณ์², ดร. วลีพร ดอนไพร^1,3,และดร. เมตตา เจริญพานิช^1,3

¹ภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

²สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)

³ศูนย์เครือข่ายการวิจัยด้านตัวเร่งปฏิกิริยาและวัสดุนาโนเพื่อพลังงานและสิ่งแวดล้อมที่ยั่งยืนศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ

 สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ