ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ประดิษฐ์ขึ้นใหม่ สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการเปลี่ยน CO2 เป็นเชื้อเพลิง | องค์การบริหารจัดการก๊าซเรือนกระจก องค์การมหาชน

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ประดิษฐ์ขึ้นใหม่ สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการเปลี่ยน CO2 เป็นเชื้อเพลิง | องค์การบริหารจัดการก๊าซเรือนกระจก องค์การมหาชน

กระบวนการโดยธรรมชาติ ที่เริ่มจากการสังเคราะห์แสงของพืชพรรณที่ต้องใช้เวลายาวนานเพื่อสะสมมวลชีวภาพ ทับถมลงในผืนดิน ตามด้วยพลังงานความร้อมและความดันอีกเป็นระยะเวลานาน จึงเสร็จสิ้นกระบวนการตรึง CO2 ให้เป็น Hydrocarbon สายยาว ซึ่งก็คือเชื้อเพลิงฟอสซิล ซึ่งกินเวลายาวนานนับล้านปี

ด้วยสถานการณ์ในปัจจุบัน เราอาจจะไม่สามารถมีเวลาอีกนับล้านปีที่จะปล่อยให้กระบวนการธรรมชาติดำเนินไป เพื่อตรึงปริมาณคาร์บอนส่วนเกินในบรรยากาศ แต่จากความก้าวหน้าทางเคมี เราสามารถย่นย่อระยะเวลาของกระบวนการนี้ให้เร็วขึ้น

จากความก้าวหน้าล่าสุดในด้านการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยา โดย Stanford University เพื่อสร้าง short-chained carbon molecules จาก CO2 ในอัตราที่ดีกว่าเทคโนโลยีก่อนหน้านี้ทั้งหมด โดยเทคโนโลยีนี้จะเปลี่ยน CO2 ร่วมกับ hydrogen ในปริมาณที่เหมาะสมไปเป็น Hydrocarbon สายสั้น เช่น ethane (C2), propane(C3) หรือแม้แต่ butane(C4) ซึ่งทั้งหมดสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงได้ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ได้มีความพยายามที่จะพัฒนาการตรึงคาร์บอนจากบรรยากาศ มาใช้ประโยชน์ในหลากหลายวิธี ด้วยระดับที่มีความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจ เช่น การนำมาใช้เป้นพลังงาน และสร้างเป็นวัสดุสังเคราะห์ เช่น พลาสติก
ความท้าทายของเรื่องนี้คือ ความสามารถที่เราจะดึงเอาคาร์บอนปริมาณมหาศาลที่เราปล่อยออกสู่บรรยากาศ มาเปลี่ยนให้มีประโยชน์ด้วยระยะเวลาที่รวดเร็ว และมีราคาที่ถูกพอ โดยเราต้องการดักจับโมเลกุลคาร์บอน ให้กลายเป็นสายไฮโดรคาร์บอนที่ยาว ตั้งแต่ 8 - 12 อะตอม ซึ่งเป็นระดับที่ดีที่สุดเพื่อสร้างเชื้อเพลิง

ด้วยระดับความก้าวหน้าของเทคโนโลยีในปัจจุบัน สามารถเข้าใกล้ในระดับนี้ได้ เพราะการสร้าง Hydrocarbon สายยาวขึ้น ต้องการความร้อนและแรงดันสูงมากขึ้น ซึ่งทำให้กระบวนการนี้มีประสิทธิภาพลดลงและมีราคาแพงมากยิ่งขึ้น แต่ด้วยเทคนิคใหม่นี้ที่ใช้วัสดุ organic polymers ที่มีรูพรุนร่วมกับ catalytic metal เช่น ruthenium ร่วมกับ titanium oxide สามารถเพิ่มประสิทธิภาพ ได้ถึง 10 เท่า เพื่อสร้าง high molecular weight carbon chains โดยผลการทดลองที่น่าทึ่งสำหรับการสร้าง butane ซึ่งมีสายโมเลกุลยาว 4 อะตอม พบว่ามีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นถึง 1,000 เท่า

ด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาแบบเดิมที่ไม่มีการเคลือบผิวด้วยวัสดุใหม่นี้ จะมีอะตอมของ hydrogen ปกคลุมพื้นผิวอยู่มากเกินไป ทำให้มีข้อจำกัดที่จะหาอะตอมของ carbon มาจับให้เป็นโมเลกุลสายยาวขึ้น แต่ด้วยสารเคลือบโพลีเมอร์ที่มีรูพรุนนี้ จะควบคุมอัตราส่วนของ carbon-to-hydrogen ให้เหมาะสมที่จะสร้างสายโมเลกุลที่ยาวขึ้นด้วยการทำปฏิกิริยาแบบเดิม

ในทางอุดมคติ การดักจับคาร์บอนออกจากบรรยากาศและกักเก็บไว้เป็นสิ่งดีที่สมควรกระทำ และสำหรับ Carbon neutral fuels อาจจะเป็นการช่วยแก้ปัญหาในทางเศรษฐศาสตร์ที่การสร้างเชื้อเพลิงหมุนเวียนนี้สามารถสร้างรายได้เลี้ยงตัวเองได้ และไม่ได้เป็นการเพิ่มปริมาณคาร์บอนขึ้นอีกในบรรยากาศ (แต่ในขณะเดียวกันก็ไม่ใช่การลด หรือ กำจัดคาร์บอน) แต่เป็นการนำมาหมุนเวียนใช้ใหม่

ด้วยความก้าวนี้ เราสามารถสร้าง butane ขึ้นได้ในปริมาณมาก ซึ่งด้วยขนาดโมเลกุลที่มีสายยาวขึ้น จึงควบคุมการรั่วไหลออกสู่บรรยากาศได้ง่ายขึ้น เมื่อเทียบกับ Hydrocarbon ที่มีสายโมเลกุลสั้นกว่า และยังคงมีการค้นคว้าวิจัยเพื่อสร้างโมเลกุลของ Hydrocarbon ในรูปแบบที่มีความเสถียรมากขึ้น เพื่อนำไปสู่การกักเก็บที่ถาวรและปลอดภัย

แน่นอนว่า กระบวนการดูดซับคาร์บอนโดยธรรมชาติ และกักเก็บไว้ในมวลชีวภาพยังคงมีความสำคัญเป็นอันดับแรก และเรายังไม่สามารถพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อการดูดซับ CO2 ที่ดีกว่าการทำงานของพืช และด้วยเทคโนโลยีนี้ จะมีคุณค่าเพียงพอที่จะทำให้เราหันเหการพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลได้ในอนาคต

This research was published in Proceedings of the National Academy of Sciences.

Source: Newly Invented Catalyst Dramatically Increases The Efficiency of Turning CO2 Into Fuel : MIKE MCRAE  13 FEBRUARY 2022