จีนประสบความสำเร็จครั้งใหม่ในการวิจัยเกี่ยวกับการเปลี่ยนน้ำให้เป็นเชื้อเพลิง

สำนักข่าวซินหัวรายงานว่า ผลการวิจัยที่เกี่ยวข้องได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Journal of the American Chemical Society เมื่อวันที่ 8 เมษายน

เมื่อวันที่ 7 เมษายน นักวิทยาศาสตร์ กำลังตรวจสอบตัวอย่างวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เร่งปฏิกิริยาด้วยแสงไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO₂) ที่ได้รับการดัดแปลง ณ ศูนย์วิจัยวัสดุเสิ่นหยาง – สถาบันวิจัยโลหะ สถาบันวิทยาศาสตร์แห่งประเทศจีน ภาพ: สำนักข่าวซินหัว

เมื่อ 1,500 ปีก่อน จูลส์ เวอร์น นักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์ได้ทำนายไว้ว่า น้ำจะกลายเป็นเชื้อเพลิงสำคัญที่สุดในอนาคต ปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์กำลังทำงานเพื่อทำให้คำทำนายนั้นเป็นจริง

หลิว กัง ผู้อำนวยการสถาบันวิจัยโลหะวิทยา สังกัดสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งประเทศจีน และหัวหน้าทีมวิจัย กล่าวว่า กลุ่มวิจัยทางวิทยาศาสตร์ของจีนประสบความสำเร็จครั้งสำคัญในด้าน "การแยกน้ำด้วยปฏิกิริยาโฟโตคะตาไลติกเพื่อผลิตไฮโดรเจน" เมื่อเร็วๆ นี้

ด้วยการ “ปรับโครงสร้าง” และ “การแทนที่องค์ประกอบ” ในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เร่งปฏิกิริยาด้วยแสง ไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO₂) ทีมวิจัยได้ปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตก๊าซไฮโดรเจนโดยตรงจากแสงแดดได้อย่างมีนัยสำคัญ

ผลการวิจัยที่เกี่ยวข้องได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Journal of the American Chemical Society เมื่อวันที่ 8 เมษายน

ปัจจุบัน มีวิธีการหลักสองวิธีในการผลิตไฮโดรเจนจากพลังงานแสงอาทิตย์

วิธีหนึ่งคือการใช้แผงโซลาร์เซลล์เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า จากนั้นจึงใช้กระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า ซึ่งแม้จะมีประสิทธิภาพสูง แต่ก็เป็นอุปกรณ์ที่ซับซ้อนและมีราคาแพง

วิธีที่สองคือการสลายน้ำโดยตรงโดยใช้แสงแดด โดยใช้สารกึ่งตัวนำ เช่น ไทเทเนียมไดออกไซด์ เพื่อ "แยกน้ำ" ภายใต้แสงแดด

ทีมของหลิว กัง มุ่งเน้นการวิจัยไปที่วิธีการที่สองเป็นหลัก

จากคำอธิบาย วิธีการดั้งเดิมในการใช้ไทเทเนียมไดออกไซด์เพื่อแยกน้ำนั้นประสบกับอุปสรรคสำคัญ คือ เมื่อแสงส่องกระทบไทเทเนียมไดออกไซด์ จะเกิดอนุภาคที่มีประจุ (อิเล็กตรอนและโฮล) ขึ้นภายใน ซึ่งเป็น "เครื่องมือ" ในการแยกน้ำ แต่ว่าอิเล็กตรอนและโฮลเหล่านี้ไม่เสถียร

หลิว กัง อธิบายว่า “อิเล็กตรอนและโฮลเปรียบเสมือนรถแข่งที่หลงทาง พุ่งชนอย่างไม่เป็นระเบียบในเขาวงกตของโครงสร้างวัสดุ ส่วนใหญ่จะรวมตัวกันใหม่และหายไปภายในหนึ่งในล้านของวินาที ยิ่งไปกว่านั้น การผลิตที่อุณหภูมิสูงมักทำให้อะตอมของออกซิเจน ‘หลุดออกจากที่อยู่’ ก่อให้เกิดช่องว่างของออกซิเจนและดักจับอิเล็กตรอน ซึ่งทั้งหมดนี้จะลดประสิทธิภาพของปฏิกิริยาโฟโตคะตาไลติก”

เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ทีมวิจัยได้คิดค้นวิธีการใหม่ โดยนำธาตุ "ข้างเคียง" ของไทเทเนียมในตารางธาตุ คือ สแกนเดียม (Sc) มาใช้เพื่อปรับปรุงไทเทเนียมไดออกไซด์ ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าสแกนเดียมมีข้อดีหลักๆ สามประการ:

ประการแรก รัศมีไอออนของสแกนเดียม (Sc) มีขนาดใกล้เคียงกับของไทเทเนียม (Ti) ดังนั้นจึงสามารถฝังตัวอยู่ในโครงผลึกได้โดยไม่ทำให้โครงสร้างบิดเบี้ยว

ประการที่สอง สถานะวาเลนซ์ที่เสถียรของสแกนเดียมช่วยลดความไม่สมดุลของประจุที่เกิดจากช่องว่างออกซิเจน

ประการที่สาม ไอออน Sc สามารถปรับโครงสร้างพื้นผิวของผลึก ทำให้เกิดโครงสร้างพื้นผิวพิเศษ คล้ายกับการสร้าง "ทางหลวงและทางแยกสำหรับอิเล็กตรอนและช่องว่างอิเล็กตรอน" ช่วยให้พวกมันหลุดออกจากเขาวงกตได้ง่ายขึ้น

ด้วยการปรับแต่งอย่างชาญฉลาด ทีมงานประสบความสำเร็จในการผลิตไทเทเนียมไดออกไซด์ที่มีประสิทธิภาพโดดเด่น โดยมีความสามารถในการดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลตเกิน 30% และประสิทธิภาพการผลิตไฮโดรเจนภายใต้แสงแดดจำลองเพิ่มขึ้น 15 เท่าเมื่อเทียบกับวัสดุที่คล้ายคลึงกัน ซึ่งเป็นการสร้างสถิติใหม่ในระบบวัสดุนี้

นายหลิว กัง กล่าวว่า "หากนำวัสดุนี้ไปผลิตเป็นแผงโฟโตคะตาไลติกขนาด 1 ตารางเมตร ภายใต้แสงแดด จะสามารถผลิตก๊าซไฮโดรเจนได้ประมาณ 10 ลิตรต่อวัน"

นักวิจัยกล่าวเพิ่มเติมว่า ไทเทเนียมไดออกไซด์เป็นวัสดุอนินทรีย์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม โดยจีนครองส่วนแบ่งการผลิตทั่วโลกกว่า 50% ก่อให้เกิดห่วงโซ่อุตสาหกรรมที่สมบูรณ์ ขณะเดียวกัน จีนยังมีปริมาณสำรองธาตุหายากสแกนเดียมมากที่สุด ในโลก สิ่งนี้สร้างข้อได้เปรียบทางอุตสาหกรรมที่อาจเกิดขึ้นสำหรับการพัฒนาและการประยุกต์ใช้วัสดุเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงในอนาคต

เนื่องจากประสิทธิภาพของการแยกน้ำด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่อง เทคโนโลยีนี้จึงมีศักยภาพในการนำไปประยุกต์ใช้ในการผลิตระดับอุตสาหกรรม ซึ่งจะขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างพลังงานระดับโลก

ที่มา: https://baotintuc.vn/khoa-hoc-cong-nghe/trung-quoc-dat-dot-pha-moi-trong-tien-trinh-nghien-cuu-bien-nuoc-thanh-nhien-lieu-20250409112539937.htm