Designing hydrotalcite-derived CoAlO catalysts for highly selective catalytic CO2 methanation

(English) รศ.ดร. ประเสริฐ เรียบร้อยเจริญ นักวิจัยของ CBRC ร่วมกับ ดร.ธัชพรรณ อัจจิมารังษี, Mr. Zhihao Liu,
Prof. Dr. Xinhua Gao, Asst. Prof. Dr. Kangzhou Wang, Prof. Dr. Qingxiang Ma, Prof. Dr. Tian-Sheng Zhao และ Prof. Dr. Jianli Zhang (State Key Laboratory of High-efficiency Utilization of Coal and Green Chemical Engineering, Ningxia University ประเทศจีน) Dr. Jumei Tian (National Quality Supervision and Inspection Center for Coal and Coal Chemical Products ประเทศจีน) และ Prof. Dr. Noritatsu Tsubaki (University of Toyama ประเทศญี่ปุ่น) พัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาฐานโคบอลต์ (Co-based catalysts) ชนิดใหม่จาก Layered double hydroxides (LDH) เป็นวัสดุตั้งต้น โดยใช้กระบวนการรีดักชัน (Reduction) เพื่อนำไปใช้เร่งปฏิกิริยามีเทเนชันของคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂ methanation) งานวิจัยนี้ถือเป็นแนวทางที่สำคัญในการก้าวเข้าสู่สังคมความเป็นกลางทางคาร์บอน (Carbon Neutral Society)

ผลงานวิจัยเรื่อง Designing hydrotalcite-derived CoAlO catalysts for highly selective catalytic CO₂ methanation ตีพิมพ์ในวารสาร Fuel Processing Technology (Tier1 Journal, JCR IF = 8.129)

การเติบโตทางเศรษฐกิจทั่วโลกในช่วงศตวรรษที่ผ่านมาถูกขับเคลื่อนโดยอาศัยการใช้เชื้อเพลิงจากแหล่งปิโตรเลียม ซึ่งส่งผลให้ปริมาณแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (Carbon dioxide, CO₂) ในชั้นบรรยากาศเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ CO₂ เป็นหนึ่งในแก๊สเรือนกระจก (Greenhouse Gases) ที่ก่อให้เกิดผลกระทบต่อโลกหลายประการ อย่างไรก็ดี CO₂ จัดเป็นแหล่งคาร์บอนหมุนเวียนปลอดสารพิษชนิดหนึ่ง การดักจับและการใช้ประโยชน์ CO₂ (CO₂ capture and utilization) ไม่เพียงแต่เป็นประโยชน์ต่อการบรรเทาปัญหาด้านสิ่งแวดล้อม แต่ยังสามารถนำ CO₂ มาใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตสารเคมีมูลค่าสูงได้อีกด้วย

มีเทน (Methane, CH₄) เป็น Energy Carrier ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูง และยังเป็นวัตถุดิบตั้งต้นที่สำคัญสำหรับการผลิตสารเคมีหลายชนิด มีเทเนชันของ CO₂ เป็นกระบวนการที่มีประสิทธิภาพในการเปลี่ยน CO₂ เป็น CH₄ ภายใต้ภาวะที่ไม่รุนแรง เนื่องจากเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน (Exothermic reaction) การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพในการดูดซับและกระตุ้น CO₂ ที่อุณหภูมิต่ำจึงเป็นปัจจัยสำคัญในการก้าวข้ามข้อจำกัดในด้านจลนศาสตร์ (Kinetic limitation)

ตัวเร่งปฏิกิริยาฐานโคบอลต์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ได้รับการศึกษาอย่างแพร่หลาย เนื่องจากมีราคาถูกและมีประสิทธิภาพในการเร่งปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันได้ดี ทั้งนี้สมบัติพื้นผิว (Surface properties) และอันตรกิริยาระหว่างตัวรองรับและโลหะ (Metal-support interactions) เป็นปัจจัยที่สำคัญในการกำหนดประสิทธิภาพในการเร่งปฏิกิริยามีเทเนชันของ CO₂ ทั้งนี้ LDH ได้รับความนิยมเป็นอย่างมากในการพัฒนาเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา เนื่องจากความหลากหลายขององค์ประกอบทางเคมี โครงสร้างที่ควบคุมได้ และเสถียรภาพทางความร้อนที่ดี โดย LDH ที่ผ่านการเผา (Calcination) หรือการรีดักชัน เพื่อเปลี่ยนเป็นรูปออกไซด์จะมีการกระจายตัวของโลหะที่ดีเยี่ยม ซึ่งเป็นข้อดีสำหรับการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาฐานโคบอลต์เพื่อเร่งปฏิกิริยามีเทเนชันของ CO₂

งานวิจัยนี้พัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาฐานโคบอลต์จาก LDH ที่มีอัตราส่วนโดยโมลของ Co/Al แตกต่างกัน (CoAlO-x) โดยใช้กระบวนการรีดักชัน สำหรับใช้เร่งปฏิกิริยามีเทเนชันของ CO₂ จากการศึกษาพบว่า CoAlO ที่มีอัตราส่วนโดยโมลของ Co/Al เท่ากับ 1 (CoAlO-1) สามารถเปลี่ยน CO₂ เป็น CH₄ ได้สูงที่สุด เนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยานี้มีปริมาณและขนาดผลึก Co ที่เหมาะสม อีกทั้งมีสภาพเบสและความสามารถในการเกิดรีดักชันที่เหมาะสมต่อการดูดซับและการกระตุ้น CO₂ นอกจากนี้ CoAlO-1 มีประสิทธิภาพสูงกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาบนตัวรองรับทั่วไปถึง 3 เท่า และมีเสถียรภาพในการใช้งานมากกว่า 200 ชั่วโมง

อ่านงานวิจัยนี้ได้ที่: doi.org/10.1016/j.fuproc.2022.107628