Dr. Jasminder Singh นายศุภธีร์ เชาวมาลี นายหาญณรงค์ พิทยชินโชติ นายชนสิษฎ์ แก้วงาม นายอติคุณ โชติรัตนโชติ นายณัฐภัทร เทียนสุวรรณ และ ศ.ดร.ชวลิต งามจรัสศรีวิชัย นักวิจัยของ CBRC ร่วมกับ ศ.ดร.ศิริลักษณ์ พุ่มประดับ (ศูนย์เชี่ยวชาญเฉพาะทางด้านวัสดุสีเขียวสำหรับการประยุกต์เชิงอุตสาหกรรม คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย) และ Prof. Dr. Toshiyuki Yokoi (Nanospace Catalysis Unit, Tokyo Institute of Technology ประเทศญี่ปุ่น) ประยุกต์ใช้โครงข่ายโลหะ−สารอินทรีย์ (Metal−organic Frameworks: MOF) ที่ผ่านการดัดแปรด้วยหมู่ฟังก์ชันเอมีน (Amine functionalization) สำหรับการเร่งปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชัน (Cycloaddition) แบบเลือกจำเพาะเพื่อผลิต Cyclic carbonates หรือ Carbonate oligomers
ผลงานวิจัยเรื่อง Bifunctionality of amine-modified metal-organic frameworks for CO2 capture and selective utilization in cycloaddition ตีพิมพ์ในวารสาร Carbon Capture Science & Technology (Tier1 Journal, JCR IF = 10.4)
การเพิ่มขึ้นของคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ในช่วงที่ผ่านมาก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสภาพภูมิอากาศโลกอย่างมีนัยสำคัญ การเปลี่ยน CO2 เป็นสารเคมีมูลค่าเพิ่มเป็นแนวทางที่มีศักยภาพในการลดปริมาณ CO2 ในชั้นบรรยากาศ Cyclic carbonates (CC) เป็นสารเคมีที่มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในภาคอุตสาหกรรมในฐานะตัวทำละลายสีเขียว (Green solvent) หรืออิเล็กโทรไลต์ (Electrolyte) ในแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน (Lithium-ion battery) ทั้งนี้กระบวนการผลิต CC แบบดั้งเดิมมีการใช้ฟอสจีน (Phosgene) ซึ่งมีความเป็นพิษสูง การผลิต CC ผ่านปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชัน (Cycloaddition) ด้วย CO2 จึงได้รับความนิยมและมีความยั่งยืน Carbonate oligomers (COL) เป็นผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นจากโอลิโกเมอไรเซชัน (Oligomerization) ของ CC ซึ่งถูกใช้เป็นสารเติมแต่งที่ช่วยลดความหนืดในการผลิตพอลิคาร์บอเนต (Polycarbonates) อย่างไรก็ดีการศึกษาการเกิดโอลิโกเมอไรเซชันของสารประกอบดังกล่าวได้รับความสนใจน้อยมากเมื่อเทียบกับการผลิต CC
โครงข่ายโลหะ−สารอินทรีย์ (Metal−organic Frameworks: MOFs) เป็นวัสดุที่มีศักยภาพในการดูดซับและการเร่งปฏิกิริยา การดัดแปร MOF โดยใช้สารอินทรีย์ที่ประกอบด้วยหมู่ฟังก์ชันเอมีน เป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพในการเพิ่มความสามารถการดูดซับ CO2 ในส่วนของโลหะศูนย์กลาง โครเมียม (Cr) และทองแดง (Cu) เป็นโลหะที่มีสมบัติความเป็นกรดลิวอิส (Lewis acid) ที่ดี ซึ่งช่วยเร่งปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันเพื่อผลิต CC MIL-101(Cr) และ HKUST-1 เป็น MOF ฐานโครเมียม และทองแดง ตามลำดับ ที่ได้รับความนิยมในการใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา อย่างไรก็ดี วิธีการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้มีการใช้กรดไฮโดรฟลูออริก ซึ่งเป็นสารเคมีอันตราย การพัฒนาวิธีการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาโดยปราศจากการใช้สารเคมีอันตราย โดยที่ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เตรียมได้ยังคงสมบัติทางเคมีกายภาพและความสามารถในการเร่งปฏิกิริยาได้ดีจึงเป็นแนวทางที่มีความน่าสนใจ
งานวิจัยนี้ศึกษาการผลิต Styrene carbonate (SC) และ COL แบบเลือกจำเพาะ จาก Styrene oxide (SO) ผ่านปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชัน โดยใช้ MIL-101(Cr) และ HKUST-1 ที่ดัดแปรด้วยหมู่ฟังก์ชันเอมีนและสังเคราะห์โดยปราศจากการใช้สารเคมีอันตรายเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา จากผลการศึกษาพบว่า ในภาวะที่ปราศจากตัวทำละลายและใช้ Tetrabutylammonium bromide เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาร่วม MIL-101(Cr)-NH2 และ HKUST-1-NH2 ให้การเปลี่ยน (Conversion) ของ SO ไปเป็น COL ได้มากกว่า MIL-101(Cr) และ HKUST-1 ที่ไม่ผ่านการดัดแปร เนื่องจากความสามารถในการดูดซับ CO2 ที่สูงขึ้น โดยให้ผลได้ (Yield) ของ COL สูงถึง 72.4% สถานะออกซิเดชัน (Oxidation stage) ของ Cr ที่สูงกว่า Cu ส่งผลให้ MIL-101(Cr)-NH2 สามารถเปลี่ยน SO ไปเป็น SC และ COL ได้ดีกว่า HKUST-1-NH2 การใช้ Acetonitrile เป็นตัวทำละลายในระบบการเร่งปฏิกิริยาในภาวะที่เหมาะสมสามารถปรับการเลือกจำเพาะของผลิตภัณฑ์ไปเป็น SC ได้อย่างดีเยี่ยม โดยให้การเปลี่ยนของ SO ได้มากกว่า 99% และผลได้ของ SC yield สูงถึง 97 % งานวิจัยนี้เป็นงานวิจัยแรกที่นำเสนอระบบการเร่งปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันแบบเลือกจำเพาะเพื่อผลิต COL หรือ SC
อ่านรายละเอียดงานวิจัยนี้ได้ที่: doi.org/10.1016/j.ccst.2024.100262
