Highly selective iron-based catalysts derived from Al-containing MIL-53 for CO2 hydrogenation to light olefins

นายหาญณรงค์ พิทยชินโชติ ศ.ดร.ชวลิต งามจรัสศรีวิชัย และ รศ.ดร.ประเสริฐ เรียบร้อยเจริญ นักวิจัยของ CBRC ร่วมกับ ศ.ดร.ภัทรพรรณ ประศาสน์สารกิจ (ภาควิชาเคมีเทคนิค คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย) พัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาฐานเหล็กจากโครงข่ายโลหะ−สารอินทรีย์ชนิด MIL-53 (Iron (Fe)-based catalysts derived from MIL-53(Al)) สำหรับการแปรรูปแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (Carbon dioxide, CO₂) เป็นโอเลฟินเบา (Light olefins) ผ่านปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันของคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂ hydrogenation) ซึ่งเป็นส่วนสำคัญต่อความพยายามอย่างต่อเนื่องในการก้าวเข้าสู่สังคมความเป็นกลางทางคาร์บอน

ผลงานวิจัยเรื่อง Highly selective iron-based catalysts derived from Al-containing MIL-53 for CO₂ hydrogenation to light olefins ตีพิมพ์ในวารสาร Journal of Environmental Chemical Engineering (Q1 Journal, JCR IF = 7.7)

การเพิ่มขึ้นของ CO₂ ในชั้นบรรยากาศอันเนื่องมาจากการเจริญเติบโตทางเศรษฐกิจทั่วโลกส่งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตทุกชนิดบนโลกอย่างมีนัยสำคัญ ด้วยเหตุนี้ประชาคมระหว่างประเทศจึงมีความเห็นพ้องที่จะบรรลุความเป็นกลางทางคาร์บอนโดยการลดการปลดปล่อย CO₂ เพื่อจำกัดการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิเฉลี่ยทั่วโลกไม่ให้สูงเกินกว่า 1.5 °C เทียบกับยุคก่อนการปฏิวัติอุตสาหกรรม CO₂ hydrogenation เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพในการลดปริมาณ CO₂ ในชั้นบรรยากาศ โดยการแปรรูป CO₂ เป็นสารเคมีหรือผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่า อย่างไรก็ดีการแปรรูป CO₂ เป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีจำนวนคาร์บอนตั้งแต่ 2 อะตอมขึ้นไป (C₂₊ hydrocarbons) มีความท้าทายสูงมาก เนื่องจาก CO₂ มีความว่องไวต่อการเกิดปฏิกิริยาที่ต่ำ (Chemical inertness)

ตัวเร่งปฏิกิริยาฐานเหล็กเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีศักยภาพในการผลิตสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีจำนวนคาร์บอนตั้งแต่ 2 อะตอมขึ้นไปจาก CO₂ เนื่องจากสามารถส่งเสริมการก่อตัวของพันธะคาร์บอน-คาร์บอน (C-C coupling) ได้ โครงข่ายโลหะ−สารอินทรีย์ (Metal–organic frameworks, MOF) เป็นวัสดุที่ได้รับความนิยมและมีการนำไปประยุกต์ใช้งานอย่างแพร่หลาย เช่น การกำจัดโลหะหนัก การนำส่งยา และการเร่งปฏิกิริยา อย่างไรก็ดีการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยา CO₂ hydrogenation จาก MOF มักเกี่ยวข้องกับการปรับสภาพที่อุณหภูมิสูง เพื่อเพิ่มเสถียรภาพทางความร้อนของตัวเร่งปฏิกิริยา

งานวิจัยนี้ประยุกตใช้ MOF ชนิด MIL-53(Al) เป็นสารตั้งต้นในการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาฐานเหล็กชนิดใหม่สำหรับการผลิตโอเลฟินเบาผ่านปฏิกิริยา CO₂ hydrogenation โดยศึกษาผลของปริมาณเหล็กที่ใช้ การเติมโลหะชนิดที่สอง และการเติมโพแทสเซียมเป็นโปรโมเตอร์ (K Promoter) ต่อสมบัติทางเคมีกายภาพและประสิทธิภาพในการเร่งปฏิกิริยา จากการศึกษาพบว่า ตัวเร่งปฏิกิริยาฐานเหล็กที่เตรียมจาก MIL-53 มีการกระจายตัวของโลหะสูงมาก ซึ่งส่งผลให้มีประสิทธิภาพในการแปรรูป CO₂ เป็นไฮโดรคาร์บอนได้สูงกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่เตรียมบนตัวรองรับโดยทั่วไป การเติมสังกะสี (Zinc) เป็นโลหะชนิดที่สองร่วมกับโพแทสเซียมช่วยส่งเสริมการผลิตโอเลฟินเบาได้อย่างดีเยี่ยม โดยให้ปริมาณโอเลฟินเบามากกว่า 14%

อ่านงานวิจัยนี้ได้ที่ doi.org/10.1016/j.jece.2024.112061