Water electrolysis

การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาขั้วไฟฟ้าบวกชนิดนิกเกิล-รูเทเนียมสำหรับการผลิตไฮโดรเจน

เมื่อไม่นานมานี้ทีมวิจัย นำโดยนักวิจัยจากคณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยไรซ์ (Rice University) ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้พัฒนาวิธีการผลิตไฮโดรเจนผ่านกระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า หรือ อิเล็กโทรไลซิส (water electrolysis) ซึ่งอาศัยหลักการทางเคมีไฟฟ้าในการแยกน้ำเพื่อผลิตแก๊สออกซิเจนและแก๊สไฮโดรเจน โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยารูเทเนียม (ruthenium) ผสมกับนิกเกิล (nickel) เป็นขั้วไฟฟ้าบวก (positive-electrode catalyst) ในเครื่องปฏิกรณ์ภายใต้อุณหภูมิแวดล้อมปกติ

โดยปกติแล้วกระบวนการผลิตไฮโดรเจนใช้แก๊สธรรมชาติหรือเชื้อเพลิงฟอสซิลเป็นวัตถุดิบซึ่งทำให้เกิดการปลดปล่อยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์เป็นจำนวนมาก การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าจัดเป็นกระบวนการผลิตไฮโดรเจนที่ปลดปล่อยคาร์บอนน้อยที่สุดโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบขั้วไฟฟ้า (polarized catalyst) หลักการผลิตไฮโดรเจนด้วยวิธีนี้คือการส่งผ่านกระแสไฟฟ้าลงในน้ำด้วยแก๊สอิเลคโตรด (electrode) สองขั้ว คือ ขั้วแอโนด (anode) และขั้วแคโทด (cathode) ซึ่งโมเลกุลของน้ำถูกแยกออกเป็นแก๊สไฮโดรเจนที่ขั้วแคโทดและแก๊สออกซิเจนที่ขั้วแอโนด

อย่างไรก็ดี อิริเดียม (iridium) มักถูกใช้ทำเป็นส่วนประกอบของขั้วแอโนดในกระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า เนื่องจากมีเสถียรภาพสูงและคุณสมบัติในการทนทานการกัดกร่อนในสารอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นกรด (acid electrolyte) แต่เนื่องด้วยอิริเดียมเป็นหนึ่งในโลหะมีตระกูล (noble metal) ที่มีราคาสูง ไม่สามารถนำมาใช้ผลิตจริงในเชิงอุตสาหกรรม นักวิจัยจึงพยายามหาโลหะประเภทอื่นเพื่อมาทดแทน

จากการศึกษาของทีมวิจัยพบว่า รูเทเนียมออกไซด์ที่ผสมกับนิกเกิล (Ni-RuO2) มีอัตราการเร่งปฎิกิริยาที่ดีและมีเสถียรภาพสูง สามารถทนทานต่อการกัดกร่อนและใช้งานได้มากกว่า 1,000 ชั่วโมงภายใต้กระแสไฟฟ้า 200 มิลลิแอมแปร์ต่อตารางเซนติเมตร (mA/cm2) โดยพบการเสื่อมสภาพเพียงเล็กน้อย ขณะที่การใช้รูเทเนียมออกไซด์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเพียงอย่างเดียวสามารถใช้งานได้เพียงไม่กี่ร้อยชั่วโมงที่ในกระแสไฟฟ้า 10 mA/cm2
ในปัจจุบันทีมวิจัยพยายามพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยานี้ให้มีความทนทานต่อกระแสไฟฟ้ามากขึ้น 5-10 เท่า โดยที่ยังสามารถรักษาเสถียรภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาไว้ได้

Source : https://www.chemeurope.com/en/news/1178230/rice-lab-advances-water-splitting-catalysts.html