นายหาญณรงค์ พิทยชินโชติ ศ.ดร.ชวลิต งามจรัสศรีวิชัย และ รศ.ดร.ประเสริฐ เรียบร้อยเจริญ นักวิจัยของ CBRC ร่วมกับ ศ.ดร.ภัทรพรรณ ประศาสน์สารกิจ (ภาควิชาเคมีเทคนิค คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย) Prof. Dr. Toshiyuki Yokoi (Nanospace Catalysis Research Unit, Institute of Science Tokyo) Dr. Yongjie Shen และ Assoc. Prof. Dr. Min Gao (Institute for Chemical Reaction Design and Discovery, Hokkaido University) นำเสนอแนวทางการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาฐานเหล็กที่เตรียมจากโครงข่ายโลหะ−สารอินทรีย์ (Metal–organic frameworks: MOFs) โดยเน้นการวิเคราะห์ผลของภาวะการบำบัดด้วยความร้อนต่อสมบัติทางเคมีกายภาพและสมรรถนะของตัวเร่งปฏิกิริยา เพื่อเสริมสร้างองค์ความรู้ในการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับการผลิตโอเลฟินเบา (Light olefins) ผ่านกระบวนการไฮโดรจิเนชันของคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 hydrogenation) ผลการวิจัยนี้จึงอาจเป็นอีกหนึ่งหมุดหมายสำคัญบนเส้นทางสู่เทคโนโลยีสีเขียวเพื่อรองรับอุตสาหกรรมปิโตรเคมีในยุค Net Zero
ผลงานวิจัยเรื่อง Enhancing CO2 hydrogenation to light olefins over Fe-Zr catalysts derived from MOF-808: Effect of thermal treatment conditions ตีพิมพ์ในวารสาร Environmental Technology & Innovation (Tier1 Journal, JCR IF = 6.7)
โอเลฟินเบาเป็นโมโนเมอร์พื้นฐานที่มีความสำคัญในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี แม้หลายประเทศทั่วโลกได้ริเริ่มนโยบายมุ่งสู่การปล่อยแก๊สเรือนกระจกสุทธิเป็นศูนย์ (Net Zero Emissions) ภายในปี 2050 การพึ่งพาน้ำมันดิบของภาคปิโตรเคมียังคงแข็งแกร่ง เนื่องจากความต้องการผลิตภัณฑ์ปิโตรเคมีที่เพิ่มขึ้น เทคโนโลยีหลักในปัจจุบันสำหรับการผลิตโอเลฟินเบาคือกระบวนการแตกด้วยไอน้ำของแนฟทา (Steam cracking of naphtha) อย่างไรก็ดี การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศที่ทวีความรุนแรง ส่งผลให้เกิดความจำเป็นเร่งด่วนในการพัฒนาแนวทางที่ยั่งยืนมากขึ้นเพื่อลดการพึ่งพาทรัพยากรจากปิโตรเลียม ไฮโดรจิเนชันของคาร์บอนไดออกไซด์เป็นโอเลฟินเบา เป็นหนึ่งในทางเลือกที่มีศักยภาพ เนื่องจากสามารถผลิตสารเคมีทดแทนจากแหล่งที่ไม่ใช่ฟอสซิล พร้อมทั้งช่วยลดระดับ CO2 ในชั้นบรรยากาศได้ในเวลาเดียวกัน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เตรียมจาก MOFs ได้รับความสนใจอย่างมากสำหรับปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันของ CO2 ด้วยสมบัติการกระจายตัวของโลหะที่ดีเยี่ยมแม้ใช้ปริมาณโลหะสูง ซึ่งยากจะบรรลุได้ด้วยวิธีการเตรียมแบบดั้งเดิม แม้จะมีความก้าวหน้าในการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาฐานเหล็กจาก MOFs อย่างต่อเนื่อง แต่ผลของการบำบัดด้วยความร้อนต่อสมบัติทางเคมีกายภาพและสมรรถนะของตัวเร่งปฏิกิริยายังไม่ได้รับการศึกษาอย่างครอบคลุม
งานวิจัยนี้มุ่งศึกษาผลของกระบวนการบำบัดด้วยความร้อน โดยเปรียบเทียบระหว่างแคลซิเนชัน (Calcination) และไพโรไลซิส (Pyrolysis) ต่อสมบัติทางเคมีกายภาพและสมรรถนะของตัวเร่งปฏิกิริยาฐานเหล็กที่เตรียมจาก MOF-808 ที่มีการบรรจุเหล็กด้วยวิธีอิมเพรกเนชัน (Impregnation) ทั้งนี้ ได้ผสานผลการทดลองในระดับห้องปฏิบัติการเข้ากับการคำนวณเชิงทฤษฎีโดยวิธี Density Functional Theory (DFT) เพื่อเสริมสร้างความน่าเชื่อถือและความเข้าใจเชิงกลไกของผลที่ได้ โดยสามารถสรุปผลสำคัญของงานวิจัยนี้ได้ดังต่อไปนี้:
- อุณหภูมิการบำบัดมีอิทธิพลต่อองค์ประกอบเฟสของเหล็กบนผิวตัวเร่งอย่างมีนัยสำคัญ ส่งผลต่อพฤติกรรมการดูดซับ CO2 และ H2 ที่แตกต่างกัน ทั้งยังพบว่าการบำบัดด้วยแคลซิเนชันและไพโรไลซิส แม้จะใช้อุณหภูมิเดียวกัน ก็ให้ผลต่างกันอย่างชัดเจน
- อุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการบำบัดคือ 500 °C ซึ่งเอื้อต่อการก่อตัวของเฟสเหล็กที่สมดุล ช่วยเพิ่มการดูดซับทั้ง CO2 และ H2 อย่างเหมาะสม และส่งผลให้เกิดการเปลี่ยน CO2 เป็นไฮโดรคาร์บอน C2+ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
- ตัวเร่งที่เตรียมผ่านไพโรไลซิสให้สมรรถนะที่เหนือกว่าแคลซิเนชัน เนื่องจากการมีอยู่ของคาร์บอนส่งเสริมการก่อตัวของเฟสเหล็กคาร์ไบด์ และเพิ่มความหนาแน่นของตำแหน่งว่างออกซิเจน (Oxygen vacancy) ซึ่งช่วยเร่งการเปลี่ยน CO2 เป็นไฮโดรคาร์บอน และการดูดซับ CO2 ตามลำดับ
- การคำนวณด้วย DFT สนับสนุนผลการทดลอง โดยแสดงให้เห็นว่าการเติมคาร์บอนบนผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยเพิ่มโอกาสในการเกิดตำแหน่งว่างของออกซิเจน ซึ่งเอื้อต่อการดูดซับ CO2
- 1K-60%FeZr-500-P แสดงสมรรถนะสูงที่สุด โดยมีการเปลี่ยนของ CO2 48.6% และค่าการเลือกจำเพาะต่อโอเลฟินเบา 35.1% คิดเป็นผลได้โอเลฟินเบา 17.1% ซึ่งสูงกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาฐานเหล็กอื่น ๆ ที่มีรายงานในวรรณกรรม
อ่านรายละเอียดงานวิจัยนี้ได้ที่: doi.org/10.1016/j.eti.2025.104162
