ดร.ณัฐภัทร เทียนสุวรรณ ดร.อติคุณ โชติรัตนโชต์ นายศุภธีร์ เชาวมาลี ดร.ธวัลรัตน์ กอบเกียรติถวิล และ ศ.ดร.ชวลิต งามจรัสศรีวิชัย นักวิจัยของ CBRC ร่วมกับ Prof. Dr. Toshiyuki Yokoi (Nanospace Catalysis Research Unit, Institute of Science Tokyo) ประสบความสำเร็จในการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยานาโนคอมพอสิตชนิดใหม่ สำหรับกระบวนการผลิตสารตั้งต้นในการผลิตพลาสติกชีวภาพจากสารเคมีตัวกลางที่ได้จากชีวมวล โดยปราศจากสารละลายเบส ส่งผลให้กระบวนการมีความปลอดภัยและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ถือเป็นอีกก้าวสำคัญของการพัฒนาเทคโนโลยีสีเขียวสำหรับอุตสาหกรรมพลาสติกชีวภาพในอนาคต
ผลงานวิจัยเรื่อง Multifunctional ruthenium/exfoliated layered metal oxide–graphene oxide nanocomposites for homogeneous base-free oxidation of 5-hydroxymethylfurfural ตีพิมพ์ในวารสาร Chemical Engineering Journal (Tier1 Journal, Top 2% Journal in Industrial and Manufacturing Engineering, JCR IF = 13.4)
Polyethylene furanoate (PEF) เป็นพลาสติกชีวภาพ (Bio-plastic) ที่ได้รับความสนใจอย่างแพร่หลาย และถูกมองเป็นพลาสติกชีวภาพแห่งอนาคต เนื่องจากการมีสมบัติเชิงกลและการย่อยสลายทางชีวภาพได้ดีกว่า Polyethylene terephthalate (PET) ซึ่งผลิตจากปิโตรเลียม ปัจจุบัน PET ถูกใช้ในผลิตภัณฑ์หลากหลาย เช่น ขวดน้ำ เส้นใย ฟิล์ม และภาชนะบรรจุอาหาร อย่างไรก็ตาม การใช้พลาสติกโดยเฉพาะพลาสติกแบบใช้ครั้งเดียว ได้ก่อให้เกิดปัญหาด้านสิ่งแวดล้อมอย่างมีนัยสำคัญ รวมถึงการปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่ส่งผลต่อภาวะโลกร้อน หนึ่งในองค์ประกอบหลักของการผลิต PEF คือ 2,5-Furandicarboxylic acid (FDCA) ซึ่งเป็นมอนอเมอร์ชีวภาพที่สามารถนำไปใช้ในการผลิตพอลิเมอร์ชีวภาพหลากหลายชนิด FDCA สามารถสังเคราะห์ได้จากกระบวนการออกซิเดชันของ 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) ซึ่งใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบวิวิธพันธุ์ ร่วมกับสารละลายเบสเพื่อส่งเสริมการเกิดปฏิกิริยา อย่างไรก็ตาม การใช้สารละลายเบสส่งผลให้กระบวนการผลิตมีความซับซ้อนมากขึ้น เช่น การเพิ่มขั้นตอนการทำให้ผลิตภัณฑ์บริสุทธิ์ การเกิดน้ำเสีย และปัญหาการกัดกร่อนของอุปกรณ์ ตัวเร่งปฏิกิริยานาโนคอมพอสิตจึงถูกพัฒนาขึ้นเพื่อปรับปรุงสภาพกรด-เบสให้เหมาะสม การกระจายตัวของโลหะกัมมันต์ที่ดี ความสามารถในกระตุ้นและเคลื่อนที่ของออกซิเจนแบบแอคทีฟ (Active oxygen species) รวมถึงเสถียรภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดีเยี่ยม ซึ่งจะช่วยให้กระบวนการออกซิเดชันของ HMF สามารถดำเนินไปได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยปราศจากการใช้สารละลายเบส
งานวิจัยนี้พัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยารูทีเนียม (Ru) บนตัวรองรับนาโนคอมพอสิต ซึ่งเป็นการผสานกันระหว่างเอกซ์โฟลิเอทเลเยอร์โลหะออกไซด์ (exfoliated layered metal oxide) กับคาร์บอนที่มีโครงสร้างแบบแกรฟีนออกไซด์เจือเฮเทอโรอะตอม เช่น ไนโตรเจนและซัลเฟอร์ โดยใช้แนวทางนวัตกรรมใหม่ที่พัฒนาขึ้นในการออกแบบวัสดุ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการการเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชัน โดยไม่ต้องใช้สารละลายเบส จุดเด่นของงานวิจัยนี้ คือ
- กระบวนการ Exfoliation และ Carbonization ช่วยเสริมการกระจายตัวของโลหะ Ru และมีบทบาทในการปรับเปลี่ยนชนิดของแอคทีฟไซต์ (active species) บนพื้นผิว
- ตัวเร่งปฏิกิริยานาโนคอมพอสิต Ru/RA2S-MOC แสดงประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาและผลผลิตของ FDCA สูงกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่เตรียมจากวัสดุเกรดการค้า มากกว่า 25 เท่า
- ตัวเร่งปฏิกิริยา Ru/EA2S-MOC ให้การเปลี่ยน HMF ได้อย่างสมบูรณ์ (>99%) และให้ผลได้ FDCA ถึง 99% และค่า TOF สูงถึง 9 ซึ่งสูงกว่างานวิจัยก่อนหน้าโดยรวมถึง 2 เท่า
- งานวิจัยยังได้เสนอการวิเคราะห์จลนศาสตร์ของปฏิกิริยาออกซิเดชัน ซึ่งช่วยระบุขั้นการกำหนดปฏิกิริยาและพลังงานกระตุ้น (activation energy) ซึ่งเป็นข้อมูลสำคัญสำหรับการพัฒนาในระดับอุตสาหกรรม
- ตัวเร่งปฏิกิริยานาโนคอมพอสิตแสดงเสถียรภาพและสามารถนำกลับมาใช้ซ้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ
- ผลงานวิจัยนี้สนับสนุนการพัฒนาสารเคมีชีวภาพ ซึ่งสอดคล้องกับนโยบาย BCG ของประเทศ และยังสนับสนุนการพัฒนาการผลิตและการบริโภคอย่างยั่งยืน (SDG 12) และพลังงานสะอาดที่เข้าถึงได้ (SDG 7)
อ่านรายละเอียดงานวิจัยนี้ได้ที่: doi.org/10.1016/j.cej.2025.161520
Limited time free-access (ก่อนวันที่ 15 พฤษภาคม 2568) : https://authors.elsevier.com/a/1kq8Y4x7R2n-Q-
