(English) ศ.ดร.ชวลิต งามจรัสศรีวิชัย นายณัฐภัทร เทียนสุวรรณ และ Dr. Sivashunmugam Sankaranayanan นักวิจัยของ CBRC ร่วมกับ Assoc. Prof. Dr. Toshiyuki Yokoi (Tokyo Institute of Technology ประเทศญี่ปุ่น) พัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาฐานรูทีเนียม (Ruthenium (Ru)-based catalysts) ชนิดใหม่ โดยใช้เอกซ์โฟลิเอทเลเยอร์ดับเบิลออกไซด์ (Exfoliated layered double oxide, Exfoliated LDO) เป็นตัวรองรับ เพื่อใช้ในการเปลี่ยน 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) ไปเป็นสารตั้งต้นในการผลิตพลาสติกชีวภาพผ่านปฏิกิริยาออกซิเดชัน (Oxidation) โดยปราศจากการใช้ละลายเบสที่มีฤทธิ์กัดกร่อนในกระบวนการ
ผลงานวิจัยเรื่อง Exfoliated Layered Metal Oxide-Supported Ruthenium Catalysts for Base-free Oxidation of 5-Hydroxymethylfurfural into a Renewable Bio-plastic Precursor ตีพิมพ์ในวารสาร ACS Sustainable Chemistry and Engineering (Tier1 Journal , JCR IF = 9.224)
พลาสติก (Plastics) เป็นวัสดุบรรจุภัณฑ์ (Packaging material) ที่มีการใช้งานอย่างแพร่หลาย เนื่องจากการมีคุณสมบัติที่ดีหลายประการ เช่น น้ำหนักเบา มีความคงตัว และสลายตัวได้ยาก อย่างไรก็ดีพลาสติกเหล่านี้มีต้นกำเนิดจากปิโตรเลียม (Petroleum sources) ซึ่งก่อให้เกิดปัญหาสภาวะโลกร้อน นอกจากนี้ พลาสติกที่ผ่านการใช้งานแบบครั้งเดียวจัดเป็นของเสียที่สร้างปัญหาอย่างมีนัยสำคัญในด้านการจัดการ ด้วยเหตุนี้ Polyethylene furanoate (PEF) ซึ่งเป็นพลาสติกชีวภาพ (Bio-plastic) จึงได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง เนื่องจากการมีสมบัติเชิงกลและการย่อยสลายทางชีวภาพที่ดีกว่า เมื่อเปรียบเทียบกับ Polyethylene terephthalate (PET) ที่ใช้ในการผลิตขวดน้ำ เส้นใย ฟิล์ม รวมถึงภาชนะบรรจุอาหารอื่นๆ ในปัจจุบัน
2,5-Furandicarboxylic acid (FDCA) เป็นมอนอเมอร์ชีวภาพ (Bio-monomer) ในการผลิต PEF และพอลิเมอร์ (Polymer) หลายชนิด FDCA สังเคราะห์ได้จากปฏิกิริยาออกซิเดชันของ HMF ที่เป็นสารเคมีมูลค่าสูงจากชีวมวล โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธุ์ (Heterogeneous catalysts) ร่วมกับสารละลายเบสในการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน ทั้งนี้การใช้สารละลายเบสทำให้เพิ่มขั้นตอนในการทำผลิตภัณฑ์ให้บริสุทธิ์ ก่อให้เกิดน้ำเสียและการกัดกร่อนอุปกรณ์ การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธุ์ที่มีสภาพกรด-เบสที่เหมาะสม มีการกระจายตัวของโลหะกัมมันต์ (Active metals) ที่ดี และมีออกซิเจนที่เคลื่อนย้ายได้อย่างคล่องตัวบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา จะสามารถส่งเสริมการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันของ HMF ได้อย่างสมบูรณ์โดยปราศจากการใช้สารละลายเบส LDO เป็นวัสดุที่ถูกใช้เป็นตัวรองรับในการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาหลายชนิด เนื่องจากมีวิธีการสังเคราะห์ที่ไม่ยุ่งยากและสามารถปรับแต่งสมบัติได้ง่าย อย่างไรก็ดี LDO มีเสถียรภาพต่ำในน้ำ และมีพื้นที่ผิวจำเพาะต่ำ ซึ่งส่งผลให้เกิดการรวมกลุ่มกันของโลหะกัมมันต์
งานวิจัยนี้ประยุกต์เทคนิคเอกซ์โฟลิเอชัน (Exfoliation) ในการดัดแปรสมบัติของ LDO เพื่อใช้เป็นตัวรองรับในการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาฐานรูทิเนียม (Ru/Exfoliated LDO) จากการศึกษาพบว่า ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เตรียมได้มีสมบัติทางพื้นผิว การกระจายตัวของรูทีเนียม สภาพเบส และการเคลื่อนย้ายของออกซิเจนบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาที่สูงขึ้น ซึ่งส่งผลให้สามารถเปลี่ยน HMF ไปเป็น FDCA ในภาวะที่ปราศจากสารละลายเบสได้สูงกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ LDO แบบดั้งเดิมถึง 6 เท่า นอกจากนี้การใช้กระบวนการ Carbonization สามารถสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยา Ru บนตัวรองรับนาโนคอมพอสิตของ Exfoliated LDO กับคาร์บอน (Exfoliated LDO/Carbon nanocomposite) ซึ่งสามารถเร่งการเกิดออกซิเดชันของ HMF ได้เกือบสมบูรณ์ (99.2%) และมีการเลือกจำเพาะ (Selectivity) ต่อ FDCA สูงถึง 98% รวมถึงสามารถนำกลับมาใช้ซ้ำอย่างต่อเนื่องได้ถึง 4 รอบ โดยไม่ต้องผ่านการฟื้นฟูสภาพพื้นผิว
อ่านงานวิจัยนี้ได้ที่ doi.org/10.1021/acssuschemeng.3c01008
