นักวิทยาศาสตร์เยอรมันพัฒนากระตุ้นแสงชนิดใหม่ CALiK เพิ่มประสิทธิภาพการผลิตไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ขึ้น 200%

นักวิทยาศาสตร์จากเยอรมนีได้พัฒนากระตุ้นแสงชนิดใหม่ CALiK โดยการปรับเรียงลำดับของอะตอมลิเธียมและโพแทสเซียมอย่างชาญฉลาด ทำให้ปริมาณไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เพิ่มขึ้น 200% การทดสอบในห้องปฏิบัติการแสดงให้เห็นว่าปริมาณไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ที่ผลิตได้จาก CALiK สูงกว่าวัสดุมาตรฐานถึงสามเท่า ซึ่งแสดงถึงการเพิ่มขึ้น 200% นอกจากนี้ ประสิทธิภาพของกระตุ้นนี้ยังสูงกว่ากระตุ้นลิเธียมแบบเดี่ยวที่ดีที่สุดประมาณ 40% แอนนา โล เพรสตี นักศึกษาปริญญาเอกจากสถาบันแม็กซ์ แพลงค์ชี้ให้เห็นว่าประสิทธิภาพของกระตุ้นนี้มาจากวิธีการเรียงลำดับของอะตอมลิเธียมและโพแทสเซียม

เธอเน้นย้ำว่าตำแหน่งของไอออนมีผลกระทบสำคัญต่อประสิทธิภาพการกระตุ้น เพรสตีเสริมว่า "เราได้พิสูจน์เป็นครั้งแรกว่าไม่เพียงแต่ประเภทหรือจำนวนของไอออนมีความสำคัญ แต่ตำแหน่งของมันในตาข่ายก็มีความสำคัญเช่นกัน"

ปัจจัยสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพของกระตุ้น

ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เป็นของเหลวที่ไม่มีสี ไม่มีรส และมีความหนืดเล็กน้อย ซึ่งถูกใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นสารฆ่าเชื้อ สารฟอกขาว และสารเคมีในอุตสาหกรรม กระบวนการผลิตมักพึ่งพาวิธีอันโธควิโนน (หรือที่เรียกว่า Riedl-Pfleiderer) ซึ่งเป็นกระบวนการที่ใช้พลังงานสูงและมีหลายขั้นตอนทางเคมี ในทางตรงกันข้าม การกระตุ้นแสงใช้แสงในการกระตุ้นปฏิกิริยาทางเคมีเพื่อผลิตไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ไนโตรเจนคาร์บอนสามารถดูดซับแสงและใช้พลังงานนั้นในการขับเคลื่อนปฏิกิริยาทางเคมี จึงกลายเป็นทางเลือกที่มีแนวโน้มสำหรับกระบวนการนี้ แอนนา โล เพรสตี และคริสเตียน มาร์ค เปลิกาโนจากสถาบันแม็กซ์ แพลงค์กำลังศึกษากระตุ้นแสง CALiK

ภาพ/ Neubauer.

กระบวนการผลิต CALiK

อย่างไรก็ตาม เมื่อไนโตรเจนคาร์บอนดูดซับแสงแล้วเกิดการสร้างประจุ จะเกิดการรวมตัวกันอย่างรวดเร็ว ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพการกระตุ้นลดลง เพื่อแก้ไขปัญหานี้ นักวิทยาศาสตร์ได้แนะนำลิเธียมและโพแทสเซียมลงในโครงสร้างไนโตรเจนคาร์บอน และควบคุมตำแหน่งของอะตอมเหล่านี้ พวกเขาสร้างการเรียงลำดับอะตอมเฉพาะเพื่อปรับปรุงการแยกประจุที่เกิดจากแสง คริสเตียน มาร์ค เปลิกาโน นักศึกษาปริญญาเอกจากสถาบันแม็กซ์ แพลงค์กล่าวว่า "เราไม่ได้พยายามเพิ่มประสิทธิภาพโดยการเปลี่ยนองค์ประกอบทางเคมีของกระตุ้นแสง แต่เราพยายามเปลี่ยนวิธีการเรียงลำดับของบล็อกการสร้างของมัน"

ในกระบวนการผลิตกระตุ้น ทีมวิจัยใช้ผลึกพิเศษที่มีสารประกอบคาร์บอนและไนโตรเจนรวมกับลิเธียมคลอไรด์เป็นวัสดุเริ่มต้น ซึ่งผลึกเหล่านี้มีองค์ประกอบที่เรียงตัวในโครงสร้างสามมิติอย่างเป็นระเบียบ จากนั้นพวกเขาใช้โพแทสเซียมคลอไรด์ในการให้ความร้อนผลึกเหล่านี้ เพื่อสร้าง CALiK เปลิกาโนเน้นย้ำว่าผลึกเหล่านี้ไม่ใช่การค้นพบใหม่ แต่การประยุกต์ใช้ในกระบวนการผลิตไนโตรเจนคาร์บอนนั้นเป็นสิ่งใหม่ เขาเสริมว่า "สิ่งที่เราสนใจคือองค์ประกอบทางเคมีที่พวกมันมีตรงกับสารตั้งต้นที่เราใช้โดยทั่วไป"

ทีมวิจัยได้เปรียบเทียบ CALiK กับไนโตรเจนคาร์บอนที่ผลิตแบบดั้งเดิมและกับเวอร์ชันลิเธียมเดี่ยวที่เรียกว่า CALi พวกเขารู้สึกประหลาดใจที่พบว่า CALiK ผลิตไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ได้มากกว่ากระตุ้นแบบดั้งเดิมถึงสามเท่า และมากกว่ากระตุ้นลิเธียมเดี่ยวที่ดีที่สุดถึง 40% การค้นพบเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าการจัดเรียงอะตอมอย่างแม่นยำมีความสำคัญพอๆ กับองค์ประกอบทางเคมีของกระตุ้น เปลิกาโนสรุปในข่าวประชาสัมพันธ์ว่า "ความแตกต่างที่สำคัญคือไอออนเหล่านี้ถูกจัดเรียงในลักษณะเฉพาะ เราอยากรู้ว่าการจัดเรียงนี้สามารถถ่ายโอนไปยังวัสดุไนโตรเจนคาร์บอนได้หรือไม่"

การศึกษานี้ได้ถูกตีพิมพ์ในวารสาร Advanced Materials

นวัตกรรมและแนวโน้มการใช้งานของกระตุ้นชนิดใหม่

การพัฒนาของ CALiK แสดงให้เห็นถึงความสำคัญของการจัดเรียงอะตอมในการออกแบบกระตุ้น ซึ่งการค้นพบนี้อาจนำไปสู่ทิศทางการวิจัยกระตุ้นในอนาคต การออกแบบกระตุ้นแบบดั้งเดิมมักมุ่งเน้นไปที่การเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบทางเคมี ในขณะที่ CALiK ใช้การปรับตำแหน่งอะตอมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ ซึ่งเปิดโอกาสใหม่สำหรับนวัตกรรมในกระตุ้น นอกจากนี้ การพัฒนาเทคโนโลยีกระตุ้นแสงช่วยลดการใช้พลังงานในการผลิตไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ซึ่งสอดคล้องกับความต้องการในการพัฒนาที่ยั่งยืน มีความสำคัญต่อสิ่งแวดล้อมและการใช้งานในอุตสาหกรรม