ต้นทุนต่ำของโคบอลต์ฟอสฟอไรด์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่สามารถปรับรูปแบบพื้นผิวได้เองในระหว่างการผลิตไฮโดรเจนจากน้ำเพื่อป้องกันความเสียหาย

นักวิจัยจาก Northeastern University ระบุว่า ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีต้นทุนต่ำชื่อว่า โคบอลต์ฟอสฟอไรด์ (CoP) จะปรับรูปแบบพื้นผิวของมันเองในระหว่างกระบวนการผลิตไฮโดรเจนจากน้ำ ซึ่งการเปลี่ยนแปลงนี้ดูเหมือนจะช่วยปกป้องมันจากความเสียหาย งานวิจัยนี้เผยแพร่เมื่อวันที่ 29 ตุลาคมในวารสาร American Chemical Society โดยมีศาสตราจารย์ Li Hao จากสถาบันวัสดุขั้นสูงของมหาวิทยาลัยเป็นผู้เขียนหลัก ในจำนวนผู้เขียน 12 คน Guo Zhongyuan เป็นผู้เขียนคนแรก ตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นวัสดุที่สามารถเร่งปฏิกิริยาเคมีโดยไม่ถูกใช้หมด น้ำจะถูกแยกออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนโดยใช้ไฟฟ้า ซึ่งส่วนที่ผลิตไฮโดรเจนต้องการตัวเร่งปฏิกิริยา

มหาวิทยาลัยได้อธิบายว่า CoP เป็นทางเลือกที่มีแนวโน้มและมีต้นทุนต่ำในการผลิตไฮโดรเจนจากน้ำเมื่อเปรียบเทียบกับแพลตตินัม โมเดลคอมพิวเตอร์คาดการณ์ว่า CoP จะไม่เสถียรในสภาวะการผลิตไฮโดรเจน แต่การทดลองในห้องปฏิบัติการแสดงให้เห็นว่ามันยังคงมีความกระตือรือร้นและความทนทานในน้ำที่มีความเป็นกรด เป็นกลาง และเบส

คุณสมบัติและข้อดีของตัวเร่งปฏิกิริยา CoP

งานวิจัยเสนอว่า พื้นผิวของ CoP จะเปลี่ยนแปลงในระหว่างกระบวนการอิเล็กโทรไลซ์ตามแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ เมื่อแรงดันไฟฟ้าต่ำ ไฮดรอกซิล (P-OH ซึ่งเป็นออกซิเจนและไฮโดรเจนที่เชื่อมโยงกัน) จะเกิดขึ้นที่จุดฟอสฟอรัส ช่วยกระตุ้นอะตอมโคบอลต์ใกล้เคียงให้ทำปฏิกิริยากับน้ำและรวมตัวกับไฮโดรเจน ในขณะที่ที่แรงดันไฟฟ้าสูง พื้นผิวของโคบอลต์และฟอสฟอรัสจะถูกเติมด้วยสารที่มีไฮโดรเจน (Co-H และ P-H) ทีมวิจัยชี้ให้เห็นว่าสิ่งนี้ช่วยในการปรับสมดุลความเข้มข้นของไฮโดรเจนในช่วง pH ที่กว้าง ทีมงานได้เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า "พลศาสตร์พื้นผิวในการทำงาน" ซึ่งหมายถึงการเปลี่ยนแปลงของพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาในขณะที่ทำงานแทนที่จะเป็นก่อนหน้านั้น

สารพื้นผิวเหล่านี้ดูเหมือนจะสร้างชั้นป้องกันขึ้นด้วย ตามข้อมูลที่เผยแพร่ ชั้นป้องกันนี้ช่วยลดการเกิดออกซิเดชันและป้องกันไม่ให้โคบอลต์และฟอสฟอรัสละลาย ซึ่งอธิบายได้ว่าทำไม CoP จึงสามารถอยู่รอดในสภาวะที่โมเดลคาดการณ์ว่าจะทำให้มันแตกสลาย

ทิศทางการวิจัยในอนาคตและความท้าทาย

นักวิจัยจาก Northeastern University ได้อธิบายกลยุทธ์การฟื้นฟูพื้นผิวแบบอิสระสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีต้นทุนต่ำในปี 2025 ทีมวิจัยได้วิเคราะห์ข้อมูลประมาณ 2,282 รายการจากตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีพื้นฐานจาก CoP จำนวนประมาณ 886 ชิ้น ซึ่งข้อมูลเหล่านี้มาจากเอกสารที่เผยแพร่ประมาณ 700 ฉบับ และใช้การขุดข้อมูลที่ช่วยด้วยปัญญาประดิษฐ์ การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ และการทดลองในห้องปฏิบัติการ จากนั้นพวกเขาได้ทำการทดสอบการคาดการณ์กับนาโนสเกล CoP ซึ่งเป็นแผ่นบางของวัสดุนี้ สเปกโทรสโกปีได้ยืนยันสารพื้นผิวที่คาดการณ์และการทดลองกับดีโตรนสนับสนุนการรวมตัวของไฮโดรเจนกับฟอสฟอรัส

ตัวเร่งปฏิกิริยานี้แสดงผลลัพธ์ที่แข็งแกร่งในทุก pH ทั้งสามค่า และต้องการแรงดันไฟฟ้าเพิ่มเติมที่ค่อนข้างน้อย แม้ว่าข้อมูลที่เผยแพร่จะไม่ได้ระบุหมายเลขเฉพาะ มันยังคงเสถียรที่ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้ามากกว่า 1 แอมแปร์ต่อเซนติเมตร (ประมาณ 6.5 แอมแปร์ต่อเซนติเมตร)

ผลลัพธ์ในปัจจุบันยังถือว่าเป็นเบื้องต้น ข้อมูลที่เผยแพร่ได้อธิบายกลไกนี้ว่าเป็นข้อเสนอ โดยรายงานการทดสอบเพียง 24 ชั่วโมง และไม่ได้ให้ข้อมูลเกี่ยวกับแรงดันไฟฟ้า ข้อมูลต้นทุน หรือแหล่งเงินทุน และไม่ได้ชี้แจงถึงประสิทธิภาพของ CoP ในการทำงานในระยะยาว ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ใช้โลหะมีค่าอีกตัวหนึ่งซึ่งเป็นโคบอลต์ออกไซด์ได้ทำงานที่กระแสไฟฟ้าสูงกว่า 100 ชั่วโมง ผู้เขียนเสนอว่าการค้นพบเหล่านี้อาจช่วยในการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีต้นทุนต่ำและหลากหลายมากขึ้นในการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว ซึ่งผลิตจากพลังงานไฟฟ้าทดแทน ในขณะเดียวกันนักออกแบบควรพิจารณาการเปลี่ยนแปลงของพื้นผิวภายใต้สภาวะการทำงานจริง

ผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นจากตัวเร่งปฏิกิริยาโคบอลต์ฟอสฟอไรด์

การวิจัยเกี่ยวกับตัวเร่งปฏิกิริยาโคบอลต์ฟอสฟอไรด์แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการผลิตไฮโดรเจน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านการลดต้นทุน เนื่องจากมันสามารถรักษาความเสถียรในสภาพแวดล้อมที่มี pH แตกต่างกัน ทำให้มันมีความเป็นไปได้มากขึ้นในการใช้งานจริง ปรากฏการณ์การปรับรูปแบบพื้นผิวที่กล่าวถึงในงานวิจัยสามารถป้องกันความเสียหายของตัวเร่งปฏิกิริยาได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทำงานในระยะยาว งานวิจัยในอนาคตจะต้องตรวจสอบประสิทธิภาพในระยะยาวและสำรวจวิธีการเปลี่ยนแปลงการค้นพบเหล่านี้ให้เป็นการใช้งานเชิงพาณิชย์ โดยเฉพาะในด้านการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว