อุปกรณ์อิเล็กโทรไลเซอร์นวัตกรรมใหม่ที่แปลง CO2 เป็นเชื้อเพลิงโพรเพนหมุนเวียนได้อย่างมีประสิทธิภาพ

 (scienceswitch.com)
2 คะแนน โดย GN⁺ 2023-08-23 | 1 ความคิดเห็น | แชร์ทาง WhatsApp
  • อุปกรณ์อิเล็กโทรไลเซอร์ที่แปลง CO2 เป็นโพรเพนได้โดยตรง ถูกพัฒนาขึ้นจากวัสดุราคาถูกและหาได้ง่าย ชี้ให้เห็นความเป็นไปได้ทั้งในการลดก๊าซเรือนกระจกและการผลิตสารเคมีหมุนเวียน
  • ผลิตโพรเพนซึ่งประกอบด้วยอะตอมคาร์บอน 3 อะตอมได้ด้วยระบบตัวเร่งปฏิกิริยาเฉพาะทางที่อาศัยโลหะราคาถูกและสารประกอบอินทรีย์
  • แก้โจทย์ที่ยากอย่างยิ่งของการเปลี่ยน CO2 ให้เป็นโมเลกุลคาร์บอนหลายอะตอมด้วยการทดลองและการสร้างแบบจำลองเชิงคำนวณ พร้อมระบุความไวปฏิกิริยาและความจำเพาะของตัวเร่งปฏิกิริยา
  • การออกแบบแบบcontinuous-flow ช่วยก้าวข้ามข้อจำกัดของระบบแบบแบตช์เดิม ทำให้ผลิตโพรเพนแบบต่อเนื่องและขยายขนาดได้
  • เป็นความก้าวหน้าในด้านการผลิตสารเคมีอย่างยั่งยืนที่สอดคล้องกับเป้าหมายnet zero ภายในปี 2050 และได้รับการสนับสนุนจากหน่วยงานรัฐรวมถึงบริษัทโพรเพนระดับโลก

ภาพรวมของอุปกรณ์อิเล็กโทรไลเซอร์

  • ทีมนักวิจัยจาก Illinois Institute of Technology(IIT) พัฒนาอุปกรณ์อิเล็กโทรไลเซอร์ที่เปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นโพรเพนได้อย่างมีประสิทธิภาพ
    • ใช้วัสดุราคาถูกและหาได้ง่าย
    • ผลงานวิจัยตีพิมพ์ใน Nature Energy
  • มอบศักยภาพอย่างมากในการลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกและการผลิตสารเคมีหมุนเวียน
  • Mohammad Asadi ผู้นำงานวิจัยกล่าวว่า "การผลิตสารเคมีหมุนเวียนมีความสำคัญอย่างยิ่ง และเป็นวิธีที่ดีที่สุดในการปิดวงจรคาร์บอนโดยไม่ต้องสูญเสียสารเคมีที่เราใช้กันอยู่ในชีวิตประจำวัน"

เทคโนโลยีหลัก — ระบบตัวเร่งปฏิกิริยา

  • ระบบตัวเร่งปฏิกิริยาเฉพาะทางที่ใช้โลหะราคาถูกและสารประกอบอินทรีย์คือหัวใจของนวัตกรรมนี้
    • โพรเพนเป็นเชื้อเพลิงที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและประกอบด้วยอะตอมคาร์บอน 3 อะตอม
    • ที่ผ่านมาการเปลี่ยน CO2 ให้เป็นโมเลกุลคาร์บอนหลายอะตอมที่ซับซ้อนอย่างโพรเพนเป็นความท้าทายที่ยากอย่างยิ่ง
  • ทีมวิจัยใช้ทั้งการทดลองและการสร้างแบบจำลองเชิงคำนวณเพื่ออธิบายหลักการที่ทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยามีความไวปฏิกิริยาสูงและมีความจำเพาะต่อโพรเพน
    • ระบุปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อประสิทธิภาพและเสถียรภาพของตัวเร่งปฏิกิริยา

ข้อดีของการออกแบบแบบ continuous-flow

  • การออกแบบอิเล็กโทรไลซิสแบบcontinuous-flow เป็นจุดแข็งสำคัญของเทคโนโลยีนี้
    • ทำให้สามารถผลิตโพรเพนได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่หยุดชะงักและขยายขนาดได้
    • เอาชนะข้อจำกัดของระบบเปลี่ยน CO2 แบบแบตช์(batch) ที่มีอยู่เดิม
  • การสร้างต้นแบบระดับห้องปฏิบัติการแสดงให้เห็นถึงความมุ่งมั่นในการพัฒนาโซลูชันพลังงานยั่งยืนที่สามารถทำได้จริงในเชิงพาณิชย์

ความสำคัญและความร่วมมือ

  • สอดคล้องกับความพยายามระดับชาติในการบรรลุการปล่อยก๊าซเรือนกระจกสุทธิเป็นศูนย์ภายในปี 2050
  • ได้รับคำชื่นชมและการสนับสนุนจากหน่วยงานภาครัฐ เช่น Advanced Research Projects Agency-Energy
  • ร่วมมือกับ SHV Energy บริษัทโพรเพนระดับโลก เพื่อผลักดันการเพิ่มประสิทธิภาพและการขยายการใช้งานเทคโนโลยี
    • Keith Simons จาก SHV Energy กล่าวว่า "นี่คือความก้าวหน้าที่น่าตื่นเต้น ซึ่งเปิดเส้นทาง e-fuel แบบใหม่สำหรับการผลิตโพรเพนเชิงเป้าหมายเพื่อผู้ใช้เชื้อเพลิงจำเป็นชนิดนี้ทั่วโลก"
  • เป็นความก้าวหน้าสำคัญสู่การผลิตสารเคมีอย่างยั่งยืนและหมุนเวียน ควบคู่ไปกับศักยภาพในการลดการปล่อยคาร์บอนจากภาคอุตสาหกรรม

บทความที่เกี่ยวข้อง

1 ความคิดเห็น

 
GN⁺ 2023-08-23
ความคิดเห็นจาก Hacker News

  • เนื้อหาทางวิทยาศาสตร์จริง ๆ อยู่ตรงนี้: “ระบบตัวเร่งปฏิกิริยา อนุภาคนาโน Mo3P ที่ถูกปรับฟังก์ชันด้วย 1-ethyl-3-methylimidazolium และเคลือบด้วยแอนไอออนเอ็กซ์เชนจ์ไอโอโนเมอร์ ผลิตโพรเพนจาก CO2 ในอิเล็กโทรไลเซอร์ที่ −0.8V เทียบกับขั้วไฟฟ้าไฮโดรเจนแบบผันกลับได้ โดยมีความหนาแน่นกระแส −395 mA cm−2 เป็นเวลา 100 ชั่วโมง และมีประสิทธิภาพฟาราเดย์ 91%”
    ดีจนแทบไม่น่าเชื่อ และแสดงให้เห็น อัตราปฏิกิริยา·ประสิทธิภาพ·ช่วงเวลา ที่มีความหมายเชิงพาณิชย์
    คงยื่นสิทธิบัตรไปแล้ว ดังนั้นเมื่อสิทธิบัตรหมดอายุในอีก 20 ปีข้างหน้า ผมคิดว่ามันจะกลายเป็นวิธีมาตรฐานในการจัดการ CO2 ที่ดักจับมาได้

    • สมมติฐานที่ว่า “เมื่อสิทธิบัตรหมดอายุในอีก 20 ปีข้างหน้า” จะจริงก็ต่อเมื่อเจ้าของสิทธิบัตรไม่พยายามเพิ่มผลตอบแทนจากการลงทุนให้สูงสุดตลอด 20 ปีนั้น
      ถ้าเทคโนโลยีมีประสิทธิผลถึงขนาดนั้นจริง และเจ้าของสิทธิบัตรมีเหตุผลทางเศรษฐกิจแม้เพียงเล็กน้อย ฝ่ายที่น่าจะผลักดันให้มันเป็นมาตรฐานในการจัดการ CO2 ที่ดักจับมาได้ตั้งนานก่อนสิทธิบัตรหมดอายุ ก็น่าจะเป็น เจ้าของสิทธิบัตร เอง
      ระบบสิทธิบัตรไม่ได้มีแต่ข้อดี แต่ในภาพนี้มันเป็นปัจจัยใหญ่เกินกว่าจะมองข้าม
    • ในสาขานี้มีสิทธิบัตรอยู่แล้วหนึ่งฉบับ: “Methods and devices using tri-transition metal phosphides for efficient electrocatalytic reactions” https://patents.google.com/patent/US20220154354A1/en
      บทคัดย่อเกี่ยวกับวิธีและอุปกรณ์ที่นำ ตัวเร่งปฏิกิริยาไตรทรานซิชันเมทัลฟอสไฟด์ มาใช้ในขั้วไฟฟ้าของเซลล์แปลงพลังงานแบบอิเล็กโทรแคทาไลติกเพื่อผลิตก๊าซไฮโดรเจน
      Google Patents เขียนว่า “M03P” แต่บทคัดย่อใน PDF เขียนว่า “MO3P” และจากเนื้อหาแล้วชัดเจนว่าเป็น “Mo3P”
      แม้สิทธิบัตรนี้จะไม่ใช่เทคโนโลยีเดียวกับครั้งนี้ตรง ๆ แต่ในภาพประกอบเสริม 20 แสดงให้เห็นว่าตัวเร่งปฏิกิริยา ImF-Mo3P ดีขึ้นกว่า “pristine Mo3P nanoparticles” และผู้เขียนก็มีสิทธิบัตรที่เกี่ยวข้องหลายฉบับ จึงมีความเป็นไปได้สูงว่าเทคโนโลยีครั้งนี้ก็ถูกยื่นสิทธิบัตรแล้วเช่นกัน
    • แม้จะพูดว่า CO2 ที่ดักจับมาได้ ก็หมายถึงกรณีที่เป็น CO2 ที่ดักจับจากอากาศ
      ทุกวันนี้ CO2 เข้มข้นเกือบทั้งหมดมาจากการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล และถ้าเอามันไปแปลงเป็นโพรเพนแล้วเผาในเรือหรือหม้อไอน้ำตามบ้าน ก็เท่ากับใช้คาร์บอนสองครั้งก็จริง แต่สุดท้ายก็ปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศอยู่ดี
      ประเด็นสำคัญคือประสิทธิภาพรวมของการดักจับคาร์บอนจากอากาศ + การผลิตโพรเพนด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา + การเผาไหม้โพรเพน
      ในกระบวนการที่จำเป็นต้องใช้ความร้อนจากการเผาไหม้จริง ๆ หรือในกรณีที่ความพกพาได้ของโพรเพนเป็นข้อได้เปรียบมากกว่าไฟฟ้า ตัวเลขอาจคุ้มก็ได้ และมันอาจเป็นสื่อกลางกักเก็บพลังงานไฟฟ้าระหว่างพลังงานหมุนเวียนได้ด้วย
      สุดท้ายขึ้นอยู่กับตัวเลข
    • ประเด็นที่ยังเหลือคือ ความทนทานของตัวเร่งปฏิกิริยา
    • ใครช่วยอธิบายตัวเลขเหล่านี้ให้คนทั่วไปเข้าใจได้ไหม?
      เช่น ถ้ารถของผมเผา LPG มูลค่า 100kWh ผมจะกู้คืนโพรเพนจากไอเสียได้กี่ kWh และต้องใส่ไฟฟ้าเข้าไปกี่ kWh

  • ยังไม่ชัดเจนว่าวิธีนี้ใช้ได้แค่มี CO2 อยู่เล็กน้อยก็พอ หรือจำเป็นต้องมี บรรยากาศ CO2 เข้มข้น ที่ไม่มี O2
    การสกัด CO2 0.4% ในอากาศมีราคาแพง
    ถ้าจะใช้ CO2 เข้มข้นจากแหล่งอย่างเตาหลอม ก็ยังมีปัญหาว่าต้องใช้ ณ หน้างานทันทีหรือไม่ ต้องส่งผ่านท่อระยะไกลหรือไม่ หรือต้องบรรจุถังหรือไม่
    ผมยังสงสัยด้วยว่ามีการใช้งานแบบไหนที่ไม่สามารถทดแทนด้วยไฟฟ้าได้จนจำเป็นต้องเผาโพรเพนจริง ๆ หรือไม่

    • สิ่งนี้น่าจะเข้าไปใช้ได้กับแทบทุกที่ที่ตอนนี้วางแผนจะใช้ไฮโดรเจน และยังน่าจะมีข้อดีคือ ความจุในการกักเก็บสูงกว่า
      ในยุโรปมีสถานีกักเก็บก๊าซธรรมชาติขนาดมหึมาไว้ซื้อก๊าซในฤดูร้อนแล้วใช้ทำความร้อนในฤดูหนาว
      เราน่าจะต้องมีวิธีกักเก็บแบบคล้ายกันที่ใช้พลังงานหมุนเวียนได้ และถ้าสามารถเติมคลังเหล่านั้นด้วย โพรเพนสีเขียว ได้ก็คงยอดเยี่ยมมาก
      โครงสร้างพื้นฐานด้านการทำความร้อนที่มีอยู่จะยังใช้ต่อได้ และยังใช้ประโยชน์จากการผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ส่วนเกินในฤดูร้อนได้อย่างดี
      พูดตรง ๆ คือดีเกินกว่าจะเชื่อได้
    • มี เช่น เรือ
      การเดินเรือขนาดใหญ่ข้ามมหาสมุทรตลอดเส้นทางด้วยแบตเตอรี่แทบเป็นไปไม่ได้ แต่ด้วย LPG ซึ่งโดยแท้จริงแล้วเป็นส่วนผสมของโพรเพน/บิวเทน สามารถทำได้
      หากมีการพัฒนาเคมีหรือเทคโนโลยีชีวภาพเพิ่มเติมเพื่อรวมเป็นไฮโดรคาร์บอนที่ใหญ่ขึ้น ก็อาจใช้เป็นสารตั้งต้นของเชื้อเพลิงสังเคราะห์สำหรับการบินได้ด้วย
    • ในระยะสั้น คำว่า “จำเป็นต้อง” ไม่ใช่ประเด็นหลัก
      ตอนนี้มีสิ่งที่ใช้โพรเพนอยู่มากมาย และการส่ง โพรเพนหมุนเวียน ไปให้ใช้นั้นง่ายกว่าการดัดแปลงทั้งหมดให้เป็นไฟฟ้ามาก
    • จะ “จำเป็นต้อง” หรือไม่เป็นเรื่องถกเถียงได้ แต่ฮีตเตอร์ลานบ้านแบบโพรเพนทั่วไปที่นี่ในเนเธอร์แลนด์ขึ้นไปได้ถึง 13,000W
      ถ้าทำเป็นไฟฟ้า จะต้องใช้การเชื่อมต่อ 13k/220 = 60A ซึ่งเป็น 3 เท่าของมาตรฐานสายไฟในบ้านที่นี่
    • ความเข้มข้น CO2 ในอากาศไม่ใช่ 0.4% แต่เป็น 0.04%
      และก็ถูกแล้วที่มันต่ำเกินไปสำหรับใช้เป็นแหล่งป้อนของกระบวนการนี้

  • แล้วสิ่งที่ Stanford เคยประกาศในปี 2019 ซึ่งดูคล้ายกันล่ะเป็นอย่างไรบ้าง? https://news.stanford.edu/2019/10/17/new-catalyst-helps-turn-carbon-dioxide-fuel/

    • https://en.m.wikipedia.org/wiki/Abundance_of_elements_in_Earth%27s_crust
      รูทีเนียมและอิริเดียมเป็นที่รู้จักว่าเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่เสถียร แต่ก็จัดอยู่ในกลุ่มธาตุที่หายากที่สุด
      โครงสร้างฝั่ง Stanford ใช้ Ru ส่วนงานวิจัยครั้งนี้ดูเหมือนจะเสนอเฉพาะ วัสดุที่มีอยู่มาก
      หากใช้งานได้ในระดับใหญ่และพิสูจน์ความเสถียรได้ ก็ถือเป็นความก้าวหน้าสำคัญ

  • สงสัยว่าเมมเบรน/ตัวเร่งปฏิกิริยาชุดเดียวกันจะใช้กับกระบวนการย้อนกลับได้หรือไม่
    กล่าวคือ ออกซิไดซ์โพรเพนด้วยออกซิเจนในอากาศเพื่อปล่อยน้ำและ CO2 ออกมา แล้วผลิตไฟฟ้าโดยตรงแทนความร้อน ซึ่งจะลดการสูญเสียได้อย่างมาก
    ถ้าเป็นไปได้ ก็อาจมีความหมายมากต่อ การกักเก็บพลังงาน
    ความหนาแน่นพลังงานของโพรเพนอยู่ที่ 49.6 MJ/kg ส่วนแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนอยู่ราว 0.8 MJ/kg จึงต่างกันมากกว่า 50 เท่า

    • เซลล์เชื้อเพลิงโพรเพนมีอยู่มาระยะหนึ่งแล้ว: https://www.wattfuelcell.com/portable-power/watt-imperium/
    • ถ้าทำได้ สำหรับพื้นที่ตะวันตกเฉียงใต้ของสหรัฐฯ การใช้ชีวิตแบบออฟกริดก็น่าจะง่ายขึ้นแทบจะทันที
      ผลิตไฟฟ้าด้วยแผงโซลาร์ ใช้ระบบนี้ผลิตโพรเพนหรือไฟฟ้า แล้วตั้งถังโพรเพนขนาดใหญ่ที่มีขายทั่วไปไว้เผื่อวันที่มีเมฆมากหรือเป็นเวลาหลายสัปดาห์ก็พอ

  • ปฏิกิริยาในอิเล็กโทรไลเซอร์โดยทั่วไปเป็นแบบผันกลับได้
    ถ้าพวกเขาสามารถทำทิศทางย้อนกลับ คือ น้ำ+โพรเพน → CO2+ไฮโดรเจน+ไฟฟ้า ด้วยประสิทธิภาพ 91% ตามที่อ้างได้ ก็อาจแทนที่ เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันก๊าซ ทั้งหมด ซึ่งโดยปกติมีประสิทธิภาพสูงสุดราว 60%

    • กังหันก๊าซเป็นเทคโนโลยีที่พิสูจน์แล้วว่าขยายสเกลได้ดีกว่าเซลล์เชื้อเพลิงมาก มีความหนาแน่นกำลังสูง ทนทาน และผลิตได้โดยไม่ต้องใช้วัสดุหายากเกินไป
      ถ้าแก้ปัญหาแค่การแปลงผลผลิตจากพลังงานหมุนเวียนที่ไม่สม่ำเสมอให้เป็นโพรเพนเพื่อกักเก็บได้ ก็ถือว่าชนะแล้ว
    • ถ้าเป็นอิเล็กโทรไลเซอร์แบบย้อนกลับ แบบนั้นไม่ได้เรียกว่า เซลล์เชื้อเพลิง หรอกหรือ?
      ประสิทธิภาพโดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณเท่าไร?
    • สมการเคมีควรเป็นแบบนี้ไม่ใช่หรือ: 4 H2O + 3 CO2 <=> C3H8 + 5 O2

  • บทความวิชาการจริง: https://www.nature.com/articles/s41560-023-01314-8

  • สื่อท้องถิ่นแถวนี้คงเล่นข่าวนี้ใหญ่แน่
    เพราะรถยนต์นั่งรอบๆ มากกว่า 13% เป็น รถเชื้อเพลิงคู่ ที่ใช้ทั้งน้ำมันเบนซินและ LPG ซึ่งโดยแท้จริงแล้วส่วนใหญ่คือโพรเพน และแม้แต่รถไฮบริดก็ใส่ LPG ด้วย
    ถึงอย่างนั้นก็ยังน่าขำที่มีสถานที่ไม่มากนักที่อนุญาตให้รถเหล่านี้เข้าลานจอดรถใต้ดิน
    ดูจากค่าไฟแล้ว ไม่น่ามีโอกาสถูกกว่าเชื้อเพลิงฟอสซิล จึงคงไม่ถูกนำมาใช้กับรถยนต์อย่างรวดเร็วนัก

  • อ้างอิงเพิ่มเติม มีสตาร์ทอัพชื่อ Terraform Industries ที่ทำการแปลง CO2 → มีเทน
    https://terraformindustries.com/
    ได้ลองถามผู้ร่วมก่อตั้งว่าคิดอย่างไรกับเรื่องนี้
    https://twitter.com/ccorcos/status/1694021803654693342

    • เพิ่มอีกบริษัทหนึ่งในสาขานี้ได้: https://www.prometheusfuels.com/news/dude-wheres-my-fuel
      สงสัยว่าเมื่อเทียบกันแล้วแตกต่างกันอย่างไร

  • บอกว่าเป็น “อนุภาคนาโน Mo3P ที่ฟังก์ชันนัลไลซ์ด้วย 1-ethyl-3-methylimidazolium และเคลือบด้วยไอโอโนเมอร์แลกเปลี่ยนแอนไอออน” แล้ววัสดุเหล่านี้จะ ผลิตในสเกลใหญ่ ได้ยากและแพงแค่ไหน?
    โมลิบดีนัมไม่ได้หายากหรือแพงเท่าแพลทินัม นั่นจึงเป็นข้อดีอย่างชัดเจน

    • 1-ethyl-3-methylimidazolium เป็นโมเลกุลที่ค่อนข้างเรียบง่าย และมีใช้อยู่แล้วในอุตสาหกรรม