Catalysis: พิมพ์เขียวสำหรับการเลิกรา

ก๊าซไฮโดรเจน (H2) เป็นตัวพาพลังงานในอุดมคติสำหรับเซลล์เชื้อเพลิง แต่การหาวิธีที่ยั่งยืนในการผลิตไฮโดรเจนปริมาณมากยังคงเป็นความท้าทายทางเทคโนโลยี Jia Zhang จาก A*STAR Institute of High Performance Computing และเพื่อนร่วมงานได้ใช้การคำนวณที่ซับซ้อนเพื่อเปิดเผยกลไกทางเคมีที่สำคัญซึ่งอาจทำให้การเปลี่ยนเอทานอลเหลวที่ปลอดภัยและนำกลับมาใช้ใหม่เป็นเชื้อเพลิงไฮโดรเจนได้ง่ายกว่าที่เคยเป็นมา ปัจจุบัน การรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำเป็นวิธีที่นิยมใช้ในการผลิตก๊าซไฮโดรเจนจากเอทานอล ในเทคนิคนี้ เอทานอลจะถูกฉีดเข้าไปในห้องร้อนที่เต็มไปด้วยไอน้ำซึ่งมีตัวเร่งปฏิกิริยา เช่น โรเดียม ตัวเร่งปฏิกิริยาส่งเสริมการแตกตัวของโมเลกุลเอทานอลเป็นโมเลกุลที่เล็กลง เช่น คาร์บอนมอนอกไซด์และ H2 แม้ว่านักเคมีจะประสบความสำเร็จเป็นอย่างดีในการใช้การปฏิรูปด้วยไอน้ำเพื่อ 'แตก' เอทานอล แต่พวกเขาก็ประสบปัญหาในการปรับปรุงประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาเนื่องจากปฏิกิริยาเคมีที่หลากหลายและซับซ้อนในระบบ จากข้อมูลของ Zhang ตัวเร่งปฏิกิริยาจำเป็นต้องเลือกการแตกพันธะคาร์บอน-คาร์บอนของเอทานอลที่ดูดซับพื้นผิวเพื่อให้สามารถปฏิรูปไอน้ำได้ ความพยายามในการทดลองเมื่อเร็วๆ นี้แสดงให้เห็นว่าพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาแบบ 'ขั้นบันได' ซึ่งเป็นข้อบกพร่องเล็กๆ คล้ายขั้นบันไดที่มีอยู่ในพื้นผิว โรเดียม ที่แบนราบตามปกติ จะทำงานผิดปกติในการแยกพันธะระหว่างคาร์บอน-ไฮโดรเจนและคาร์บอน-คาร์บอน อย่างไรก็ตาม ปัญหาอย่างหนึ่งคือกลไกที่แท้จริงของการสลายตัวของเอธานอลบนพื้นผิวขั้นบันไดนั้นยังไม่ชัดเจน ทีมวิจัยสามารถเอาชนะความท้าทายนี้ได้โดยใช้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์กำลังสูงเพื่อหาเส้นทางการสลายตัวของเอทานอลที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุดบนพื้นผิวโรเดียมแบบขั้นบันไดที่เรียกว่าโรเดียม (211) การคำนวณอย่างละเอียดถี่ถ้วนโดยใช้วิธีทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่น (DFT) เปิดเผยว่า มีสองวิธีในการแยกเอทานอลออกเป็น H2 และทั้งสองมีสายพันธุ์ระดับกลางร่วมกันด้วยสูตรทางเคมี CH3COH สิ่งสำคัญที่สุดคือ ทีมงานพบว่าสารตัวกลาง CH3COH นี้มีอยู่บนผิวสเต็ปโรเดียมเท่านั้น ในขณะที่ตัวเร่งปฏิกิริยาพื้นผิวเรียบทำให้เอธานอลแตกหักผ่านออกซาเมทัลลาไซเคิลขั้นกลาง ข้อบกพร่องประเภทขั้นพิเศษจะดูดซับแอลกอฮอล์เป็นพิเศษ และกระตุ้นวงจรการสลายตัวโดยกำจัดอะตอมไฮโดรเจนออกจากสารมัธยันตร์ตามลำดับ นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่าความไวต่อพื้นผิวของการปฏิรูปด้วยไอน้ำเอทานอลเป็นข้อค้นพบที่สำคัญเนื่องจากข้อบกพร่องในขั้นตอนนี้พบได้บ่อยมากในตัวเร่งปฏิกิริยาโรเดียมระดับนาโนที่ล้ำสมัย "การปฏิรูปด้วยไอน้ำเป็นกระบวนการทางเคมีที่ซับซ้อนมาก และการศึกษา DFT ในปัจจุบันของเราเกี่ยวกับกลไกการสลายตัวของเอทานอลเป็นเพียงส่วนเล็กของภูเขาน้ำแข็ง ปัจจัยหลายอย่าง เช่น อุณหภูมิ ความเข้มข้น อิทธิพลของสารตั้งต้น และผลกระทบของน้ำสามารถมีอิทธิพลต่อผลลัพธ์" Zhang กล่าว . "อย่างไรก็ตาม งานนี้เป็นขั้นตอนแรกที่สำคัญสำหรับการสร้างกฎทางทฤษฎีเพื่อเป็นแนวทางในการพัฒนาวัสดุตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ที่มีประสิทธิภาพสูง"