นักเคมีจากมหาวิทยาลัย Ruhr-University Bochum มีความมั่นใจที่จะสร้างเซลล์เชื้อเพลิงที่มีราคาที่ไม่แพงเกินไปและยังสามารถทำหน้าที่เป็นแบตเตอรีแบบ metal-air ที่สามารถประจุไฟฟ้าใหม่ได้

(แบตเตอรี metal-air เป็นเซลล์ไฟฟ้าเคมีแบบหนึ่ง ที่ใช้โลหะบริสุทธิ์เป็นขั้วลบและใช้อากาศภายนอกที่อุณหภูมิห้องเป็นขั้วบวก ซึ่งโดยทั่วไปจะมีสารละลายอิเล็กโทรไลท์อยู่ภายใน)

พวกเขาได้พัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาตัวใหม่ที่ประดิษฐ์ขึ้นจากคาร์บอนเป็นองค์ประกอบหลัก มันสามารถรวมปฏิกิริยาที่ตรงข้ามกันเข้าไว้ด้วยกัน เพื่อการใช้งานที่สะดวกยิ่งขึ้น สองปฏิกิริยาที่ว่านี้คือปฏิกิริยาการแยกน้ำด้วยกระแสไฟฟ้าหรืออิเล็กโทรไลซิสและการสันดาปของไฮโดรเจนด้วยออกซิเจน ตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทนี้อาจใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงสำหรับการผลิตพลังงานจากลมและแสงอาทิตย์ รวมไปถึงการผลิตแบตเตอรีที่มีราคาถูกลงได้ ยกตัวอย่างเช่น การนำไปใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า คณะวิจัยได้ตีพิมพ์เผยแพร่ผลงานในหัวข้อ International Edition ของวารสาร Angewandte Chemie

การสลับจากปฏิกิริยาที่อาศัยการแยกด้วยกระแสไฟฟ้าไปสู่การสันดาป

            เมื่อเซลล์เชื้อเพลิงได้รับพลังงาน ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำงานได้สองหน้าที่จะสามารถแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน หรือปฏิกิริยาอิเล็กโทรไลซิส ซึ่งก่อให้เกิดการสะสมพลังงานในพันธะเคมีที่สุดท้ายแล้วจะกลายเป็นแก๊สไฮโดรเจน ตัวเร่งปฏิกิริยาเดียวกันนี้มีขั้วไฟฟ้าที่สามารถย้อนกลับไปเป็นเซลล์เชื้อเพลิงได้ เซลล์เชื้อเพลิงได้เกิดการสันดาปของไฮโดรเจนด้วยออกซิเจน ซึ่งจะได้น้ำและกระแสไฟฟ้าออกมาในเวลาเดียวกัน กระทั่งทุกวันนี้นักวิจัยได้ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มาจากโลหะชั้นสูง (เช่น เงิน ทองคำ แพลตินัม ออสเมียม โรห์เดียม รูธิเนียม เป็นต้น) มาใช้สำหรับสองหน้าที่นี้ อย่างไรก็ตาม ตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้มีข้อเสีย กล่าวคือ ตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้อาจจะดีต่อปฏิกิริยาอิเล็กโทรไลซิสหรืออาจะดีต่อการสันดาปอย่างใดอย่างหนึ่งเท่านั้น

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำมาจากคาร์บอน

            ตัวเร่งปฏิกิริยาจาก Bochum นั้นถูกสร้างมาจากอนุภาคนาโนของแมงกานีสออกไซด์หรือโคบอลต์ออกไซด์ ซึ่งถูกฝังลงในแผ่นคาร์บอนดัดแปลงพิเศษ โดยนักวิจัยได้นำเอาอะตอมไนโตรเจนใส่เข้าไปในตำแหน่งจำเพาะ คณะวิจัยนำโดย ศ. ดร. Wolfgang Schuhmann และ ศ.ดร. Martin Muhler จากภาควิชาเคมีและชีวเคมี มหาวิทยาลัย Ruhr-University Bochum พวกเขาได้วิเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยาโดยอาศัยวิธีการวิเคราะห์ทางไฟฟ้าเคมีและสเปกตรัม และได้ทำการศึกษาสมบัติที่จำเป็นสำหรับการพิสูจน์ว่าตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถทำงานได้ทั้งสองหน้าที่

จากวิธีการง่ายๆ ไปสู่การผลิตในระดับอุตสาหกรรม

            นักวิจัยจาก Bochum ได้เคยตีพิมพ์งานวิจัยที่นำเสนออีกหนึ่งหนทางในการผลิตตัวเร่งปฏิกิริยาจากคาร์บอน ที่สามารถทำงานได้ทั้งสองหน้าที่ ซึ่งถูกตีพิมพ์ในวารสาร Journal of the American Chemical Society

            ล่าสุดนี้ พวกเขาได้เฉือนแท่งคาร์บอนในระดับนาโนเมตรด้วยการใช้พลังงานความร้อนและออกซิเจน ทำให้อนุภาคของตัวเร่งปฏิกิริยาถูกฝังลงไปให้อยู่ในสภาพที่พร้อมใช้งานได้ ดร. Martin Muhler ได้กล่าวว่า "วิธีการนี้เราสามารถสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาได้ง่ายมากๆ และเมื่อเปรียบเทียบกับตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำมาจากโลหะชั้นสูง เราพบว่าตัวเร่งปฏิกิริยาตัวใหม่นี้ ช่วยลดต้นทุนการผลิตในระดับอุตสาหกรรมได้อย่างมีประสิทธิภาพอีกด้วย"


ที่มา: http://www.sciencedaily.com/releases/2014/07/140709105014.htm

เอกสารอ้างอิง
1. Justus Masa, Wei Xia, Ilya Sinev, Anqi Zhao, Zhenyu Sun, Stefanie Grützke, Philipp Weide, Martin Muhler, Wolfgang Schuhmann. MnxOy/NC and CoxOy/NC Nanoparticles Embedded in a Nitrogen-Doped Carbon Matrix for High-Performance Bifunctional Oxygen Electrodes. Angewandte Chemie International Edition, 2014; DOI: 10.1002/anie.201402710
2. Anqi Zhao, Justus Masa, Wei Xia, Artjom Maljusch, Marc-Georg Willinger, Guylhaine Clavel, Kunpeng Xie, Robert Schlögl, Wolfgang Schuhmann, Martin Muhler. Spinel Mn–Co Oxide in N-Doped Carbon Nanotubes as a Bifunctional Electrocatalyst Synthesized by Oxidative Cutting. Journal of the American Chemical Society, 2014; 136 (21): 7551 DOI: 10.1021/ja502532y