Carbon dioxide conversion via catalytic artificial photosynthesis under supercritical condition: novel pathway and mechanism elucidation

การสะสมของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจกเป็นปัจจัยหลักที่ทำให้เกิดสภาวะโลกร้อนและสภาวะวิกฤตทางสิ่งแวดล้อมทั่วโลก โดยได้มีการประเมินว่าการปลดปล่อยก๊าซ CO₂ ได้เพิ่มสูงขึ้นกว่า 1.4 เท่าในช่วงศตวรรษที่ผ่านจากการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลในรูปแบบต่างๆเช่นถ่านหิน น้ำมัน ก๊าซธรรมชาติ ในภาคขนส่ง และอุตสาหกรรมการผลิต รวมทั้งกิจกรรมต่างๆในชีวิตประจำวันของมนุษย์ ซึ่งส่งผลให้อุณหภูมิโดยเฉลี่ยทั่วโลกเพิ่มสูงขึ้นมากกว่า 1 องศาเซลเซียสหลังยุคปฏิวัติอุตสาหกรรมและมีแนวโน้มจะสูงขึ้นอย่างก้าวกระโดด และจะถึงจุดวิกฤตทางสิ่งแวดล้อมที่ไม่สามารถหวนกลับได้ภายในปี 2035 หากไม่มีการดำเนินการแก้ไขปัญหาอย่างจริงจังในระดับโลก การพัฒนาเทคโนโลยีการกักเก็บและใช้ประโยชน์จากก๊าซ CO₂ (CO₂ Capture and Utilization) จึงเป็นแนวทางหลักที่ได้รับความสนใจจากวงการวิทยาศาสตร์ทั่วโลก และจัดเป็นหนึ่งในโจทย์ที่ท้าทายที่สุดของมนุษยชาติในปัจจุบัน ที่ผ่านมาได้มีการพัฒนาเทคโนโลยี CCU โดยใช้กระบวนการต่างๆเช่นการใช้กระบวนการสังเคราะห์แสงของพืชหรือสาหร่าย การใช้เทคโนโลยีชีววิทยาสังเคราะห์ในการออกแบบเซลล์จุลินทรีย์ที่มีความสามารถในการเปลี่ยน CO₂ เป็นสารเคมี หรือกระบวนการทางเคมีในการเปลี่ยน CO₂ ให้อยู่ในรูปสารไฮโดรคาร์บอนโดยใช้ปฏิกิริยา Reverse Water-Gas-Shift (RWGS) หรือปฏิกิริยา Fischer-Tropsch (FTS) ซึ่งแต่ละกระบวนการยังคงมีข้อจำกัดในเชิงเทคนิคทั้งในเชิงประสิทธิภาพ พลังงาน และต้นทุน การค้นหาเทคโนโลยีทางเลือกใหม่สำหรับกระบวนการ CCU จึงมีความสำคัญอย่างมากและจัดเป็นงานวิจัยที่ต้องอาศัยองค์ความรู้ในระดับก้าวหน้า (frontier research) อย่างแท้จริง ในโครงการวิจัยที่ทำเสนอนี้คณะวิจัยจะได้ทำการศึกษากระบวนการเปลี่ยนก๊าซ CO₂ โดยปฏิกิริยา photocatalytic reduction และปฏิกิริยาเกี่ยวเนื่อง เป็นสารไฮโดรคาร์บอนโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงแสง (photocatalyst) ภายใต้สภาวะที่คาร์บอนไดออกไซด์อในสถานะวิกฤตยิ่งยวด (Supercritical CO₂: ScCO₂) ซึ่งเป็นรูปแบบที่เทียบเคียงได้กับกระบวนการสังเคราะห์แสงโดยพืช (Bio-inspired process) และเป็นกระบวนการใหม่ที่ยังไม่เคยมีรายงานมาก่อน โดยทำการศึกษาต่อยอดจากองค์ความรู้ที่ได้จากผลการวิจัยในห้องปฏิบัติการซึ่งพบว่าการเกิดสารอินทรีย์ขนาดใหญ่ (C4+) จากก๊าซ CO₂ โดยใช้กระบวนการเร่งปฏิกิริยาเชิงแสงที่ใช้ไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO₂) ในการเร่งปฏิกิริยาภายใต้สภาวะคาร์บอนไดออกไซด์ในสถานะวิกฤตยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง โดยในโครงการวิจัยนี้คณะวิจัยจะได้ทำการศึกษาเชิงลึกและพิสูจน์กลไกของกระบวนการเกิดปฏิกิริยาดังที่นำเสนอในรูปที่ 1 รวมถึงทำการศึกษาแนวทางในการเพิ่มประสิทธิภาพของปฏิกิริยาที่เกิดขี้น โดยวิธีการต่างๆเข่น การออกแบบและปรับเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยา และการหาสภาวะของกระบวนการที่เหมาะสม ซึ่งจะนำไปสู่การสร้างองค์ความรู้ใหม่ที่จะนำไปสู่การพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ที่เป็นทางเลือกในการตอบโจทย์การใช้ประโยชน์จากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในอนาคต