การผลิตไฮโดรเจนด้วยกระบวนการทางไฟฟ้าเคมีคืออะไร? แล้วตอนนี้พัฒนากันไปถึงไหนแล้ว? (Electrolytic Process for Hydrogen Production and Its Recent Advancements)
1. เกริ่นนำ
1.1 การผลิตไฮโดรเจน (Hydrogen Production)
แก๊สไฮโดรเจนเป็นแก๊สที่ประกอบไปด้วยธาตุไฮโดรเจนจำนวน 2 ตัว โดยแต่ละตัวมีโปรตอนและอิเล็กตรอนอยู่อย่างละตัว
โดยมันเป็นแก๊สที่เป็นตัวนำพาพลังงานที่โดดเด่นมาก ๆ โดยสามารถผลิตได้จากหลายแนวทาง ดังนี้ [1]
1)Thermochemical Process
เป็นกระบวนการที่ใช้ความร้อนต่อแหล่งพลังงานต่าง ๆ อาทิ แก๊สธรรมชาติ ถ่านหิน หรือชีวมวล ในการนำเอาแก๊สไฮโดรเจนออกมาจากโมเลกุลของแหล่งพลังงานเหล่านั้น ยกตัวอย่างเช่น
- Natural Gas Reforming (อีกชื่อหนึ่งคือ Steam Methane Reforming หรือย่อเป็น SMR)
- Biomass Gasification
- Biomass-derived Liquid Reforming
- Solar Thermochemical Hydrogen (STCH)
2)Direct Solar Water Splitting Process
เป็นการผลิตไฮโดรเจนที่ได้จากการแตกตัวโมเลกุลของน้ำออกมาเป็นแก๊สไฮโดรเจนและออกซิเจนด้วยพลังงานจากแสงแดด ตัวอย่างเช่น
- Photoelectrochemical (PEC)
- Photobiological
3)Biological Process
เป็นการใช้งานจุลชีวัน เช่น แบคทีเรีย ในการสร้างไฮโดรเจนออกมาด้วยปฏิกิริยาทางชีวภาพ เช่น
- Microbial Biomass Conversion
- Photobiological
4)Electrolytic Process
เป็นกระบวนการที่ใช้พลังงานไฟฟ้าในการแยกโมเลกุลของน้ำออกมาเป็นแก๊สไฮโดรเจนกับออกซิเจน โดย ณ ที่นี้จะมุ่งเน้นไปที่กระบวนการนี้ ซึ่งการผลิตไฮโดรเจนได้ด้วยอุปกรณ์อย่าง Electrolysis Cell หรือ Electrolyzer นั่นเอง
ผู้อ่านสามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับกระบวนการต่าง ๆ ที่ใช้ในการผลิตไฮโดรเจนได้ที่ลิ้งค์ด้านล่าง
1.2 Electrolysis Cell หรือ Electrolyzer คืออะไร?
อุปกรณ์ Electrolysis Cell หรือ Electrolyzer นี้จะประกอบไปด้วยขั้วอิเล็กโทรด (Electrode), แคโทด (Cathode) และแอโนด (Anode) ผู้อ่านดูถึงตรงนี้ก็จะรู้สึกว่าทำไมมันคล้ายกับอุปกรณ์ที่ใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าจากไฮโดรเจนอย่างเซลล์เชื้อเพลิง (Fuel Cell) ซึ่ง Electrolyzer นี้จะเป็นส่วนกลับของ Fuel Cell ก็ว่าได้
โดยกระบวนการ Electrolytic Process หรือที่เราคุ้นเคยกันในนาม Electrochemical Reaction หรือปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี ก็จะเกิดขึ้นภายใน Electrolyzer นี้เอง
ประเภทของ Electrolyzer สามารถแบ่งออกเป็น 3 ประเภทตามลักษณะการทำงาน ดังนี้ [2]
1)Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis Cell (PEMEC)
2)Alkaline Electrolyzer (AEL)
3)Solid Oxide Electrolysis Cell (SOEC)
โดย Electrolyzer แต่ละแบบจะทำงานภายใต้สภาวะที่แตกต่างกัน ไม่ว่าจะเป็นกลไลการทำงานที่มีการถ่ายโอนไอออนระหว่างขั้วต่าง ๆ อุณหภูมิ ความดัน สำหรับ PEMEC กับ AEL จะทำงานที่อุณหภูมิ 80 และ 220 องศาเซลเซียสโดยประมาณตามลำดับ ขณะที่ SOEC จะทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่านั้น ตั้งแต่ 600 องศาเซลเซียสขึ้นไป โดยสามารถดูตัวแปรต่าง ๆ ที่เกี่ยวดังตารางด้านล่าง
ผู้อ่านสามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับประเภทของ Electrolyzer ได้ที่ลิ้งค์ด้านล่าง
1.3 Hydrogen Evolution Reaction (HER) คืออะไร?
Hydrogen Evolution Reaction เป็นปฏิกิริยาที่มีหลายขั้น โดยจะเกิดขึ้นที่พื้นผิวของขั้วอิเล็กโทรดที่จะสร้างไฮโดรเจนในสถานะแก๊สออกมา สำหรับขั้นตอนแรกของ HER จะเรียกว่า Volmer หรือปฏิกิริยาคายประจุ ดังที่แสดงในภาพด้านล่าง แทนด้วยลูกศรสีน้ำเงิน ที่ที่อิเล็กตรอนจะถูกถ่ายเทไปยังขั้วอิเล็กโทรดควบคู่กับการเกิดการดูดซับโปรตอนบน Active site ของอิเล็กโทรดที่ว่างอยู่ ซึ่งจะก่อให้เกิดอะตอมของไฮโดรเจนที่ถูกดูดซับขึ้นมา
โดยมีแหล่งของโปรตอนในอิเล็กโตรไลท์แบบกรดหรืออัลคาไลน์จะเป็นไฮโดรเนียมไอออน (H3O+) และโมเลกุลของน้ำตามลำดับ และการคายประจุของน้ำภายในกรดนั้นไม่สามารถเกิดขึ้นได้ ต่อมาแก๊สไฮโดรเจนจะสามารถก่อตัวขึ้นได้ผ่านทางปฏิกิริยาที่เป็นไปได้สองรูปแบบ ดังนี้ [3]
1)Volmer-Heyrovsky Mechanism
โดยแบบแรกจะเป็นไปตามลูกศรสีม่วง เรียกว่า Heyrovsky mechanism หรือปฏิกิริยาระหว่างไอออนกับอะตอม ที่เป็นการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนตัวที่สองไปยังอะตอมของไฮโดรเจนที่ถูกดูดซับไว้ ซึ่งเกิดขึ้นควบคู่กับการถ่ายเทของโปรตอนอื่นจากสารละลายจนกลายเป็นแก๊สไฮโดรเจนขึ้นมา
2)Volmer-Tafel Mechanism
ในรูปแบบที่สองนั้น จะเป็นการรวมกันระหว่างอะตอมของไฮโดรเจนที่ถูกดูดซับสองตัวบนพื้นผิวของขั้วอิเล็กโทรด โดยจะเรียกว่า Tafel reaction หรือปฏิกิริยาการรวมตัว ดังที่แสดงด้วยลูกศรสีแดงดังภาพด้านล่าง ซึ่งจะกลายเป็นแก๊สไฮโดรเจนออกมาในท้ายที่สุด
1.4 Hybrid Water Splitting คืออะไร?
เมื่อไม่นานมานี้เอง แนวการทำระบบ Water splitting ที่มีประสิทธิภาพมากกว่านั้น คือระบบ Water splitting แบบผสม (Hybrid) ที่เพิ่งได้ถูกพัฒนาขึ้นมา ที่จะเป็นการใช้งานปฏิกิริยาออกซิเดชันเชิงไฟฟ้าเคมีของโมเลกุลของสารอินทรีย์ที่มีประสิทธิภาพทางอุณหพลศาสตร์มากกว่าเดิม แทนที่ปฏิกิริยา Oxidation Evolution Reaction (OER) ควบคู่กับการใช้งานปฏิกิริยา Hydrogen Evolution Reaction เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของระบบ Water electrolysis และการผลิตไฮโดรเจนให้มากขึ้นกว่าเดิม โดยแนวทางดังกล่าวนี้ยังช่วยหลักเลี่ยงการเกิดขึ้นมาใหม่ของแก๊สออกซิเจนแล้วยังช่วยในการผลิตสารเคมีที่มีมูลค่าสูง (High-value-added chemicals) ได้อีกด้วย กับมีความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าที่สูง ณ การใช้งานศักย์ไฟฟ้าที่ต่ำ ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพทางด้านการใช้พลังงานของเซลล์อีกด้วย [4]
โดยทั่วไปแล้ว ปฏิกิริยาออกซิเดชันของสารอินทรีย์เหล่านี้ จะประกอบไปด้วย ยูเรีย, ไฮดราซีน, แอลกอฮอล์, ไซโคลเฮกซาโนน, และลิกโนเซลลูโลสที่ได้ปฏิกิริยาออกซิเดชัน สารอินทรีย์เหล่านี้มักจะมี Oxidation potential สูงกว่า Oxidation evolution reaction ซึ่งมันจะช่วยให้ได้ระบบ Water electrolysis ที่มีการบริโภคพลังงานที่ต่ำเป็นอย่างมาก ทั้งยังสามารถให้สารเคมีที่มีมูลค่าสูงออกมาที่ขั้วแอโนดอีกด้วยไปพร้อม ๆ กัน [5]
2. ความก้าวหน้าในการวิจัยและพัฒนา Hybrid Water Splitting
ในงานวิจัย Recent advances in hybrid water electrolysis for energy-saving hydrogen production ของคุณ Li และคณะ [7] ได้ทำการรวบรวมเทคโนโลยี Hybrid Water splitting ในรูปแบบ Organics electrocatalytic oxidation coupling HER ที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาอย่าง Hydrogen Evolution Reaction (HER) ที่ขั้ว Cathode ดังนี้
2.1 Urea electrocatalytic oxidation coupling HER
Urea เป็นสารเคมีชนิดหนึ่งที่มีจุดเด่นที่มีราคาถูก ไม่ติดไฟ และไม่เป็นพิษ ที่เอื้อต่อการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันเชิงไฟฟ้าเคมี โดยภายใต้สภาวะมาตรฐานนั้น Electrolysis ของ Urea จะแสดงให้เห็นถึงศักย์ไฟฟ้าทางอุณหพลศาสตร์ที่ต่ำมากเพียง 0.37V เท่านั้น เมื่อเทียบกับ Water splitting ที่ 1.23V ดังนั้น ปฏิกิริยาดังกล่าวของ Urea ที่ควบคู่กับ Hydrogen evolution reaction ที่สามารถผลิตไฮโดรเจน ลดศักย์ไฟฟ้าที่ต้องการใช้งาน รวมทั้งเพิ่มประสิทธิภาพทางพลังงานให้ Water splitting ด้วย
สำหรับความก้าวหน้าในงานวิจัยเกี่ยวกับ Hybrid water splitting ชนิดนี้ เมื่อปี 2016 ที่ผ่านมา คุณ Qiao และคณะ [8] ได้ทดสอบ Urea electrolyzer แบบ Monolithic พบว่ามีความโดดเด่นด้าน Electrocatalytic activity และการผลิตไฮโดรเจน โดยระบบนี้จะใช้งานขั้วอิเล็กโทรดชนิด NF-G-Mn/CoPx-NF ใน Electrolyzer มีการใช้งานศักย์ไฟฟ้าที่ 1.41V เพื่อที่จะให้ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าที่ 10mA ต่อตารางเซนติเมตร
นอกจากยังมีการทดลองของคุณ Kang และคณะ [9] ที่ได้ใช้งานระบบผสม Urea electrocatalyst อันประกอบไปด้วยการเจือร่วมระหว่าง P กับ N บนอนุภาคนาโนของ Cobalt(III) Phosphide (CoP) ที่เคลือบด้วย Carbon เพื่อทำการห่อหุ้มอนุภาคดังกล่าวไว้ (CoP@PNC) ที่จะปักไว้บนการเจือ P บนเส้นไยไม้ที่ถูกทำให้กลายเป็น Carbon (PCWF) อีกที โดยทั้งสองขั้วถูกใช้สำหรับปฏิกิริยาออกซิเดชันของยูเรีย (Urea Oxidation Reaciton: UOR)
ดังที่เห็นได้จากภาพด้านล่าง โดยภาพ a กับ b ซึ่งเป็นแผนภาพ Linear Sweep Voltammetry (LSV) ได้แสดงให้เห็นถึงความโดดเด่นของเจ้า CoP@PNC/PCWF อาทิ ตังเร่งปฏิกิริยาต้องการศักย์ไฟฟ้าที่ต่ำเพียง 1.321V เพื่อที่จะให้ได้ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าที่ 50mA ต่อตารางเซนติเมตร เมื่อเทียบกับตัวเร่งปฏิกิริยาแบบ OER ที่ใช้งานศักย์ไฟฟ้าที่ 1.578V เพื่อที่จะให้ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่เท่ากัน และเมื่อนำไปเปรียบเทียบกับตัวเร่งปฏิกิริยา UOR ชนิดอื่น ๆ แล้ว มันก็แสดงให้เห็นว่ามีประสิทธิภาพที่โดดเด่นเอามาก ๆ ดังภาพ b และ c
2.2 Hydrazine electrocatalytic oxidation coupling HER
ไฮดราซีน เป็นสารเคมีที่มีอยู่อย่างล้นเหลือ และมักใช้งานในฐานะของเชื้อเพลิงจรวด โดยมันอาจออกซิได้ทางไฟฟ้าเคมีได้อีกด้วยที่ศักย์ไฟฟ้าต่ำมาก ๆ เพียง 0.38V ดังนั้นปฏิกิริยาออกซิเดชันของไฮดราซีนนี้สามารถที่จะลดศักย์ไฟฟ้าในการ Water splitting สำหรับการผลิตไฮโดรเจนได้อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งประหยัดพลังงานอีกด้วย
เร็ว ๆ นี้เอง ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบ Bifunctional ชนิดใหม่ได้ถูกพัฒนาขึ้นโดยคุณ Li และคณะ [10] ด้วยการใช้งานการเจือ P และ Tungsten ลงบนเส้นลวดนาโนที่ทำจาก Cobalt Nitride (Co3N) ที่อยู่บนฟิล์มนาโนอีกที (PW-Co3N NWA/NF) สำหรับปฏิกิริยาออกซิเดชันของไฮดราซีนและ HER โดยระบบดังกล่าวนี้ได้แสดงถึง Overall hydrazine splitting (OHzS) ที่โดดเด่น ซึ่งมันได้ผลิต Hydrogen ออกมาด้วยศักย์ไฟฟ้าเล็กน้อยเพียง 28mV เพื่อให้ได้ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่ 10mA ต่อตารางเซนติเมตรเท่านั้นดังรูป a
ทั้งยังสามารถรับความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าระดับ 200mA ต่อตารางเซนติเมตรด้วยศักย์ไฟฟ้าส่วนเกินที่ 607mV ซึ่งแสดงให้เห็นว่ามันประสิทธิภาพทางพลังงานเป็นอย่างมากดังภาพ b
นอกจากนี้แล้วมันยังรองรับความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าที่ 46.3mW ต่อตารางเซนติเมตร ณ ศักย์ไฟฟ้าที่ 0.429V ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสามารถในของระบบการผลิตไฮโดรเจนที่สามารถให้พลังงานแก่ตัวมันเองได้นั่นเอง ดังรูป d
2.3 Alcohols electrocatalytic oxidation coupling HER
แอลกอฮอล์ทั้งหลาย ไม่ว่าจะเป็น เมทานอล เอทานอล กลีเซอรอล และอื่น ๆ อีกมากมาย ต่างก็สามารถแปลงให้เป็นสารจำพวกอัลดีไฮด์หรือกรดคาร์บอซิลิกได้ผ่านปฏิกิริยาออกซิเดชันเชิงไฟฟ้าเคมีที่ขั้วแอโนด โดยเมื่อเทียบกับปฏิกิริยาออกซิเดชันเชิงไฟฟ้าเคมีของยูเรียหรือไฮดราซีนนั้น การใช้งานแอลกอฮอล์ที่เหมาะสมแบบนี้ควบคู่กับ HER จะเป็นทั้งการผลิตไฮโดรเจนและสารเคมีที่มีมูลค่าสูงออกมาพร้อม ๆ กันเลยทีเดียว ภายใต้การบริโภคพลังงานไฟฟ้าที่ต่ำ
โดยงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง คุณ Fu และคณะ [11] ได้ค้นพบว่าปฏิกิริยาออกเซเดชันเชิงไฟฟ้าและการเร่งปฏิกิริยาของเมทานอลด้วย Cobalt hydroxide บนตัวเร่งปฏิกิริยาแบบแผ่นนาโนที่ทำจาก Hydroxysulfide ใช้งานควบคู่กับ HER โดยตัวเร่งปฏิกิริยาดังกล่าวได้แสดงถึงการใช้งานศักย์ไฟฟ้าที่ 1.497V เพื่อให้ได้ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้า 10mA ต่อตารางเซนติเมตร พร้อมทั้งให้สารเคมีที่มีมูลค่าสูงจำพวก Formate ที่ขั้วแอโนดอีกด้วย
2.4 Lignocellulose derivatives electrocatalytic oxidation coupling HER
ลิกโนเซลลูโลส ได้รับการยอมรับว่าเป็นแหล่งทรัพยากรที่ยั่งยืนเนื่องด้วยมันสามารถหาได้ง่ายและยังมีข้อดีในการถูกนำมาใช้งานหมุนเวียนได้ด้วย โดยมันสามารถถูกแปลงไปเป็นเชื้อเพลิงและสารเคมีที่มีมูลค่าได้ผ่านเทคโนโลยีการกลั่นสารชีวมวล ดังนั้นการใช้งานลิกโนเซลลูโลสรวมทั้งสาร Intermediate อื่น ๆ ที่ได้มาจากพวกมันนี้ในฐานะฐานรองรับของขั้วแอโนดสำหรับปฏิกิริยาออกซิเดชันเชิงไฟฟ้าเคมีเพื่อแทนที่ OER เดิม ๆ ที่ล้าหลัง จะช่วยให้เพิ่มประสิทธิภาพของการอิเล็กโตรไลซิสของน้ำได้ และยังเป็นการพ่วงเอาการผลิตสารเคมีที่มีมูลค่าสูงและไฮโดรเจนที่ขั้วอิเล็กโทรดไปพร้อม ๆ กัน เพื่อเป็นการใช้งานพลังงานให้คุ้มค่าที่สุดนั่นเอง
สำหรับงานวิจัยทางด้านนี้ คุณ Fu และคณะ [12] ได้นำเสนอ Heterojunction ที่ทำจากโมลิบดินัมไดออกไซด์กับไอร์ออนฟอสไฟด์ที่เคลือบลงบน Carbon (MoO2-FeP@C) ซึ่งถูกใช้งานในฐานะตัวเร่งปฏิกิริยาทางไฟฟ้าในรูปแบบ Bifunctional สำหรับ HER และปฏิกิริยาออกซิเดชันทางไฟฟ้าของสารชีวมวล (Biomass Electrooxidation Reaction:BEOR) ซึ่งมันได้แสดงให้เห็นว่ามีการใช้งานศักย์ไฟฟ้าที่ 1.359V เพื่อให้ได้ความหนาแน่นกระแสที่ 10mA ต่อตารางเซนติเมต จุดนี้เองแสดงให้เห็นว่าปฏิกิริยาออกซิเดชันเชิงไฟฟ้าของ 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) บนตัวเร่งปฏิกิริยาดังกล่าวนั้นเหนือกว่า OER แบบเดิม ดังภาพ a
มากไปกว่านั้น หากนำมันไปใช้งานควบคู่กับ Electrolyzer เพื่อผลิตไฮโดรเจนด้วยนั้น มันใช้ศักย์ไฟฟ้าที่ต่ำเพียง 1.486V เพื่อให้ได้ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่ 10mA ต่อตารางเซนติเมตรเมื่อเทียบกับ Water splitting ที่ใช้น้ำเพียงอย่างเดียว ซึ่งนับว่าเป็นจุดเด่นในแง่ของการประหยัดพลังงานในการผลิตไฮโดรเจนด้วยนั่นเอง
3.สรุป
จากการสรุปของคณะวิจัย [13] ได้ให้ความเห็นไว้ว่าแนวทางเหล่านี้จะช่วยให้การผลิตไฮโดรเจนด้วยการใช้งานศักย์ไฟฟ้าที่ต่ำเป็นอย่างมาก และยังผลิตสารเคมีที่มีมูลค่าสูงออกที่ขั้วแอโนดได้อีกด้วย อย่างไรก็ดี ยังมีความท้าทายหลาย ๆ อย่างในการสร้างอุปกรณ์เหล่านี้เพื่อตอบสนองในระดับอุตสาหกรรมได้ที่การใช้งานพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ รวมทั้งอายุการใช้งานของตัวเร่งปฏิกิริยาในสภาวะที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันเชิงการเร่งปฏิกิริยาทางไฟฟ้าอันประกอบไปด้วยสารที่เป็นกรดและเบสอย่างเข้มข้น
นอกจากนี้แล้วสารผลิตภัณฑ์หรือสาร Intermediate ต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นมักจะถูกดูดซับบนตัวเร่งปฏิกิริยา เป็นผลให้ไปบดบัง Active site ของตัวเร่งปฏิกิริยาอีกด้วย รวมการแยกสารและการทำให้สารมีความบริสุทธิ์ต่อปฏิกิริยาเหล่านี้นั้นมีขั้นตอนที่ซับซ้อน
โดยคณะวิจัยได้เสนอแนวทางในการพัฒนาระบบ Hybrid water electrolysis เพื่อช่วยเพิ่มการผลิตไฮโดรเจนให้มีประสิทธิภาพมาขึ้น 4 หัวข้อ ดังนี้
1) การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูงที่ให้ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าระดับที่ใช้งานในอุตสาหกรรม ทั้งผ่านทาง HER และ EOR เนื่องจากปัจจุบันยังไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยาตัวไหนที่ให้ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าที่สูงและใช้งานศักย์ไฟฟ้าที่ต่ำ
2) แม้ว่าการใช้งานระบบผสมยูเรียและไฮดราซีนจะใช้ศักย์ไฟฟ้าที่ต่ำสำหรับตัว Electrolytic cell แต่วัตถุดิบสำหรับขั้วแอโนดของไฮดราซีนมีราคาแพงและเป็นพิษส่งผลต่อการนำไปใช้งานและเรื่องของความปลอดภัย นอกจากก็ให้สารอื่น ๆ ออกมาอย่างคาร์บอนไดออกไซด์และแก๊สไนโตร ซึ่งเป็นปัญหาต่อสิ่งแวดล้อมอีกด้วย ดังนั้นเมื่อเปรียบเทียบกับการใช้งานรูปผสมแอลกอฮอล์หรือลิกโนเซลลูโลสจึงเป็นแนวทางที่ดีกว่า ทั้งความหาง่ายของวัตถุดิบและประสิทธิภาพที่ดีต่อราคา
3) ในระหว่างการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันเชิงการเร่งปฏิกิริยาทางไฟฟ้า โครงสร้างและองค์ประกอบทางเคมีของพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาจะถูกเปลี่ยนรูปแบบไปบางส่วนหรือทั้งหมดเลย ทำให้ยากต่อการระบุตำแหน่งศูนย์กลางของ Active site ได้ ทำให้ไม่สามารถอธิบายกลไกการเกิดปฏิกิริยาได้ชัดเจน ดังนั้นปัญหานั้นสามารถบรรเทาได้ด้วยการศึกษาพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยเทคนิคการตรวจวัดลักษณะต่าง ๆ (Characterization techniques) อาทิ Transmission electron microscope (TEM), Raman spectrometer system, X-ray photon spectroscopy (XPS), Fourier transform ion-cyclotron resonance infrared spectroscopy (FTIR) และอื่น ๆ รวมไปถึง liquid chromatography ต่างก็จำเป็นต่อการสังเกตและศึกษากลไกลการเกิดปฏิกิริยาของทั้งสารตั้งต้นและสาร Intermediate ต่าง ๆ บน Active site ได้
4) แม้ว่าการใช้งานปฏิกิริยาออกซิเดชันของสารอินทรีย์ทดแทน OER แบบเดิม ๆ จะมีข้อดีมากมายท เช่นในแง่ของการผลิตไฮโดรเจนที่ใช้พลังงานประหยัดก็ตาม ก็ยังมีปัญหาด้านขนาดและความยั่งยืน สำหรับการผลิตไฮโดรเจนขนาดใหญ่ด้วย Hybrid water electrolysis นั้นจะถูกและใช้งานสารตั้งต้นเป็นสารอินทรีย์ที่มีความยั่งยืนให้เหมาะสมต่อขนาดของตลาดก็ยังเป็นปัญหาที่ต้องถกเถียงกันต่อไป นอกจากนี้แล้ว การที่ระบบดังกล่าวนี้สามารถผลิตสารเคมีที่มีมูลค่าสูงออกมา ต้องมีการใช้งานระบบแยกสารและทำให้สารบริสุทธิ์ด้วย รวมทั้งปัญหาอื่น ๆ ที่ต้องทำการศึกษาเชิงลึกกันอีกต่อไป
สำหรับความเห็นของผู้เขียนเอง มองว่าระบบ Hybrid water electrolysis ยังคงต้องใช้เวลาศึกษาในหลายมิติอีกมากกว่าจะถึงขั้นการใช้งานระดับอุตสาหกรรมได้ ที่ต้องอาศัยองค์ความรู้หลากหลายด้าน ทั้งด้านวัสดุศาสตร์ ตัวเร่งปฏิกิริยา ไฟฟ้าเคมี นาโนเทคโนโลยี วิศวกรรมเคมีและกระบวนการ อาจรวมไปถึงด้านเศรษฐศาสตร์อีกด้วย ซึ่งต้องอาศัยการร่วมมือจากผู้เชี่ยวชาญหลายแขนงที่จะช่วยผลักดันเทคโนโลยีนี้ให้ถึงจุดหมายได้ในอนาคตครับ
4.เอกสารอ้างอิง
[1] Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. Hydrogen Production Processes. retrieve from https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production-processes.
[2] Gallandat, Noris & Romanowicz, Krzysztof & Züttel, Andreas. (2017). An Analytical Model for the Electrolyser Performance Derived from Materials Parameters. Journal of Power and Energy Engineering. 05. 34–49. 10.4236/jpee.2017.510003.
[3] Karim Kakaei, Mehdi D. Esrafili, Ali Ehsani. (2019. Chapter 7 — Alcohol Oxidation and Hydrogen Evolution. Interface Science and Technology, Elsevier. Volume 27. Pages 253–301. ISSN 1573–4285. ISBN 9780128145234. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-814523-4.00007-1.
[4] [5] [7] [13] Di Li, Jibing Tu, Yingying Lu, Bing Zhang. (2023). Recent advances in hybrid water electrolysis for energy-saving hydrogen production. Green Chemical Engineering. Volume 4. Issue 1. Pages 17–29. ISSN 2666–9528. https://doi.org/10.1016/j.gce.2022.11.001.
[6] Zhijie Chen, Wei Wei, Lan Song, Bing-Jie Ni. (2022). Hybrid Water Electrolysis: A New Sustainable Avenue for Energy-Saving Hydrogen Production, Sustainable Horizons. Volume 1. 100002. ISSN 2772–7378. https://doi.org/10.1016/j.horiz.2021.100002.
[8] Chen, S., Duan, J., Vasileff, A., & Qiao, S. Z. (2016). Size Fractionation of Two-Dimensional Sub-Nanometer Thin Manganese Dioxide Crystals towards Superior Urea Electrocatalytic Conversion. Angewandte Chemie (International ed. in English), 55(11). 3804–3808. https://doi.org/10.1002/anie.201600387.
[9] Kang, Jingfei, Fan Yang, Can Sheng, Han Xu, Jiayi Wang, Yan Qing, Yiqiang Wu, and Xihong Lu. (2022). CoP Nanoparticle Confined in P, N Co-Doped Porous Carbon Anchored on P-Doped Carbonized Wood Fibers with Tailored Electronic Structure for Efficient Urea Electro-Oxidation. Small 18, no. 24. 2200950. https://doi.org/10.1002/smll.202200950.
[10] Li, Y., Zhang, J., Liu, Y., Qian, Q., Li, Z., Zhu, Y., & Zhang, G. (2020). Partially exposed RuP2 surface in hybrid structure endows its bifunctionality for hydrazine oxidation and hydrogen evolution catalysis. Science advances, 6(44). eabb4197. https://doi.org/10.1126/sciadv.abb4197.
[11] Xiang, Kun, Dan Wu, Xiaohui Deng, Mei Li, Shanyong Chen, Panpan Hao, Xuefeng Guo, Li Luo, and Zhu Fu. (2022). Boosting H2 Generation Coupled with Selective Oxidation of Methanol into Value-Added Chemical over Cobalt Hydroxide@Hydroxysulfide Nanosheets Electrocatalysts. Advanced Functional Materials 30, no. 10. 1909610. https://doi.org/10.1002/adfm.201909610.
[12] Yang, Ganceng, Yanqing Jiao, Haijing Yan, Ying Xie, Aiping Wu, Xue Dong, Dezheng Guo, Chungui Tian, and Honggang Fu. (2020). Interfacial Engineering of MoO2-FeP Heterojunction for Highly Efficient Hydrogen Evolution Coupled with Biomass Electrooxidation. Advanced Materials 32, no. 17. 2000455. https://doi.org/10.1002/adma.202000455.
