พลังงานไฮโดรเจนจากน้ำด้วยแสงอาทิตย์และตัวเร่งปฏิกิริยา: ปฏิก

ลำดับตอนที่ #3 : การเกิดปฏิกิริยาแยกโมเลกุลน้ำเพื่อผลิตไฮโดรเจน

ในกลุ่มของสารกึ่งตัวนำที่ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้แสงร่วม ไททาเนีย (TiO₂) ได้รับความสนใจมากที่สุดในการนำมาประยุกต์ใช้ในกระบวนการกำจัดสารพิษที่ส่งผลเสียต่อสิ่งแวดล้อมและในกระบวนการเร่งปฏิกิริยาที่ใช้แสงร่วมต่าง ๆ นับจากมีการริเริ่มคิดค้นการนำไททาเนียอิเล็คโทรด (TiO₂ electrode) มาใช้ในกระบวนการเคมีไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำด้วยแสง (Photoelectrochemical process) สำหรับการแยกโมเลกุลน้ำโดยกลุ่มนักวิจัยชาวญี่ปุ่นได้แก่ Fujishima และ Honda ในปี 1972 ทำให้จนถึงปัจจุบันนี้มีความสนใจอย่างต่อเนื่องในการนำไททาเนียมาใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในปฏิกิริยาการแยกโมเลกุลน้ำเพื่อผลิตพลังงานไฮโดรเจนภายในระบบที่มีการฉายแสง

เมื่อไททาเนียทำการดูดซับโฟตอน (Photon) ที่มีพลังงานเท่ากับหรือมากกว่าค่าความแตกต่างระหว่างค่าพลังงานในระดับคอนดัคชันแบนด์ (Conduction band, CB) และวาเลนซ์แบนด์ (Valence band, VB) หรือเป็นที่รู้จักกันว่าพลังงานแบนด์แกป (Energy band gap) จะทำให้เกิดการกระตุ้นให้อิเลคตรอนในระดับชั้นพลังงานวาเลนซ์แบนด์เคลื่อนที่ไปอยู่ในระดับชั้นพลังงานคอนดัคชันแบนด์ ทำให้เกิดคอนดัคชันแบนด์อิเลคตรอน (Conduction band electron, e^-_cb) และวาเลนซ์แบนด์โฮล (Valence band hole, h⁺_vb) ขึ้น

แต่อย่างไรก็ตามในความเป็นจริงแล้ว ไฮโดรเจนไม่สามารถถูกผลิตขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพบนพื้นผิวของไททาเนียที่ยังไม่ได้รับการปรับแต่ง เนื่อง จากพลังงานแบนด์แกปของไททาเนียมีค่าสูงคือ 3.2 eV สำหรับไททาเนียชนิดอนาเทส (Anatase) และ 3.0 eV สำหรับไททาเนียชนิดรูไทล์ (Rutile) ทำให้เกิดการรวมตัวกลับของอิเลคตรอนและโฮลได้ง่าย การแก้ไขข้อจำกัดนี้อย่างมีประสิทธิภาพทำได้โดยการใช้สารที่เอื้อให้เกิดปฏิกิริยา (Sacrificial reagent) เช่น เมทานอล ซึ่งสารนี้จะเข้าร่วมในปฏิกิริยาโดยการกำจัดโฮลด้วยกระบวนการออกซิเดชันที่วาเลนซ์แบนด์ ในขณะที่ปฏิกิริยาการเกิดไฮโดรเจนสามารถเกิดที่คอนดันชันแบนด์ด้วยกระบวนการรีดัคชันของน้ำด้วยอิเลคตรอน

นอกจากนี้ การแก้ไขข้อจำกัดดังกล่าวอย่างมีประสิทธิภาพอีกวิธีหนึ่งคือการใส่ตัวเร่งปฏิกิริยาร่วม ซึ่งโดยส่วนมากแล้วจะเป็นโลหะทรานซิชันเช่น นิกเกิล (Ni) แพลตินัม (Pt) เป็นต้น ลงไปบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาหลักไททาเนีย โดยตัวเร่งปฏิกิริยาร่วมเหล่านี้จะทำหน้าที่เร่งการเคลื่อนที่ของอิเลคตรอนจากเวเลนซ์แบนด์หลังจากการดูดซับแสงและกระตุ้นด้วยแสงแล้วให้ไปสู่นอกระบบ ซึ่งก็คือการเกิดปฏิกิริยาการเกิดไฮโดรเจนที่คอนดัคชันแบนด์ได้เร็วขึ้นอย่างมาก

โดยสรุป กระบวนการการเกิดปฏิกิริยาแยกโมเลกุลน้ำเมื่อทำการแก้ไขข้อจำกัดต่างๆ สามารถแสดงได้ดังรูปที่ 4

รูปที่ 4 กระบวนการการเกิดปฏิกิริยาแยกโมเลกุลน้ำ

เอกสารอ้างอิง

1. Legrini O, Oliveros E, Braun A M, Chem. Rev. 93 (1993) 671.

2. Hoffmann M R, Martin S T, Choi W, Bahnemann D W, Chem. Rev. 95 (1995) 69.

3. Linsebigler A L, Lu G, Yates, Jr. J T, Chem. Rev. 95 (1995) 735.

4. Mills A, Hunte S L, J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 108 (1997) 1.

5. Fujishima A, Honda K, Nature 238 (1972) 37.