การพัฒนาวัสดุพลังงานด้วยเทคนิคสภาวะรุนแรง

ในขั้นตอนการผลิตวัสดุในอุตสาหกรรมเพื่อการนำไปใช้ประโยชน์ต่างๆในทุกระดับ ตั้งแต่ระดับนาโนเมตรจนถึงระดับเมตรและใหญ่กว่า ตัวแปรหลักที่ควบคุมสมบัติของวัสดุคือตัวแปรทางอุณหพลศาสตร์อันได้แก่ อุณหภูมิและความดัน เป็นเวลากว่าศตวรรษที่มนุษยชาติใช้อุณหภูมิเป็นเครื่องมือหลักในการสังเคราะห์และพัฒนาวัสดุเพื่อตอบสนองความต้องการและพัฒนาเทคโนโลยีเนื่องจากที่ผ่านมาเทคโนโลยีทางการทดลองยังไม่สามารถทำการวิจัยภายใต้ความดันสูงได้ อย่างไรก็ตามเมื่อการแข่งขันในการพัฒนาและสังเคราะห์วัสดุมีเพิ่มมากขึ้น ความสนใจในทางเลือกอีกทางหนึ่งของการวิจัยจึงได้ถูกพัฒนาขึ้นมา นั่นคือความพยายามสังเคราะห์วัสดุภายใต้ความดันสูงอันเนื่องมาจากแนวคิดที่ว่าวัสดุในธรรมชาติที่จำเป็นหลายชนิด เช่น แร่ธาตุต่างๆ เพชร โลหะทุกชนิดที่จำเป็นต่ออุตสาหกรรม รวมทั้งวัตถุดิบในอุตสาหกรรมปิโตรเลียมต่างๆ ล้วนมีแหล่งกำเนิดมาจากใต้พื้นโลกที่มีปัจจัยทางอุณหพลศาสตร์ที่ควบคุมการก่อกำเนิดคือ อุณหภูมิสูงและความดันสูง ดังนั้นการใช้ความดันเป็นตัวแปรในการศึกษาวัสดุจึงเป็นอีกทางเลือกหนึ่งในการสร้างวัสดุเลียนแบบกระบวนการทางธรรมชาติเพื่อลดต้นทุนรวมทั้งพัฒนาสมบัติของวัสดุที่มีอยู่แล้วให้สามารถนำไปใช้ประโยชน์แตกต่างออกไปได้

ปัจจุบันเป็นที่ทราบกันดีว่าเชื้อเพลิงฟอสซิลได้ก่อให้เกิดปัญหามากมายทั้งในมิติของวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี และสิ่งแวดล้อม และมิติของสังคม เศรษฐกิจ และการเมือง เป็นที่ทราบกันดีว่าการบริโภคเชื้อเพลิงฟอสซิลของประชาคมโลกก่อให้เกิดภาวะโลกร้อนสะสมต่อเนื่องกันมาเป็นระยะเวลาหลายสิบปี และผลกระทบจากภาวะโลกร้อนก็ปรากฏหลักฐานอย่างชัดเจน และจากการเจริญเติบโตทางเศรษฐกิจอย่างรวดเร็วของจีนและอินเดียทำให้ปัญหาการบริโภคพลังงานกลายเป็นปัญหาของโลก นอกจากนี้เชื้อเพลิงฟอสซิลเป็นทรัพยากรที่มีจำกัด ทั้งยังพบได้เพียงบางบริเวณของบางประเทศ ในอนาคตอีกไม่กี่สิบปี การมีอยู่อย่างจำกัดของทรัพยากรเชื้อเพลิงฟอสซิลนี้อาจนำมาซึ่งราคาน้ำมันเชื้อเพลิงที่สูงจนกระทั่งมีผู้บริโภคเพียงบางกลุ่มเท่านั้นที่สามารถเข้าถึงทรัพยากรชนิดนี้ได้ ผลที่ตามมาคือเศรษฐกิจอาจหยุดชะงักในบางประเทศที่ไม่มีทรัพยากรพลังงานเป็นของตนเอง และนำไปสู่ความเสี่ยงทางความมั่นคงของบางประเทศ ซึ่งรวมถึงประเทศไทยที่เป็นประเทศหนึ่งที่ไม่มีทรัพยากรเชื้อเพลิงอย่างเพียงพอสำหรับการบริโภคในประเทศ และต้องพึ่งพาการนำเข้าทรัพยากรพลังงานจากต่างประเทศทั้งในปัจจุบันและในอนาคต

ในบรรดาแหล่งพลังงานทดแทนทั้งหลาย เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเป็นแหล่งพลังงานอันหนึ่งที่ได้รับการคาดหมายว่าจะเป็นแหล่งพลังงานสะอาดสำหรับอนาคต เนื่องจากไฮโดรเจนมีทั่วไปในบรรยากาศและในน้ำ นักวิทยาศาสตร์ค้นพบวิธีการมากมายที่จะผลิตไฮโดรเจนจากก๊าซมีเทน จากถ่านหิน จากเชื้อเพลิงอื่นๆ หรือแม้กระทั่งการใช้สาหร่ายหรือจุลชีวินในกระบวนการผลิต การนำเชื้อเพลิงไฮโดรเจนไปใช้งานวิธีหนึ่งก็คือใช้ในเซลล์เชื้อเพลิง (fuel cell) ซึ่งไฮโดรเจนจะรวมกับออกซิเจนให้พลังงานไฟฟ้าและน้ำสะอาดเป็นผลพลอยได้ พลังงานไฟฟ้านี้สามารถออกแบบให้ใช้กับยานพาหนะ เครื่องใช้ไฟฟ้าทั่วไป หรือแม้กระทั่งโรงงานผลิตไฟฟ้าขนาดย่อมได้ อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีปัจจุบันก็ยังมีข้อจำกัดบางประการ อย่างเช่น กระบวนการผลิตไฮโดรเจนอาจขาดทุนพลังงาน หมายความว่าพลังงานที่ใช้ในการผลิตอาจมากกว่าพลังงานที่เชื้อเพลิงให้ออกมา ทำให้พลังงานสุทธิติดลบ หรือการที่ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงหรือมอเตอร์ไฟฟ้ายังมีข้อจำกัด แต่ปัญหาที่น่าสนใจที่สุดอันหนึ่งและเป็นปัญหาที่ผู้วิจัยให้ความสนใจในงานวิจัยนี้คือ การกักเก็บเชื้อเพลิงไฮโดรเจน

เพื่อให้เทคโนโลยีการกักเก็บเชื้อเพลิงไฮโดรเจนนี้เป็นไปได้ในทางปฏิบัติ เราต้องคำนึงถึงปัจจัยต่างๆ ได้แก่สถานะของไฮโดรเจน พลศาสตร์ของการเติมก๊าซและการปลดปล่อยก๊าซ อุณหภูมิที่ใช้ขณะทำงาน และด้านความปลอดภัย ผู้วิจัยพบว่ามีวัสดุจำนวนหนึ่งซึ่งมีศักยภาพในการใช้เป็นภาชนะบรรจุเชื้อเพลิงไฮโดรเจนเนื่องจากแสดงปัจจัยที่กล่าวมาแล้ว ที่น่าสนใจและยังมีผู้ศึกษาในวงที่จำกัดมากคือไฮไดรด์ของโลหะ (metal hydride) [1,2]  วัสดุเหล่านี้สังเคราะห์ได้ง่ายและมีราคาถูก มีความจุเชื้อเพลิงต่อมวลที่สูง นอกจากนี้ หลักการกักเก็บใช้วิธีดูดซับไฮโดรเจน หรือการสร้างพันธะเคมี หรือการกักเก็บในรูปสารประกอบ จึงทำให้มีความปลอดภัยสูง ปราศจากความเสี่ยงต่อการระเบิด

ด้วยความก้าวหน้าของทฤษฎีควอนตัมและสมรรถนะของคอมพิวเตอร์ในปัจจุบัน นักฟิสิกส์ นักเคมี และนักวัสดุศาสตร์ทั่วโลกได้ใช้อำนาจของการคำนวณด้วยคอมพิวเตอร์นี้ในการออกแบบวัสดุต่างๆ รวมถึงวัสดุที่ใช้ในการกักเก็บไฮโดรเจนด้วย การคำนวณด้วยคอมพิวเตอร์มีประโยชน์อย่างมากเพราะ ให้ผลการคำนวณที่เชื่อถือได้ และสามารถอธิบายผลการทดลองได้ ในขณะที่ในสภาวะบางอย่าง เราอาจทำการทดลองไม่ได้ หรือการทดลองบางอย่างมีค่าใช้จ่ายสูง เราสามารถใช้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์เพื่อเป็นเหมือนเครื่องมือนำทาง (guided tools) ได้ ทำให้การตัดสินลงทุนทำการทดลองมีความคุ้มค่ามากขึ้น  ทำให้เราเข้าสู่ยุคของการออกแบบวัสดุโดยมีสมบัติที่ต้องการเป็นตัวตั้ง ซึ่งต่างจากอดีตที่เราต้องเลือกวัสดุที่มีอยู่แล้วมาใช้ให้ตรงกับความต้องการ

สำหรับในกลุ่มวัสดุกักเก็บไฮโดรเจนแบบโลหะไฮไดรด์นั้น คณะผู้วิจัยได้มุ่งเน้นการศึกษากลไกการกักเก็บไฮโดรเจนที่จำตำแหน่งต่างในโครงสร้างผลึกที่เปลี่ยนแปลงไปภายใต้ความดันสูงของโลหะไตรไฮไดรด์ และพบว่าการเปลี่ยนแปลงความดันมีผลอย่างยิ่งในการเพิ่มการดูดซับไฮโดรเจน โดยกลไกดังกล่าวภายใต้ความดันสูงเกิดจากการปรับเปลี่ยนโครงสร้างผลึก ทำให้มีช่องว่างขนาดเล็กที่เหมาะสมในการจัดเรียงตัวของอะตอมของไฮโดรเจน ซึ่งไม่เพียงแต่ทำให้สามารถบรรจุไฮโดรเจนในสถานะของแข็งได้มากขึ้นเท่านั้นแต่ยังทำให้สมบัติเชิงกลและเชิงไฟฟ้ามีการเปลี่ยนแปลงไปด้วย [3]

รูปที่ 1 แสดงการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งอะตอมของโลหะในแต่ละช่วง ภายใต้ความดันสูง และการจัดเรียงตัวของอะตอมไฮโดรเจน (วงกลมสีฟ้าแทนอะตอมไฮโดรเจน วงกลมสีน้ำตาลแทนอะตอมสแกนเดียม และวงกลมสีเทา แทนไฮโดรเจนจากโครงสร้างแบบ HCP) [3] 

ตลอดระยะเวลาสามปีที่ผ่านมากลุ่มวิจัยฟิสิกส์ของวัสดุพลังงานได้เริ่มใช้สภาวะรุนแรงเพื่อการศึกษาและพัฒนาสมบัติของวัสดุพลังงานอย่างต่อเนื่อง และในปัจจุบันเป็นหนึ่งในกลุ่มวิจัยที่ได้เริ่มทำการศึกษาวัสดุเซลล์แสงอาทิตย์แบบเพอรอฟสไกต์ ซึ่งมีแนวโน้มว่าจะเป็นเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีการใช้งานได้จริงอย่างมีประสิทธิภาพดีในราคาที่ไม่แพง อย่างไรก็ตามข้อจำกัดที่สำคัญของการใช้งานเซลล์แสงอาทิตย์แบบเพอรอฟสไกต์คือเสถียรภาพ เนื่องจากเมื่อประกอบเป็นเซลล์แล้ววัสดุเซลล์แสงอาทิตย์แบบเพอรอฟสไกต์มีอายุการใช้งานต่ำมาก เนื่องจากเสียสภาพความเป็นผลึกไป และทำให้สมบัติเชิงไฟฟ้าที่สำคัญในการเป็นสารกึ่งตัวนำสูญเสียไปด้วย ที่ผ่านมามีความพยายามที่หลากหลายในการเพิ่มเสถียรภาพ โดยมากมุ่งเน้นไปที่การห่อหุ้มวัสดุ (encapsulate) ด้วยเทคนิคต่างๆ ในมุมมองเชิงทฤษฎีนั้นมีความพยายามที่จะเข้าใจถึงกลไกในระดับอะตอมที่อาจะนำไปสู่การปรับปรุงเสถียรภาพของวัสดุชนิดนี้ได้ งานวิจัยส่วนนี้ที่ห้องปฏิบัติการวิจัยดำเนินการจึงมุ่งเน้นไปที่การเปรียบเทียบฟังก์ชันแนลแบบต่างๆ และเงื่อนไขทางทฤษฎีที่เหมาะสมในการอธิบายรายละเอียด เนื่องจากที่ผ่านมางานวิจัยเชิงทฤษฎีส่วนมากมีความไม่สอดคล้องมาก เนื่องมาจากจากความแตกต่างของการประมาณค่าในส่วนของฟังก์ชันแนล และการอธิบายรายละเอียดเชิงลึกของของอะตอม โดยผลงานวิจัยดังกล่าวได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Scientific Report แล้ว [4]  ซึ่งเป็นวารสารวิชาการระดับนานาชาติแบบ Multidisciplinary ที่มีค่า Impact Factor สูง

รูปที่ 2 แสดงกำแพงศักย์จากการหมุนของโมเลกุลแบบออแกนิกส์ซึ่งคำนวณโดยฟังก์ชันแนลแบบต่างๆในกรอบเล็กมุมบนขวามือ [4]

ส่วนที่สองคือการศึกษาผลของการจัดเรียงตัวของโมเลกุลแบบออแกนิกส์ในโครงสร้าง โดยเฉพาะอันตรกิริยาต่อโครงสร้างส่วนที่เป็นอินออแกนิกส์ ซึ่งมีรายงานจากการศึกษาโดยการเลี้ยวเบนของนิวตรอนว่าโมเลกุลแบบออแกนิกส์ในโครงสร้างนั้นมีการเปลี่ยนแปลงตามเวลา และมีสมมุติฐานว่าอาจจะมีส่วนสำคัญในเสถียรภาพของโครงสร้างดังกล่าว ผลงานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Journal of Physical Chemistry C แล้ว [5]

รูปที่ 3 แสดงตัวอย่างการหมุนของโมเลกุลออแกนิกส์ในโครงสร้างและระดับพลังงานที่เปลี่ยนแปลงไป [5]

เอกสารอ้างอิง

1. P.Chen et al, J. Phys. Chem. B 107, 10967 (2003).
2. J.J.Zhou et al., Acta Physica Sinica 58, 4853 (2009).
3. T. Pakornchote, T. Bovornratanaraks, S. Vannarat and U. Pinsook, Solid State Commun. 225, 48-55 (2016).
4. R. Klinkla, V. Sakulsupich, T. Pakornchote, U. Pinsook and T. Bovornratanaraks, Sci. Report 8, 13161 (2018).
5. W. Sukmas, U. Pinsook, P. Tsuppayakorn-aek, T. Pakornchote, A. Sukserm and T. Bovornratanaraks, J. Phys. Chem. C, 123 (27), 16508-16515 (2019).

รายงานโดย

รองศาสตราจารย์ ดร.ธิติ บวรรัตนารักษ์

ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย กรุงเทพมหานคร 10330

E-mail: thiti.b@chula.ac.th