พลั�งงานไฮโดรเจน

พลั�งงาน ไฮโดรเจนจ�ดได�ว่�าเป็�นพลั�งงานเชื้��อเพลั�งในโลักอนาคต การผลั�ตพลั�งงานไฮโดรเจนจากแหลั�งของพลั�งงานที่"#น$ากลั�บมาใชื้�ใหม�ได�แลัะไม�หมดไป็ เชื้�น น$�าแลัะแสงอาที่�ตย์* จ+งเป็�นการพ�ฒนาด�านพลั�งงานไฮโดรเจนอย์�างย์�#งย์�น

ป็ระเที่ศไที่ย์ได�ม"การพ�ฒนาอย์�างต�อเน�#องมาโดย์ตลัอด จากเด�มระบบเศรษฐก�จต�องพ+#งพาผลัผลั�ตจากภาคการเกษตรเป็�นหลั�ก แต�ป็1จจ2บ�นผลัผลั�ตส�ว่นใหญ่�มาจากภาคอ2ตสาหกรรม ซึ่+#งจากการขย์าย์ต�ว่ในส�ว่นของภาคอ2ตสาหกรรมแลัะการเพ�#มข+�นของป็ระชื้ากรในป็ระเที่ศ ได�ส�งผลัให�ป็ระเที่ศต�องพ+#งพาน$�าม�นป็5โตรเลั"ย์มมากข+�นเพ�#อใชื้�เป็�นแหลั�ง พลั�งงานซึ่+#งน�บว่�นราคาน$�าม�นด�บในตลัาดโลักเพ�#มส6งข+�น นอกจากภาคอ2ตสาหกรรมแลั�ว่ คว่ามต�องการด�านพลั�งงานในภาคเศรษฐก�จ ส�งคมรว่มถึ+งการใชื้�งานในชื้"ว่�ตป็ระจ$าว่�นก8เพ�#มส6งข+�นอย์�างมาก ด�งน��นป็ระเที่ศไที่ย์จ+งม"คว่ามจ$าเป็�นต�องหาแหลั�งพลั�งงานในป็ระเที่ศให�มากข+�น รว่มที่��งเร�งร�ดนโย์บาย์การป็ระหย์�ดพลั�งงานคว่บค6�ก�นไป็ด�ว่ย์ พลั�งงานไฮโดรเจน (Hydrogen, H2) ซึ่+#งถึ�อได�ว่�าเป็�นพลั�งงานเชื้��อเพลั�งส$าหร�บการเผาไหม�ที่"#ม"ป็ระส�ที่ธิ�ภาพส6ง, สะอาด, แลัะเป็�นม�ตรก�บส�#งแว่ดลั�อม ได�ร�บการคาดหมาย์แลัะย์อมร�บว่�าจะเป็�นแหลั�งของพลั�งงานเชื้��อเพลั�งที่"#ส$าค�ญ่อย์�าง มากในอนาคต ในป็1จจ2บ�นน"�กระบว่นการเป็ลั"#ย์นร6ป็สารไฮโครคาร*บอนด�ว่ย์ไอน$�า (Steam reforming of

hydrocarbons) เป็�นกระบว่นการที่"#ใหญ่�ที่"#ส2ดส$าหร�บการผลั�ตพลั�งงานไฮโดรเจน แต�ป็1ญ่หาหลั�กที่"#ส$าค�ญ่มากของกระบว่นการน"�ค�อ การป็ลัดป็ลั�อย์ก:าซึ่คาร*บอนไดออกไซึ่ด*ในป็ร�มาณมากซึ่+#งเป็�นสาเหต2ของสภาว่ะโลักร�อน หร�อป็รากฏการณ*เร�อนกระจก นอกจากน"�แลั�ว่ย์�งป็ระสบป็1ญ่หาการขาดแคลันแหลั�งของไฮโดรคาร*บอนที่"#น$ามาใชื้�ใน กระบว่นการอ"กด�ว่ย์ ด�งน��นกระบว่นการอ�#นซึ่+#งเป็�นที่างเลั�อกใหม�ที่"#ป็ลัอดภ�ย์ แลัะสามารถึผลั�ต

พลั�งงานไฮโดรเจนได�อย์�างม"ป็ระส�ที่ธิ�ภาพ จ+งคว่รได�ม"การพ�ฒนาข+�นเพ�#อรองร�บคว่ามต�องการพลั�งงานไฮโดรเจนในอนาคต

ร6ป็ที่"# 1 ค2ณสมบ�ต�ของก:าซึ่ไฮโดรเจน

(ที่"#มา: http://www.enaa.or.jp/WE-NET/suiso/suiso1_e.html)

ก:าซึ่ ไฮโดรเจนถึ�อได�ว่�าเป็�นเชื้��อเพลั�งอนาคต ที่��งน"�เน�#องจากไม�ส�งผลักระที่บต�อส�#งแว่ดลั�อมเม�#อเก�ดการเผาไหม�ก�บก:าซึ่ ออกซึ่�เจน โดย์จะม"เพ"ย์งไอน$�าเป็�นผลัพลัอย์ได� ซึ่+#งแตกต�างจากเชื้��อเพลั�งอ�#นๆที่"#ให�ก:าซึ่คาร*บอนไดออกไซึ่ด*เป็�นผลัพลัอย์ได� ซึ่+#งเป็�นก:าซึ่เร�อนกระจก (Greenhouse gas) ส�งผลักระที่บโดย์ตรงต�อการที่$าให�โลักร�อนข+�น (Global warming) นอกจากน"�ย์�งสามารถึน$าก:าซึ่ไฮโดรเจนไป็ผลั�ตกระแสไฟฟ?าโดย์ป็?อนเข�าเซึ่ลัลั*เชื้��อ เพลั�ง (Fuel cell) ซึ่+#งขณะน"�น�กว่�จ�ย์ที่�#ว่โลักให�คว่ามสนใจเป็�นอย์�างมากในการพ�ฒนาเซึ่ลัลั*เชื้��อ เพลั�งมาป็ระย์2กต*ใชื้�ในด�านต�างๆ เน�#องจากป็ระส�ที่ธิ�

ภาพของเซึ่ลัลั*เชื้��อเพลั�งม"ค�าส6งกว่�าอ2ป็กรณ*ผลั�ตไฟฟ?าแบบอ�#นๆมาก ด�งน��นพลั�งงานไฮโดรเจนจ+งเป็�นอ"กที่าง เลั�อกหน+#งที่"#สามารถึน$ามาใชื้�ที่ดแที่นพลั�งงานด��งเด�มได� เน�#องจากค2ณป็ระโย์ชื้น*ในด�านต�างๆโดย์สร2ป็ด�งน"�

1. แหลั�งพลั�งงานด��งเด�มก�อให�เก�ดก:าซึ่เร�อนกระจก ซึ่+#งก:าซึ่ชื้น�ดน"�ส�งผลักระที่บต�อการเป็ลั"#ย์นแป็ลังภ6ม�อากาศของโลักโดย์เฉพาะก:าซึ่ คาร*บอนมอนออกไซึ่ด* ซึ่+#งเก�ดจากการส�นดาป็ (Combustion) ของสารป็ระกอบอ�นที่ร"ย์* เชื้�น น$�าม�น แต�พลั�งงานไฮโดรเจนเป็�นพลั�งงานสะอาด ไม�ก�อให�เก�ดก:าซึ่เร�อนกระจก ด�งน��นจ+งไม�ส�งผลัให�เก�ดภาว่ะเร�อนกระจก 2. การเผาไหม�ของเชื้��อเพลั�งด��งเด�ม ไม�ว่�าจะมาจากย์านพาหนะหร�อแหลั�งอ2ตสาหกรรมต�าง ๆ ก�อให� เก�ดกลั2�มคว่�นแลัะฝุ่2Bนลัะออง แต�พลั�งงานไฮโดรเจนไม�ก�อให�เก�ดมลัพ�ษที่างอากาศเหลั�าน"�3. พลั�งงานไฮโดรเจนสามารถึน$าไป็ป็ระย์2กต*ใชื้�ก�บงานที่"#ต�องใชื้�พลั�งงานด��งเด�มได� เชื้�น ใชื้�เป็�นเชื้��อ เพลั�งส$าหร�บคร�ว่เร�อน เคร�#องย์นต*ส�นดาป็ภาย์ใน เคร�#องก�งห�น แลัะเคร�#องไอพ�น4. ค�าพลั�งงานเชื้��อเพลั�งที่"#ได�จากไฮโดรเจนจะมากกว่�าค�าพลั�งงานเชื้��อเพลั�งไฮโดร คาร*บอน แลัะเชื้��อ เพลั�งจากแอลักอฮอร* เชื้�น เมที่านอลัแลัะเอที่านอลัถึ+ง 2.5 แลัะ 5 เที่�า ตามลั$าด�บ5. ก:าซึ่ไฮโดรเจนสามารถึน$าไป็ใชื้�ก�บเซึ่ลัลั*เชื้��อเพลั�ง (Fuel cell) ในการผลั�ตไฟฟ?า ซึ่+#งอย์6�ระหว่�างการพ�ฒนาแลัะคาดว่�าจะน$ามาใชื้�อย์�างกว่�างขว่างในอนาคต

ร6ป็ ที่"# 2 การป็ลัดป็ลั�อย์ก:าซึ่เร�อนกระจก (แสดงในร6ป็ของคาร*บอน) จากย์านพาหนะที่"#ใชื้�การส�นดาป็ภาย์ในด�ว่ย์น$�าม�นเบนซึ่"นเป็ร"ย์บเที่"ย์บก�บย์าน

พาหนะที่"# ใชื้�เซึ่ลัลั*เชื้��อเพลั�งเป็�นแหลั�งของพลั�งงาน

(ที่"#มา: Bak T, Nowotny J, Rekas M, Sorrell C C, Int. J. Hydrogen Energy, 27 (2002) 991)

แนวคิ�ดเกี่ยวกี่�บกี่ารแยกี่โมเลกี่�ลน��าเพื่�อผล�ตไฮโดรเจน

แนว่คว่ามค�ดของกระบว่นการแย์กโมเลัก2ลัน$�า (Water splitting

reaction) เพ�#อผลั�ตพลั�งงานไฮโดรเจน ได�ถึ6กพ�ฒนาข+�นเน�#องมาจากคว่ามม�#นใจที่"#ว่�า กระบว่นการน"�สามารถึเป็�นแหลั�งของพลั�งงานไฮโดรเจนที่"#ย์� #งย์�น (Sustainable energy) แหลั�งของสารต��งต�นที่"#น$ามาใชื้�ในการผลั�ตพลั�งงานในกระบว่นการน"�ซึ่+#งได�แก� แหลั�งน$�า ก8เป็�นแหลั�งพลั�งงานที่"#สามารถึหาได�อย์�างไม�จ$าก�ด นอกจากน"�พลั�งงานไฮโดรเจนที่"#ผลั�ตได�จากกระบว่นการน"�ก8ไม�ม"สารผลั�ตภ�ณฑ์*อ�#น ที่"#ส�งผลัเส"ย์ต�อส�#งแว่ดลั�อมเจอป็นอ"กด�ว่ย์

แต�เน�#องจากป็ฏ�ก�ร�ย์า น"�เป็�นป็ฏ�ก�ร�ย์าที่"#ด6ดคว่ามร�อนส6งเพ�#อใชื้�ในการผลั�ตไฮโดรเจน แหลั�งของพลั�งงานคว่ามร�อนในอ2ดมคต�ที่"#สามารถึจะน$ามาใชื้�งาน

ได�ต�องเป็�นแหลั�งที่"# สามารถึหาได�ในป็ร�มาณมากเพ"ย์งพอแลัะไม�ส�งผลัเส"ย์ต�อส�#งแว่ดลั�อม พลั�งงานแสงอาที่�ตย์*ซึ่+#งเป็�นแหลั�งของพลั�งงานที่"#สามารถึน$ากลั�บมาใชื้�ได�ใหม� (Renewable resource) ม"คว่ามเหมาะสมเป็�นอย์�างมากส$าหร�บน$ามาใชื้�งานในกระบว่นแย์กโมเลัก2ลัน$�าน"� นอกจากน"�การน$าพลั�งงานแสงอาที่�ตย์*มาใชื้�ในการผลั�ตพลั�งงานไฮโดรเจนจากกระบว่นการ แย์กโมเลัก2ลัน$�า ย์�งเป็�นว่�ธิ"การที่"#น�าสนใจเป็�นอย์�างมากในม2มมองของการเป็ลั"#ย์นพลั�งงานแสง อาที่�ตย์*เป็�นพลั�งงานเคม"

ร6ป็ที่"# 3 แนว่คว่ามค�ดในการแย์กโมเลัก2ลัน$�าด�ว่ย์แสงอาที่�ตย์*แลัะสารก+#งต�ว่น$าเพ�#อผลั�ตพลั�งงานไฮโดรเจน

(ที่"#มา: http://www2.slac.stanford.edu/tip/2003/mar21/hydroge

n.htm )

น�บ จากอด"ตจนถึ+งป็1จจ2บ�นน"� ได�ม"การพ�ฒนาระบบที่างเคม"ที่"#เก"#ย์ว่ข�องก�บการด6ดซึ่�บพลั�งงานร�งส"แม�เหลั8ก ไฟฟ?าจากแสงอาที่�ตย์*โดย์สารเคม"ที่"#เราเร"ย์กก�นว่�าสารก+#งต�ว่น$า (Semiconductor) ซึ่+#งที่$าให�เก�ดการเหน"#ย์ว่น$าให�เก�ดป็ฏ�ก�ร�ย์าที่"#สามารถึแย์กโมเลัก2ลัน$�าข+�นได� กระบว่นบว่นการผลั�ตไฮโดรเจนด�ว่ย์ว่�ธิ"ด�งกลั�าว่โดย์ใชื้�สารก+#งต�ว่น$าที่��งแบบโลัหะ เด"#ย์ว่แลัะโลัหะผสมเป็�นต�ว่เร�งป็ฏ�ก�ร�ย์าน"� ม"ข�อด"หลัาย์ป็ระการได�แก� ป็ระหย์�ดค�าใชื้�จ�าย์,

ที่นที่านต�อการเส�#อมสภาพ, ไม�ม"ผลัเส"ย์ต�อส�#งแว่ดลั�อม, แลัะสามารถึด$าเน�นการได�อย์�างป็ลัอดภ�ย์

กี่ารเกี่�ดปฏิ�กี่�ร�ยาแยกี่โมเลกี่�ลน��าเพื่�อผล�ตไฮโดรเจน

ในกลั2�มของสารก+#งต�ว่น$าที่"#ใชื้�เป็�นต�ว่เร�งป็ฏ�ก�ร�ย์าที่"#ใชื้�แสงร�ว่ม ไที่ที่าเน"ย์ (TiO2) ได�ร�บคว่ามสนใจมากที่"#ส2ดในการน$ามาป็ระย์2กต*ใชื้�ในกระบว่นการก$าจ�ดสารพ�ษที่"#ส�ง ผลัเส"ย์ต�อส�#งแว่ดลั�อมแลัะในกระบว่นการเร�งป็ฏ�ก�ร�ย์าที่"#ใชื้�แสงร�ว่มต�าง ๆ น�บจากม"การร�เร�#มค�ดค�นการน$าไที่ที่าเน"ย์อ�เลั8คโที่รด (TiO2 electrode) มาใชื้�ในกระบว่นการเคม"ไฟฟ?าที่"#เหน"#ย์ว่น$าด�ว่ย์แสง (Photoelectrochemical process) ส$าหร�บการแย์กโมเลัก2ลัน$�าโดย์กลั2�มน�กว่�จ�ย์ชื้าว่ญ่"#ป็2Bนได�แก� Fujishima แลัะ Honda ในป็D 1972 ที่$าให�จนถึ+งป็1จจ2บ�นน"�ม"คว่ามสนใจอย์�างต�อเน�#องในการน$าไที่ที่าเน"ย์มาใชื้�เป็�นต�ว่ เร�งป็ฏ�ก�ร�ย์าในป็ฏ�ก�ร�ย์าการแย์กโมเลัก2ลัน$�าเพ�#อผลั�ตพลั�งงานไฮโดรเจนภาย์ใน ระบบที่"#ม"การฉาย์แสง

เม�#อไที่ที่าเน"ย์ที่$าการด6ดซึ่�บโฟตอน (Photon) ที่"#ม"พลั�งงานเที่�าก�บหร�อมากกว่�าค�าคว่ามแตกต�างระหว่�างค�าพลั�งงานในระด�บคอน ด�คชื้�นแบนด* (Conduction band, CB) แลัะว่าเลันซึ่*แบนด* (Valence band,

VB) หร�อเป็�นที่"#ร6 �จ�กก�นว่�าพลั�งงานแบนด*แกป็ (Energy band gap) จะที่$าให�เก�ดการกระต2�นให�อ�เลัคตรอนในระด�บชื้��นพลั�งงานว่าเลันซึ่*แบนด*เคลั�#อน ที่"#ไป็อย์6�ในระด�บชื้��นพลั�งงานคอนด�คชื้�นแบนด* ที่$าให�เก�ดคอนด�คชื้�นแบนด*อ�เลัคตรอน (Conduction band electron, e-

cb) แลัะว่าเลันซึ่*

แบนด*โฮลั (Valence band hole, h+vb) ข+�น

แต� อย์�างไรก8ตามในคว่ามเป็�นจร�งแลั�ว่ ไฮโดรเจนไม�สามารถึถึ6กผลั�ตข+�นได�อย์�างม"ป็ระส�ที่ธิ�ภาพบนพ��นผ�ว่ของไที่ที่าเน"ย์ที่"# ย์�งไม�ได�ร�บการป็ร�บแต�ง เน�#อง จากพลั�งงานแบนด*แกป็ของไที่ที่าเน"ย์ม"ค�าส6งค�อ 3.2 eV ส$าหร�บไที่ที่าเน"ย์ชื้น�ดอนาเที่ส (Anatase) แลัะ 3.0 eV ส$าหร�บไที่ที่าเน"ย์ชื้น�ดร6ไที่ลั* (Rutile) ที่$าให�เก�ดการรว่มต�ว่กลั�บของอ�เลัคตรอนแลัะโฮลัได�ง�าย์ การแก�ไขข�อจ$าก�ดน"�อย์�างม"ป็ระส�ที่ธิ�ภาพที่$าได�โดย์การใชื้�สารที่"#เอ��อให�เก�ด ป็ฏ�ก�ร�ย์า (Sacrificial reagent) เชื้�น เมที่านอลั ซึ่+#งสารน"�จะเข�าร�ว่มในป็ฏ�ก�ร�ย์าโดย์การก$าจ�ดโฮลัด�ว่ย์กระบว่นการออกซึ่�เดชื้�นที่"# ว่าเลันซึ่*แบนด* ในขณะที่"#ป็ฏ�ก�ร�ย์าการเก�ดไฮโดรเจนสามารถึเก�ดที่"#คอนด�นชื้�นแบนด*ด�ว่ย์กระบว่นการ ร"ด�คชื้�นของน$�าด�ว่ย์อ�เลัคตรอน

นอกจากน"� การแก�ไขข�อจ$าก�ดด�งกลั�าว่อย์�างม"ป็ระส�ที่ธิ�ภาพอ"กว่�ธิ"หน+#งค�อการใส�ต�ว่เร�ง ป็ฏ�ก�ร�ย์าร�ว่ม ซึ่+#งโดย์ส�ว่นมากแลั�ว่จะเป็�นโลัหะที่รานซึ่�ชื้�นเชื้�น น�กเก�ลั (Ni) แพลัต�น�ม (Pt) เป็�นต�น ลังไป็บนพ��นผ�ว่ของต�ว่เร�งป็ฏ�ก�ร�ย์าหลั�กไที่ที่าเน"ย์ โดย์ต�ว่เร�งป็ฏ�ก�ร�ย์าร�ว่มเหลั�าน"�จะที่$าหน�าที่"#เร�งการเคลั�#อนที่"#ของอ�เลัคตรอน จากเว่เลันซึ่*แบนด*หลั�งจากการด6ดซึ่�บแสงแลัะกระต2�นด�ว่ย์แสงแลั�ว่ให�ไป็ส6�นอกระบบ ซึ่+#งก8ค�อการเก�ดป็ฏ�ก�ร�ย์าการเก�ดไฮโดรเจนที่"#คอนด�คชื้�นแบนด*ได�เร8ว่ข+�น อย์�างมาก

โดย์สร2ป็ กระบว่นการการเก�ดป็ฏ�ก�ร�ย์าแย์กโมเลัก2ลัน$�าเม�#อที่$าการแก�ไขข�อจ$าก�ดต�างๆ สามารถึแสดงได�ด�งร6ป็ที่"# 4

ร6ป็ที่"# 4 กระบว่นการการเก�ดป็ฏ�ก�ร�ย์าแย์กโมเลัก2ลัน$�า

เอกี่สารอ!างอ�ง1. 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.