ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีผลิตไฮโดรเจนราคาถูกจากน้ำและแสงอาทิตย์

          งานวิจัยเซลล์ไฟฟ้าเคมีทางแสง (photoelectrochemical cell) ได้รับการศึกษาอย่างต่อเนื่อง หนึ่งวัตถุประสงค์คือถูกใช้ในเทคโนโลยีเปลี่ยนน้ำเป็นเชื้อเพลิงไฮโดรเจนโดยใช้เพียงพลังงานจากดวงอาทิตย์ได้ เทคโนโลยีนี้ใช้ขั้วไฟฟ้าสองขั้วจุ่มลงในน้ำแล้วเชื่อมขั้วไฟฟ้าด้วยสายไฟเปล่า เมื่อแสงอาทิตย์ตกกระทบที่ขั้วไฟฟ้าทั้งสอง ขั้วไฟฟ้าจะดูดกลืนพลังงานแสงอาทิตย์แล้วเปลี่ยนมาเป็นกระแสไฟฟ้าวิ่งไหลระหว่างสองขั้วไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นมาจากการไหลของอิเล็กตรอน (electron) และโฮล (hole) ในทิศตรงข้ามกัน ซึ่งมีประจุเป็นลบและบวก ตามลำดับ ซึ่งจะทำให้ขั้วไฟฟ้าทั้งสองฝั่งมีประจุตรงข้ามกันด้วย ขั้วไฟฟ้าฝั่งหนึ่งเรียกว่าโฟโตแคโทด (photocathode) มีประจุเป็นลบเนื่องจากทำหน้าที่ส่ง electron ไปให้น้ำเพื่อเกิดปฏิกิริยารีดักชันของน้ำ (water reduction) ซึ่งจะได้แก๊สไฮโดรเจนออกมา ส่วนขั้วอีกฝั่งหนึ่งเรียกว่าโฟโตแอโนด (photoanode) มีประจุเป็นบวกเนื่องจากทำหน้าที่ส่ง hole ไปให้น้ำเพื่อเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันของน้ำ (water oxidation) ซึ่งจะได้แก๊สออกซิเจนขึ้นมา หลังจากที่แก๊สไฮโดรเจนเกิดขึ้น เราจะนำไฮโดรเจนไปเก็บไว้เพื่อใช้ประโยชน์อื่นๆ เช่น สำหรับรถยนต์ไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิง (fuel cell vehicle) หรือสำหรับผลิตแอมโมเนียม เป็นต้น 


          อย่างไรก็ตามประสิทธิภาพการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฮโดรเจน (solar-to-hydrogen conversion) ของเซลล์นี้ยังค่อนข้างต่ำ นักวิจัยต้องพัฒนาและออกแบบขั้วไฟฟ้าให้สามารถดูดกลืนแสงอาทิตย์ได้เต็มประสิทธิภาพ เมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา ทีมนักวิจัยจาก Ecole Polytechnique Federale de Lausanne ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ พัฒนาขั้วไฟฟ้า photocathode ให้มีคุณสมบัติที่เหมาะสม ในเรื่องของประสิทธิภาพที่สูง ราคาที่ถูกและอายุการใช้งานที่ยาวนาน โดยใช้ cuprous oxide (Cu2O) เป็นตัวดูดกลืนพลังงานแสงอาทิตย์ อย่างไรก็ตามการออกแบบขั้วไฟฟ้า photocathode ต้องมีชั้นด้านหลัง (back contact) ซึ่งเป็นโลหะทองคำที่มีราคาแพง อยู่ด้านหลังของ Cu2O เพื่อช่วยการไหลของ hole และป้องกันการไหลย้อนกลับของ electron ไปที่ขั้วไฟฟ้า photoanode นักวิจัยจึงต้องหาวัสดุใหม่ที่มาทำหน้าที่แทนโลหะทองคำเพื่อลดต้นทุน


          ในต้นปีนี้ ทีมนักวิจัยเดิมได้หาวัสดุมาทำหน้าที่แทนทองคำได้แล้ว ซึ่งงานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ลงในวารสาร Nature Communications วัสดุที่ใช้คือ cupper thiocyanate (CuSCN) ซึ่งมีคุณสมบัติที่ดีหลายข้อ คือ ราคาถูก วัสดุมีความโปร่งใสซึ่งช่วยในการส่งผ่านคลื่นแสงอาทิตย์ไปที่ชั้นดูดกลืนแสงได้หลายช่วงความยาวคลื่น นอกจากนี้ยังช่วยการวิ่งไหล hole ไปที่ขั้วไฟฟ้า photoanode ได้ดีเช่นกัน จากการออกแบบโครงสร้างลักษณะนี้ทำให้ประสิทธิภาพ solar-to-hydrogen conversion มีค่าสูงขึ้นกว่าเดิมที่ 4.55 เปอร์เซ็นต์ คงประสิทธิภาได้ยาวนาน 12 ชั่วโมง ซึ่งเป็นค่าสูงที่สุดเมื่อเทียบกับการออกแบบของขั้วไฟฟ้า Cu2O photocathode แบบอื่นๆ  


          ในงานวิจัยนี้ได้วิเคราะห์เชิงลึกว่าทำไม CuSCN ถึงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์ได้ดีขึ้น เนื่องจากการวางตัวของระดับพลังงานชั้นการส่ง hole หรือ valence band ระหว่าง Cu2O กับ CuSCN อยู่ในระดับที่เหมาะสม นอกจากนี้โครงสร้างของ CuSCN เป็นโครงสร้างที่มี defect สูง การไหลของ hole ในชั้น CuSCN จึงต้องไหลผ่าน band-tail states ซึ่งถูกพบในงานวิจัยว่า เป็น state ที่ช่วยในการไหล hole ที่มีประสิทธิภาพที่ดีเยี่ยม


          งานวิจัยชิ้นนี้ทำให้เทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนที่มีราคาถูกและไม่ก่อเกิดมลพิษสามารถเป็นไปได้จริงในอนาคต หากไม่กี่ปีข้างหน้านี้ไฮโดรเจนมีราคาถูกมากขึ้นเรื่อยๆ อาจทำให้บริษัทผลิตยานยนต์ให้ความสนใจในการผลิตรถยนต์ไฟฟ้าไฮโดรเจนมากขึ้นตามด้วยเช่นกัน

อ้างอิง
 

• 1.    https://techxplore.com/news/2020-01-photoelectrochemical-water-splitting-efficiency.html 
• 2.    https://www.nature.com/articles/s41467-019-13987-5