จากแสงอาทิตย์สู่เชื้อเพลิง: ศ. อง วี จุน ขับเคลื่อนมาเลเซียสู่การสังเคราะห์แสงเทียม

คำถามในวัยเด็กกลายเป็นภารกิจด้านพลังงานระดับชาติ

ขณะเรียนเรื่องการสังเคราะห์แสงในชั้นประถมศึกษาปีที่ 4 อง วี จุน ตั้งคำถามง่าย ๆ ว่า เราจะใช้ประโยชน์จากแสงอาทิตย์เหมือนพืช เพื่อนำมาขับเคลื่อนชีวิตสมัยใหม่ได้หรือไม่ ความสงสัยใคร่รู้นั้นกลายเป็นงานตลอดชีวิตของเขา ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ชาวมาเลเซียผู้นี้ศึกษาหลักการเดียวกันด้วยเครื่องมือจากนาโนศาสตร์และวิทยาการเร่งปฏิกิริยา โดยกักเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ไว้ในพันธะของเชื้อเพลิงสะอาด

ศาสตราจารย์ ดร. อง ดำรงตำแหน่งรองคณบดีที่มหาวิทยาลัยเซียะเหมิน มาเลเซีย และเป็นผู้อำนวยการผู้ก่อตั้งศูนย์ความเป็นเลิศด้านนาโนพลังงานและเทคโนโลยีการเร่งปฏิกิริยา หรือ CONNECT เขาและทีมออกแบบใบไม้เทียมที่เลียนแบบขั้นตอนสำคัญของการสังเคราะห์แสง อุปกรณ์เหล่านี้ใช้วัสดุนาโนที่ออกแบบขึ้นแทนคลอโรฟิลล์ เพื่อผลิตโมเลกุลที่อุดมด้วยพลังงาน

CONNECT ศึกษาการผลิตไฮโดรเจนจากน้ำ การเปลี่ยน CO2 เป็นเมทานอลและสารเคมีอื่น ๆ รวมถึงการเปลี่ยนขยะพลาสติกเป็นเชื้อเพลิง วิสัยทัศน์ระยะยาวยังรวมถึงฟาร์มไฮโดรเจนพลังงานแสงอาทิตย์แบบโมดูลาร์ ซึ่งสามารถจ่ายพลังงานให้ชุมชนชนบทและนำวิทยาศาสตร์ล้ำสมัยมาตอบโจทย์ชีวิตประจำวัน

การสังเคราะห์แสงเทียมทำงานอย่างไร

การสังเคราะห์แสงเทียมใช้วัสดุดูดซับแสงและตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเปลี่ยนแสงอาทิตย์เป็นพลังงานเคมี อุปกรณ์จะดูดซับโฟตอน ทำให้เกิดประจุที่เคลื่อนที่ได้ แล้วใช้ประจุเหล่านั้นแยกน้ำหรือรีดิวซ์คาร์บอนไดออกไซด์ ผลลัพธ์คือเชื้อเพลิงที่กักเก็บ ขนส่ง และนำมาใช้ได้ในยามไม่มีแสงแดด

ในการแยกน้ำ ปฏิกิริยาหนึ่งจะปล่อยออกซิเจน ส่วนอีกปฏิกิริยาหนึ่งจะสร้างไฮโดรเจน สารกึ่งตัวนำเป็นแหล่งพลังงาน ขณะที่ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยลดพลังงานกั้นของแต่ละปฏิกิริยา ไฮโดรเจนเป็นตัวพาพลังงานสำหรับเซลล์เชื้อเพลิง และเป็นวัตถุดิบสะอาดสำหรับการผลิตแอมโมเนีย เหล็ก และการกลั่น

การเปลี่ยน CO2 เป็นเชื้อเพลิงใช้แนวทางเดียวกัน ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ออกแบบเฉพาะจะกำหนดทิศทางให้อิเล็กตรอนเปลี่ยน CO2 เป็นคาร์บอนมอนอกไซด์ กรดฟอร์มิก หรือเมทานอล อุปกรณ์อาจเป็นโฟโตคะตะลิสต์ชนิดผง เซลล์โฟโตอิเล็กโทรเคมีที่มีขั้วไฟฟ้าดูดซับแสง หรือระบบอิเล็กโทรคะตะลิติกที่ใช้ไฟฟ้าจากพลังงานหมุนเวียน เป้าหมายยังคงเหมือนเดิม คือการทำงานที่เสถียร มีประสิทธิภาพสูง และมีต้นทุนเหมาะสม

จากความก้าวหน้าในห้องแล็บสู่โครงการจริงในมาเลเซีย

CONNECT เชื่อมโยงการค้นพบสู่การนำไปใช้จริงผ่านความร่วมมือกับภาคอุตสาหกรรมและภาครัฐ ในเดือนสิงหาคม 2024 มหาวิทยาลัยเซียะเหมิน มาเลเซียประกาศว่า ศาสตราจารย์องได้รับทุนจากเวทีหารือความร่วมมือระหว่าง PETRONAS กับสถาบันการศึกษา มูลค่ากว่า 1 ล้านริงกิตมาเลเซีย โครงการนี้มีเป้าหมายใช้การสังเคราะห์แสงเทียมพลังงานแสงอาทิตย์เปลี่ยน CO2 จากการเผาทิ้งก๊าซที่สถานีรับก๊าซบนบกให้เป็นสารเคมีมูลค่าสูง โดยมุ่งแก้ปัญหาแหล่งกำเนิดการปล่อยมลพิษจากภาคอุตสาหกรรมโดยตรง

โครงการของ PETRONAS คัดเลือก 61 โครงการจากผู้สมัคร 588 รายในมหาวิทยาลัย 25 แห่ง สำหรับ CONNECT ทุนนี้ช่วยเสริมผลงานที่มีทั้งระบบต้นแบบเปลี่ยนแสงอาทิตย์เป็นไฮโดรเจนซึ่งตั้งเป้าแล้วเสร็จภายในกลางปี 2026 ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ออกแบบมาเพื่อลดก๊าซเรือนกระจก และกระบวนการเปลี่ยนของเสียจากน้ำมันปาล์มเป็นกราฟีนและไฮโดรเจนสีเขียว แนวคิดที่เชื่อมโยงความพยายามเหล่านี้คือการนำตัวเร่งปฏิกิริยานาโนที่มีศักยภาพออกจากการทดสอบในห้องแล็บที่ควบคุมสภาพแวดล้อม ไปสู่อุปกรณ์ทนทานที่ทำงานกลางแจ้งได้

วิทยาศาสตร์เบื้องหลังตัวเร่งปฏิกิริยา

การสังเคราะห์แสงเทียมตั้งอยู่บนเสาหลักสามประการ ได้แก่ วัสดุที่ดูดซับแสง โครงสร้างที่แยกประจุออกจากกัน และตำแหน่งเร่งปฏิกิริยาที่ทำให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้นได้รวดเร็วและเลือกจำเพาะ งานวิจัยของ CONNECT พัฒนาเสาหลักเหล่านี้ด้วยการผสานวัสดุสองมิติ รอยต่ออัจฉริยะ และตำแหน่งบนพื้นผิวที่ใช้ธาตุซึ่งมีอยู่มากในธรรมชาติ

วัสดุสองมิติและเฮเทอโรสตรักเจอร์

วัสดุสองมิติ ตั้งแต่แผ่นคาร์บอนคล้ายกราฟีนไปจนถึงไดแชลโคจีไนด์ของโลหะทรานซิชัน เป็นเส้นทางบางเฉียบให้ประจุเคลื่อนที่ การวางแผ่นวัสดุ 2 มิติซ้อนกันจะสร้างรอยต่อขนาดใหญ่ ซึ่งเป็นบริเวณที่อิเล็กตรอนและโฮลแยกออกจากกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ การเลือกวัสดุเป็นคู่ที่มีระดับพลังงานแถบสอดคล้องกับการแยกน้ำหรือการรีดิวซ์ CO2 ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเฮเทอโรสตรักเจอร์ 2 มิติซ้อน 2 มิติ โดยไม่ต้องพึ่งธาตุหายาก

การถ่ายโอนประจุแบบ Z-scheme และ S-scheme

การสังเคราะห์แสงตามธรรมชาติใช้ขั้นตอนรับแสงสองขั้น ซึ่งมักวาดเป็นรูปตัว Z เพื่อสร้างประจุพลังงานสูง อุปกรณ์เทียมเลียนแบบหลักการดังกล่าวด้วยการออกแบบแบบ Z-scheme และ S-scheme โดยเชื่อมตัวดูดซับแสงสองชนิดเข้าด้วยกันเพื่อให้เหลือเฉพาะอิเล็กตรอนที่มีความสามารถในการรีดิวซ์สูงสุดและโฮลที่มีความสามารถในการออกซิไดซ์สูงสุด ส่วนตัวพาประจุที่อ่อนกว่าจะหักล้างกัน การรักษาประจุที่มีความว่องไวสูงสุดไว้ช่วยให้ปฏิกิริยาที่ทำได้ยากเกิดขึ้นดีขึ้น และลดปฏิกิริยาข้างเคียง

คาร์ไบด์ของโลหะและวัสดุ MXene

คาร์ไบด์ของโลหะทรานซิชัน รวมถึง MXene มีทั้งการนำไฟฟ้าสูงและพื้นผิวที่ปรับแต่งได้ วัสดุเหล่านี้ใช้เป็นตัวดูดซับแสงหรือเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเสริม ซึ่งช่วยเร่งขั้นตอนสำคัญและกำหนดความเลือกจำเพาะ MXene ผลิตด้วยการกัดสารตั้งต้นแบบชั้นเพื่อให้ได้แผ่นนำไฟฟ้า หมู่ฟังก์ชันบนพื้นผิวซึ่งขึ้นอยู่กับวิธีสังเคราะห์มีผลต่อความสามารถในการดูดซับโมเลกุลและถ่ายโอนประจุ ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญต่อการผลิตเชื้อเพลิงแสงอาทิตย์ที่มีเสถียรภาพและประสิทธิภาพสูง

เปลี่ยนของเสียเป็นมูลค่าด้วยแสงและเคมีอัจฉริยะ

พลาสติกช่วยอำนวยความสะดวก แต่ก็ก่อให้เกิดปัญหาขยะ การเพิ่มมูลค่าพลาสติกด้วยปฏิกิริยาโฟโตคะตะลิติกและอิเล็กโทรคะตะลิติกเป็นแนวทางแก้ปัญหาด้วยเคมีที่มุ่งเป้า ภายใต้แสงหรือพลังงานหมุนเวียน ตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถสลายสายโซ่พอลิเมอร์ยาวและเปลี่ยนเป็นโมเลกุลที่มีประโยชน์ เช่น ฟอร์เมต อะซีเตต แอลกอฮอล์ หรือไฮโดรเจน CONNECT นำแนวทางนี้มาใช้กับเศษวัสดุทางการเกษตรด้วย ภาคอุตสาหกรรมน้ำมันปาล์มของมาเลเซียสร้างของเสียที่มีคาร์บอนสูง ซึ่งสามารถนำไปแปรรูปเป็นกราฟีนและไฮโดรเจนสีเขียว กลุ่มวิจัยระบุว่ามีสิทธิบัตรที่เกี่ยวข้องกับการผลิตกราฟีนและไฮโดรเจนจากไบโอมีเทน แสดงให้เห็นว่ากระแสของเสียสามารถกลายเป็นวัตถุดิบสำหรับผลิตวัสดุและพลังงานได้

ผลิตไฮโดรเจนจากน้ำ จากโต๊ะทดลองสู่ภาคสนาม

การผลิตไฮโดรเจนด้วยแสงอาทิตย์ฟังดูตรงไปตรงมา แต่การนำระบบไปใช้งานกลางแจ้งเป็นเรื่องยาก อุปกรณ์ต้องรับแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ แยกน้ำ รักษาไฮโดรเจนกับออกซิเจนไม่ให้ปะปนกัน และทนต่อความร้อน ฝน และฝุ่นเป็นเวลาหลายเดือน CONNECT กำลังสร้างต้นแบบขนาดใหญ่ขึ้นเพื่อทดสอบในสภาพแวดล้อมภายนอก โดยตั้งเป้าพัฒนาระบบผลิตไฮโดรเจนจากแสงอาทิตย์ที่ใช้งานได้ภายในกลางปี 2026 ซึ่งผสานโฟโตคะตะลิซิสกับโฟโตอิเล็กโทรเคมี

การขยายขนาดมักเผชิญประเด็นสำคัญสองด้าน ประสิทธิภาพที่วัดจากอัตราแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นไฮโดรเจนต้องเพิ่มขึ้น ขณะที่วัสดุยังมีราคาจับต้องได้ ผู้เชี่ยวชาญจำนวนมากมองว่า 10 เปอร์เซ็นต์เป็นเกณฑ์ที่ใช้ได้ในทางปฏิบัติ แม้ต้นทุนจะแตกต่างกันไปตามสถานที่ อีกประเด็นคือความทนทาน ตัวเร่งปฏิกิริยาอาจเสื่อมสภาพเมื่อสัมผัสออกซิเจนและแสงเข้ม น้ำทะเลมีคลอไรด์ ซึ่งอาจกระตุ้นการกัดกร่อนและการเกิดคลอรีน ทีมวิจัยแก้ปัญหานี้ด้วยชั้นป้องกัน เยื่อเลือกผ่าน และสภาวะปฏิกิริยาที่เอื้อต่อการเกิดไฮโดรเจนและออกซิเจนเท่านั้น

ความสำคัญต่อมาเลเซียและภูมิภาค

มาเลเซียตั้งเป้าปล่อยก๊าซเรือนกระจกสุทธิเป็นศูนย์ภายในปี 2050 ซึ่งจำเป็นต้องมีเชื้อเพลิงสะอาดชนิดใหม่และใช้คาร์บอนอย่างชาญฉลาดยิ่งขึ้น การสังเคราะห์แสงเทียมเชื่อมโยงกับเป้าหมายสำคัญหลายด้านของประเทศ ไฮโดรเจนสามารถเสริมความมั่นคงให้พลังงานหมุนเวียนและลดการปล่อยมลพิษจากอุตสาหกรรม การเปลี่ยน CO2 จากการเผาทิ้งหรือจากกระบวนการผลิตให้เป็นวัตถุดิบช่วยเปลี่ยนของเสียเป็นมูลค่า การเพิ่มมูลค่าขยะพลาสติกและชีวมวลช่วยลดภาระหลุมฝังกลบและการพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลนำเข้า หน่วยผลิตเชื้อเพลิงจากพลังงานแสงอาทิตย์แบบโมดูลาร์อาจช่วยจ่ายพลังงานให้โรงเรียน คลินิก และธุรกิจขนาดเล็กในพื้นที่ห่างไกลที่การขยายโครงข่ายไฟฟ้าทำได้ช้า

ความร่วมมือ บุคลากร และเครื่องมือดิจิทัลช่วยเร่งความก้าวหน้า

CONNECT เดินหน้าด้วยความร่วมมือกับ PETRONAS Research และโครงการเทคโนโลยีระดับชาติ พร้อมผสานความเชี่ยวชาญด้านเคมี วัสดุศาสตร์ วิศวกรรม และวิทยาศาสตร์ข้อมูล ทฤษฎีฟังก์ชันนัลของความหนาแน่นและแมชชีนเลิร์นนิงช่วยคัดกรองตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นไปได้หลายพันชนิด ก่อนเลือกเพียงบางชนิดไปสร้างในห้องแล็บ ช่วยประหยัดทั้งเวลาและต้นทุน ศาสตราจารย์องให้คำปรึกษาแก่นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาและนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่มีจำนวนเพิ่มขึ้น การได้รับการยอมรับในฐานะนักวิจัยที่มีผลงานถูกอ้างอิงสูง และการติดรายชื่อ 2% ของนักวิทยาศาสตร์ชั้นนำของโลก ตอกย้ำผลกระทบจากงานวิจัย ขณะที่เป้าหมายยังคงเน้นการใช้งานจริง นั่นคืออุปกรณ์ที่ผลิตเชื้อเพลิงสะอาดได้อย่างเชื่อถือภายใต้สภาพแวดล้อมของมาเลเซีย

ความท้าทายที่ยังเหลืออยู่

การสังเคราะห์แสงเทียมน่าจะเข้ามาเสริม ไม่ใช่แทนที่ การผลิตไฮโดรเจนสีเขียวจากอิเล็กโทรไลเซอร์ที่กำลังขยายตัว เส้นทางสู่การใช้งานในวงกว้างยังต้องเพิ่มประสิทธิภาพ ปรับปรุงความทนทาน ลดต้นทุนระบบประกอบ และออกแบบการจัดการก๊าซให้ปลอดภัย ผลิตภัณฑ์จากการแปลง CO2 มักออกมาเป็นส่วนผสมที่ต้องแยกออกจากกัน ส่วนการเพิ่มมูลค่าพลาสติกต้องอาศัยวัตถุดิบที่มีคุณภาพสม่ำเสมอและตัวเร่งปฏิกิริยาที่เลือกจำเพาะ ต้นแบบปี 2026 และโครงการ PETRONAS จะให้ข้อมูลภาคสนามที่ช่วยตัดสินว่าเทคโนโลยีนี้เหมาะจะมีบทบาทอย่างไรในช่วงเปลี่ยนผ่านด้านพลังงานของประเทศ

ประเด็นสำคัญ

• ศาสตราจารย์ ดร. อง วี จุน เป็นหัวหน้า CONNECT ที่มหาวิทยาลัยเซียะเหมิน มาเลเซีย โดยมุ่งเน้นการสังเคราะห์แสงเทียมและนาโนคะตะลิซิส
• ทีมของเขาศึกษาการผลิตไฮโดรเจนจากน้ำ การเปลี่ยน CO2 เป็นเมทานอลและผลิตภัณฑ์อื่น ๆ รวมถึงการเพิ่มมูลค่าพลาสติกด้วยปฏิกิริยาโฟโตคะตะลิติกหรืออิเล็กโทรคะตะลิติก
• ทุนจาก PETRONAS มูลค่ากว่า 1 ล้านริงกิตมาเลเซียในเดือนสิงหาคม 2024 สนับสนุนการเปลี่ยน CO2 จากการเผาทิ้งที่สถานีรับก๊าซบนบกด้วยพลังงานแสงอาทิตย์
• ตั้งเป้าทดสอบต้นแบบระบบผลิตไฮโดรเจนจากแสงอาทิตย์กลางแจ้งในมาเลเซียภายในกลางปี 2026
• เครื่องมือวิจัยประกอบด้วยเฮเทอโรสตรักเจอร์สองมิติ การถ่ายโอนประจุแบบ Z-scheme และคาร์ไบด์ของโลหะ เช่น MXene
• โครงการผลิตไฮโดรเจนจากน้ำทะเลมุ่งแก้ปัญหาการกัดกร่อนจากคลอไรด์และเพิ่มความเลือกจำเพาะเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดคลอรีน
• ความร่วมมือกับภาคอุตสาหกรรมและการใช้ทฤษฎีฟังก์ชันนัลของความหนาแน่นกับแมชชีนเลิร์นนิงช่วยเร่งการค้นหาตัวเร่งปฏิกิริยา
• งานวิจัยสอดคล้องกับเป้าหมายปล่อยก๊าซเรือนกระจกสุทธิเป็นศูนย์ของมาเลเซียภายในปี 2050 และอาจช่วยให้พื้นที่ชนบทเข้าถึงพลังงานได้มากขึ้น