ทีมนักวิจัยจากสถาบันวิทยาศาสตร์โตเกียว (Science Tokyo) ได้พัฒนาวัสดุชนิดใหม่ที่อาจช่วยยกระดับเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงอย่างก้าวกระโดด วัสดุใหม่นี้ประกอบด้วย รูบิเดียม (Rb) และมีค่าการนำไฟฟ้าสูง ทำให้สามารถขนส่งไอออนออกซิเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น
ศาสตราจารย์ มาซาโตโมะ ยาชิมะ จากภาควิชาเคมี ผู้นำทีมวิจัย เชื่อว่าวัสดุใหม่นี้จะช่วยผลักดันเทคโนโลยีพลังงานสะอาด อย่างเช่น เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็ง (SOFCs) ให้มีความเป็นไปได้ในการใช้งานจริงและมีต้นทุนที่ถูกลง
เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็งโซลูชันพลังงานที่ยืดหยุ่น
SOFCs เป็นเซลล์เชื้อเพลิงประเภทหนึ่งที่สามารถผลิตไฟฟ้าได้จากเชื้อเพลิงหลายชนิด ไม่จำกัดเฉพาะไฮโดรเจนเท่านั้น แต่ยังสามารถใช้ก๊าซธรรมชาติและเชื้อเพลิงอื่น ๆ ได้อีกด้วย ทำให้มีความยืดหยุ่นต่อการใช้งานในโลกแห่งความเป็นจริง
แม้จะฟังดูเป็นเทคโนโลยีที่ยอดเยี่ยม แต่การนำ SOFCs มาใช้งานยังคงมีข้อจำกัดบางประการ เช่น ต้นทุนการผลิตที่สูง ปัญหาความทนทาน และความต้องการอุณหภูมิที่สูงมากในการทำงาน ดังนั้น ทีมนักวิจัยจากญี่ปุ่นจึงมุ่งหาวัสดุใหม่ที่ช่วยให้ไอออนออกซิเจน (O²⁻) เคลื่อนที่ได้รวดเร็วยิ่งขึ้นภายในเซลล์เชื้อเพลิง
รูบิเดียมวัสดุพลิกเกมสำหรับ SOFCs
นักวิจัยเลือกใช้ รูบิเดียม เนื่องจากคุณสมบัติที่โดดเด่นของมัน ซึ่งทำให้เหมาะสมอย่างยิ่งกับการใช้งานในเซลล์เชื้อเพลิง
- ประการแรก รูบิเดียมมีขนาดอะตอมที่ค่อนข้างใหญ่ ทำให้มี “พื้นที่ว่าง” ภายในโครงสร้างมากขึ้น ซึ่งช่วยให้ไอออนออกซิเจนเคลื่อนที่ได้สะดวก
- ประการที่สอง รูบิเดียมมีพลังงานกระตุ้น (activation energy) ต่ำ ซึ่งหมายความว่าต้องใช้พลังงานน้อยลงในการกระตุ้นให้ไอออนเคลื่อนที่
หลังจากสังเคราะห์สารประกอบ ทีมวิจัยพบว่ามันมีค่าการนำไอออนออกซิเจนสูงกว่า วัสดุ SOFC ทั่วไป (yttria-stabilized zirconia) ถึง 29 เท่า ที่อุณหภูมิ 572°F (300°C) นอกจากนี้ยังพบว่าโครงสร้างผลึกภายในวัสดุ โดยเฉพาะรูปแบบของโมเลกุล MoO₄ tetrahedral units มีส่วนช่วยให้ไอออนออกซิเจนเคลื่อนที่ได้ดีขึ้น
ผลการทดลองยังแสดงให้เห็นว่าวัสดุชนิดนี้มี เสถียรภาพสูงในสภาวะต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นอุณหภูมิสูง อากาศชื้น หรือแม้แต่น้ำ ซึ่งอาจเป็นกุญแจสำคัญที่ช่วยให้ SOFCs ทำงานได้ที่อุณหภูมิต่ำลง ทำให้ต้นทุนลดลง เพิ่มความทนทาน และขยายขีดความสามารถในการใช้งานในด้านพลังงาน
เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้รูบิเดียมอาจเป็นจริงได้ในอนาคต
“ที่น่าประหลาดใจคือ Rb₅BiMo₄O₁₆ มีค่าการนำไอออนออกซิเจนสูงถึง 0.14 mS/cm ที่ 300°C ซึ่งสูงกว่า yttria-stabilized zirconia ถึง 29 เท่า และเทียบเท่ากับวัสดุชั้นนำด้านการนำไอออนออกซิเจนที่มีโครงสร้างเตตระฮีดรอนคล้ายกัน” ศาสตราจารย์ยาชิมะกล่าวถึงผลลัพธ์ที่น่าตื่นเต้นของงานวิจัยนี้
หากการวิจัยเพิ่มเติมสามารถยืนยันผลลัพธ์เหล่านี้ได้ วัสดุที่มีรูบิเดียมเป็นองค์ประกอบอาจมีบทบาทสำคัญในเทคโนโลยีพลังงานสะอาดในอนาคต เช่น เซลล์เชื้อเพลิง, เซ็นเซอร์ก๊าซ และตัวเร่งปฏิกิริยา
วัสดุใหม่นี้อาจปฏิวัติวงการเทคโนโลยีพลังงาน ด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพและลดต้นทุนของ SOFCs ช่วยให้การเปลี่ยนผ่านสู่แหล่งพลังงานที่สะอาดขึ้นเป็นไปได้เร็วขึ้น
“การค้นพบออกไซด์ที่มีรูบิเดียม ซึ่งทั้งมีค่าการนำไอออนออกซิเจนสูงและมีเสถียรภาพดี อาจเปิดประตูสู่แนวทางใหม่ในการพัฒนาออกไซด์นำไอออน” ศาสตราจารย์ยาชิมะกล่าว
“เราคาดหวังว่างานวิจัยนี้จะนำไปสู่การประยุกต์ใช้ใหม่ ๆ เปิดตลาดสำหรับรูบิเดียม และช่วยลดอุณหภูมิในการทำงานของ SOFCs ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนและทำให้เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้เป็นทางเลือกที่เข้าถึงได้ง่ายขึ้น”
**งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Chemistry of Materials. และบทความชิ้นนี้ถูกแปลขึ้นมาใหม่โดยเว็บไซด์หรืองานวิจัยต้นทางไม่มีส่วนเกี่ยวข้องในการตรวจสอบความถูกต้องของบทความ**
