Development of Nanostructured Materials for Removal of Carbon Dioxide and Conversion of Benzyl Alcohol to Benzaldehyde from Industrial Biogas
โดย จิตรลดา คชสีห์
ปี 2564
บทคัดย่อ
การพัฒนาวัสดุโครงสร้างระดับนาโนเพื่อกำจัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากก๊าซชีวภาพสำหรับโรงงานอุตสาหกรรม ด้วยระเบียบวิธีเคมีคำนวณ (Computational Chemistry) พบว่าของเหลวไอออนิก ที่มีองค์ประกอบทางเคมีเป็นสารประกอบอินทรีย์ที่มีประจุสุทธิเป็นบวก และสารประกอบอินทรีย์หรือ สารประกอบอนินทรีย์ที่มีประจุเป็นลบสามารถนำมาใช้ดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในการศึกษานี้ของเหลวไอออนิกถูกแบ่งออกเป็น 4 ชนิดคือ กัวนิดินีน ไฮดรอกซิลแอมโมเนียม อิมิดาโซล และควอเทอร์นารีแอมโมเนียมของเหลวไอออนิกและเลือกใช้ซีโอไลต์ชนิด เบต้า (BEA zeolite) เป็นวัสดุห่อหุ้มของเหลวไอออนิกเพื่อใช้ในการดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ แต่อย่างไรก็ตามพบว่าการดูด ซับดังกล่าวในของเหลวไอออนิกบางชนิดมีพลังงานการดูดซับมากเกิน -30 กิโลแคลลอรี่ต่อโมล ซึ่งนับว่าไม่เหมาะกับการนำไปใช้งานจริงเพราะทำให้เกิดการคายซับ (desorption) ยาก ต้องใช้พลังงานความร้อนเพื่อกระตุ้นให้เกิดการคายซับ ซึ่งเป็นการสิ้นเปลืองพลังงานและค่าใช้จ่าย
นอกจากนี้ระเบียบวิธีทางเคมีควอนตัม (Quantum chemistry) ถูกนำมาใช้ศึกษาการกำจัดเบนซินแอลกอฮอล์ออกจากก๊าซชีวภาพโดยการเปลี่ยนเบนซินแอลกอฮอล์เป็นนเบนซัลดีไฮด์ด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีโครงสร้างระดับนาโนเมตรของ Au[subscript8] และ Au[subscript6]Pd[subscript2] ผลการทดลองเผยให้ทราบว่าปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นได้จาก การกระตุ้นของ O[subscript2] บน Au[subscript8] และ Au[subscript6]Pd[subscript2] เกิดเป็นเปอร์ออกไซด์ไลทต์สปเชีย์ (Peroxide-like spesies) และนำไปสู่การดึงอะตอมไฮโดรเจนของเบนซินแอลกอฮอล์จำนวนสองอะตอมจนเกิดเป็นเบนซัลดีไฮด
ผลการวิจัยนี้แสดงว่าบทบาทของพาลาเดียมในการทำปฏิกิริยานี้คือเพิ่มการกระจายตัวของ อิเล็กตรอนจากพาราเดียมไปสูงอะตอมของทองที่ใกล้ที่สุดซึ่งจะช่วยกระตุ้น O[subscript2] ได้ดีมากยิ่งขึ้น พาลาเดียมช่วยทำให้สภาวะทรานซิชัน (Transition state) มีความเสถียรมากขึ้น ส่งผลให้พลังงานการกระตุ้น (E[subscripta]) ของ การเกิดปฏิกิริยาที่เกิดบน Au[subscript6]Pd[subscript2] ต่ำกว่าปฏิกิริยาที่เกิดบน Au[subscript8]
Abstract
The development of nanostructured materials for removal of carbon dioxide has been performed by mean of the computational chemistry. It is found that the ionic liquid which possesses of organic anion compounds and organic/inorganic cation compounds are able to efficiently adsorb carbon dioxide. In this study, the ionic liquids have been classified into four groups; The guanidinium-based ionic liquid, the hydroxyl-based ionic liquid, the imidazole-based ionic liquid and the quaternary-based ionic liquid.The selected ionic liquids have been encapsulated by the beta zeolite (BEA) for the calculation of carbon dioxide adsorption. Nevertheless, it is found that some ionic liquids adsorb carbon dioxide with a strong interaction with the calculated adsorption energy above -30 kcal/mol. This results suggest that it is unwise to use those ionic liquid because it apparently needs the energy consumption process to desorb carbon dioxide.
Furthermore, the quantum chemistry has been performed to investigate the possibility to remove the benzyl alcohol from biogas. It is revealed that the benzyl alcohol could be transformed to the benzaldehyde on nanostructured gold and gold/palladium (Au[subscript8] and Au[subscript6]Pd[subscript2]). The reaction is initiated by the oxygen activation on Au[subscript8]and Au[subscript6]Pd[subscript2] results in the formation of the Peroxide-like species and leading to the hydrogen abstraction form benzyl alcohol to form benzaldehyde.
This study showed that the role of palladium is directly involved the electron contribution from palladium to the next nearest gold atoms which enhance the O[subscript2] activation. Moreover, we found that the palladium stabilizes the transition states leading to the low activation energies (E[subscripta] ) throughout the reaction pathway on Au[subscript6]Pd[subscript2] than those of observed on Au[subscript8].