วัสดุพลังงานและตัวเร่งปฏิกิริยา

วัสดุพลังงานและตัวเร่งปฏิกิริยาคือของแข็งที่กักเก็บ เปลี่ยนรูป และแปลงพลังงาน เช่น ขั้วไฟฟ้าแบตเตอรี่ สารดูดซับแสงอาทิตย์ ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบวิวิธพันธ์ และโครงข่ายที่มีรูพรุน ซึ่งองค์ประกอบทางเคมีของวัสดุเหล่านี้เป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพของเทคโนโลยีพลังงานสะอาด

Definition

วัสดุพลังงานและตัวเร่งปฏิกิริยาคือของแข็งเชิงฟังก์ชันที่ออกแบบมาเพื่อกักเก็บพลังงาน เปลี่ยนรูปพลังงานจากรูปแบบหนึ่งไปอีกรูปแบบหนึ่ง หรือเร่งปฏิกิริยาเคมี โดยพฤติกรรมของวัสดุเหล่านี้ถูกควบคุมโดยการเคลื่อนที่ของไอออนและอิเล็กตรอน การดูดซับแสง และปฏิกิริยาของพื้นผิว

Scope

สาขาวิชานี้ครอบคลุมเคมีของวัสดุที่มุ่งเน้นด้านพลังงานและตัวเร่งปฏิกิริยา ได้แก่ วัสดุขั้วไฟฟ้าและอิเล็กโทรไลต์ที่กักเก็บประจุด้วยไฟฟ้าเคมีในแบตเตอรี่; สารดูดซับแสงและวัสดุโฟโตอิเล็กโทรเคมีที่แปลงแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้าหรือเชื้อเพลิง; ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบวิวิธพันธ์ที่มีพื้นผิวช่วยเร่งปฏิกิริยาเคมี; และโครงข่ายโลหะอินทรีย์ที่มีรูพรุน (metal-organic frameworks) ที่ใช้สำหรับการกักเก็บก๊าซ การแยกสาร และการเร่งปฏิกิริยา โดยเชื่อมโยงองค์ประกอบ โครงสร้าง และเคมีพื้นผิวเข้ากับประสิทธิภาพในการกักเก็บและการแปลงพลังงาน

Sub-topics

• วัสดุแบตเตอรี่และอิเล็กโทรด
• วัสดุคะตะไลติกแบบวิวิธพันธ์
• โครงข่ายโลหะอินทรีย์
• วัสดุเซลล์แสงอาทิตย์และพลังงานแสงอาทิตย์

Core questions

• วัสดุขั้วไฟฟ้ากักเก็บและปล่อยประจุในแบตเตอรี่ได้อย่างไร?
• วัสดุดูดซับแสงอาทิตย์และแปลงเป็นไฟฟ้าหรือเชื้อเพลิงได้อย่างไร?
• อะไรทำให้พื้นผิวของแข็งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาแบบวิวิธพันธ์ที่มีประสิทธิภาพ?
• โครงข่ายที่มีรูพรุนกักเก็บก๊าซและเป็นแหล่งกำเนิดปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาได้อย่างไร?

Key concepts

• ขั้วไฟฟ้าแบบอินเตอร์คาเลชัน
• อิเล็กโทรไลต์ของแข็งและของเหลว
• การดูดซับแสงและการแยกประจุ
• การเร่งปฏิกิริยาแบบวิวิธพันธ์
• โครงข่ายที่มีรูพรุน
• ความหนาแน่นพลังงานและประสิทธิภาพ

Key theories

การกักเก็บพลังงานไฟฟ้าเคมีในขั้วไฟฟ้า

แบตเตอรี่แบบชาร์จได้กักเก็บพลังงานโดยการแทรกไอออนกลับเข้าไปในโครงสร้างขั้วไฟฟ้าที่เป็นโฮสต์ ในขณะที่อิเล็กตรอนไหลผ่านวงจรภายนอก; ความจุ แรงดันไฟฟ้า และอายุการใช้งานของวงจรถูกกำหนดโดยโครงสร้างและเคมีรีดอกซ์ของวัสดุขั้วไฟฟ้า

การเก็บเกี่ยวแสงและการแปลงโฟโตอิเล็กโทรเคมี

การแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ใช้วัสดุที่ดูดซับโฟตอนเพื่อสร้างพาหะประจุ ซึ่งจะถูกแยกและรวบรวม; โฟโตอิเล็กโทรดชนิดย้อมสีและสารกึ่งตัวนำแปลงแสงเป็นไฟฟ้าหรือขับเคลื่อนปฏิกิริยาการสร้างเชื้อเพลิง เช่น การแยกน้ำ

Clinical relevance

วัสดุพลังงานและตัวเร่งปฏิกิริยามีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเปลี่ยนผ่านสู่พลังงานที่ยั่งยืน: วัสดุแบตเตอรี่ให้พลังงานแก่ยานยนต์ไฟฟ้าและการกักเก็บพลังงานในโครงข่ายไฟฟ้า วัสดุเซลล์แสงอาทิตย์และโฟโตอิเล็กโทรเคมีแปลงแสงอาทิตย์เป็นพลังงานและเชื้อเพลิง และตัวเร่งปฏิกิริยาและโครงข่ายช่วยให้การผลิตสารเคมี การควบคุมการปล่อยมลพิษ และการดักจับคาร์บอนมีประสิทธิภาพ

History

เคมีของวัสดุเป็นแรงขับเคลื่อนภูมิทัศน์พลังงานสมัยใหม่: การพัฒนาขั้วไฟฟ้าแบบอินเตอร์คาเลชัน (intercalation electrodes) โดย Whittingham, Goodenough และนักวิทยาศาสตร์ท่านอื่น ๆ ในทศวรรษ 1970 และ 1980 ทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นไปได้ เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดย้อมสี (dye-sensitised solar cell) ของ Grätzel ในปี 1991 ได้ปรับเปลี่ยนแนวคิดเกี่ยวกับเซลล์แสงอาทิตย์ และเคมีของตัวเร่งปฏิกิริยาและโครงข่ายที่พัฒนามาหลายทศวรรษได้หล่อหลอมเทคโนโลยีพลังงานสะอาดและเคมีภัณฑ์

Key figures

• John B. Goodenough
• M. Stanley Whittingham
• Michael Grätzel

Seminal works

• armand2008
• gratzel2001
• chu2012

Frequently asked questions

อะไรที่เชื่อมโยงวัสดุแบตเตอรี่ วัสดุเซลล์แสงอาทิตย์ และวัสดุตัวเร่งปฏิกิริยาเข้าไว้ในสาขาเดียวกัน?

ทั้งสามสาขาขึ้นอยู่กับการควบคุมการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและไอออนผ่านของแข็ง และการเกิดปฏิกิริยาเคมีที่พื้นผิวและรอยต่อ หลักการทางเคมีของวัสดุเดียวกัน — เคมีรีดอกซ์ การขนส่ง และปฏิกิริยาของพื้นผิว — เป็นตัวควบคุมการกักเก็บพลังงาน การแปลงแสง และการเร่งปฏิกิริยา

เหตุใดเคมีของวัสดุจึงถูกพิจารณาว่าเป็นกุญแจสำคัญของพลังงานสะอาด?

ประสิทธิภาพและต้นทุนของเทคโนโลยีพลังงานสะอาดมักถูกจำกัดด้วยวัสดุ: ความจุของแบตเตอรี่ ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ หรือกิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยา การปรับปรุงสิ่งเหล่านี้ขึ้นอยู่กับการค้นพบและปรับปรุงวัสดุ ซึ่งเป็นงานของเคมีวัสดุพลังงาน