การศึกษาแบบจำลองโมเลกุลของวัสดุโครงข่ายโลหะ-สารอินทรีย์ฐานเซอร์โคเนียมเพื่อปรับปรุงความสามารถดูดซับและเร่งปฏิกิริยารีดักชันเชิงแสงของคาร์บอนไดออกไซด์

Abstract

การพัฒนาเทคโนโลยีการกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์เพื่อลดการปล่อยแก๊สเรือนกระจกสู่ชั้นบรรยากาศและป้องกันภาวะโลกร้อนเป็นสิ่งจำเป็น การนำวัสดุโครงข่ายโลหะสารอินทรีย์ (Metal-organic Frameworks, MOFs) ดูดซับและเร่งปฏิกิริยารีดักชันเชิงแสงของคาร์บอนไดออกไซด์เป็นหนึ่งแนวทางแก้ไขที่ได้รับความสนใจเนื่องจากมีพื้นที่ผิวและความพรุนสูง สามารถปรับแต่งโครงสร้างของลิแกนด์และโลหะเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและมีสมบัติเหมาะสมต่อการใช้งาน โครงการนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาแบบจำลองโมเลกุลของวัสดุโครงข่ายโลหะ-สารอินทรีย์ฐานเซอร์โคเนียม [UIO-66(Zr)] และปรับปรุงโครงสร้างของวัสดุเพื่อพัฒนาสมบัติการดูดซับและเร่งปฏิกิริยารีดักชันเชิงแสงเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนภายใต้รังสีมองเห็นได้ด้วยการคำนวณ ทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่น (DFT calculation) โดยศึกษาผลของการปรับปรุงลิแกนด์จากการเพิ่มหมู่ฟังก์ชันเอมีน (Amine Functionalized) ของกรดเทอเรฟทาลิก (Terephthalic acid) 2 ชนิด ได้แก่ เอมีน 2-อะมิโนเทเรฟทาเลต (2-Aminoterephthalate, ATA) และ 2,5-ไดอะมิโนเทเรฟทาเลต (2,5-diaminoterephthalate, DTA) รวมถึงผลของความไม่สมบูรณ์ของผลึก (Defect Structure) ที่ส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงความสามารถในการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์และสมบัติเชิงแสงและอิเล็กทรอนิกส์ ผลการจำลองพบว่าการปรับปรุงลิแกนด์โดยการเพิ่มหมู่ฟังก์ชันเอมีนทำให้เกิดการสร้างแถบพลังงานแทรกที่โครงสร้างแถบพลังงานของแถบเวเลนซ์และแถบตัวนำ ส่งผลทำให้ช่องว่างระหว่างแถบพลังงานกระตุ้นลดลงจึงเป็นการเพิ่มความสามารถในการดูดกลืนรังสีในช่วงตามองเห็นได้ (Visible light irradiation) และส่งผลทำให้อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นมีแนวโน้มในการถ่ายโอนและกระจายอยู่บนโครงสร้างของลิแกนด์เป็นหลัก ผลของการเกิดความไม่สมบูรณ์ของผลึกมีผลทำให้เกิดการสร้างออร์บิทัลอะตอม d-orbital ของเซอร์โครเนียมเพิ่มขึ้นที่แถบตัวนำในโครงสร้างแถบพลังงานและมีแนวโน้มในการถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปยังกลุ่มโลหะเซอร์โคเนียมเกิดการกระตุ้นให้กลุ่มโลหะเซอร์โคเนียมทำหน้าที่เป็นตำแหน่งกัมมันต์ที่ว่องไวสามารถเกิดปฏิกิริยารีดักชันคาร์บอนไดออกไซด์ได้ดี