Electrosynthesis คืออะไร? เทคโนโลยีเคมีสีเขียวที่กำลังเปลี่ยนอุตสาหกรรมเคมี

Electrosynthesis คืออะไร ?

Electrosynthesis คือแนวทางการสังเคราะห์สารเคมีโดยใช้ พลังงานไฟฟ้าเป็นตัวขับเคลื่อนปฏิกิริยาเคมี แทนการใช้สารรีเอเจนต์จำนวนมากแบบกระบวนการสังเคราะห์ดั้งเดิม ในระบบนี้อิเล็กตรอนจากกระแสไฟฟ้าจะทำหน้าที่เป็นตัวรีดิวซ์หรือออกซิไดซ์ ทำให้สามารถควบคุมปฏิกิริยาได้อย่างแม่นยำ ลดการใช้สารเคมีอันตราย และลดของเสียจากกระบวนการผลิต

ด้วยเหตุนี้ Electrosynthesis จึงถูกมองว่าเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีสำคัญของ Green Chemistry ที่ช่วยให้การผลิตสารเคมีมีความยั่งยืนมากขึ้น ทั้งในด้านต้นทุน ความปลอดภัย และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

Electrocatalytic Oxidation

Electrocatalytic Oxidation เป็นกระบวนการออกซิเดชันที่เกิดขึ้นบนผิวตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้า (electrocatalyst) โดยใช้กระแสไฟฟ้าเป็นตัวกระตุ้น ปฏิกิริยานี้สามารถใช้ทั้งใน การกำจัดมลพิษและการสังเคราะห์สารเคมี

ข้อดีสำคัญของ Electrocatalytic Oxidation คือ ความสามารถในการควบคุม selectivity ของปฏิกิริยา เนื่องจากในระบบ electrocatalysis สามารถควบคุมค่า

electrode potential
current density

ได้อย่างแม่นยำ ทำให้ปฏิกิริยาเกิดเฉพาะในช่วงพลังงานที่ต้องการ

ตัวอย่างเช่น

Alcohol → Aldehyde

โดยสามารถควบคุมไม่ให้เกิด การออกซิไดซ์ต่อไปเป็น Carboxylic acid ได้ง่ายกว่า

ในขณะที่สารออกซิไดซ์แบบดั้งเดิม เช่น

KMnO₄ (Potassium permanganate)
CrO₃ (Chromium trioxide)

มักทำให้เกิด over-oxidation ได้ง่าย

Electrocatalytic Reduction

Electrocatalytic Reduction เป็นปฏิกิริยาที่ใช้กระแสไฟฟ้าเป็นแหล่งของอิเล็กตรอน เพื่อทำให้โมเลกุลเกิดปฏิกิริยารีดักชัน โดยมี electrocatalyst ที่ผิว electrode ช่วยเร่งปฏิกิริยา

หลักการพื้นฐานคือ

R + e⁻ → Reduced product

เทคนิคนี้กำลังได้รับความสนใจมากในงาน Electrosynthesis เพราะสามารถแทนที่การใช้สารรีดิวซ์หรือโลหะมีค่าที่มีราคาแพง เช่น

Hydrogen gas + catalyst ภายใต้ความดันสูง
Metal hydride เช่น LiAlH₄ หรือ NaBH₄
Pd/C hydrogenation

ซึ่งหลายกระบวนการมีต้นทุนสูง อันตราย และก่อให้เกิดของเสียจำนวนมาก

Electrocatalytic Reduction ในการลดมลพิษ

Electrocatalytic Reduction ยังถูกนำมาใช้ในการ กำจัดมลพิษในสิ่งแวดล้อม โดยใช้ไฟฟ้าและตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเปลี่ยนสารปนเปื้อนให้กลายเป็นสารที่มีอันตรายน้อยลง

หลักการคือการใช้อิเล็กตรอนจากกระแสไฟฟ้าเพื่อลดโมเลกุลของสารปนเปื้อน

ตัวอย่างปฏิกิริยา เช่น

nitrate reduction
CO₂ reduction
dechlorination ของสารอินทรีย์คลอรีน

ข้อดีสำคัญของกระบวนการนี้คือสามารถ ลดการใช้โลหะมีค่าราคาแพง เช่น Pd/C เนื่องจากพลังงานจากกระแสไฟฟ้าทำหน้าที่เป็นตัวขับเคลื่อนปฏิกิริยาแทน

งานวิจัยจำนวนมากจึงพยายามใช้โลหะที่มีราคาถูกกว่า เช่น

Ni (Nickel)
Cu (Copper)
Fe (Iron)
Co (Cobalt)

เป็น electrocatalyst แทน

Hydrogen Evolution Reaction

Hydrogen Evolution Reaction (HER) คือปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีที่เปลี่ยนน้ำหรือโปรตอนให้กลายเป็น ก๊าซไฮโดรเจน (H₂) โดยเกิดที่ขั้วแคโทดของระบบอิเล็กโทรไลซิส

สมการพื้นฐานคือ

2H⁺ + 2e⁻ → H₂

HER เป็นปฏิกิริยาสำคัญในกระบวนการ water electrolysis สำหรับการผลิตไฮโดรเจนพลังงานสะอาด

กลไกของปฏิกิริยาประกอบด้วยสามขั้นตอนหลัก

Volmer step

H⁺ + e⁻ → H*

อะตอมไฮโดรเจนถูกดูดซับบนผิว catalyst

Heyrovsky step

H* + H⁺ + e⁻ → H₂

เกิดก๊าซไฮโดรเจน

Tafel step

H* + H* → H₂

อะตอมไฮโดรเจนสองตัวรวมกันเป็น H₂

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพสูงที่สุดคือ Platinum (Pt) แต่มีราคาแพง จึงมีการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาทางเลือก เช่น

Nickel (Ni)
Molybdenum sulfide (MoS₂)
Cobalt phosphide
Iron-based catalyst

Electrochemical Coupling

Electrochemical Coupling เป็นปฏิกิริยาที่ใช้ไฟฟ้าเพื่อกระตุ้นให้โมเลกุลสองตัวเกิดการเชื่อมพันธะกัน โดยไม่จำเป็นต้องใช้สารรีเอเจนต์รีดิวซ์หรือออกซิไดซ์จำนวนมาก

หลักการคือการใช้ไฟฟ้าเพื่อสร้าง reactive intermediate เช่น radical หรือ ion แล้วให้ intermediate เหล่านี้ทำปฏิกิริยากัน

ตัวอย่างเช่น

R–X + R–X + 2e⁻ → R–R + 2X⁻

ปฏิกิริยาที่สำคัญ เช่น

Kolbe electrolysis

2RCOO⁻ → R–R + 2CO₂

ใช้สร้าง alkane จาก carboxylate

นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในการสร้างพันธะสำคัญ เช่น

C–C bond formation
C–N coupling

ซึ่งมีความสำคัญมากใน การสังเคราะห์สารอินทรีย์และยา

Electrochemical Functionalization

Electrochemical Functionalization คือการใช้ไฟฟ้าเพื่อเติมหรือเปลี่ยน หมู่ฟังก์ชัน (functional group) ในโมเลกุลอินทรีย์ โดยเกิดผ่าน reactive intermediate ที่ผิว electrode

กระบวนการนี้ช่วยลดการใช้สารเคมีอันตราย ลดของเสีย และเพิ่มความยั่งยืนในกระบวนการสังเคราะห์สารเคมี

ตัวอย่างเช่น

Electrochemical Amination

เติมหมู่ amine

Ar–H → Ar–NH₂

Electrochemical Carboxylation

เติมหมู่ carboxyl โดยใช้ CO₂

R–X + CO₂ → R–COOH

Electrochemical Halogenation

เติมหมู่ halogen เช่น

Ar–H → Ar–Cl

โดยรวมแล้ว Electrosynthesis กำลังกลายเป็นแนวทางสำคัญของเคมีสมัยใหม่ เนื่องจากสามารถใช้ไฟฟ้าแทนสารเคมีจำนวนมาก ลดต้นทุน ลดของเสีย และสอดคล้องกับแนวคิด Green Chemistry และ Sustainable Chemical Manufacturing

อ้างอิง:

Frontana-Uribe, B. A. et al. (2010).
Organic electrosynthesis: A promising green methodology in organic chemistry.
Green Chemistry, 12(12), 2099–2119.

Hashmi, S. Z. et al. (2024).
Green advancements towards electrochemical synthesis.
RSC Advances.

Zhu, C. et al. (2021).
Organic Electrochemistry: Molecular Syntheses with Potential.
ACS Central Science.

สนใจติดต่อ เวิลด์เคมีคอล กรุ๊ป ผู้นําด้านการจําหน่ายและนำเข้า สารเคมีภัณฑ์ เคมีภัณฑ์อุตสาหกรรม ขนาดใหญ่ และ ขนาดย่อม ประเภท เคมีอุตสาหกรรม เคมีทําความสะอาด เคมีสระว่ายน้ำ เคมีบำบัดน้ำ เคมีงานปั้น-งานหล่อ เคมีอาหาร กลิ่น สารสกัด สี น้ำหอม เคมีเครื่องสำอาง อาทิ กลีเซอรีน โซดาไฟเกล็ด โซเดียมเมต้าไบซัลไฟต์ เอทิลแอลกอฮอล์ ฯลฯ สารพัดด้านเคมี เวิลด์เคมิคอล กรุ๊ป พร้อมให้บริการและให้ปรึกษากับลูกค้าทุกท่าน