นิกเกิลมีหน้าที่อะไร?

หน้าที่หลักของ นิกเกิล

นิกเกิลทำหน้าที่พื้นฐานสามประการในโดเมนที่แตกต่างกัน: การผลิตภาคอุตสาหกรรม (72% ของการผลิตทั่วโลก) , การจัดเก็บพลังงานในแบตเตอรี่ และ บทบาททางชีววิทยาที่สำคัญในการเผาผลาญของมนุษย์ . ในอุตสาหกรรม หน้าที่หลักของนิกเกิลคือการสร้างเหล็กกล้าไร้สนิมที่ทนต่อการกัดกร่อน ซึ่งคิดเป็นประมาณ 70% ของการใช้นิกเกิลทั้งหมดทั่วโลก ในภาคพลังงาน นิกเกิลทำหน้าที่เป็นวัสดุแคโทดที่สำคัญในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน โดยแบตเตอรี่นิกเกิล-โคบอลต์-แมงกานีส (NCM) มีนิกเกิลสูงถึง 80% ในทางชีววิทยา นิกเกิลทำหน้าที่เป็นปัจจัยร่วมสำหรับเอนไซม์จำเพาะ แม้ว่าจำเป็นในปริมาณเพียงเล็กน้อยเท่านั้น 100-300 ไมโครกรัมต่อวัน .

ฟังก์ชั่นทางอุตสาหกรรม: หัวใจสำคัญของการผลิตสมัยใหม่

การผลิตสแตนเลส

หน้าที่เด่นของนิกเกิลคือการผสมกับเหล็กและโครเมียมเพื่อผลิตเหล็กกล้าไร้สนิม โดยทั่วไปเนื้อหานิกเกิลจะมีตั้งแต่ 8% ถึง 12% ในสเตนเลสออสเทนนิติก โดยให้:

• ต้านทานการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยมในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง
• มีเสถียรภาพในอุณหภูมิสูงถึง 1,000°C
• ความสามารถในการขึ้นรูปและการเชื่อมที่เหนือกว่า
• ความเหนียวแบบไครโอเจนิกส์สำหรับการใช้งานในสภาวะเย็นจัด

โลหะผสมประสิทธิภาพสูง

นอกเหนือจากเหล็กกล้าไร้สนิมแล้ว นิกเกิลยังทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบพื้นฐานในซูเปอร์อัลลอยที่ใช้ในเครื่องยนต์ไอพ่นและกังหันผลิตไฟฟ้า โลหะผสมเหล่านี้ประกอบด้วย นิกเกิล 50-70% และทนอุณหภูมิได้เกิน 1,200°C โดยยังคงความสมบูรณ์ของโครงสร้างไว้

การชุบและการรักษาพื้นผิว

การชุบนิเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าจะมีการเคลือบสม่ำเสมอตั้งแต่ ความหนา 5 ถึง 25 ไมโครเมตร ให้ความต้านทานการสึกหรอและการกัดกร่อนสำหรับชิ้นส่วนยานยนต์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และอุปกรณ์แปรรูปทางเคมี

ฟังก์ชั่นการจัดเก็บพลังงาน: ขับเคลื่อนการปฏิวัติทางไฟฟ้า

วัสดุแคโทดแบตเตอรี่

การทำงานของนิกเกิลในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีความสำคัญมากขึ้นเนื่องจากความต้องการความหนาแน่นของพลังงานเพิ่มขึ้น การเปลี่ยนจาก NCM 111 (นิกเกิล โคบอลต์ แมงกานีสในสัดส่วนเท่ากัน) มาเป็น NCM 811 (นิกเกิล 80%, โคบอลต์ 10%, แมงกานีส 10%) แสดงให้เห็นถึงความสำคัญที่เพิ่มขึ้นของนิกเกิล

แบตเตอรี่นิกเกิลเมทัลไฮไดรด์

ก่อนการครอบงำของลิเธียมไอออน แบตเตอรี่นิกเกิลเมทัลไฮไดรด์ (NiMH) ขับเคลื่อนรถยนต์ไฮบริด เช่น Toyota Prius แบตเตอรี่เหล่านี้ใช้ นิกเกิล 30-40% โดยน้ำหนัก ในขั้วไฟฟ้าบวกและยังคงเกี่ยวข้องกับการใช้งานการจัดเก็บแบบอยู่กับที่

หน้าที่ทางชีวภาพ: ธาตุที่จำเป็น

บทบาทของโคแฟคเตอร์ของเอนไซม์

นิกเกิลทำหน้าที่เป็นปัจจัยร่วมที่สำคัญสำหรับเอนไซม์โลหะจำเพาะในพืช แบคทีเรีย และสัตว์บางชนิด:

• ยูเรีย: เร่งปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสของยูเรีย ซึ่งมีความสำคัญต่อการเผาผลาญไนโตรเจนในพืช
• ไฮโดรเจน: อำนวยความสะดวกในการเกิดออกซิเดชันของไฮโดรเจนในแบคทีเรียและอาร์เคีย
• คาร์บอนมอนอกไซด์ดีไฮโดรจีเนส: ช่วยให้เกิดการเผาผลาญคาร์บอนมอนอกไซด์ในจุลินทรีย์
• เมทิลโคเอ็นไซม์เอ็ม รีดักเตส: จำเป็นสำหรับการผลิตมีเทนในอาร์เคีย

ข้อกำหนดทางโภชนาการของมนุษย์

ในขณะที่การทำงานทางชีวเคมีที่แน่นอนของนิกเกิลในมนุษย์ยังคงอยู่ภายใต้การตรวจสอบ คำแนะนำการบริโภคอาหารแนะนำ 100-300 ไมโครกรัมต่อวัน . นิกเกิลอาจส่งผลต่อการดูดซึมธาตุเหล็กและทำหน้าที่เป็นปัจจัยร่วมสำหรับเอนไซม์บางชนิด แม้ว่าอาการขาดจะพบได้น้อยเนื่องจากมีอยู่ในอาหารอย่างกว้างขวาง

ฟังก์ชันการเร่งปฏิกิริยาทางเคมี

ปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชัน

Raney Nickel ซึ่งเป็นโลหะผสมนิกเกิล-อะลูมิเนียมที่มีรูพรุน ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับเติมไฮโดรเจนในน้ำมันพืชเพื่อผลิตมาการีนและทำให้สั้นลง ตัวเร่งปฏิกิริยานี้ทำงานที่ 120-180°ซ และความดันไฮโดรเจนของ 1-5 บรรยากาศ โดยเปลี่ยนกรดไขมันไม่อิ่มตัวให้อยู่ในรูปแบบอิ่มตัว

การกลั่นปิโตรเลียม

ตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิลทำงานในกระบวนการไฮโดรเดสซัลเฟอร์ไรเซชัน โดยกำจัดสารประกอบซัลเฟอร์ออกจากน้ำมันดิบ โดยทั่วไปตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้ประกอบด้วย นิกเกิล 3-5% รองรับอลูมินา โดยประมวลผลหลายล้านบาร์เรลต่อวันเพื่อให้เป็นไปตามกฎระเบียบด้านสิ่งแวดล้อมที่จำกัดปริมาณกำมะถัน น้อยกว่า 10 ส่วนในล้านส่วน ในเชื้อเพลิงการขนส่ง

คำถามที่พบบ่อย: คำถามทั่วไปเกี่ยวกับฟังก์ชันนิกเกิล

เหตุใดนิกเกิลจึงไม่สามารถทดแทนได้ในสแตนเลส

โครงสร้างผลึกลูกบาศก์ที่มีใบหน้าเป็นศูนย์กลางอันเป็นเอกลักษณ์ของนิกเกิลให้ความเสถียรแบบออสเทนนิติก ซึ่งป้องกันการเปลี่ยนแปลงของมาร์เทนซิติกระหว่างการเชื่อมหรือการทำงานเย็น ไม่มีองค์ประกอบอื่นใดที่ให้ความต้านทานการกัดกร่อน ความเหนียว และความเหนียวที่เหมือนกันในราคาที่เทียบเคียงได้ การทดแทนแมงกานีสหรือไนโตรเจนสามารถทดแทนนิกเกิลได้บางส่วน แต่ส่งผลให้เกิด ประสิทธิภาพลดลง 15-20% ในการใช้งานที่สำคัญ

นิกเกิลปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่อย่างไร

นิกเกิลทำหน้าที่โดยให้ความจุจำเพาะที่สูงกว่า (200-220 mAh/g) เมื่อเทียบกับโคบอลต์ (140-150 mAh/g) หรือแมงกานีส การเพิ่มปริมาณนิกเกิลจาก NCM 111 เป็น NCM 811 จะช่วยเพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน 60-75% ขยายระยะทางของรถยนต์ไฟฟ้าโดยตรงจาก 300 กม. เป็นมากกว่า 500 กม. ต่อการชาร์จหนึ่งครั้ง

นิกเกิลมีความจำเป็นต่อสุขภาพของมนุษย์หรือไม่?

หลักฐานปัจจุบันชี้ให้เห็นว่านิกเกิลทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบอัลตราเทรซที่มีประโยชน์มากกว่าที่จำเป็นอย่างยิ่ง การศึกษาในสัตว์ทดลองระบุว่าการขาดนิกเกิลอาจทำให้การเจริญเติบโตและการทำงานของระบบสืบพันธุ์ลดลง แต่ยังไม่มีการบันทึกอาการขาดธาตุที่ชัดเจนในมนุษย์ ขีดจำกัดความปลอดภัยสูงสุดถูกกำหนดไว้ที่ 1 มิลลิกรัมต่อวัน เพื่อป้องกันพิษ

อะไรเป็นตัวกำหนดฟังก์ชันการเร่งปฏิกิริยาของนิกเกิล

ฟังก์ชันการเร่งปฏิกิริยาของนิกเกิลเกิดขึ้นจากการกำหนดค่าดี-อิเล็กตรอนและความสามารถในการดูดซับไฮโดรเจนบนพื้นผิว ที่ พื้นที่ผิวจำเพาะ 50-100 ตร.ม./กรัม ใน Raney Nickel มีตำแหน่งออกฤทธิ์มากมายสำหรับปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชัน ในขณะที่พลังงานจับกับไฮโดรเจนในระดับปานกลางช่วยให้สามารถหมุนเวียนตัวเร่งปฏิกิริยาได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ฟังก์ชันในอนาคต: แอปพลิเคชันเกิดใหม่

แบตเตอรี่โซลิดสเตต

แบตเตอรี่โซลิดสเตตยุคหน้ามีแนวโน้มที่จะเพิ่มการทำงานของนิกเกิลต่อไป บริษัทต่างๆ เช่น Toyota และ QuantumScape ดำเนินโครงการที่มีแคโทดอุดมด้วยนิกเกิล นิกเกิล 90% จับคู่กับอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง อาจมีความหนาแน่นของพลังงานเกิน 400 Wh/kg

การผลิตไฮโดรเจนสีเขียว

นิกเกิลทำหน้าที่เป็นวัสดุอิเล็กโทรดที่สำคัญในอิเล็กโทรไลเซอร์อัลคาไลน์สำหรับการแยกน้ำ อิเล็กโทรดเหล็กเคลือบนิกเกิลใช้งานได้ มากกว่า 60,000 ชั่วโมง ในอิเล็กโทรไลเซอร์อุตสาหกรรม โดยการวิจัยมุ่งเน้นไปที่ตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิล-เหล็กเพื่อทดแทนโลหะกลุ่มแพลตตินัมที่มีราคาแพงในระบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน

เทคโนโลยีการดักจับคาร์บอน

กรอบโครงสร้างโลหะ-อินทรีย์ (MOF) ที่มีนิกเกิลเป็นองค์ประกอบหลักและตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิลอะตอมเดี่ยวแสดงให้เห็นถึงแนวโน้มในการลดคาร์บอนไดออกไซด์ทางเคมีไฟฟ้า วัสดุเหล่านี้แสดงให้เห็น ประสิทธิภาพฟาราดาอิกเกิน 90% สำหรับการแปลง CO2 ไปเป็นคาร์บอนมอนอกไซด์หรือฟอร์เมต ซึ่งอาจช่วยให้สามารถผลิตเชื้อเพลิงที่ปล่อยคาร์บอนเป็นกลางได้