เล่นแร่แปรวัสดุตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงแสง

นักวิจัยนาโนเทคค้นพบสูตรการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงแสง ตั้งแต่ 0 ถึง 3 มิติ

ไททาเนียมไดออกไซด์ (TiO2) คือตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงแสงที่ถูกใช้อย่างกว้างขวางที่สุดในเกือบทุกๆ เทคโนโลยีการเก็บเกี่ยวแสงอาทิตย์ เช่น การสังเคราะห์แสงเทียมเลียนแบบพืช (Artificial Photosynthesis) โซลาร์เซลล์ การผลิตก๊าซไฮโดรเจนจากการแยกโมเลกุลน้ำด้วยแสง วัสดุทำความสะอาดตัวเองด้วยแสง วัสดุฆ่าแบคทีเรียด้วยแสง กระจกปรับแสงได้เอง และ เซนเซอร์แสง เป็นต้น ปัจจัยสำคัญที่ทำให้ TiO2 ได้รับความสนใจอย่างมากตลอดมา คือราคาและความทนทาน แต่ TiO2 เองยังคงมีช่องว่างเชิงประสิทธิภาพให้นักวิจัยเชิงวัสดุสามารถพัฒนาให้ดีขึ้นได้อีก

 

ปัจจัยสำคัญที่กำหนดประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงแสง คือ วัสดุต้องมีคุณสมบัติในการขนส่งประจุที่ดี และมีพื้นที่ผิวในการทำปฏิกิริยาสูง แต่เป็นเรื่องที่ยากมากที่ตัวเร่งปฏิกิริยาใดๆจะมีคุณสมบัติทั้งสองประการนี้ดีไปพร้อมๆกันในวัสดุชิ้นเดียว ยกตัวอย่างเช่น วัสดุที่เป็นผลึกเดี่ยว (single-crystalline materials) จะมีการขนส่งประจุที่ดี เนื่องจากมีการจัดเรียงตัวของอะตอมในผลึกอย่างเป็นระเบียบ แต่วัสดุที่เป็นผลึกเดี่ยวมักจะมีพื้นที่ผิวในการทำปฏิกิริยาต่ำ ในทางกลับกัน วัสดุที่เป็นพหุผลึก (poly-crystalline materials) มักจะมีพื้นที่ผิวสูง แต่การจัดเรียงตัวของอะตอมในผลึกไม่เป็นระเบียบ ทำให้การขนส่งประจุไม่ดีและมีประสิทธิภาพโดยรวมต่ำ

 

ถึงแม้การพัฒนาวัสดุที่มีสมบัติทั้งสองที่ดีเลิศจะเป็นเรื่องยาก แต่ไม่ใช่ว่าจะเป็นไปไม่ได้ ดร. ธีระ บุตรบุรี และคณะ จากทีมวิจัย NCAS ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ ร่วมกับพันธมิตรที่ Australian Institute for Bioengineering and Nanotechnology (AIBN) ได้พัฒนาวิธีการสังเคราะห์ TiO2 ที่มีโครงสร้างแบบแตกกิ่ง (branched titanium dioxide nanostructures, BTNs) ซึ่งเป็นโครงสร้างที่พิเศษมาก เพราะแกนกลางของตัวเร่งจะเป็นผลึกเดี่ยวคล้ายลำต้นไม้ซึ่งขนส่งประจุได้ดีเยี่ยม แต่ยังมีกิ่งก้านแตกออกจากลำต้น ซึ่งช่วยเพิ่มพื้นที่ผิวในการทำปฏิกิริยา ทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยานี้มีประสิทธิภาพในการเร่งปฏิกิริยาเชิงแสงที่ยอดเยี่ยม

 

ความโดดเด่นของงานวิจัยนี้ คือทีมวิจัยสามารถสังเคราะห์โครงสร้างซับซ้อนนี้ได้ด้วยการสังเคราะห์เพียงขั้นตอนเดียว โดยใช้สารตั้งต้นที่หาได้ง่ายและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ทีมวิจัยได้บ่มเพาะองค์ความรู้ทางเคมีที่เกี่ยวข้องกับการปลูกผลึก TiO2 มาหลายปี จนเข้าใจถึงกลไกที่อยู่เบื้องหลังการวิวัฒนาการเชิงโครงสร้างของ BTNs อยากลึกซึ้ง จึงสามารถออกแบบและควบคุมให้เกิดรูปร่างและโครงสร้างผลึกได้อย่างหลากหลาย จากแบบศูนย์มิติ (0D) หนึ่งมิติ (1D) และสองมิติ (2D) ตามลำดับ และยังสามารถปลูกโครงสร้างเหล่านี้ลงบนแผนรองรับ กลายเป็น “ป่าต้นไม้นาโน” ที่มีโครงสร้างตามต้องการได้ นับเป็นรายงานครั้งแรกของโลกที่สามารถสร้างป่าต้นไม้นาโน BTNs หลากมิติแบบนี้ได้โดยการสังเคราะห์เพียงขั้นตอนเดียว

 

การค้นพบนี้จึงถูกคาดหมายว่าจะส่งผลกระทบอย่างกว้างขวางต่อศาสตร์หลายแขนงที่เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีการเก็บเกี่ยวแสงอาทิตย์ ผลงานชิ้นนี้จึงได้รับเลือกให้เป็น Hot paper ของหนึ่งในวารสารชั้นนำของโลกด้านเคมีและวัสดุศาสตร์ Journal of Materials Chemistry A และได้รับการไฮไลท์บนหน้าปกของวารสาร พร้อมกันนี้ ดร. ธีระ ยังได้รับเชิญให้เป็นหนึ่งในทีมบรรณาธิการ (Editorial board) ของวารสาร Journal of Materials Chemistry A แสดงให้เห็นถึงความล้ำหน้าทางการวิจัยด้าน Artificial Photosynthesis ของทีมวิจัย NCAS ของเราได้เป็นอย่างดี

 

ติดตามอ่านข่าวสารความคืบหน้างานวิจัยแห่งอนาคตทางเพจ NCAS ของพวกเรา หรือจาก www.nanotec.or.th/ncas และ อ่านผลงานวิจัยชั้นแนวหน้าของ ดร. ธีระ และคณะ เรื่อง “Unveiling General Rules Governing the Dimensional Evolution of Branched Titanium Dioxide and Impacts on Photoelectrochemical Behaviors” ได้ที่ https://doi.org/10.1039/D1TA05218G

เรียบเรียงโดย ดร. ธีระ บุตรบุรี
#NCASresearch #NCASnewarticle #Photocatalysis #ArtificialPhotosynthesis

โพสต์ที่คุณน่าจะสนใจ

CCUS เทคโนโลยีกำจัดคาร์บอน สู่ทางรอดของประเทศไทย?

สวัสดีปีใหม่ 2567 ผู้อ่านทุกท่าน ปีเก่าผ่านไปปีใหม่เข้ามาพร้อมกับความท้าทายโจทย์ใหญ่โจทย์เดิม คือ สภาวะโลกร้อน ที่ทำให้เกิดสภาพอากาศแปรปรวน อันส่งผลกระทบต่อชีวิตมนุษย์และระบบนิเวศของโลก สภาวะโลกร้อนนี้มีสาเหตุหลักมาจากกิจกรรมของมนุษย์ที่เพิ่มปริมาณก๊าซเรือนกระจกในบรรยากาศ โดยก๊าซเรือนกระจกหลักก็คือคาร์บอนไดออกไซด์

CARBANO เทคโนโลยีผลิตถ่านกัมมันต์ประสิทธิภาพสูงจากวัสดุคาร์บอน

ประเทศไทยขึ้นชื่อว่าเป็นประเทศแห่งอุตสาหกรรมเกษตรและมีวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรที่มากมายหลายหลาก การนำวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรมาแปรรูปเป็นผลิตภัณฑ์มูลค่าสูงจึงเป็นหนึ่งในแนวคิดสำคัญที่จะช่วยเพิ่มรายได้ให้กับอุตสาหกรรมเกษตรของประเทศไทย หนึ่งในผลิตภัณฑ์มูลค่าสูงที่สามารถผลิตได้จากวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตร คือ ถ่านกัมมันต์ (activated carbon) ซึ่งเป็นถ่านที่มีรูพรุนปริมาณมาก สามารถนำไปใช้ดูดซับและกำจัดสิ่งปนเปื้อนเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่สะอาดเหมาะกับการนำไปใช้อุปโภคและบริโภคในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น

รางวัลโนเบล สาขาเคมี 2023 ผู้ปลูกควอนตัมดอทส์ เมล็ดพันธุ์แห่งวงการนาโนเทคโนโลยี

รางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2023 ได้มอบรางวัลให้กับการค้นพบและการพัฒนาควอนตัมดอทส์(Quantum Dots, QTDs) หรือ “จุดควอนตัม” ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีขนาดเล็กมากในระดับ 1-10 นาโนเมตร

รู้จักกับ “ลิกนิน” สารธรรมชาติที่แสนจะไม่ธรรมดา

ลิกนิน (Lignin) เป็นพอลิเมอร์ธรรมชาติ ที่สามารถพบได้ในพืชทั่วไปสูงถึง 30% ทำหน้าที่เปรียบเสมือนกาวประสานช่วยยึดโครงสร้างพืชให้มีความแข็งแรง นอกจากนี้ยังช่วยลดการระเหยของน้ำ และช่วยป้องกันการถูกทำลายของเนื้อเยื่อจากจุลินทรีย์ได้อีกด้วย ลิกนินมีโครงสร้างแบบอะโรมาติก (Aromatic

หมวดหมู่

โพสต์ยอดนิยม

Biorefinery series: การผลิตกรดแลคติกจากน้ำตาล ด้วยกระบวนการเชิงเคมีความร้อน

ไบโอรีไฟเนอรี่ (Biorefinery) หรือ อุตสาหกรรมพลังงานและเคมีชีวภาพ คือ อุตสาหกรรมการผลิตแห่งอนาคตที่นำชีวมวล หรือวัตถุดิบที่ได้จากพืช มาใช้เป็นสารตั้งต้น (feedstock) ในการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ

Biorefinery series: น้ำมันเชื้อเพลิงอากาศยานชีวภาพจากน้ำมันปาล์ม

น้ำมันปาล์มเป็นน้ำมันพืชที่ได้จากผลของต้นปาล์มน้ำมันซึ่งเป็นพืชเศรษฐกิจที่หมุนเวียนได้ น้ำมันปาล์มนั้นสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้อย่างหลากหลาย ตั้งแต่นำมาใช้ได้โดยตรงเพื่อการปรุงอาหาร นำมาผลิตเป็นผลิตภัณฑ์เครื่องสำอาง หรือนำมาใช้เป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมโอลีโอเคมี (oleochemical industry) เช่น ผลิตสารหล่อลื่นชีวภาพ (biolubricant)

โพสต์ล่าสุด

นาโนสารสนเทศและปัญญาประดิษฐ์ ใน ยุค Web 3.0

เราคงคุ้นเคยกับคำว่า ปัญญาประดิษฐ์ หรือ AI เป็นอย่างดี ว่าจะมาช่วยมนุษย์ทำงาน คิดวิเคราะห์ข้อมูล และช่วยในการตัดสินใจ ทำให้เราทำงานได้รวดเร็วและมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น เนื่องจาก

การคำนวณเคมีเชิงคอมพิวเตอร์ภายใต้กลุ่มวิจัย NCAS (ตอนที่ 1)

การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีใหม่ๆ เพื่อช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการเคมี โดยหลักการนั้นไม่ต่างจากการออกแบบรถยนต์ ที่ต้องอาศัยความรู้ความเข้าใจเชิงลึกเกี่ยวกับการทำงานของเครื่องยนต์ แต่ในกรณีของตัวเร่งปฏิกิริยาเคมี เครื่องยนต์กลไกที่เป็นหัวใจของการเกิดปฏิกิริยานั้น เป็นผลมาจากแรงอันตรกิริยาที่เป็นแรงดูดหรือแรงผลักระหว่างพื้นผิวของตัวเร่งและโมเลกุลของสาร ซึ่งปรากฎการณ์ดังกล่าวนั้นเกิดขึ้นในระดับนาโนเมตรหรือเล็กกว่า การวิเคราะห์วัสดุที่มาตราส่วนดังกล่าวนั้นมีความซับซ้อนและมักมีข้อกำจัดด้านเครื่องมือ หรือในบางกรณีสมบัติที่สำคัญนั้นยังไม่สามารถวัดได้โดยเครื่องมือที่มีอยู่ในปัจจุบัน