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