725

การประชุมวิชาการ มหาวิทยาลัยขอนแก่น ประจำาปี 2554“การพัฒนาอนาคตชนบทไทย : ฐานรากที่มั่นคงเพื่อการพัฒนาประเทศอย่างยั่งยืน” 27-29 มกราคม 2554

การเตรียมและสมบัติการเร่งปฏิกิริยาโดยใช้แสงของแผ่นบางนาโน TiO2 ด้วยชุดถังปฏิกรณ์ที่ผลิตเองในประเทศ

Preparation and Photocatalytic Activity of Nanosheets TiO2 Using Autoclave Unit (Thai Made)

สรพงษ์ ภวสุปรีย์1* วิสุทธิ์ชัย บุญวัชรพันธุ์สกุล1 ธนกร วิรุฬห์มงคล1 อรรถพล สิมประดิษฐ์พันธุ์1

สมหมาย ผิวสอาด1 สิงห์โต สกุลเขมฤทัย2 และ จุไรรัตน์ ดวงเดือน2

1ภาควิชาวิศวกรรมวัสดุและโลหการ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี2คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี

39 หมู่ 1 ถนนรังสิต-นครนายก ตำาบลคลองหก อำาเภอคลองหลวง จังหวัดปทุมธานี 12110 E-mail: sorapongp@yahoo.com*

บทคัดย่อ งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อเตรียมวัสดุรูพรุนนาโน TiO

2

จากแผ่นบางนาโนที่มีพื้นที่ผิวจำาเพาะสูงโดยกระบวนการไฮโดร-

เทอร์มอลที่อุณหภูมิ 120 ºC เป็นเวลา 12 ชั่วโมง ด้วยชุดถังปฏิกรณ์

ที่สามารถออกแบบและผลิตขึ้นได้เองภายในประเทศ โดยศึกษาถึง

รูปร่าง ขนาด ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องทะลุผ่าน

(Transmission electron microscopy, TEM) โครงสรา้งผลกึ ดว้ยเครือ่ง

ตรวจวดัการเลีย้วเบนรงัสเีอก็ซ ์(X-ray diffraction, XRD) พืน้ทีผ่วิจำาเพาะ

(BET specific surface area) และค่าการกระตุ้นปฏิกิริยาแบบใช้แสง

ของวสัดทุีเ่ตรยีมได,้ จากการทดลองพบวา่ แผน่บางนาโนทีเ่ตรยีมได้

มโีครงสรา้งอสณัฐาน มพีืน้ทีผ่วิจำาเพาะ เสน้ผา่นศนูยก์ลางของรพูรนุ

และปริมาตรรูพรุนอยู่ที่ 360.28 m2/g, 3-5 nm และ 0.275 cm3/g ตาม

ลำาดับ แผ่นบางนาโนที่ผ่านการให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 300-600 ºC

มีโครงสร้างผลึกแบบเฟสอนาเทส และมีพื้นที่ผิวจำาเพาะลดลง ซึ่ง

โครงสร้างผลึกแบบอนาเทส TiO2 มีค่าเพิ่มขึ้น เมื่อให้อุณหภูมิสูงขึ้น

นอกจากนีแ้ผน่บางนาโนทีผ่า่นการให ้ ความรอ้นแลว้มคีา่การกระตุน้

ปฏิกิริยาแบบใช้แสงสูงกว่าแผ่นบางนาโนที่ ไม่ได้ผ่านการให้

ความรอ้น และนาโน TiO2 เชงิพาณชิย ์(P 25, JRC 01, JRC 03) วธิกีาร

เตรียมนี้เป็นวิธีการเตรียมแผ่นบางนาโนที่ไม่ซับซ้อนด้วยชุดถัง

ปฏิกรณ์ที่ออกแบบและสร้างเองในประเทศ

คำาสำาคัญ : การกระตุ้นปฏิกิริยาแบบใช้แสง ไททาเนียมไดออกไซด์,

แผ่นบางนาโน, ไฮโดรเทอร์มอล

Abstract The aim of this study is to prepare mesoporous TiO

2

from high specific surface area nanosheets by simple hydrother-

mal method at 120 ºC of 12 hrs using autoclave unit (Thai made).

The shape, size (TEM), crystalline structure (XRD), BET-specific

surface area and photocatalytic activity of the prepare samples

were investigated. The XRD results revealed that the prepared

nanosheets were amorphous phase. The specific surface area,

average pore diameter and pore volume were 360.28 m2/g,

3-5 nm and 0.275 cm3/g, respectively. The crystalline structure

of calcined nanosheets at 300-600 ºC was anatase TiO2 with

decreasing in the specific surface area. The intensity of anatase

TiO2 structure increased when the calcination temperature was

increased. Moreover, the photocatalytic activity of the calcined

nanosheets was higher than the as-synthesized nanosheets and

commercial nano TiO2 (P 25, JRC 01, JRC 03). This preparation

method provided a simple routh to fabricate nanosheets using

autoclave unit (Thai made).

Keywords : Photocatalytic Activity, Titanium Dioxide, Nanosheet,

Hydrothermal

1. บทนำา ปจัจบุนัมวีสัดไุททาเนยีหรอืไททาเนยีมไดออกไซด ์(TiO

2)

ที่มีโครงสร้างในระดับนาโนหลายรูปแบบ เช่น อนุภาคเม็ด (Na-

noparticles) อนุภาคแท่ง (Nanorods) ท่อนาโน (Nanotubes) และ

เสน้ใยนาโน (Nanofibers) โครงสรา้งแตล่ะแบบกใ็หค้า่ประสทิธภิาพที่

แตกต่างกันขึ้นอยู่กับการนำาไปใช้งาน ถ้ามองในแง่ของการนำาไปใช้

งานทางด้านการกระตุ้นปฏิกิริยาโดยใช้แสง (Photocatalyst) ซึ่งค่า

การกระตุน้ปฏกิริยิาสว่นใหญข่ึน้อยูก่บัพืน้ทีผ่วิจำาเพาะและโครงสรา้ง

ผลกึกลา่วคอื ถา้วสัดมุคีา่พืน้ทีผ่วิจำาเพาะสงูและมโีครงสรา้งผลกึแบบ

อนาเทส ก็จะส่งผลให้ค่าการกระตุ้นปฏิกิริยาสูงขึ้นตามไปด้วยเพราะ

ฉะนั้นนักวิจัยทั่วโลกส่วนใหญ่จึงให้ความสนใจในการเตรียมนาโน

TiO2 ให้มีค่าพื้นที่ผิวจำาเพาะสูง และมีโครงสร้างแบบอนาเทส [1]

ดังนั้นงานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อเตรียมวัสดุรูพรุนนาโน TiO2 จาก

แผ่นบางนาโนทีม่ีพืน้ที่ผวิจำาเพาะสงูและมสีมบัตกิารกระตุน้ปฏกิิรยิา

โดยใช้แสง โดยกระบวนการไฮโดรเทอร์มอลที่อุณหภูมิ 120 ºC เป็น

เวลา 12 ชัว่โมง ดว้ยชดุถงัปฏกิรณท์ีส่ามารถออกแบบและผลติขึน้ได้

เองภายในประเทศ

2. วัตถุประสงค์ 1. เพื่อเตรียมวัสดุรูพรุนนาโน TiO

2 จากแผ่นบางนาโน

ทีม่พีืน้ทีผ่วิจำาเพาะสงูดว้ยชดุถงัปฏกิรณท์ีส่ามารถออกแบบและผลติ

ขึ้นได้เองภายในประเทศ

2. เพื่อศึกษาสมบัติต่างๆ เช่น รูปร่าง ขนาด โครงสร้าง

ผลึก และพื้นที่ผิวจำาเพาะของวัสดุรูพรุนนาโน TiO2 ที่เตรียมได้

3. เพื่อทดลองนำาเอาวัสดุรูพรุนนาโน TiO2 ที่เตรียมได้

ไปใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาโดยใช้แสง

3. แนวคิดและทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง ไททาเนียมไดออกไซด์ (TiO

2) เป็นสารเก่าแก่ชนิดหนึ่ง

ของโลก และเป็นหนึ่งใน 50 ชนิดของสารที่ผลิตมากที่สุดในโลก [2]

726

การประชุมวิชาการ มหาวิทยาลัยขอนแก่น ประจำาปี 2554“การพัฒนาอนาคตชนบทไทย : ฐานรากที่มั่นคงเพื่อการพัฒนาประเทศอย่างยั่งยืน” 27-29 มกราคม 2554

TiO2 เป็นสารที่มีสีขาว เสถียรมาก ไม่ว่องไวต่อผลิตภัณฑ์ต่างๆ ไม่

เป็นพิษ ไม่เหลืองคลำำำำำำ้ำา มีสมบัติการไหลดี ไม่มีกลิ่น โดยปกติแล้ว

โครงสร้างผลึกของ TiO2 มี 3 แบบคือ บรุ๊คไคท์ รูไทล์ และอนา

เทส สารประกอบประเภท TiO2 เป็นหนึ่งในตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ใน

กระบวนการออกซิเดชัน [3] จากการศึกษาที่ผ่านมาได้มีการนำาผลึก

มาใช้ในการทดลองโฟโตคะไลซิสเพียง 2 รูป คือ รูไทล์และอนาเทส

ซึ่งรูไทล์ไม่เหมาะสมที่จะนำามาเป็นตัวคะตะลิสเพราะเกิดการรวมตัว

กันใหม่ของอิเล็กตรอนกับโฮลสูงและมีความสามารถในการดูดติดผิว

ตำำำ่ำากว่าอนาเทส ในปัจจุบันจึงนิยมใช้อนาเทสมากกว่าแบบอื่น TiO2

มีช่องว่างแถบพลังงานเท่ากับ 3.2 eV จึงจำาเป็นต้องใช้แสง UV เป็น

แหล่งพลังงานในการกระตุ้นอิเล็กตรอนกับโฮล ซึ่งแสงที่ใช้ต้องมี

ความยาวคลื่นให้พลังงานมากกว่าพลังงานแถบช่องว่าง ได้แก่ แสง

ที่มีความยาวคลื่น 400 nm หรือน้อยกว่า [4]

อนุภาค TiO2 ในระดับนาโนเมตรจะมีอัตราส่วนระหว่าง

พื้นที่ผิวจำาเพาะต่อปริมาตรสูงมากเมื่อเปรียบเทียบกับอนุภาคที่มี

ขนาดใหญ่กว่า ซึ่งจะทำาให้อนุภาคนาโน TiO2 มีจำานวนอะตอมอยู่

บริเวณผิวหน้าสูงมาก ซึ่งส่งผลต่อปฏิกิริยาเคมีบนพื้นผิวหน้าได้ง่าย

กว่า TiO2 ปกติ และเป็นการส่งเสริมการแยกตัวระหว่างอิเล็กตรอน

กับโฮลของอนุภาค TiO2 ให้ออกจากกันได้ดีขึ้น โดยที่ค่าศักย์รีดอกซ์

ซึ่งเป็นตัวกำาหนดความสามารถในการเร่งปฏิกิริยาโดยแสงของ TiO2

จะมีค่าสูงขึ้นเมื่อขนาดของอนุภาคเล็กลง นอกจากนี้ในบางกรณียัง

พบว่าอนุภาคนาโนของ TiO2 ที่ผ่านการดัดแปลงองค์ประกอบหรือ

โครงสรา้งอนภุาคสามารถเรง่ปฏกิริยิาไดจ้ากการกระตุน้ดว้ยแสงแดด

แทนที่จะต้องใช้แสง UV ซึ่งจะทำาให้การนำาอนุภาคนาโน TiO2 ไปใช้

งานมคีวามสะดวกมากขึน้ [5] โดยกลไกในการเรง่ปฏกิริยิาดว้ยแสงจะ

เกิดขึ้นจากการที่ e- ของ TiO2 ที่ได้รับพลังงานจากแสงจะมีพลังงาน

สงูขึน้ สง่ผลใหเ้กดิการยา้ยจากแถบวาเลนซข์ึน้ไปอยูใ่นแถบนำาไฟฟา้

และโฮล (h+) ที่อยู่ในแถบวาเลนซ์จะสามารถเกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี

กับสารต่างๆ ที่สัมผัสกับอนุภาคไททาเนียมได้อย่างมีประสิทธิภาพ

4. วิธีดำาเนินงาน 4.1 การเตรียมแผ่นบางนาโน

ทำาการเตรียมแผ่นบางนาโน (Nanosheets) ด้วยกระบวน

การไฮโดรเทอร์มอล (Hydrothermal) ใช้ไทเทเนียมบิวทอกไซด์

(Titanium (IV) Butoxide) เป็นสารตั้งต้นในการผสมกับอะซิติล-

อะซิโตน (Acetylacetone) ในชุดถังปฏิกรณ์ที่ทำามาจากเหล็กกล้า-

ไร้สนิมและบุด้วยเทฟรอน ดังแสดงในรูปที่ 1 จากนั้นเติมนำำำำำำำ้ำากลั่น

40 ml และ NH3OH ลงไปในสารละลาย และทำาการกวนเป็นเวลา

5 นาท ีทำาการใหค้วามรอ้นจนถงัถงัปฏกิรณม์อีณุหภมู ิ120 ºC พรอ้ม

กับทำาการกวนเป็นเวลา 12 ชั่วโมง จากนั้นปล่อยให้เกิดการเย็นตัว

ณ อุณหภูมิห้อง ในขั้นสุดท้ายนำาผลิตภัณฑ์ที่ได้มากรองและชะล้าง

ด้วย 0.1 M HCl และนำำำำำำ้ำากลั่นหลายๆ ครั้ง จนกระทั่งมีค่า pH เท่ากับ

7 นำา TiO2 ที่สังเคราะห์ได้มาอบในตู้อบที่อุณหภูมิ 100 ºC เป็นเวลา

12 ชั่วโมง จากนั้นนำามาให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 300, 400, 500,

600, 700 และ 800 ºC เป็นเวลา 2 ชั่วโมง นำาตัวอย่างที่ได้มาตรวจ

สอบโครงสร้างผลึก โครงสร้างทางจุลภาค และพื้นที่ผิวจำาเพาะด้วย

เครื่องเอกซ์เรย์ดิฟแฟรคชัน (XRD) กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบ

ส่องผ่าน (TEM) และเครื่องวัดพื้นที่ผิวจำาเพาะ (BET) ตามลำาดับ

รปูที ่1 ชดุถงัปฏกิรณท์ีท่ำามาจากเหลก็กลา้ไรส้นมิและบดุว้ยเทฟรอน

4.2 การวัดการใช้วัสดุที่สังเคราะห์ได้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา

แบบใช้แสง

การวดัคา่การกระตุน้ปฏกิริยิาแบบใชแ้สง (Photocatalytic

Activity) จะวดัจากคา่ความเขม้ขน้ของ I3- ซึง่เกดิจากปฏกิริยิาโฟโต-้

ออกซิเดชัน ของ I- เป็น I2 ในสภาวะที่มี I- มากเกินพอ [6] ดังสมการ

ที่ 1 และ 2

ทำาการเติมผง TiO2 ที่ 50 mg กับสารละลายโพแทสเซียม

ไอโอได (Potassium Iodide) ในภาชนะ แล้วนำาไปวางไว้ในที่ที่

อบัแสง จากนัน้ทำาการใหแ้สง UV ซึง่มคีวามยาวคลืน่ 365 nm ทีก่ำาลงั

ไฟฟ้า 15 W ภายใต้การกวน ณ อุณหภูมิห้องเป็นเวลา 1 ชั่วโมง หลัง

จากนั้นทำาการแยกสารละลายด้วยวิธีหมุนเหวี่ยงจากจุดศูนย์กลาง

(Centrifuge) แล้วนำามาทำาให้เจือจางเป็นจำานวน 10 ครั้ง เพื่อนำาไป

วัดความเข้มข้นของไอออน ด้วยการดูดซับคลื่นแสงที่ความยาวคลื่น

288 nm โดยใช้ UV-vis spectrometer ซึ่งสัมประสิทธิ์การลดลงของ

ความเข้มข้นที่หาได้จากการทดลองอยู่ที่ 4.0 x 104 cm mol/l

5. ผลการศึกษา 5.1 ลักษณะทางกายภาพ

จากการทดลองพบว่า แผ่นนาโนบาง TiO2 ที่เตรียมได้มี

โครงสร้างอสัณฐาน (Amorphous) ส่วนแผ่นบางนาโน TiO2 ที่ผ่าน

การเผาที่อุณหภูมิ 300-600 ºC เป็นเวลา 2 ชั่วโมง มีโครงสร้างผลึก

แบบเฟสอนาเทส (Anatase Phase) โครงสรา้งผลกึแบบอนาเทสมคีา่

เพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิการให้ความร้อนสูงขึ้น ที่อุณหภูมิ 700 ºC เฟส

ของอนาเทสบางส่วนได้เปลี่ยนรูปร่างไปเป็นแบบรูไทล์ (Rutile

Phase) และจะมีการเปลี่ยนรูปร่างไปเป็นแบบรูไทล์อย่างสมบูรณ์ที่

อุณหภูมิ 800 ºC ดังแสดงในรูปที่ 2

2. เพ่ือศึกษาสมบัติต่างๆ เช่น รูปร่าง ขนาด โครงสร้างผลึก และพ้ืนที่ผิวจําเพาะของวัสดรุูพรุนนาโน TiO2 ที่เตรียมได้

3. เพ่ือทดลองนําเอาวัสดุรูพรุนนาโน TiO2 ที่เตรียมได้ไปใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาโดยใช้แสง

3. แนวคิดและทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง

ไททาเนียมไดออกไซด์ (TiO2) เป็นสารเก่าแก่ชนิดหนึ่งของโลก และเป็นหนึ่งใน 50 ชนิดของสารที่ผลิตมากที่สุดในโลก [2] TiO2 เป็นสารที่มีสีขาว เสถียรมาก ไม่ว่องไวต่อผลิตภัณฑ์ต่างๆ ไม่เป็นพิษ ไม่เหลืองคล้ํา มีสมบัติการไหลดี ไม่มีกลิ่น โดยปกติแล้วโครงสร้างผลึกของ TiO2 มี 3 แบบคือ บรุ๊คไคท์ รูไทล์ และอนาเทส สารประกอบประเภท TiO2 เป็นหนึ่งในตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในกระบวนการออกซิเดชัน [3] จากการศึกษาที่ผ่านมาได้มีการนําผลึกมาใช้ในการทดลองโฟโตคะไลซิสเพียง 2 รูป คือ รูไทล์และอนาเทส ซึ่งรูไทล์ไม่เหมาะสมที่จะนํามาเป็นตัวคะตะลิสเพราะเกิดการรวมตัวกันใหม่ของอิเล็กตรอนกับโฮลสูงและมีความสามารถในการดูดติดผิวต่ํากว่าอนาเทส ในปัจจุบันจึงนิยมใช้อนาเทสมากกว่าแบบอ่ืน TiO2 มีช่องว่างแถบพลังงานเท่ากับ 3.2 eV จึงจําเป็นต้องใช้แสง UV เป็นแหล่งพลังงานในการกระตุ้นอิเล็กตรอนกับโฮล ซึ่งแสงที่ใช้ต้องมีความยาวคลื่นให้พลังงานมากกว่าพลังงานแถบช่องว่าง ได้แก่ แสงที่มีความยาวคลื่น 400 nm หรือน้อยกว่า [4]

อนุภาค TiO2 ในระดับนาโนเมตรจะมีอัตราส่วนระหว่างพ้ืนที่ผิวจําเพาะต่อปริมาตรสูงมากเมื่อเปรียบเทียบกับอนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่า ซึ่งจะทําให้อนุภาคนาโน TiO2 มีจํานวนอะตอมอยู่บริเวณผิวหน้าสูงมาก ซึ่งส่งผลต่อปฏิกิริยาเคมีบนพ้ืนผิวหน้าได้ง่ายกว่า TiO2 ปกติ และเป็นการส่งเสริมการแยกตัวระหว่างอิเล็กตรอนกับโฮลของอนุภาค TiO2 ให้ออกจากกันได้ดีขึ้น โดยที่ค่าศักย์รีดอกซ์ ซึ่งเป็นตัวกําหนดความสามารถในการเร่งปฏิกิริยาโดยแสงของ TiO2 จะมีค่าสูงขึ้นเมื่อขนาดของอนุภาคเล็กลง นอกจากนี้ในบางกรณียังพบว่าอนุภาคนาโนของ TiO2 ที่ผ่านการดัดแปลงองค์ประกอบหรือโครงสร้างอนุภาคสามารถเร่งปฏิกิริยาได้จากการกระตุ้นด้วยแสงแดดแทนที่จะต้องใช้แสง UV ซึ่งจะทําให้การนําอนุภาคนาโน TiO2 ไปใช้งานมีความสะดวกมากขึ้น [5] โดยกลไกในการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงจะเกิดขึ้นจากการที่ e- ของ TiO2 ที่ได้รับพลังงานจากแสงจะมีพลังงานสูงขึ้น ส่งผลให้เกิดการย้ายจากแถบวาเลนซ์ขึ้นไปอยู่ในแถบนําไฟฟ้า และโฮล (h+) ที่อยู่ในแถบวาเลนซ์จะสามารถเกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีกับสารต่างๆ ที่สัมผัสกับอนุภาคไททาเนียมได้อย่างมีประสิทธิภาพ

4. วิธีด าเนินงาน 4.1 การเตรียมแผ่นบางนาโน ทําการเตรียมแผ่นบางนาโน (Nanosheets) ด้วยกระบวน การไฮโดรเทอร์มอล (Hydrothermal) ใช้ไทเทเนียมบิวทอกไซด์ (Titanium (IV) Butoxide) เป็นสารตั้งต้นในการผสมกับอะซิติล- อะซิโตน (Acetylacetone) ในชุดถังปฏิกรณ์ที่ทํามาจากเหล็กกล้า- ไร้สนิมและบุด้วยเทฟรอน ดังแสดงในรูปที่ 1 จากนั้นเติมน้ํากลั่น 40 ml และ NH3OH ลงไปในสารละลาย และทําการกวนเป็นเวลา 5 นาที ทําการให้ความร้อนจนถังถังปฏิกรณ์มีอุณหภูมิ 120 ºC พร้อมกับทําการกวนเป็นเวลา 12 ชั่วโมง จากนั้นปล่อยให้เกิดการเย็นตัว ณ อุณหภูมิห้อง ในขั้นสุดท้ายนําผลิตภัณฑ์ที่ได้มากรองและชะล้างด้วย 0.1 M HCl และน้ํากลั่นหลายๆ ครั้ง จนกระทั่งมีค่า pH เท่ากับ 7 นํา TiO2 ที่สังเคราะห์ได้มาอบในตู้อบที่อุณหภูมิ 100 ºC เป็นเวลา 12 ชั่วโมง จากนั้นนํามาให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 300, 400, 500, 600, 700 และ 800 ºC เป็นเวลา 2 ชั่วโมง นําตัวอย่างที่ได้มาตรวจสอบโครงสร้างผลึก โครงสร้างทางจุลภาค และพ้ืนที่ผิวจําเพาะด้วยเครื่องเอกซ์เรย์ดิฟแฟรคชัน (XRD) กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบ ส่องผ่าน (TEM) และเครื่องวัดพ้ืนที่ผิวจําเพาะ (BET) ตามลําดับ

รูปที่ 1 ชุดถงัปฏกิรณ์ที่ทํามาจากเหล็กกล้าไร้สนิมและบุด้วยเทฟรอน 4.2 การวัดการใช้วัสดทุี่สังเคราะห์ได้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาแบบใช้แสง การวัดค่าการกระตุ้นปฏิกิริยาแบบใช้แสง (Photocatalytic Activity) จะวัดจากค่าความเข้มข้นของ I3

- ซึ่งเกิดจากปฏิกิริยาโฟโต้-ออกซิเดชัน ของ I- เป็น I2 ในสภาวะที่มี I- มากเกินพอ [6] ดังสมการที่ 1 และ 2

2 I- I2 + 2e- (1) I2 + I+ I3

- (2)

ทําการเติมผง TiO2 ที่ 50 mg กับสารละลายโพแทสเซียม ไอโอได (Potassium Iodide) ในภาชนะ แล้วนําไปวางไว้ในที่ที่อับแสง จากนั้นทําการให้แสง UV ซึ่งมีความยาวคลื่น 365 nm ที่กําลังไฟฟ้า 15 W ภายใต้การกวน ณ อุณหภูมิห้องเป็นเวลา 1 ชั่วโมง

2. เพ่ือศึกษาสมบัติต่างๆ เช่น รูปร่าง ขนาด โครงสร้างผลึก และพ้ืนที่ผิวจําเพาะของวัสดรุูพรุนนาโน TiO2 ที่เตรียมได้

3. เพ่ือทดลองนําเอาวัสดุรูพรุนนาโน TiO2 ที่เตรียมได้ไปใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาโดยใช้แสง

3. แนวคิดและทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง

ไททาเนียมไดออกไซด์ (TiO2) เป็นสารเก่าแก่ชนิดหนึ่งของโลก และเป็นหนึ่งใน 50 ชนิดของสารที่ผลิตมากที่สุดในโลก [2] TiO2 เป็นสารที่มีสีขาว เสถียรมาก ไม่ว่องไวต่อผลิตภัณฑ์ต่างๆ ไม่เป็นพิษ ไม่เหลืองคล้ํา มีสมบัติการไหลดี ไม่มีกลิ่น โดยปกติแล้วโครงสร้างผลึกของ TiO2 มี 3 แบบคือ บรุ๊คไคท์ รูไทล์ และอนาเทส สารประกอบประเภท TiO2 เป็นหนึ่งในตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในกระบวนการออกซิเดชัน [3] จากการศึกษาที่ผ่านมาได้มีการนําผลึกมาใช้ในการทดลองโฟโตคะไลซิสเพียง 2 รูป คือ รูไทล์และอนาเทส ซึ่งรูไทล์ไม่เหมาะสมที่จะนํามาเป็นตัวคะตะลิสเพราะเกิดการรวมตัวกันใหม่ของอิเล็กตรอนกับโฮลสูงและมีความสามารถในการดูดติดผิวต่ํากว่าอนาเทส ในปัจจุบันจึงนิยมใช้อนาเทสมากกว่าแบบอ่ืน TiO2 มีช่องว่างแถบพลังงานเท่ากับ 3.2 eV จึงจําเป็นต้องใช้แสง UV เป็นแหล่งพลังงานในการกระตุ้นอิเล็กตรอนกับโฮล ซึ่งแสงที่ใช้ต้องมีความยาวคลื่นให้พลังงานมากกว่าพลังงานแถบช่องว่าง ได้แก่ แสงที่มีความยาวคลื่น 400 nm หรือน้อยกว่า [4]

อนุภาค TiO2 ในระดับนาโนเมตรจะมีอัตราส่วนระหว่างพ้ืนที่ผิวจําเพาะต่อปริมาตรสูงมากเมื่อเปรียบเทียบกับอนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่า ซึ่งจะทําให้อนุภาคนาโน TiO2 มีจํานวนอะตอมอยู่บริเวณผิวหน้าสูงมาก ซึ่งส่งผลต่อปฏิกิริยาเคมีบนพ้ืนผิวหน้าได้ง่ายกว่า TiO2 ปกติ และเป็นการส่งเสริมการแยกตัวระหว่างอิเล็กตรอนกับโฮลของอนุภาค TiO2 ให้ออกจากกันได้ดีขึ้น โดยที่ค่าศักย์รีดอกซ์ ซึ่งเป็นตัวกําหนดความสามารถในการเร่งปฏิกิริยาโดยแสงของ TiO2 จะมีค่าสูงขึ้นเมื่อขนาดของอนุภาคเล็กลง นอกจากนี้ในบางกรณียังพบว่าอนุภาคนาโนของ TiO2 ที่ผ่านการดัดแปลงองค์ประกอบหรือโครงสร้างอนุภาคสามารถเร่งปฏิกิริยาได้จากการกระตุ้นด้วยแสงแดดแทนที่จะต้องใช้แสง UV ซึ่งจะทําให้การนําอนุภาคนาโน TiO2 ไปใช้งานมีความสะดวกมากขึ้น [5] โดยกลไกในการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงจะเกิดขึ้นจากการที่ e- ของ TiO2 ที่ได้รับพลังงานจากแสงจะมีพลังงานสูงขึ้น ส่งผลให้เกิดการย้ายจากแถบวาเลนซ์ขึ้นไปอยู่ในแถบนําไฟฟ้า และโฮล (h+) ที่อยู่ในแถบวาเลนซ์จะสามารถเกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีกับสารต่างๆ ที่สัมผัสกับอนุภาคไททาเนียมได้อย่างมีประสิทธิภาพ

4. วิธีด าเนินงาน 4.1 การเตรียมแผ่นบางนาโน ทําการเตรียมแผ่นบางนาโน (Nanosheets) ด้วยกระบวน การไฮโดรเทอร์มอล (Hydrothermal) ใช้ไทเทเนียมบิวทอกไซด์ (Titanium (IV) Butoxide) เป็นสารตั้งต้นในการผสมกับอะซิติล- อะซิโตน (Acetylacetone) ในชุดถังปฏิกรณ์ที่ทํามาจากเหล็กกล้า- ไร้สนิมและบุด้วยเทฟรอน ดังแสดงในรูปที่ 1 จากนั้นเติมน้ํากลั่น 40 ml และ NH3OH ลงไปในสารละลาย และทําการกวนเป็นเวลา 5 นาที ทําการให้ความร้อนจนถังถังปฏิกรณ์มีอุณหภูมิ 120 ºC พร้อมกับทําการกวนเป็นเวลา 12 ชั่วโมง จากนั้นปล่อยให้เกิดการเย็นตัว ณ อุณหภูมิห้อง ในขั้นสุดท้ายนําผลิตภัณฑ์ที่ได้มากรองและชะล้างด้วย 0.1 M HCl และน้ํากลั่นหลายๆ ครั้ง จนกระทั่งมีค่า pH เท่ากับ 7 นํา TiO2 ที่สังเคราะห์ได้มาอบในตู้อบที่อุณหภูมิ 100 ºC เป็นเวลา 12 ชั่วโมง จากนั้นนํามาให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 300, 400, 500, 600, 700 และ 800 ºC เป็นเวลา 2 ชั่วโมง นําตัวอย่างที่ได้มาตรวจสอบโครงสร้างผลึก โครงสร้างทางจุลภาค และพ้ืนที่ผิวจําเพาะด้วยเครื่องเอกซ์เรย์ดิฟแฟรคชัน (XRD) กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบ ส่องผ่าน (TEM) และเครื่องวัดพ้ืนที่ผิวจําเพาะ (BET) ตามลําดับ

รูปที่ 1 ชุดถงัปฏกิรณ์ที่ทํามาจากเหล็กกล้าไร้สนิมและบุด้วยเทฟรอน 4.2 การวัดการใช้วัสดทุี่สังเคราะห์ได้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาแบบใช้แสง การวัดค่าการกระตุ้นปฏิกิริยาแบบใช้แสง (Photocatalytic Activity) จะวัดจากค่าความเข้มข้นของ I3

- ซึ่งเกิดจากปฏิกิริยาโฟโต้-ออกซิเดชัน ของ I- เป็น I2 ในสภาวะที่มี I- มากเกินพอ [6] ดังสมการที่ 1 และ 2

2 I- I2 + 2e- (1) I2 + I+ I3

- (2)

ทําการเติมผง TiO2 ที่ 50 mg กับสารละลายโพแทสเซียม ไอโอได (Potassium Iodide) ในภาชนะ แล้วนําไปวางไว้ในที่ที่อับแสง จากนั้นทําการให้แสง UV ซึ่งมีความยาวคลื่น 365 nm ที่กําลังไฟฟ้า 15 W ภายใต้การกวน ณ อุณหภูมิห้องเป็นเวลา 1 ชั่วโมง

727

การประชุมวิชาการ มหาวิทยาลัยขอนแก่น ประจำาปี 2554“การพัฒนาอนาคตชนบทไทย : ฐานรากที่มั่นคงเพื่อการพัฒนาประเทศอย่างยั่งยืน” 27-29 มกราคม 2554

รูปที่ 2 ผลการวิเคราะห์ XRD ของแผ่นบางนาโนที่ได้จาก การ

สังเคราะห์แบบที่ไม่ได้ให้ความร้อนและที่ได้ให้ความร้อนที่อุณหภูมิ

ต่างๆ

ในส่วนของโครงสร้างทางจุลภาคพบว่า วัตถุนาโน

ไทเทเนยีมทีส่งัเคราะหไ์ดม้ลีกัษณะเปน็แผน่บางนาโน โดยมพีืน้ที ่ ผวิ

จำาเพาะ เส้นผ่าศูนย์กลางของรูพรุน และปริมาณรูพรุนอยู่ที่ 360.28

m2/g, 3 nm และ 0.275 cm3/g ตามลำาดับ และมีลักษณะเป็นแผ่น

ม้วน บิดงอ และจับรวมตัวกันเป็นกลุ่มก้อน ดังแสดงในรูปที่ 3 เมื่อ

นำามาใหค้วามรอ้นทีอ่ณุหภมู ิ300-800 ºC แผน่บางนาโนทีส่งัเคราะห์

ไดเ้กดิการเปลีย่นแปลงรปูรา่งเปน็กลมขนาดเลก็ๆ ดงัแสดงในรปูที ่4

(a) และเมื่ออุณหภูมิการเผาสูงขึ้น ส่งผลให้ขนาดของอนุภาคเพิ่มขึ้น

ดังแสดงในรูปที่ 4 (b)-(f) เนื่องมาจากการเติบโตของผลึก TiO2 ส่วน

พื้นที่ผิวจำาเพาะจะขึ้นอยู่กับขนาดผลึกของตัวอย่าง โดยที่อุณหภูมิ

การเผาที่ 300, 400 และ 500 ºC แผ่นบางนาโน TiO2 มีพื้นที่ผิว

จำาเพาะอยู่ที่ 108.93, 71.24 และ 46.77 m2/g ตามลำาดับ ซึ่งทำาให้

เส้นผ่านศูนย์กลางของรูพรุนเพิ่มขึ้น และปริมาตรรูพรุนทั้งหมดลดลง

ซึ่งสามารถอธิบายได้จากลักษณะทางกายภาพของแผ่นบางนาโน

ที่สังเคราะห์ได้นั้นมีการเปลี่ยนแปลงของรูปร่างและขนาดกล่าวคือ

แผ่นบางนาโนที่สังเคราะห์ได้เกิดการเปลี่ยนรูปร่างจากแผ่นบางเป็น

วัตถุนาโนทรงกลมขนาดเล็กๆ และมีขนาดใหญ่ขึ้นตามอุณหภูมิการ

ให้ความร้อนที่สูงขึ้น ซึ่งทำาให้มีพื้นที่ผิวจำาเพาะลดลง

รปูที ่3 ภาพถา่ย TEM ของแผน่บางนาโนทีส่งัเคราะห ์a) กำาลงัขยาย

40,000 เท่า และ b) กำาลังขยาย 100,000 เท่า

รูปที่ 4 ภาพถ่าย TEM ของแผ่นบางนาโนที่ให้ความร้อนที่อุณหภูมิ

ต่างๆ เป็นเวลา 2 ชั่วโมง (a) 300 ºC, (b) 400 ºC, (c) 500 ºC,

(d) 600 ºC, (e) 700 ºC และ (f) 800 ºC

5.2 การกระตุ้นปฏิกิริยาโดยใช้แสงร่วม

จากการใช้แผ่นบางนาโนที่สังเคราะห์ได้กับที่ผ่านการให้

ความรอ้นมาเปน็ตวักระตุน้ปฏกิริยิาโดยใชแ้สงรว่มพบวา่ เมือ่ใชแ้ผน่

บางนาโนที่สังเคราะห์ได้เป็นตัวกระตุ้นปฏิกิริยาโดยใช้แสงร่วม ค่า

ความเข้มข้นของ I3- มีค่าน้อยกว่าการใช้แผ่นบางนาโนที่สังเคราะห์

ได้ที่ผ่านการให้ความร้อนเป็นตัวกระตุ้นปฏิกิริยา ยกเว้นที่อุณหภูมิ

800 ºC โดยที่อุณหภูมิ 300 ºC จะให้ค่าความเข้มข้นของ I3- สูงสุด

และมีค่าสูงกว่านาโน TiO2 เชิงพาณิชย์ (P 25, JRC 01, JRC 03)

และเมื่ออุณหภูมิที่ใช้ในการเผาสูงขึ้นค่าความเข้มข้นของ I3- มีค่า

ลดลงตามอุณหภูมิที่สูงขึ้น ผลของค่าความเข้มข้นของ I3- ที่ลดลง

ดงักลา่วสามารถอธบิายไดจ้ากขนาดของวตัถนุาโนทรงกลมทีม่ขีนาด

ใหญข่ึน้ ทำาใหพ้ืน้ทีผ่วิจำาเพาะทีส่มัผสัตอ่การเกดิปฏกิริยิาแบบใชแ้สง

ลดลง [5-6] จากผลดังกล่าวคาดว่าสารตัวอย่างที่เตรียมได้นั้นอาจ

นำาไปประยกุตใ์ชง้านเปน็ขัว้อเิลค็โทรดในเซลลแ์สงอาทติยช์นดิสยีอ้ม

หลังจากนั้นทําการแยกสารละลายด้วยวิธีหมุนเหว่ียงจากจุดศูนย์กลาง (Centrifuge) แล้วนํามาทําให้เจือจางเป็นจํานวน 10 ครั้ง เพ่ือนําไปวัดความเข้มข้นของไอออน ด้วยการดูดซับคลื่นแสงที่ความยาวคลื่น 288 nm โดยใช้ UV-vis spectrometer ซึ่งสัมประสิทธิ์การลดลงของความเข้มข้นที่หาได้จากการทดลองอยู่ที่ 4.0 x 104 cm mol/l

5. ผลการศึกษา 5.1 ลักษณะทางกายภาพ จากการทดลองพบว่า แผ่นนาโนบาง TiO2 ที่เตรียมได้มีโครงสร้างอสัณฐาน (Amorphous) ส่วนแผ่นบางนาโน TiO2 ที่ผ่านการเผาที่อุณหภูมิ 300-600 ºC เป็นเวลา 2 ชั่วโมง มีโครงสร้างผลึก แบบเฟสอนาเทส (Anatase Phase) โครงสร้างผลึกแบบอนาเทสมีค่าเพ่ิมขึ้นเมื่ออุณหภูมิการให้ความร้อนสูงขึ้น ที่อุณหภูมิ 700 ºC เฟสของอนาเทสบางส่วนได้เปลี่ยนรูปร่างไปเป็นแบบรูไทล์ (Rutile Phase) และจะมีการเปลี่ยนรูปร่างไปเป็นแบบรูไทล์อย่างสมบูรณ์ที่อุณหภูม ิ800 ºC ดังแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2 ผลการวิเคราะห์ XRD ของแผ่นบางนาโนที่ได้จาก

การสังเคราะห์แบบที่ไม่ได้ให้ความร้อนและที่ไดใ้ห ้ ความร้อนที่อุณหภูมิต่างๆ ในส่วนของโครงสร้างทาง จุล ภาคพบ ว่า วัตถุนาโนไทเทเนียมที่สังเคราะห์ได้มีลักษณะเป็นแผ่นบางนาโน โดยมีพ้ืนที่ ผิวจําเพาะ เส้นผ่านศูนย์กลางของรูพรุน และปริมาณรูพรุนอยู่ที่ 360.28 m2/g, 3 nm และ 0.275 cm3/g ตามลําดับ และมีลักษณะเป็นแผ่นม้วน บิดงอ และจับรวมตัวกันเป็นกลุ่มก้อน ดังแสดงในรูปที่ 3 เมื่อนํามาให้ความร้อนที่ อุณหภูมิ 300-800 ºC แผ่นบางนาโนที่สังเคราะห์ได้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างเป็นกลมขนาดเล็กๆ ดังแสดงในรูปที่ 4 (a) และเมื่ออุณหภูมิการเผาสูงขึ้น ส่งผลให้ขนาดของอนุภาคเพ่ิมขึ้น ดังแสดงในรูปที่ 4 (b)-(f) เนื่องมาจากการเติบโตของผลึก TiO2 ส่วนพ้ืนที่ผิวจําเพาะจะขึ้นอยู่กับขนาดผลึกของตัวอย่าง โดยที่อุณหภูมิการเผาที่ 300, 400 และ 500 ºC แผ่นบางนาโน TiO2 มีพ้ืนที่ผิวจําเพาะอยู่ที่ 108.93, 71.24 และ 46.77 m2/g ตามลําดับ ซึ่งทํา

ให้เส้นผ่านศูนย์กลางของรูพรุนเพ่ิมขึ้น และปริมาตรรูพรุนทั้งหมดลดลง ซึ่งสามารถอธิบายได้จากลักษณะทางกายภาพของแผ่นบาง- นาโนที่สังเคราะห์ได้นั้นมีการเปลี่ยนแปลงของรูปร่างและขนาดกล่าวคือ แผ่นบางนาโนที่สังเคราะห์ได้เกิดการเปลี่ยนรูปร่างจาก แผ่นบางเป็นวัตถุนาโนทรงกลมขนาดเล็กๆ และมีขนาดใหญ่ขึ้นตามอุณหภูมกิารให้ความร้อนที่สูงขึ้น ซึ่งทําให้มีพ้ืนที่ผิวจําเพาะลดลง

รูปที่ 3 ภาพถ่าย TEM ของแผ่นบางนาโนที่สังเคราะห์ a) กําลังขยาย 40,000 เท่า และ b) กําลังขยาย 100,000 เท่า

รูปที่ 4 ภาพถ่าย TEM ของแผ่นบางนาโนที่ให้ความร้อนที่อุณหภูมิ ต่างๆ เป็นเวลา 2 ชั่วโมง (a) 300 ºC, (b) 400 ºC, (c) 500 ºC, (d) 600 ºC, (e) 700 ºC และ (f) 800 ºC 5.2 การกระตุ้นปฏิกิริยาโดยใช้แสงร่วม

จากการใช้แผ่นบางนาโนที่สังเคราะห์ได้กับที่ผ่านการให้ความร้อนมาเป็นตัวกระตุ้นปฏิกิริยาโดยใช้แสงร่วมพบว่า เมื่อใช้แผ่นบางนาโนที่สังเคราะห์ได้เป็นตัวกระตุ้นปฏิกิริยาโดยใช้แสงร่วม ค่าความเข้มข้นของ I3

- มีค่าน้อยกว่าการใช้แผ่นบางนาโนที่สังเคราะห์ได้ที่ผ่านการให้ความร้อนเป็นตัวกระตุ้นปฏิกิริยา ยกเว้นที่อุณหภูมิ 800 ºC โดยที่อุณหภูมิ 300 ºC จะให้ค่าความเข้มข้นของ I3

- สูงสุด และมีค่าสูงกว่านาโน TiO2 เชิงพาณิชย์ (P 25, JRC 01, JRC 03) และ

50 nm

(a)

20 nm

(b)

50 nm 50 nm

(b) 400 ºC, 2 hr (a) 300 ºC, 2 hr

50 nm 50 nm

(d) 600 ºC, 2 hr (c) 500 ºC, 2 hr

50 nm 50 nm

(f) 800 ºC, 2 hr (e) 700 ºC, 2 hr

หลังจากนั้นทําการแยกสารละลายด้วยวิธีหมุนเหว่ียงจากจุดศูนย์กลาง (Centrifuge) แล้วนํามาทําให้เจือจางเป็นจํานวน 10 ครั้ง เพ่ือนําไปวัดความเข้มข้นของไอออน ด้วยการดูดซับคลื่นแสงที่ความยาวคลื่น 288 nm โดยใช้ UV-vis spectrometer ซึ่งสัมประสิทธิ์การลดลงของความเข้มข้นที่หาได้จากการทดลองอยู่ที่ 4.0 x 104 cm mol/l

5. ผลการศึกษา 5.1 ลักษณะทางกายภาพ จากการทดลองพบว่า แผ่นนาโนบาง TiO2 ที่เตรียมได้มีโครงสร้างอสัณฐาน (Amorphous) ส่วนแผ่นบางนาโน TiO2 ที่ผ่านการเผาที่อุณหภูมิ 300-600 ºC เป็นเวลา 2 ชั่วโมง มีโครงสร้างผลึก แบบเฟสอนาเทส (Anatase Phase) โครงสร้างผลึกแบบอนาเทสมีค่าเพ่ิมขึ้นเมื่ออุณหภูมิการให้ความร้อนสูงขึ้น ที่อุณหภูมิ 700 ºC เฟสของอนาเทสบางส่วนได้เปลี่ยนรูปร่างไปเป็นแบบรูไทล์ (Rutile Phase) และจะมีการเปลี่ยนรูปร่างไปเป็นแบบรูไทล์อย่างสมบูรณ์ที่อุณหภูม ิ800 ºC ดังแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2 ผลการวิเคราะห์ XRD ของแผ่นบางนาโนที่ได้จาก

การสังเคราะห์แบบที่ไม่ได้ให้ความร้อนและที่ไดใ้ห ้ ความร้อนที่อุณหภูมิต่างๆ ในส่วนของโครงสร้างทาง จุล ภาคพบ ว่า วัตถุนาโนไทเทเนียมที่สังเคราะห์ได้มีลักษณะเป็นแผ่นบางนาโน โดยมีพ้ืนที่ ผิวจําเพาะ เส้นผ่านศูนย์กลางของรูพรุน และปริมาณรูพรุนอยู่ที่ 360.28 m2/g, 3 nm และ 0.275 cm3/g ตามลําดับ และมีลักษณะเป็นแผ่นม้วน บิดงอ และจับรวมตัวกันเป็นกลุ่มก้อน ดังแสดงในรูปที่ 3 เมื่อนํามาให้ความร้อนที่ อุณหภูมิ 300-800 ºC แผ่นบางนาโนที่สังเคราะห์ได้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างเป็นกลมขนาดเล็กๆ ดังแสดงในรูปที่ 4 (a) และเมื่ออุณหภูมิการเผาสูงขึ้น ส่งผลให้ขนาดของอนุภาคเพ่ิมขึ้น ดังแสดงในรูปที่ 4 (b)-(f) เนื่องมาจากการเติบโตของผลึก TiO2 ส่วนพ้ืนที่ผิวจําเพาะจะขึ้นอยู่กับขนาดผลึกของตัวอย่าง โดยที่อุณหภูมิการเผาที่ 300, 400 และ 500 ºC แผ่นบางนาโน TiO2 มีพ้ืนที่ผิวจําเพาะอยู่ที่ 108.93, 71.24 และ 46.77 m2/g ตามลําดับ ซึ่งทํา

ให้เส้นผ่านศูนย์กลางของรูพรุนเพ่ิมขึ้น และปริมาตรรูพรุนทั้งหมดลดลง ซึ่งสามารถอธิบายได้จากลักษณะทางกายภาพของแผ่นบาง- นาโนที่สังเคราะห์ได้นั้นมีการเปลี่ยนแปลงของรูปร่างและขนาดกล่าวคือ แผ่นบางนาโนที่สังเคราะห์ได้เกิดการเปลี่ยนรูปร่างจาก แผ่นบางเป็นวัตถุนาโนทรงกลมขนาดเล็กๆ และมีขนาดใหญ่ขึ้นตามอุณหภูมกิารให้ความร้อนที่สูงขึ้น ซึ่งทําให้มีพ้ืนที่ผิวจําเพาะลดลง

รูปที่ 3 ภาพถ่าย TEM ของแผ่นบางนาโนที่สังเคราะห์ a) กําลังขยาย 40,000 เท่า และ b) กําลังขยาย 100,000 เท่า

รูปที่ 4 ภาพถ่าย TEM ของแผ่นบางนาโนที่ให้ความร้อนที่อุณหภูมิ ต่างๆ เป็นเวลา 2 ชั่วโมง (a) 300 ºC, (b) 400 ºC, (c) 500 ºC, (d) 600 ºC, (e) 700 ºC และ (f) 800 ºC 5.2 การกระตุ้นปฏิกิริยาโดยใช้แสงร่วม

จากการใช้แผ่นบางนาโนที่สังเคราะห์ได้กับที่ผ่านการให้ความร้อนมาเป็นตัวกระตุ้นปฏิกิริยาโดยใช้แสงร่วมพบว่า เมื่อใช้แผ่นบางนาโนที่สังเคราะห์ได้เป็นตัวกระตุ้นปฏิกิริยาโดยใช้แสงร่วม ค่าความเข้มข้นของ I3

- มีค่าน้อยกว่าการใช้แผ่นบางนาโนที่สังเคราะห์ได้ที่ผ่านการให้ความร้อนเป็นตัวกระตุ้นปฏิกิริยา ยกเว้นที่อุณหภูมิ 800 ºC โดยที่อุณหภูมิ 300 ºC จะให้ค่าความเข้มข้นของ I3

- สูงสุด และมีค่าสูงกว่านาโน TiO2 เชิงพาณิชย์ (P 25, JRC 01, JRC 03) และ

50 nm

(a)

20 nm

(b)

50 nm 50 nm

(b) 400 ºC, 2 hr (a) 300 ºC, 2 hr

50 nm 50 nm

(d) 600 ºC, 2 hr (c) 500 ºC, 2 hr

50 nm 50 nm

(f) 800 ºC, 2 hr (e) 700 ºC, 2 hr

หลังจากนั้นทําการแยกสารละลายด้วยวิธีหมุนเหว่ียงจากจุดศูนย์กลาง (Centrifuge) แล้วนํามาทําให้เจือจางเป็นจํานวน 10 ครั้ง เพ่ือนําไปวัดความเข้มข้นของไอออน ด้วยการดูดซับคลื่นแสงที่ความยาวคลื่น 288 nm โดยใช้ UV-vis spectrometer ซึ่งสัมประสิทธิ์การลดลงของความเข้มข้นที่หาได้จากการทดลองอยู่ที่ 4.0 x 104 cm mol/l

5. ผลการศึกษา 5.1 ลักษณะทางกายภาพ จากการทดลองพบว่า แผ่นนาโนบาง TiO2 ที่เตรียมได้มีโครงสร้างอสัณฐาน (Amorphous) ส่วนแผ่นบางนาโน TiO2 ที่ผ่านการเผาที่อุณหภูมิ 300-600 ºC เป็นเวลา 2 ชั่วโมง มีโครงสร้างผลึก แบบเฟสอนาเทส (Anatase Phase) โครงสร้างผลึกแบบอนาเทสมีค่าเพ่ิมขึ้นเมื่ออุณหภูมิการให้ความร้อนสูงขึ้น ที่อุณหภูมิ 700 ºC เฟสของอนาเทสบางส่วนได้เปลี่ยนรูปร่างไปเป็นแบบรูไทล์ (Rutile Phase) และจะมีการเปลี่ยนรูปร่างไปเป็นแบบรูไทล์อย่างสมบูรณ์ที่อุณหภูม ิ800 ºC ดังแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2 ผลการวิเคราะห์ XRD ของแผ่นบางนาโนที่ได้จาก

การสังเคราะห์แบบที่ไม่ได้ให้ความร้อนและที่ไดใ้ห ้ ความร้อนที่อุณหภูมิต่างๆ ในส่วนของโครงสร้างทาง จุล ภาคพบ ว่า วัตถุนาโนไทเทเนียมที่สังเคราะห์ได้มีลักษณะเป็นแผ่นบางนาโน โดยมีพ้ืนที่ ผิวจําเพาะ เส้นผ่านศูนย์กลางของรูพรุน และปริมาณรูพรุนอยู่ที่ 360.28 m2/g, 3 nm และ 0.275 cm3/g ตามลําดับ และมีลักษณะเป็นแผ่นม้วน บิดงอ และจับรวมตัวกันเป็นกลุ่มก้อน ดังแสดงในรูปที่ 3 เมื่อนํามาให้ความร้อนที่ อุณหภูมิ 300-800 ºC แผ่นบางนาโนที่สังเคราะห์ได้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างเป็นกลมขนาดเล็กๆ ดังแสดงในรูปที่ 4 (a) และเมื่ออุณหภูมิการเผาสูงขึ้น ส่งผลให้ขนาดของอนุภาคเพ่ิมขึ้น ดังแสดงในรูปที่ 4 (b)-(f) เนื่องมาจากการเติบโตของผลึก TiO2 ส่วนพ้ืนที่ผิวจําเพาะจะขึ้นอยู่กับขนาดผลึกของตัวอย่าง โดยที่อุณหภูมิการเผาที่ 300, 400 และ 500 ºC แผ่นบางนาโน TiO2 มีพ้ืนที่ผิวจําเพาะอยู่ที่ 108.93, 71.24 และ 46.77 m2/g ตามลําดับ ซึ่งทํา

ให้เส้นผ่านศูนย์กลางของรูพรุนเพ่ิมขึ้น และปริมาตรรูพรุนทั้งหมดลดลง ซึ่งสามารถอธิบายได้จากลักษณะทางกายภาพของแผ่นบาง- นาโนที่สังเคราะห์ได้นั้นมีการเปลี่ยนแปลงของรูปร่างและขนาดกล่าวคือ แผ่นบางนาโนที่สังเคราะห์ได้เกิดการเปลี่ยนรูปร่างจาก แผ่นบางเป็นวัตถุนาโนทรงกลมขนาดเล็กๆ และมีขนาดใหญ่ขึ้นตามอุณหภูมกิารให้ความร้อนที่สูงขึ้น ซึ่งทําให้มีพ้ืนที่ผิวจําเพาะลดลง

รูปที่ 3 ภาพถ่าย TEM ของแผ่นบางนาโนที่สังเคราะห์ a) กําลังขยาย 40,000 เท่า และ b) กําลังขยาย 100,000 เท่า

รูปที่ 4 ภาพถ่าย TEM ของแผ่นบางนาโนที่ให้ความร้อนที่อุณหภูมิ ต่างๆ เป็นเวลา 2 ชั่วโมง (a) 300 ºC, (b) 400 ºC, (c) 500 ºC, (d) 600 ºC, (e) 700 ºC และ (f) 800 ºC 5.2 การกระตุ้นปฏิกิริยาโดยใช้แสงร่วม

จากการใช้แผ่นบางนาโนที่สังเคราะห์ได้กับที่ผ่านการให้ความร้อนมาเป็นตัวกระตุ้นปฏิกิริยาโดยใช้แสงร่วมพบว่า เมื่อใช้แผ่นบางนาโนที่สังเคราะห์ได้เป็นตัวกระตุ้นปฏิกิริยาโดยใช้แสงร่วม ค่าความเข้มข้นของ I3

- มีค่าน้อยกว่าการใช้แผ่นบางนาโนที่สังเคราะห์ได้ที่ผ่านการให้ความร้อนเป็นตัวกระตุ้นปฏิกิริยา ยกเว้นที่อุณหภูมิ 800 ºC โดยที่อุณหภูมิ 300 ºC จะให้ค่าความเข้มข้นของ I3

- สูงสุด และมีค่าสูงกว่านาโน TiO2 เชิงพาณิชย์ (P 25, JRC 01, JRC 03) และ

50 nm

(a)

20 nm

(b)

50 nm 50 nm

(b) 400 ºC, 2 hr (a) 300 ºC, 2 hr

50 nm 50 nm

(d) 600 ºC, 2 hr (c) 500 ºC, 2 hr

50 nm 50 nm

(f) 800 ºC, 2 hr (e) 700 ºC, 2 hr

728

การประชุมวิชาการ มหาวิทยาลัยขอนแก่น ประจำาปี 2554“การพัฒนาอนาคตชนบทไทย : ฐานรากที่มั่นคงเพื่อการพัฒนาประเทศอย่างยั่งยืน” 27-29 มกราคม 2554

ไวแสง (Dye-sensitized solar cell) หรือตัวเร่งปฏิกิริยาโดยใช้แสงใน

การผลติไฮโดรเจนจากปฏกิริยิาแยกนำำำำำำ้ำา (Water splitting) [7-8] เปน็ตน้

รูปที่ 5 ความเข้มข้นของ I-3 ของแผ่นบางนาโนที่สังเคราะห์ได้และที่

ให้ความร้อนที่อุณหภูมิต่างๆ โดย ใช้ระยะเวลาที่ใช้ในการฉายแสง

UV เป็นเวลา 1 hr

6. สรุปผลและข้อเสนอแนะ จากผลการทดลองสามารถสรุปได้ว่า แผ่นบางนาโน TiO

2

สามารถเตรียมได้โดยกระบวนการไฮโดรเทอร์มอลที่ใช้ NH3OH

เป็นสารละลาย ณ อุณหภูมิ 120 ºC เป็นเวลา 12 ชั่วโมง ด้วยชุด

ถังปฏิกรณ์ที่ผลิตเองในประเทศ แผ่นบางนาโนที่สังเคราะห์ได้มีโครง

สรา้งอสณัฐาน โดยมคีา่พืน้ทีผ่วิจำาเพาะ เสน้ผา่นศนูยก์ลางของ รพูรนุ

และปริมาณรูพรุนอยู่ที่ 360.28 m2/g, 3-5 nm และ 0.275 cm3/g ตาม

ลำาดบั แผน่บางนาโนทีผ่า่นการใหค้วามรอ้นมโีครงสรา้งผลกึแบบเฟส

อนาเทส (Anatase Phase) ซึง่โครงสรา้งผลกึแบบอนาเทส TiO2 มคีา่

เพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิการให้ความร้อนสูงขึ้น โดยที่อุณหภูมิ 300, 400

และ 500 ºC แผ่นบางนาโนมีค่าพื้นที่ผิวจำาเพาะคือ 108.93, 71.24

และ 46.77 m2/g ตามลำาดับ นอกจากนี้แผ่นบางนาโนที่ผ่านการให้

ความร้อนมีค่าการกระตุ้นปฏิกิริยาแบบใช้แสงสูงกว่าแผ่นบางนาโน

ที่ไม่ได้ผ่านการให้ความร้อน และมีค่าสูงกว่านาโน TiO2 เชิงพาณิชย์

(P 25, JRC 01, JRC 03) ซึ่งคาดว่าสารที่เตรียมได้นั้นอาจนำาไป

ประยุกต์ใช้งานเป็นขั้วอิเล็คโทรดในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไว

แสง หรอืตวัเรง่ปฏกิริยิาโดยใชแ้สงในการผลติไฮโดรเจนจากปฏกิริยิา

แยกนำำำำำำ้ำา เป็นต้น

7. กิตติกรรมประกาศ งานวจิยันีไ้ดร้บัการสนบัสนนุจาก สำานกังานคณะกรรมการ

วิจัยแห่งชาติ (วช.) และ กลุ่มวิจัย Nanotechnology for textile

and polymer research group (Nano TeP) คณะวิศวกรรมศาสตร์

มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี

เมื่ออุณหภูมิที่ใช้ในการเผาสูงขึ้นค่าความเข้มข้นของ I3- มีค่าลดลง

ตามอุณหภูมิที่สูงขึ้น ผลของค่าความเข้มข้นของ I3- ที่ลดลงดังกล่าว

สามารถอธิบายได้จากขนาดของวัตถุนาโนทรงกลมที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ทําให้พ้ืนที่ผิวจําเพาะที่สัมผัสต่อการเกิดปฏิกิริยาแบบใช้แสงลดลง [5-6] จากผลดังกล่าวคาดว่าสารตัวอย่างที่เตรียมได้นั้นอาจนําไปประยุกต์ใช้งานเป็นขั้วอิเล็คโทรดในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง (Dye-sensitized solar cell) หรือตัวเร่งปฏิกิริยาโดยใช้แสงในการผลิตไฮโดรเจนจากปฏิกิริยาแยกน้ํา (Water splitting) [7-8] เป็นต้น

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

As-synthe

sized 300 400 500 600 700 800 P-25

JRC-01JRC-03

Temperature (ºC)

Conce

ntrati

on of

I 3- x 10-4 (M

)

รูปที่ 5 ความเข้มข้นของ I-

3 ของแผ่นบางนาโนที่สังเคราะห์ได้และที่ให้ความร้อนที่อุณหภูมิต่างๆ โดย ใชร้ะยะเวลาที่ใช้ในการฉายแสง UV เป็นเวลา 1 hr 6. สรุปผลและข้อเสนอแนะ จากผลการทดลองสามารถสรุปได้ว่า แผ่นบางนาโน TiO2

สามารถเตรียมได้โดยกระบวนการไฮโดรเทอร์มอลที่ใช้ NH3OH เป็นสารละลาย ณ อุณหภูมิ 120 ºC เป็นเวลา 12 ชั่วโมง ด้วยชุดถังปฏิกรณ์ที่ผลิตเองในประเทศ แผ่นบางนาโนที่สังเคราะห์ได้มีโครงสร้างอสัณฐาน โดยมีค่าพ้ืนที่ผิวจําเพาะ เส้นผ่านศูนย์กลางของ รูพรุน และปริมาณรูพรุนอยู่ที่ 360.28 m2/g, 3-5 nm และ 0.275 cm3/g ตามลําดับ แผ่นบางนาโนที่ผ่านการให้ความร้อนมีโครงสร้างผลึกแบบเฟสอนาเทส (Anatase Phase) ซึ่งโครงสร้างผลึกแบบอนาเทส TiO2 มีค่าเพ่ิมขึ้นเมื่ออุณหภูมิการให้ความร้อนสูงขึ้น โดยที่อุณหภูมิ 300, 400 และ 500 ºC แผ่นบางนาโนมีค่าพ้ืนที่ผิวจําเพาะคือ 108.93, 71.24 และ 46.77 m2/g ตามลําดับ นอกจากนี้แผ่นบางนาโนที่ผ่านการให้ความร้อนมีค่าการกระตุ้นปฏิกิริยาแบบใช้แสงสูงกว่าแผ่นบาง - นาโนที่ไม่ได้ผ่านการให้ความร้อน และมีค่าสูงกว่านาโน TiO2 เชิงพาณิชย์ (P 25, JRC 01, JRC 03) ซึ่งคาดว่าสารที่เตรียมได้นั้นอาจนําไปประยุกต์ใช้งานเป็นขั้วอิเล็คโทรดในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง หรือตัวเร่งปฏิกิริยาโดยใช้แสงในการผลิตไฮโดรเจนจากปฏิกิริยาแยกน้ํา เป็นต้น

7. กิตติกรรมประกาศ ง า น วิ จั ย นี้ ไ ด้ รั บ ก า ร ส นั บ ส นุ น จ า ก สํ า นั ก ง า น

คณะกรรมการวิจัยแห่งชาติ (วช.) และ กลุ่มวิจัย Nanotechnology for textile and polymer research group (Nano TeP) คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี 8. เอกสารอ้างอิง [1] A. Fujishima, T.N. Rao, and D.A. Tryk, “Titanium dioxide

photocatalysis,” J. Photochem. Photobiol. C:Photochem. Rev., vol. 1, no. 1, pp. 1-21, Jun. 2000.

[2] ยอดหทัย เทพธรานนท์, และประมวล ตั้งบริบูรณ์รัตน์, นาโน เทคโนโลยีซูเปอร์จิ๋ว. กรงุเทพฯ, 2545. [3] สุกัญญา ศารทูลฑัต, วรรนิภา หงส์โต, และวราภรณ์ นันทพันธ์, “การศึกษาผลของปริมาณและขนาดอนุภาคที่มีผลของไททา- เนียมไดออกไซด์ต่อการบดบังแสงของป้ายโฆษณาที่ผลิตจาก โพลิเมทิลคริเลต,” ปริญญานิพนธ์วิศวกรรมศาสตรบัณฑิต มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบรุ,ี 2549. [4] ตะวัน สุขน้อย, “การสังเคราะห์และการศึกษาความสามารถ ในการเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาของซีโอไลต์ที่มีไททาเนียมเป็น องค์ประกอบ.” รายงานการวิจัยฉบับสมบูรณ์, สํานักงานกองทุน สนับสนุนการวิจัย, กรุงเทพฯ, 2543. [5] T. Sreethawong, Y. Suzuki, and S. Yoshikawa, “Synthesis, characterization, and photocatalytic activity for hydrogen evolution of nanocrystalline mesoporous titania prepared by surfactant-assisted templating sol-gel process,” J. Solid State Chem., vol. 178, no. 1, pp. 329-338, Jun. 2005. [6] M. Adachi, Y. Murata, I. Okada, and S. Yoshikawa, “Formation

of titania nanotubes and applications for dye-sensitized solar cells,” J. Electrochem. Soc., vol. 150, no. 8, pp. G488-G493, Jun. 2003.

[7] J. Jitputti, S. Pavasupree, Y. Suzuki, and S. Yoshikawa, “Synthesis of TiO2 Nanotubes and Its Photocatalytic Activity for H2 Evolution” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 47, no. 1, pp. 751-756, 2008.

[8] S. Pavasupree, N. Laosiripojana, S. Chuangchote, and T. Sagawa, “Fabrication and Utilization of Titania Nanofibers from Natural Leucoxene Mineral in Photovoltaic Applications” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 50, no. 1, 2011, in press.

8. เอกสารอ้างอิง[1] A. Fujishima, T.N. Rao, and D.A. Tryk, “Titanium dioxide

photocatalysis,” J. Photochem. Photobiol. C:Photochem.

Rev., vol. 1, no. 1, pp. 1-21, Jun. 2000.

[2] ยอดหทัย เทพธรานนท์, และประมวล ตั้งบริบูรณ์รัตน์, นาโน

เทคโนโลยีซูเปอร์จิ๋ว. กรุงเทพฯ, 2545.

[3] สุกัญญา ศารทูลฑัต, วรรนิภา หงส์โต, และวราภรณ์ นันทพันธ์,

“การศึกษาผลของปริมาณและขนาดอนุภาคที่มีผลของไททา-

เนียมไดออกไซด์ต่อการบดบังแสงของป้ายโฆษณาที่ผลิตจาก

โพลิเมทิลคริเลต,” ปริญญานิพนธ์วิศวกรรมศาสตรบัณฑิต

มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี, 2549.

[4] ตะวัน สุขน้อย, “การสังเคราะห์และการศึกษาความสามารถ

ในการเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาของซีโอไลต์ที่มีไททาเนียมเป็น

องคป์ระกอบ.” รายงานการวจิยัฉบบัสมบรูณ,์ สำานกังานกองทนุ

สนับสนุนการวิจัย, กรุงเทพฯ, 2543.

[5] T. Sreethawong, Y. Suzuki, and S. Yoshikawa, “Synthesis,

characterization, and photocatalytic activity for hydrogen

evolution of nanocrystalline mesoporous titania prepared

by surfactant-assisted templating sol-gel process,” J. Solid

State Chem., vol. 178, no. 1, pp. 329-338, Jun. 2005.

[6] M. Adachi, Y. Murata, I. Okada, and S. Yoshikawa,

“Formation of titania nanotubes and applications for

dye-sensitized solar cells,” J. Electrochem. Soc., vol. 150,

no. 8, pp. G488-G493, Jun. 2003.

[7] J. Jitputti, S. Pavasupree, Y. Suzuki, and S. Yoshikawa,

“Synthesis of TiO2 Nanotubes and Its Photocatalytic Activity

for H2 Evolution” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 47, no. 1, pp.

751-756, 2008.

[8] S. Pavasupree, N. Laosiripojana, S. Chuangchote, and

T. Sagawa, “Fabrication and Utilization of Titania Nanofibers

from Natural Leucoxene Mineral in Photovoltaic

Applications” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 50, no. 1, 2011, in press.