วิธีการเตรียมฟิล์มท่อนาโนไทเทเนีย

ฟิล์มท่อนาโนไทเทเนียสามารถเตรียมโดยใช้วิธีแอโนไดเซชัน วิธีนี้ใช้เซลล์ไฟฟ้าเคมีแบบเซลล์อิเล็กโทรไลต์ (electrolytic cell) ซึ่งประกอบด้วยขั้วไฟฟ้า 2 ชนิด คือ ขั้วแอโนด (anode) และขั้วแคโทด (cathode) และสารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่มีไอออนเคลื่อนที่ไปมาอยู่ในสารละลาย โดยหลักการของวิธีแอโนไดเซชันจะเป็นการทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีด้วยกระแสไฟฟ้า (อาจควบคุมให้เป็นแบบกระแสคงที่หรือศักย์ไฟฟ้าคงที่) แล้วทำให้เกิดชั้นออกไซด์ที่เสถียรและมีรูพรุนขนาดเล็กมากเคลือบอยู่บนผิวของโลหะ หรือเรียกได้ว่าวิธีเคลือบผิวโดยใช้ไฟฟ้า

ในขณะทำแอโนไดเซชัน ไอออนบวกจะวิ่งเข้าหาขั้วแคโทดและเกิดปฏิกิริยารีดักชันที่ขั้วแคโทด ในขณะที่ขั้วแอโนดจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันโดยไออนลบจะวิ่งเข้าหาขั้วแอโนด เกิดเป็นออกไซด์เคลือบอยู่บนผิวของโลหะไทเทเนียม ด้วยเหตุนี้จึงเป็นที่มาของกรรมวิธีที่เรียกว่าการทำแอโนไดเซชันหรือแอโนดิกออกซิเดชัน (anodic oxidation) ของโลหะไทเทเนียม

เพื่อให้ได้ฟิล์มที่มีคุณภาพและมีสมบัติที่ดีเหมาะแก่การนำไปใช้งานในด้านต่างๆ จะต้องควบคุมตัวแปรต่างๆ ให้เหมาะสม เช่น ควบคุม pH ของสารละลายอิเล็กโทรไลต์ ความเข้มข้นและองค์ประกอบของสารละลายอิเล็กโทรไลต์ ค่าศักย์ไฟฟ้าที่จ่ายให้แก่ระบบ

กลไกหลักที่ทำให้เกิดเป็นท่อนาโนไทเทเนียขึ้นที่ขั้วแอโนดแบ่งออกเป็น 4 ขั้นตอนหลักคือ

1. การเกิดชั้นฟิล์มบางของไทเทเนียเคลือบอยู่ที่ผิวของโลหะหลังจากที่มีการให้ศักย์ไฟฟ้าแก่ระบบ

2. การเกิดรูพรุนขนาดเล็กกระจายตัวอยู่ทั่วไปบนชั้นฟิล์มบางของไทเทเนีย เนื่องมาจากภาวะการละลายทางเคมีของผิวนอกของชั้นฟิล์มบางไทเทเนีย จากการกัดเซาะของอนุภาคขนาดเล็กของฟลูออไรด์ไอออนจากอิเล็กโทรไลต์

3. เนื่องจากศักย์ไฟฟ้าที่ให้ขณะทำแอโนไดเซชันจะทำให้เกิดการสร้างและสลายตัวของชั้นออกไซด์เพิ่มมากขึ้น ทำให้รูพรุนขนาดเล็กบนพื้นผิวของชั้นฟิล์มบางไทเทเนียกลายเป็นรูที่มีขนาดใหญ่ขึ้น

4. ในการทำแอโนไดเซชันแบบให้ศักย์ไฟฟ้าคงที่ ระบบจะพยายามปรับตัวเข้าสู่สมดุลโดยชั้นออกไซด์กั้นขวาง (barrier oxide layer) จะมีค่าคงที่หรือหนาเท่ากันทั่วพื้นผิวที่ถูกแอโนไดซ์ โดยปฏิกิริยาออกซิเดชันและการละลายก็จะเป็นไปอย่างสมดุลด้วย เกิดพัฒนาเป็นท่อนาโนไทเทเนียที่มีขนาดเท่ากันกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอทั่วพื้นที่ผิว

ฟิล์มท่อนาโนไทเทเนียประกอบด้วยท่อนาโนไทเทเนียจำนวนหลายท่อที่เรียงตัวชิดติดกันอย่างเป็นระเบียบ โครงสร้างของท่อนาโนไทเทเนียมีลักษณะเป็นท่อกลวงทรงตรง บริเวณปลายล่างของท่อปิด ส่วนปลายบนเปิด ทำให้วัสดุชนิดนี้มีพื้นที่ผิวสูงทั้งในและนอกตัวท่อ มีความพรุนตัวของวัสดุที่เหมาะสมและควบคุมได้ โดยทั่วไปท่อนาโนไทเทเนียที่ได้หลังจากการทำแอโนไดซ์จะมีความเป็นผลึกต่ำ แต่ถ้ามีการเผาฟิล์มที่อุณหภูมิสูงจะทำให้ได้ฟิล์มที่มีความเป็นผลึกสูง ทำให้ประจุสามารถไหลผ่านในแนวตัวท่อได้เป็นอย่างดี

ด้วยลักษณะโครงสร้างพิเศษของท่อนาโนไทเทเนียประกอบกับสมบัติในการขนส่งประจุที่ดีเยี่ยม จึงส่งผลให้ฟิล์มท่อนาโนไทเทเนียเหมาะสำหรับการประยุกต์ใช้งานในหลายด้าน เช่น ใช้สร้างไฮโดรเจนแก๊สเซ็นเซอร์ ใช้ทำวัสดุฐานอิเล็กโทรดในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง ใช้ในการผลิตแก๊สไฮโดรเจนด้วยวิธีโฟโตอิเล็กโทรไลซิส

ที่มา:

ศรชล โยริยะ. "ท่อนาโนไทเทเนีย" เทคโนโลยีวัสดุ. 63 : 14-19 : เมษายน - มิถุนายน 2554.

MTEC
BIOTEC
NECTEC
NANOTEC

tsp

AIMI

nctc

ฐานข้อมูลหน่วยงานภาครัฐ

 
สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.)
เป็นหน่วยงานของรัฐที่จัดตั้งขึ้นเพื่อศึกษาวิจัยและพัฒนาทางด้านวิทยาศาสตร์ และเทคโนโลยีเพื่อการพัฒนาประเทศไทย ไม่ได้มีวัตถุประสงค์เพื่อแสวงหากำไร
หากท่านพบว่ามีข้อมูลใดๆ ที่ละเมิดทรัพย์สินทางปัญญาปรากฏอยู่ในเว็บไซต์ของสำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ
โปรดแจ้งให้ทราบเพื่อดำเนินการแก้ปัญหาดังกล่าวโดยเร็วที่สุดต่อไป