ห้องปฏิบัติการนวัตกรรมการสังเคราะห์กราฟีน

Graphene Fabrication Laboratory (GFL)

'นวัตกรรมการสังเคราะห์กราฟีน'

ห้องปฏิบัติการนวัตกรรมการสังเคราะห์กราฟีน (Graphene Fabrication Laboratory: GFL) ได้ดำเนินการวิจัยและพัฒนาดังต่อไปนี้

1. เทคโนโลยีการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ เป็นวัสดุนาโนคาร์บอนที่มีมูลค่าสูง (Technology for conversion of Carbon dioxide to high-value carbon nanomaterials)

     แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) เป็นแก๊สที่ไม่มีกลิ่น ไม่มีสี ไม่ติดไฟ มีความหนาแน่นประมาณ 1.5 เท่าของอากาศ มีความเป็นกรดอ่อนๆ และละลายได้ในน้ำได้ ในช่วงเวลาที่ผ่านมาหลังการปฏิวัติอุตสาหกรรม แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศได้เพิ่มปริมาณสูงขึ้นอย่างมากจากกิจกรรมของมนุษย์ เช่น การเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลของถ่านหินและน้ำมัน การเผาไหม้ทางการเกษตร คมนาคม และอุตสาหกรรม เป็นต้น จนถึงปี 2562 ความเข้มข้นของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศได้เพิ่มสูงกว่า 400 ppm ทำให้ส่งผลกระทบให้เกิดสภาวะโลกร้อน (global warming) อย่างมาก จึงได้มีแนวคิดเพื่อที่จะนำแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์จากบรรยากาศซึ่งต้องการกำจัดมาเปลี่ยนรูปให้เป็นวัสดุที่มีประโยชน์ชนิดต่างๆ ได้แก่ วัสดุนาโนคาร์บอน (nanocarbon) และสารประกอบเชิงคาร์บอนทั้งชนิดอินทรีย์และอนินทรีย์ (organic and inorganic carbonaceous compounds) ซึ่งวัสดุนาโนคาร์บอน โดยเฉพาะอย่างยิ่งวัสดุท่อนาโนคาร์บอน (carbon nanotubes) และกราฟีน (graphene) ที่มีโครงสร้างระดับนาโนแบบ 1 และ 2 มิติ นั้นกำลังได้รับความสนใจอย่างมากเมื่อเทียบกับวัสดุอื่นเนื่องจากเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติที่โดดเด่นเป็นพิเศษทั้งทางกายภาพ ไฟฟ้าและเคมี ทำให้เหมาะที่จะนำไปประยุกต์ใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้งานในหลายๆ ด้าน เช่น อิเล็กทรอนิกส์ระดับนาโน แบตเตอร์รี่ขนาดเล็ก โซล่าเซลล์ ตัวเก็บประจุไฟฟ้ายิ่งยวด เซนเซอร์ หรือ วัสดุสำหรับยานยนต์และอากาศยาน เป็นต้น จึงทำให้เป็นวัสดุที่มีมูลค่าสูง ดังนั้นนักวิจัยทั่วโลกจึงให้ความสนใจในการศึกษาและพัฒนาเทคโนโลยีสำหรับการเปลี่ยนแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นวัสดุท่อนาโนคาร์บอนและกราฟีนเป็นอย่างมาก ได้มีการนำเสนอวิธีการต่างๆ ที่หลากหลายและทั้งหมดยังอยู่ในระยะของการวิจัยและพัฒนา โดยอาจสรุปเทคโนโลยีใหม่สำคัญที่แสดงว่ามีประสิทธิภาพและประสิทธิผลของการแปลงสูงที่อาจสามารถนำไปใช้ในการผลิตในเชิงพาณิชย์ในอนาคตมีดังนี้

1.1 เทคโนโลยีการสังเคราะห์ด้วยไอเคมี (Chemical vapor deposition: CVD)
     หลักการแปลงคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นแผ่นนาโนกราฟีนและท่อนาโนคาร์บอน ด้วยเทคโนโลยี CVD นั้นอาศัยการเกิดปฏิกริยาเคมีแบบ reduction ทิ่อุณหภูมิสูงโดยใช้ส่วนผสมระหว่างแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) และแก๊สไฮโดรเจน (H2) ภายใต้ความดันบรรยากาศ ที่อุณหภูมิระหว่าง 900 ถึง 1,000 องศาเซลเซียสในสภาวะสุญญากาศจนถึงความดันบรรยากาศ ซึ่งจะเกิดปฏิกริยาตามสมการดังแสดงในรูปที่ 1 หลังจากปฏิกริยาจะทำให้ออกซิเจนอะตอมหลุดออกไปจากโมเลกุลของคาร์บอนได ออกไซด์แล้วทำให้เกิดของแข็งเป็นอะตอมของคาร์บอนซึ่งอาจจะจัดเรียงตัวกันเป็นแผ่นนาโนกราฟีนหรือวัสดุท่อนาโนคาร์บอน ขิ้นกับรูปร่างของตัวเร่งปฏิกิริยา (catalysts) ถ้า catalyst เช่น เหล็กหรือนิเกิล เป็นอนุภาคนาโน ก็จะทำให้อะตอมของคาร์บอนสะสมเรียงตัวกันเป็นท่อนาโนคาร์บอน แต่ถ้า catalyst เป็นแผ่นหรือผิวโค้ง ก็จะเกิดการเรียงตัวของอะตอมคาร์บอนบนผิวโลหะทำให้เกิดเป็นฟิล์มบางเคลือบบนตามรูปร่างของผิวทำให้ได้เป็นแผ่นนาโนกราฟีนตามรูปร่างของ catalyst โดยได้มีบางรายงานได้ใช้วิธี CVD ของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่สามารถสังเคราะห์วัสดุกราฟีนที่มี 2-3 ชั้น อย่างไรก็ตามยังมีงานวิจัยที่สามารถการแปลง CO2 เป็นกราฟีนและท่อนาโนคาร์บอน อยู่ไม่มากนัก จึงยังต้องมีการพัฒนาอีกมากทั้งในเรื่องวัสดุที่เป็นคะตะลิสต์ที่จะสามารถปรับเปลี่ยนเพื่อช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของการสังเคราะห์ ตลอดจนการศึกษาเงื่อนไขของกระบวนการ และเครื่องมือที่เหมาะสมสำหรับการผลิตจำนวนมาก

รูปที่ 1 แสดงหลักการและระบบสำหรับการปลูกกราฟีนและท่อนาโนคาร์บอน ด้วยวิธี CVD

1.2 เทคโนโลยีการสังเคราะห์ด้วยวิธี magnesiothermic reaction
     วิธีการของ magnesiothermic reaction เป็นการใช้คาร์บอนไดออกไซด์ที่ถูกแปลงให้อยู่ในสถานะของแข็งที่เรียกว่าน้ำแข็งแห้ง (dry ice) ในวิธีนี้โลหะแมกนีเซียม (Mg) จะถูกเผาในน้ำแข็งแห้ง (dry ice) ที่ประมาณ – 80 องศาเซลเซียส ซึ่งจะทำให้เกิดปฏิกิริยาในการเผาในสภาวะบรรยากาศตามสมการในรูปที่ 2 ซึ่งทำให้การเกิดผลผลิตอะตอมของคาร์บอนที่จะเรียงตัวเป็นแผ่นนาโนกราฟีนอยู่บนอนุภาคนาโนแมกนีเซียมออกไซด์ดังแสดงในรูปที่ 2 จากผลการสังเคราะห์ของงานวิจัยโดยวิธีนี้จะสามารถสังเคราะห์แผ่นกราฟีนน้อยกว่า 5 ชั้น ถึงแม้ว่าวิธีนี้จะง่ายสำหรับการแปลงแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์เป็นกราฟีน แต่ผลการศึกษายังค่อนข้างจำกัด ยังขาดการศึกษาผลกระทบของปัจจัยต่างๆของกระบวนการเตรียมที่มีต่อโครงสร้าง พื้นที่ผิว ตลอดจนสมบัติทางฟิสิกส์และเคมีต่างๆของกราฟีนที่เตรียมได้ และยังไม่ได้พิจารณาข้อจำกัดของการควบคุมการผลิตจำนวนมากและการเพิ่มต้นทุนในกระบวนการผลิตน้ำแข็งแห้งจากแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ นอกจากนี้ยังมีรายงานการสังเคราะห์ CNTs ด้วยหลักการ magnesiothermic reaction ด้วยแต่การ สังเคราะห์ CNTs ด้วยหลักการนี้จะใช้เงื่อนไขที่ต่างกันมากโดยที่ CO2 จะอยู่ในสภาวะพิเศษที่เรียกว่าจุดวิกฤต (supercritical point) โดย CO2 ที่สภาวะนี้จะทำปฏิกิริยากับแมกนีเซียมในสภาวะของเหลวที่อุณหภูมิประมาณ 1,000 องศาเซลเซียสที่ความดันสูงประมาณ 10 kbar นอกจากนั้นยังได้มีงานวิจัยที่ไกล้เคียงได้ศึกษาการสังเคราะห์ CNTs และ กราฟีนด้วยหลักการที่คล้ายกันแต่เปลี่ยนสารที่เป็น catalyst จากแมกนีเซียมเป็นสารกลุ่ม alkaline เช่น ลิเทียม (Li) และ โซเดียม (Na) ซึ่งจะกระทำที่อุณหภูมิที่สูงปานกลาง 600-800 องศาเซลเซียส และความดันสูงกว่าความดันบรรยากาศ จากผลรายงานวิจัยได้แสดงว่าได้กราฟีนและ CNTs ที่มีโครงสร้างค่อนข้างพิเศษ เช่น โครงสร้างเป็นโครงข่ายสามมิติ อย่างไรก็ตามการควบคุมการผลิตจำนวนมากสำหรับโครงสร้างกราฟีนและท่อนาโนคาร์บอน ด้วยวิธีการนี้เหล่านี้ยังเป็นเพียงการศึกษาเบื้องต้นและจึงต้องมีการพัฒนาต่อยอดเพื่อการผลิตเชิงปริมาณต่อไป

รูปที่ 2 แผนภาพแสดงกระบวนการสังเคราะห์กราฟีนจากแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ด้วยวิธี magnesiothermic reaction

2. เทคโนโลยีการทางด้านการตรวจวัดฝุ่น PM2.5
2.1 การพัฒนาอุปกรณ์ตรวจวัดฝุ่นละออง PM2.5 สำหรับใช้งานภายนอกอาคาร
      อุปกรณ์ตรวจวัดฝุ่นละออง PM2.5 ที่พัฒนาขึ้น เป็นการนำเซนเซอร์วัดฝุ่น PM2.5 ชนิด Light scatterring มาพัฒนาเพื่อวัดค่าฝุ่นละออง โดยภายในเซนเซอร์จะใช้แสงเลเซอร์ส่องไปยังอนุภาคฝุ่นที่ถูกดูดเข้ามาในช่องตรวจวัด เมื่ออนุภาคฝุ่นเคลื่อนที่ผ่านลำแสงเลเซอร์จะเกิดการสะท้อนของแสงไปยังตัวรับแสงจากนั้นจึงเปลี่ยนเป็นปริมาณทางไฟฟ้าและคำนวณออกมาเป็นค่าของอนุภาคฝุ่นซึ่งทางห้องปฏิบัติการได้พัฒนาเพิ่มเติมโดยมีการคิดค้นวิธีการนำอากาศเข้าไปยังเซนเซอร์ด้วยความเร็วลมที่เหมาะสม ตัวเซนเซอร์จะถูกเชื่อมต่อด้วยไมโครโพรเซสเซอร์แล้วทำการพัฒนาโปรแกรมเพื่ออ่านค่าปริมาณฝุ่น PM2.5 และส่งค่าการวัดอนุภาคฝุ่นดังกล่าวผ่านการสื่อสารแบบไร้สาย (WiFi) หรือการสื่อสารแบบอื่นๆ ตามแต่ลักษณะการใช้งานที่ต้องการ ในด้านบรรจุภัณฑ์ของอุปกรณ์ตรวจวัดฝุ่น PM2.5 นั้นถูกสร้างจากวัสดุพลาสติกประเภทมีความแข็งแรงสูงจึงสามารถนำไปใช้งานได้ทั้งภายในและภายนอกอาคาร

อุปกรณ์ตรวจวัดฝุ่นละออง PM2.5

2.2 การพัฒนาอุปกรณ์ตรวจวัดฝุ่นชนิดสวมใส่ขนาดจิ๋วเพื่อเฝ้าระวัง PM2.5
     การพัฒนาเทคโนโลยีสำหรับตรวจวัดฝุ่นละอองขนาดเล็กช่วยให้เกิดการพัฒนาระบบบริหารจัดการการเฝ้าระวังฝุ่นแบบบูรณาการที่ครบทุกมิติ โอกาสทางธุรกิจที่เกิดขึ้นนั้นจะส่งผลไปยังหน่วยงานที่กำกับดูแลที่เกี่ยวข้องกับการตรวจวัดฝุ่นละออง บริษัทเอกชนที่สามารถนำระบบดังกล่าวไปใช้งานรวมไปถึงหน่วยงานที่สามารถนำข้อมูลที่ได้ไปใช้ในการวิเคราะห์ เช่นหน่วยงานที่เกี่ยวข้องกับอสังหาริมทรัพย์สำหรับการนำข้อมูลไปรายงานต่อผู้อยู่อาศัยภายใต้สมาร์ทลิฟวิ่ง โรงงานอุตสาหกรรมในการตรวจสอบและควบคุมปริมาณฝุ่นละอองที่เกิดจากกระบวนการการผลิต และหน่วยงานที่เกี่ยวข้องในการหาข้อมูลเพื่อยืนยันถึงต้นตอของปัญหาที่ก่อให้เกิดฝุ่นละอองและดำเนินการในการกำกับดูแลปัญหาดังกล่าว ในขั้นตอนที่ใช้ในการออกแบบทางคณะผู้วิจัยได้ทำการออกแบบให้โครงสร้างมีความไกล้เคียงกับเซ็นเซอร์วัดฝุ่นชนิดกระเจิงแสงทั่วไปแต่ด้ำการปรับเปลี่ยนโครงสร้างการลำเลียงอากาศจากระบบพัดลมมาใช้เป็นระบบการส่งผ่านฝุ่นด้วยไมโครปั๊ม โดยปั๊มดังกล่าวมีขนาดที่เล็กและกินพลังงานที่น้อยกว่ามากอีกทั้งยังช่วยลดภาวะรบกวนขากภายนอกได้เป็นอย่างดีอีกด้วย ซึ่งโครงสร้างเซ็นเซอร์ดังกล่าวได้แสดงไว้ในรูปที่ ประกอบไปด้วยช่องลำเลียงอากาศเข้า จากนั้นอากาศที่ปะปนกับฝุ่นจะถูกแสงส่องจากหลอก LED เพื่อให้แสงดักล่าวตกกระทบกับฝุ่นละอองที่ผ่านเข้ามาจากนั้นตัวเซ็นเซอร์จะทำการวัดผ่านทาง Light Receptor เพื่อนำมาคำนวนควบคู่ไปกับปริมาตรของอากาศที่ผ่านเข้ามาจากนั้นจะเข้าสู่การคำนวนในรูปแบบปกติเพื่อนำข้อมูลไปส่งต่อให้กับ Microcontroller และส่งผลขอค่าที่ได้ไปยังส่วนแสดงผลต่างๆที่ติดตั้งอยู่ที่ตัวเซ็นเซอร์ ซึ่งขนาดอุปกรณ์จะมีขนาดเล็กและใช้พลังงานน้อยกว่าในรูปแบบการนำอากาศเข้าด้วยพัดลมแบบปกติ

3. จมูกอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Nose)
     จมูกอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Nose) เป็นเครื่องมือที่มีความสามารถในการวิเคราะห์กลิ่นเลียนแบบจมูกของมนุษย์ ซึ่งโครงสร้างของเครื่องมือชนิดนี้ประกอบไปด้วยอาเรย์ของเซนเซอร์ตรวจวัดทาง เคมี ซึ่งทำหน้าที่ตรวจสอบองค์ประกอบของของแก๊สต่างๆ ในสิ่งที่นำมาตรวจวัด และนำข้อมูลที่ได้รับทั้งหมดมาวิเคราะห์ผลร่วมกัน เพื่อจำแนกแยกแยะกลิ่นต่างๆ จากคุณสมบัติดังกล่าวนี้ ทำให้สามารถประยุกต์ใช้เทคโนโลยีดังกล่าวในการเฝ้าระวังสภาพอากาศ ของพื้นที่ทางการเกษตร หรือพื้นที่ทางการปศุสัตว์ ของเกษตรกรได้ โดยจะได้รับประโยชน์อย่างยิ่งในการควบคุมคุณภาพของผลผลิตทางการเกษตร อีกทั้งเมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงของสภาพอากาศที่อาจส่งผลเสียต่อผลิตผล ก็แจ้งเตือนไปยังผู้ดูแลเพื่อให้แก้ไขอย่างทันท่วงที ทำให้สามารถหลีกเลี่ยงความเสียหายที่จะเกิดขึ้นเนื่องจากสภาพอากาศที่ไม่เหมาะสมได้ ทางทีมวิจัยมีประสบการณ์ในการพัฒนาระบบจมูกอิเล็กทรอนิกส์มามากกว่า 10 ปี ทั้งในงานที่ใช้ในการตรวจวัดคุณภาพอาหาร เครื่องดื่ม มลพิษทางอากาศ หรือ การตรวจวัดกลิ่นแปลกปลอมในที่อยู่อาศัย และได้นำการวิเคราะห์กลิ่นด้วยปัญญาประดิษฐืมาใช้ร่วมกับตัวอุปกรณ์ทำให้เกิดความแม่นยำและถูกต้องในระดับสูงถึงกว่า 90%

3.1 เทคโนโลยีการสังเคราะห์ทางความร้อนและไฟฟ้าเคมี (Thermal electrochemical reduction method)
     วิธีการนี้จะอาศัยปฏิกิริยา electrolysis ของคาร์บอนไดออกไซด์ที่ละลายเข้าไปใน electrolyte ที่เป็นของเหลวของ Lithium carbonate (LiCO3) ที่อุณหภูมิที่สูงประมาณ 750-900 องศาเซลเซียส โดย electrolyte จะถูกต่อกับขั้วอาโหนด (Anode) ที่ทำจากวัสดุนิเกิลซึ่งเป็นถ้วยและรองรับสาร LiCO3 และขั้วแคโทด (Cathode) ซึ่งเป็นแผ่น galvanized steel ซึ่งจะจุ่มลงใน electrolyte ดังแสดงในรูปที่ 3 เมื่อทำการป้อนกระแสระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสองในระดับที่เหมาะสมเช่น 1 A ก็จะทำให้เกิดปฏิกิริยา electrolysis ของคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งทำให้ CO2 แยกตัวออกเป็น C และ O2 โดยตรง ซึ่ง O2 จะถูกส่งออกไปทางขั้วแคโทด C จะปรากฏที่ขั้วอาโหนดซึ่งเป็นนิเกิลที่คุณสมบัติเป็น catalyst ถ้า electrolyte มีโครงสร้างอนุภาคนาโนของ LiO2 ผสมอยู่ก็จะทำให้อะตอมของคาร์บอนสะสมเรียงตัวกันเป็นท่อนาโนคาร์บอนได้ แต่ถ้าไม่มีก็จะเกิดการเรียงตัวของอะตอมคาร์บอนบนผิวโลหะทำให้เกิดเป็นฟิล์มบางของแผ่นนาโนกราฟีนได้ จากผลรายงานวิจัยได้แสดงว่าได้กราฟีนและ CNTs ที่มีขนาดค่อนข้างใหญ่ ทั้งโครงสร้างของนาโนคาร์บอนที่เกิดยังจะสามารถปรับปรุงได้โดยการเปลี่ยนตัวแปรหลายอย่าง เช่น อุณหภูมิ สารที่ใช้เป็น electrolyte และขั้วอาโหนด ถึงแม้ว่าหลักการของวิธีนี้จะค่อนข้างง่าย แต่กระบวนการทางเครื่องมือยังค่อนข้างยุ่งยาก อีกทั้งยังต้องมีการปรับและควบคุมตัวแปรหลายอย่าง จึงยังต้องมีการพัฒนาต่อเพื่อให้สามารถผลิตเชิงปริมาณได้จริง

รูปที่ 6 แสดงหลักการสำหรับการปลูกกราฟีนและท่อนาโนคาร์บอนด้วยวิธี Thermal electrochemical reduction

งานวิจัยที่ผ่านมา