รองศาสตราจารย์ ดร.ปวีณา เหลากูล และคณะ
ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหาสารคาม
ในปัจจุบันการปนเปื้อนสารเคมีและโลหะหนักในแหล่งน้ำธรรมชาติยิ่งทวีความรุนแรงและส่งผลกระทบต่อการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิตและระบบนิเวศน์ การคิดค้นเพื่อหาระบบหรือกระบวนการเพื่อจัดการด้านมลพิษในน้ำที่มีประสิทธิภาพจึงถือว่าเป็นความจำเป็นอย่างเร่งด่วน  จากปัญหาด้านมลพิษทางน้ำดังกล่าว จึงทำให้นักวิจัยจึงมุ่งพัฒนาระบบและวัสดุที่มีประสิทธิภาพในการบำบัดน้ำเสียโดยไม่ส่งผลกระทบต่อระบบนิเวศน์และสิ่งมีชีวิตในภายหลัง กระบวนการบำบัดน้ำเสียโดยอาศัยการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงในวัสดุประเภทสารกึ่งตัวนำเป็นอีกกระบวนการหนึ่งที่ได้รับความสนใจจากหลายกลุ่มวิจัย เนื่องจากสารกึ่งตัวนำที่ถูกนำมาใช้ในกระบวนการดังกล่าวมีเสถียรภาพทางเคมีสูง ทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงทางความร้อน มีความแข็งแรงเชิงกล ราคาถูก และไม่เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อม [1] ในบรรดาสารกึ่งตัวนำที่ถูกนำมาใช้ในปฏิกิริยาเร่งด้วยแสง ไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2) นับว่าเป็นสารกึ่งตัวนำชนิดหนึ่งที่นิยมนำมาใช้ในกระบวนการเร่งปฏิกิริยาเพื่อกำจัดสารปนเปื้อนที่มีอยู่ทั้งในน้ำและในอากาศเนื่องจากวัสดุผง TiO2 นั้นมีราคาถูก สังเคราะห์ได้ง่าย และมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาได้รวดเร็ว [1] อย่างไรก็ตาม TiO2 ยังมีข้อด้อยสำหรับการนำไปใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาแบบใช้แสงหรือที่เรียกว่า ปฏิกิริยาโฟโตคาตาไลติก คือต้องอาศัยพลังงานแสงในย่านรังสี UV ในการเกิดปฏิกิริยา [2] ซึ่งปริมาณของแสง UV นั้นมีอยู่เพียง 3-4% ของแสงอาทิตย์ที่ส่องมายังพื้นโลก [3] จากข้อจำกัดดังกล่าว จึงจำเป็นต้องมีการพัฒนาคุณสมบัติของ TiO2 ให้สามารถนำมาใช้กับแสงขาวได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งจากงานวิจัยที่ผ่านมาการพัฒนาประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงของ TiO2 สามารถทำได้หลายวิธี เช่น การทำคอมโพสิตกับสารกึ่งตัวนำ การเจือด้วยสารเจือ [4] และการลดขนาดของอนุภาค TiO2 ให้เล็กลงในระดับนาโนเมตร เป็นต้น
ผู้ช่วยศาสตราจารย์ปวีณา เหลากูล และคณะ ได้การทำวิจัยเกี่ยวกับการสังเคราะห์อนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ที่มีลักษณะโครงสร้างแบบทรงกลมกลวงพื้นผิวพรุน (mesoporous TiO2 hollow spheres, THs) ดังรูปที่ 1 เพื่อใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาโดยอาศัยแสงกระตุ้นการย่อยสลายสารประกอบอินทรีย์ที่ปนเปื้อนในน้ำหรืออากาศ ซึ่งได้ถูกตีพิมพ์ลงในวารสาร Journal of Materials Science & Technology ในปี ค.ศ. 2020 [5] นอกจากนี้ยังมีการเจืออนุภาคทรงกลมไทเทเนียมไดออกไซด์ด้วย Fe เพื่อเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพการย่อยสลายโมเลกุลสารอินทรีย์ในปฏิกิริยาและได้ตีพิมพ์ในวารสาร Current

รูปที่ 1 ภาพถ่าย FESEM ของอนุภาคอนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ที่มีโครงสร้างแบบทรงกลมกลวงพื้นผิวพรุนและกลไกการเกิดปฏิกิริยาตัวเร่งทางแสงในการย่อยสลายสารประกอบอินทรีย์

การออกแบบอนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ขนาดไมครอนที่มีโครงสร้างแบบทรงกลมกลวงและพื้นผิวพรุนนั้นมีวัตถุประสงค์ที่จะเพิ่มขนาดพื้นที่ผิวจำเพาะและลดความหนาแน่นของอนุภาค ซึ่งส่งผลดีต่อการประยุกต์ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเนื่องจากมีสามารถในการดูดซับ (adsorption) โมเลกุลสารประกอบอินทรีย์ทั้งในบริเวณพื้นผิวทั้งภายนอกและภายในโครงสร้างทรงกลมกลวง สำหรับกลไกการเกิดปฏิกิริยาเร่งในการย่อยสลายสารประกอบอินทรีย์จะเกิดที่บริเวณผิวของอนุภาค TiO2 โดยจะต้องใช้แสงอัลตราไวโอเลตหรือรังสียูวีซึ่งมีพลังงานที่มากพอที่จะกระตุ้นอิเล็กตรอนที่อยู่ในแถบวาเลนซ์ (valence band) ไปยังแถบการนำ (conduction band) สำหรับที่ว่างของอิเล็กตรอนในแถบวาเลนซ์จะเรียกว่า โฮล (hole, h+) การเกิดขึ้นของคู่อิเล็กตรอน-โฮล (electron-hole pairs) จึงถือเป็นปัจจัยสำคัญต่ออัตราเร่งของการเกิดปฏิกิริยา โดยอิเล็กตรอนอิสระในแถบการนำจะทำปฏิกิริยารีดักชันกับโมเลกุลของออกซิเจนที่ถูกดูดซับไว้บนพื้นผิวอนุภาคและกลายเป็นซุปเปอร์ออกไซด์เรดิคอล (superoxide radicals, O2o-) ในขณะที่โฮลซึ่งมีประจุเป็นบวกจะทำปฏิกิริยาออกซิเดชันกับโมเลกุลของน้ำที่ถูกดูดซับอยู่บนพื้นผิวของ TiO2 เกิดเป็นไฮดรอกซิลเรดิคอล (hydroxyl redicals, OHo) และไฮโดรเจนเรดิคอล (hydrogen radical, Ho) โดยที่อนุมูลอิสระเหล่านี้จะไปจับกับโครงสร้างของสารประกอบอินทรีย์เพื่อให้เกิดการสลายตัวและให้ผลิตภัณฑ์ออกมาอยู่ในรูปโมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ จากสมบัติที่โด่ดเด่นของอนุภาคไทเทเนียมไดออกไซด์ที่มีโครงสร้างแบบทรงกลมกลวงพื้นผิวพรุนนี้ นอกจากจะถูกใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาทางแสงแล้ว ยังสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในด้านเชนเชอร์ตรวจจับแก๊ส ขั้วไฟฟ้าในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง ขั้วไฟฟ้าในตัวเก็บประจุยิ่งยวด และอื่น ๆ ซึ่งทางผู้วิจัยจะนำองค์ความรู้ไปไปต่อยอดเพื่อการปประยุกต์วัสดุต่อไปในอนาคต

ผลงานตีพิมพ์

เอกสารอ้างอิง

[1]   กันยาพร ไชยวงศ์. การใช้กระบวนการแสงอาทิตย์–โฟโตแคตาติก สำหรับปฏิกรณ์แบบขั้นบันไดในการบำบัดสารเมทิลีนบลูในน้ำเสีย. วิทยานิพนธ์ปริญญาวิศวกรรมศาสตรมหาบัณฑิต. เชียงใหม่: มหาวิทยาลัยเชียงใหม่; 2547.

[2]   Liao DL, Badour CA, Liao BQ. Preparation of nanosized TiO2/ZnO composite catalyst and its photocatalytic activity for degradation of methyl orange. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2008; 194: 11–19.

[3]    Yu X, Wu Q, Jiang S, Guo Y. Nanoscale ZnS/TiO2 composites: Preparation, characterization, and visible-light photocatalytic activity. Materials Characterization,2006; 57: 333–341.

[4]    อัครวัต ศิริสุข, ปิยะสาร ประเสริฐธรรม. ผลของตัวแปรในการสังเคราะห์ผลึกไทเทเนียมไดออกไซด์และของผสมไทเทเนียมไดออกไซด์เพื่อใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาแบบใช้แสงที่มีความสามารถในการเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของสารอินทรีย์ที่ระเหยง่าย. รายงานวิจัย สาขาวิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์. จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย; 2549.

[5]   Kanjana N, Maiaugree W, Poolcharuansin P, Laokul P. Size controllable synthesis and photocatalytic performance of mesoporous TiO2 hollow spheres. Journal of Materials Science & Technology. 2020;48:105-113.

[6]  Pradubkorn P, Maensiri S, Swatsitang E, Laokul P. Preparation and characterization of hollow TiO2 nanospheres: The effect of Fe3+ doping on their microstructure and electronic structure. Current Applied Physics, 2020; 20: 178-185.