กา Sy
ชัยภ Ch ศูนย Sus Kho ภาค Dep
บท งาน เปล ตัว 30 ทรง คําส Abs Thi syn Ca nan usi Key
*Co Em
รสังเคราะหอ ynthesis of ca
ภัทร เครือหงส*
aiyaput Krueho ยวิจัยและพัฒนาโค stainable Infrastru on Kaen, Thailand ควิชาวิศวกรรมเคมี
partment of Chem
ทคัดยอ นวิจัยนี้มีวัตถุปร ลวเทียนจากการ
เรงปฏิกิริยานิกเกิ
ถึง 180 วินาที โด งกลมคารบอนระ สําคัญ : วัสดุนา stract
s research is a nthesis. Carbon rbon nanosphe nospheres incre ng the candle f ywords : Carbo
orresponding aut
ail address: chaik
อนุภาคทรงกล arbon nanosp
ong*
ครงสรางมูลฐานอยา cture Research a d, 40002
คณะวิศวกรรมศาส mical Engineering,
ระสงคเพื่อศึกษ เผาไหม พบวามี
กิลหนา 1 ถึง 5 ไ ดยปริมาณของอ ะดับนาโนที่สังเคร
โนคารบอน อนุภ
aimed to study n fiber, coated w
eres can be g eased when inc flame synthesis on nanomateria
hor. Tel.:+66-433 [email protected], c.kr
KKU E
http://www
มคารบอนระ heres on car
างยั่งยืน คณะวิศวก and Development สตร มหาวิทยาลัยข , Faculty of Engin
ษาความเปนไปไ ความเปนไปไดที
ไมโครเมตร บน อนุภาคทรงกลมค
ราะหไดมีขนาดเ ภาคทรงกลมคาร
the feasibility with Ni catalyst grown on the s
creased combu s at 180 sec wa al, Carbon sphe
6-2240 ext. 40; fa [email protected]
Engineering
w.en.kku.ac.th/e
ดับนาโนบนเส bon fiber usin
กรรมศาสตร มหาวิท Center (SIRDC), อนแกน จังหวัดขอน eering, Khon Kae
ไดในการสังเครา ที่จะสังเคราะหอน นตัวรองรับเสนใย
คารบอนที่สังเครา สนผานศูนยกลา รบอน ขี้ผึ้งพาราฟ
of growing car t of 1 to 5 micro support at 600 ustion times. Th as 50 nm.
eres, Paraffin w
ax: +66-4336-224 om
Journal
enjournal/th/
สนใยคารบอน ng paraffin ca
ทยาลัยขอนแกน จัง Faculty of Engine นแกน 40002 en University, Kho
าะหอนุภาคทรง นุภาคทรงกลมค คารบอน ที่อุณห าะหไดแปรตามร างประมาณ 50 น ฟน แกรไฟต
rbon nanosphe ometer thick, ca 0oC for 30 to he diameter of wax, Graphite
0
นโดยอาศัยเป andle flame
งหวัดขอนแกน 400 eering, Khon Kaen on Kaen, Thailand
งกลมคารบอนระ ารบอนระดับนา หภูมิ 600 องศา ะยะเวลาในการส นาโนเมตรที่เวลา
eres using a pa an be used as 180 sec. The the resulting c
ปลวเทียน
02
n University,
, 40002
Received Octobe Accepted February
ะดับนาโนโดยอ โนได โดยการเค เซลเซียส ระยะ สังเคราะห ซึ่งอนุ
180 วินาที
araffin candle fl a support mate amount of ca arbon nanosph
r 2012 y 2013
อาศัย คลือบ
เวลา นุภาค
ame erial.
rbon heres
298 KKU ENGINEERING JOURNAL July-September 2013; 40(3) 1. บทนํา
อนุภาคทรงกลมคารบอนระดับไมโครและนาโน เปนวัสดุคารบอนประเภทหนึ่งที่ไดรับความสนใจเปน อยางมาก เนื่องจากเปนวัสดุที่มีพื้นที่ผิวสูง ความ หนาแนนต่ํา ทนความรอนไดดี มีคุณสมบัติทางไฟฟาที่
โดดเดน และมีโครงสรางที่เปนระเบียบ [1] จากคุณสมบัติ
ดังกลาวทําใหอนุภาคทรงกลมคารบอนถูกนํามา ประยุกตใชอยางหลากหลาย เชน แบตเตอรี่ ตัวเก็บประจุ
(capacitors) เปนสวนผสมในตัวรองรับสําหรับตัวเรง ปฏิกิริยา [2] เปนตน อยางไรก็ตามการนําอนุภาคทรง กลมคารบอนไปใชในทางเคมีไฟฟาโดยตรงยังเปนไปได
ยา ก จึ ง นิย ม นํา ม า ใ ช รว ม กับ วั สดุ อื่ น เ พื่อ เ พิ่ ม ประสิทธิภาพ และพื้นที่ผิว ในงานวิจัยนี้ไดใชเสนใย คารบอนเปนตัวรองรับเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวของเสนใย คารบอนซึ่งสามารถนําไปประยุกตใชในทางเคมีไฟฟาได
การสังเคราะหอนุภาคทรงกลมคารบอนระดับไม โครและนาโนสามารถสังเคราะหไดหลายวิธี เชน วิธีอารค ดิสชารจ (arc-discharge)[3] วิธีการสะสมไอ (CVD)[4,5]
วิธีไฮโดรเทอรมอล (hydrothermal synthesis)[6] เปนตน อยางไรก็ตามวิธีดังกลาวมีความซับซอน ตองทําภายใต
สภาวะที่ตองควบคุม เชน ความดันสูง หรือในสภาวะ สุญญากาศ เปนตน [7] สําหรับวิธีการสังเคราะหโดย อาศัยเปลวไฟและผลิตภัณฑจากการเผาไหมเปนวิธีที่
กําลังไดรับความสนใจในการสังเคราะหทอนาโนคารบอน เนื่องจากเปนวิธีที่ประหยัด ไมซับซอน และใชระยะเวลา ในการสังเคราะหสั้น เปนที่สังเกตวาการเกิดอนุภาคทรง กลมคารบอนมีกลไกที่คลายคลึงกับการเกิดทอนาโน คารบอน [1,8,9] ดังนั้นวิธีการนี้จึงมีความเปนไปไดในการ นํามาสังเคราะหอนุภาคทรงกลมคารบอนระดับนาโน งานวิจัยนี้จึงศึกษาความเปนไปไดในการสังเคราะห
อนุภาคทรงกลมคารบอนระดับนาโนโดยอาศัยเปลวไฟ จากการเผาไหม โดยใชเทียนไขเปนแหลงกําเนิดความ รอนและแหลงกําเนิดสารประกอบไฮโดรคารบอน และใช
เสนใยคารบอนเปนตัวรองรับโดยมีนิกเกิลเปนตัวเรง ปฏิกิริยา
2. วิธีการวิจัย
2.1. การเตรียมตัวรองรับและเคลือบตัวเรงปฏิกิริยา นําเสนใยคารบอน (บริษัท เซลเลนเนียม (ประเทศ ไทย) จํากัด มาทําการรีฟลักซ (reflux) ในกรดไนตริก 69.5 เปอรเซ็นตโดยน้ําหนัก (Ajax Finechem Pty Ltd.) และ กรดซัลฟวริก 96 เปอรเซ็นตโดยน้ําหนัก (ACI Labscan Ltd.) ที่สัดสวนโดยปริมาตรของกรดไนตริกและซัลฟวริก 3 ตอ 1 เปนเวลา 5 ชั่วโมง จากนั้นนํามาลางดวยน้ํากลั่น จนกระทั่งน้ําลางมีคา pH เปนกลาง ลางคราบน้ํามันดวย เอทานอล (บริษัท ซีนิธ ไซแอนซ จํากัด) และลางน้ํากลั่น อีกครั้ง จากนั้นนําไปอบที่อุณหภูมิ 60 องศาเซลเซียส เปน เวลา 8 ชั่วโมง ทําการเคลือบตัวเรงปฏิกิริยาบนเสนใย คารบอนโดยการแชในตัวเรงปฏิกิริยานิกเกิล (II) ไนเทรต (Ajax Finechem Pty Ltd.) ที่ความเขมขน 0.1 โมลาร
เปนเวลา 24 ชั่วโมง จากนั้นนํามาอบใหแหงที่อุณหภูมิ 60 องศาเซลเซียส เปนเวลา 8 ชั่วโมง
2.2. การสังเคราะหอนุภาคทรงกลมคารบอนบนเสนใย คารบอน
นําเสนใยคารบอนที่เคลือบดวยตัวเรงปฏิกิริยา นิกเกิลมาใหความรอนผานเปลวไฟของเทียนไขสีขาว (บริษัทแสงเทียนประทีป) ที่มีเสนผานศูนยกลางของเทียน ไข และไสเทียนขนาด 5 และ 0.7 เซนติเมตร ตามลําดับที่
ระยะหางจากไสเทียน 3 เซนติเมตร ซึ่งมีอุณหภูมิประมาณ 600 องศาเซลเซียส เปนเวลา 30, 60 และ 180 วินาที ใน การควบอุณหภูมิที่ 600 องศาเซลเซียส ทําไดโดยอาศัย แทนควบคุมความสูงภายในกลองเหล็กเพื่อการปองกัน ผลกระทบจากสิ่งแวดลอมที่อาจสงผลตอการเปลี่ยนแปลง อุณหภูมิ อีกทั้งไดวัดอุณหภูมิทั้งกอนและหลังการทดลอง โดยเทอรโมคัปเปลชนิด K (Fluke รุน 80PK-22)
รูปราง ขนาด และโครงสรางของอนุภาคทรงกลม คารบอนที่สังเคราะหไดสามารถวิเคราะหไดจากกลอง จุลทรรศนอิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM, Hitachi รุน S-3400N) กลองจุลทรรศนอิเล็กตรอนแบบสองผาน (TEM, JEOL รุน JEM-2010) และเครื่อง dispersive raman spectroscopy (Raman, NT-MDT รุน NTEGRA Spectra)
3. ผลการวิจัยและอภิปราย
3.1 ตัวเรงปฏิกิริยานิกเกิลบนตัวรองรับเสนใยคารบอน เสนใยคารบอนกอนและหลังการเคลือบตัวเรง ปฏิกิริยานิกเกิลวิเคราะหดวยเครื่อง SEM ดังแสดงในรูปที่
1 พบวาเสนใยคารบอนที่นํามาใชเปนตัวรองรับมีขนาด เสนผานศูนยกลางประมาณ 8 ถึง 10 ไมโครเมตร เมื่อ เคลือบนิกเกิลแลวขนาดเสนผานศูนยกลางของเสนใย คารบอนจะเพิ่มขึ้นเปน 10 ถึง 18 ไมโครเมตร แสดงให
เห็นวามีตัวเรงปฏิกิริยานิกเกิลมาเคลือบบนเสนใย คารบอนหนาประมาณ 1 ถึง 5 ไมโครเมตร ซึ่งตัวเรง ปฏิกิริยานิกเกิลจะชวยในการดูดซับไอคารบอนและสะสม
คารบอนทําใหเกิดโครงสรางตางๆ ของคารบอน เชน ฟลูเลอรีน (Fullerenes) เสนใยคารบอน หรืออนุภาคทรง
กลมคารบอน เปนตน โดยโครงสรางคารบอนที่เกิดขึ้นจะ ขึ้นอยูกับรูปราง และความหนาของการเคลือบตัวเรง ปฏิกิริยา
จากการสังเคราะหอนุภาคทรงกลมคารบอน ระดับนาโนโดยอาศัยเปลวเทียนจากการเผาไหมที่
อุณหภูมิ 600 องศาเซลเซียส ระยะเวลา 30 ถึง 180 วินาที และวิเคราะหผลดวยเครื่อง SEM ดังรูปที่ 2 พบวา มีวัสดุคารบอนเกิดขึ้นบนพื้นผิวของเสนใยคารบอนตั้งแต
เวลา 30 วินาที ซึ่งเกิดจากไอของอัลเคน (alkanes, C18 ถึง C40) ซึ่งเปนไฮโดรคารบอนหลักในเทียนไข [10] เกิด การสัมผัสกับตัวเรงปฏิกิริยานิกเกิลแลวแตกตัวเปนไอของ คารบอน และไฮโดรเจน ตัวเรงปฏิกิริยาจะดูดซับไอของ
คารบอนและเกิดเปนวัสดุคารบอนบนตัวเรงปฏิกิริยา สวน ไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นจะทําปฏิกิริยากับออกซิเจนกลายเปน น้ําซึ่งเปนกลไกที่ชวยควบคุมปริมาณออกซิเจนบริเวณ ใกลพื้นผิวของตัวเรงปฏิกิริยา นอกจากนี้การที่มีไฮโดรเจน ในระบบจะชวยใหการเกิดโครงสรางของแกรไฟตสมบูรณ
มากขึ้น [11] และจากการศึกษาผลของเวลาที่มีตอการ เกิดวัสดุคารบอน พบวาเมื่อเวลาในการสังเคราะหเพิ่มขึ้น ความหนาแนนของวัสดุที่ไดเพิ่มขึ้น โดยวัสดุคารบอนจะ เติบโตบนเสนใยคารบอนทําใหเสนใยคารบอนมีขนาด เสนผานศูนยกลางเพิ่มขึ้นเปน 55, 85 และ 425 ไมโครเมตร ที่ระยะเวลา 30, 60 และ 120 วินาที ตามลําดับ จาก งานวิจัยบงชี้วาระยะเวลาในการสังเคราะหมีผลตอ ปริมาณ และการเติบโตของวัสดุคารบอน
รูปที่ 1 ภาพถาย SEM แสดงลักษณะของเสนใยคารบอน กอนและหลังการเคลือบตัวเรงปฏิกิริยานิกเกิล (ก) เสนใย คารบอน และ (ข) เสนใยคารบอนเคลือบตัวเรงปฏิกิริยา นิกเกิล
(ข) (ก)
300 KKU ENGINEERING JOURNAL July-September 2013; 40(3) อยางไรก็ตามจากผลการวิเคราะหดวย SEM ยัง
ไมสามารถระบุโครงสรางของวัสดุคารบอนที่เกิดขึ้นได
สําหรับในงานวิจัยนี้ทําในสภาวะที่มีออกซิเจนแตวัสดุ
คารบอนที่เกิดขึ้นไมเกิดปฏิกิริยาการเผาไหมแสดงวาวัสดุ
คารบอนที่เกิดขึ้นนี้ทนความรอนในสภาวะที่มีออกซิเจนได
มากกวา 600 องศาเซลเซียส ซึ่งมีความสอดคลองกับ โครงสรางของแกรไฟตที่เกิดปฏิกิริยาการเผาไหมใน อากาศที่อุณหภูมิประมาณ 750 องศาเซลเซียส [12-13]
รูปที่ 2 ภาพถาย SEM ที่กําลังขยาย 60 เทาและ 10,000 เทา ของอนุภาคทรงกลมคารบอนบนเสนใยคารบอนที่
เวลาตางๆ (ก) 30 วินาที (ข) 60 วินาที และ (ค) 180 วินาที
ซึ่งการทดสอบดวยเครื่อง TEM และ Raman จะสามารถ ยืนยันลักษณะและโครงสรางของวัสดุคารบอนที่เกิดขึ้นได
การวิเคราะหวัสดุคารบอนที่เกิดขึ้นบนเสนใย คารบอน ที่ระยะเวลาการสังเคราะห 180 วินาที ดวยเครื่อง TEM แสดงดังรูปที่ 3 พบวาวัสดุคารบอนที่เกิดขึ้นบน เสนใยคารบอนมีลักษณะเปนทรงกลมตันขนาดสม่ําเสมอ ตอกันลักษณะคลายโซ มีเสนผานศูนยกลาง 50 นาโนเมตร เมื่อเพิ่มกําลังขยายที่ 400,000 เทา พบวาวัสดุคารบอนที่
เกิดขึ้นมี d-space เทากับ 0.33 นาโนเมตร ซึ่งสอดคลอง กับโครงสรางของแกรไฟต แสดงใหเห็นวาวัสดุคารบอนที่
เกิดขึ้นบนเสนใยคารบอนเปนอนุภาคทรงกลมคารบอน ระดับนาโน
รูปที่ 3 ภาพถาย TEM ของอนุภาคทรงกลมคารบอนที่
เกิดขึ้นบนเสนใยคารบอน ที่ระยะเวลา 180 วินาทีที่
กําลังขยายตางๆ (ก) 10,000 เทา (ข) 400,000 เทา (ก)
(ข)
200 nm
7 nm
(ก)
(ข)
(ค)
นาโ มาวิ
(D ของ Ra เปน ซึ่งเ พีค แก แล สาร เขม คาร
รูป กล 180 4.
สังเ เผา ที่อุ
นอกจากนี้เ โนที่เกิดขึ้นบนเส
วิเคราะหดวยเครื
band) และ 158 ง IG กับ ID เทากับ man สามารถยื
นอนุภาคทรงกลม เปนพีคที่เปนลักษ D band รไฟตที่เกิดขึ้นมี
ะมีสิ่งเจือปน ซึ่
รเติมแตงในเทีย มาของคารบอน
รบอน เปนตน
ที่ 4 ผลวิเคราะ มคารบอนที่เกิด 0 วินาที 600 องศ
สรุป
อนุภาคทร เคราะหบนตัวรอ าไหมของเปลวเที
ณหภูมิ 600
เมื่อนําอนุภาคท สนใยคารบอน ที่ร
รื่อง Raman พบว 80 cm-1 (G ban บ 1.0 ดังแสดงใน ยืนยันอีกครั้งวา มคารบอน เนื่อง ษณะเฉพาะของแ
ที่เกิดขึ้นแสดงให มีลักษณะไมเปน งสิ่งเจือปนนี้เกิ
นไขซึ่งเปนแหลง นที่ไมไดกอตัวเ
ะหจากเครื่อง Ra ดขึ้นบนเสนใยค ศาเซลเซียส
งกลมคารบอน องรับเสนใยคาร
ทียน และใชนิกเกิ
องศาเซลเซียส
รงกลมคารบอน ระยะเวลา 180 วาเกิดพีคที่ 1350 nd) โดยมีคาอัตร
นรูปที่ 4 ผลจาก วัสดุคารบอนที่เกิ
จากเกิดพีคที่ G แกรไฟต อยางไร หเห็นวาโครงสรา นระเบียบ (diso ดจากตัวเรงปฏิ
งกําเนิดคารบอน เปนอนุภาคทรง
aman ของอนุภา คารบอน ที่ระยะ
นระดับนาโนสา
บอนไดโดยอาศั
กิลเปนตัวเรงปฏิ
ส ปริมาณของอน นระดับ
วินาที
0 cm-1 ราสวน เครื่อง กิดขึ้น
band ก็ตาม างของ order)
กิริยา น และ
งกลม
าคทรง ะเวลา
มารถ ศัยการ ฏิกิริยา
นุภาค ทรง การ 180 ประ 1.0 5. กิ
ศูนย
ขอข ใหกา และ (Cel ไมโค คณะ สนับ 6. เอ [1]
[2]
[3]
กลมคารบอนที่
สังเคราะห โดยร วินาที มีขนาด มาณ 50 นาโน
กิตติกรรมประก งานวิจัยนี
ยวิจัยนาโนเทคโน อบคุณศูนยนาโน ารสนับสนุนเครื่อง ะคณะบริษัทเซล
llennium (Thail ครคารบอน รวม
ะ (สายฝน เครือ บสนุนงานวิจัยนี้ใ
อกสารอางอิง Deshmukh Carbon sph 70(1–2): 1–2 Yu J-S, K Fabrication carbon netw catalyst sup 124(32): 938 Sano N, W M, Teo K Properties o arc dischar 92(5): 2783
สังเคราะหไดแป ระยะเวลาที่สังเค ดอนุภาคสม่ําเสม
เมตร อัตราสวนข
กาศ
นี้ไดรับการสนั
นโลยีบูรณาการ ม นเทคโนโลยีแหง งมือวิเคราะห รศ.
ลเลนเนียม ( and)) ที่ใหคว มถึง ผศ.ดร.อภิช
หงส และ ณัฏฐิร ใหสําเร็จสมบูรณ
AA, Mhlanga heres. Mater Sc
28.
Kang S, Yoo of ordered works and the pporter. J Am
82–3.
ang H, Alexan KBK, Amaratun
of carbon onion rge in water. J
–2788.
ปรตามระยะเวล คราะหไดดีที่สุด มอเสนผานศูนยก
ของ IG กับ ID เท
บสนุนทุนวิจัย มหาวิทยาลัยขอน
ชาติ (NANOTEC .ดร.กันยรัตน โหล
ประเทศไทย) จํ
วามอนุเคราะหเส
าติ อาจนาเสียว รา สายแผว) ที่มี
ณ
a SD, Coville ci Eng R Rep. 2
on SB, Chai uniform po eir application Chem Soc. 2 ndrou I, Chhow
nga GAJ, et ns produced b J Appl Phys. 2
ลาใน อยูที่
กลาง ทากับ
จาก นแกน
C) ที่
ละสุต จํากัด
สนใย และ มีสวน
NJ.
2010;
G.
orous to a 2002;
walla t al.
by an 2002;
302 KKU ENGINEERING JOURNAL July-September 2013; 40(3) [4] Tian F, He CN. Fabrication and growth
mechanism of carbon nanospheres by chemical vapor deposition. Mater Chem Phys. 2010; 123(2–3): 351–5.
[5] Kang JL, Li JJ, Du XW, Shi CS, Zhao NQ, Cui L, et al. Synthesis and growth mechanism of metal filled carbon nanostructures by CVD using Ni/Y catalyst supported on copper. J Alloy Compd. 2008; 456(1–2): 290–6.
[6] Mi Y, Hu W, Dan Y, Liu Y. Synthesis of carbon micro-spheres by a glucose hydrothermal method. Mater Lett. 2008; 62(8–9): 1194–6.
(7) Xu S, Yan X, Wang X, Yang S, Xue Q.
Synthesis of carbon nanospheres from carbon-based network polymers. J Mater Sci. 2010; 45(10): 2619–24.
[8] Merchan-Merchan W, Saveliev AV, Kennedy L, Jimenez WC. Combustion synthesis of carbon nanotubes and related nanostructures.
Prog Energy Combust Sci. 2010; 36(6):
696–727.
[9] Shaikjee A, Coville NJ. The role of the hydrocarbon source on the growth of carbon materials. Carbon. 2012; 50(10): 3376–98.
[10] Fine PM, Cass GR, Simoneit BRT.
Characterization of fine particle emissions from burning church candles. Environ Sci Technol. 1999; 33(14): 2352–62.
[11] Wasel W, Kuwana K, Reilly PTA, Saito K.
Experimental characterization of the role of hydrogen in CVD synthesis of MWCNTs.
Carbon. 2007; 45(4): 833–8.
[12] Thostenson ET, Li C, Chou T-W. Nanocomposites in context. Compos Sci Technol. 2005; 65 (3–4): 491–516.
[13] Xiaowei L, Jean-Charles R, Suyuan Y.
Effect of temperature on graphite oxidation behavior. Nucl Eng Des. 2004; 227(3):273–80.
