การสังเคราะห์วัสดุกราฟีนจากคาร์บอนไดออกไซด์เหลือทิ้งสำหรับการใช้งานเชิงอุตสาหกรรม

บทคัดย่อ

ในงานวิจัยนี้ได้มีการศึกษาและพัฒนากระบวนการสังเคราะห์กราฟีนจากคาร์บอนไดออกไซด์ด้วยวิธีการเผาไหม้โลหะแมกนีเซียมภายใต้น้ำแข็งแห้งโดยหลักการ Magnesiothermic reaction และกระบวนการตกสะสมไอเคมีในปริมาณมากได้เป็นผลสำเร็จ จากการศึกษาการสังเคราะห์กราฟีนด้วยการเผาไหม้โลหะแมกนีเซียมภายใต้น้ำแข็งแห้ง พบว่าการใช้น้ำแข็งแห้งแบบก้อนและน้ำแข็งแห้งแบบแท่งจะได้กราฟีนที่คุณสมบัติที่ใกล้เคียงกัน แต่น้ำแข็งแห้งแบบแท่งจะเหมาะสมกับการผลิตในปริมาณมากกว่าเนื่องจากความง่ายในการจัดเรียงและเพิ่มปริมาณในการสังเคราะห์ในห้องเผาปิด ซึ่งสามารถรองรับโลหะแมกนีเซียมได้มากถึง 1 กก.ต่อครั้งและใช้น้ำแข็งแห้งประมาณ 5 กก. ซึ่งจะทำให้ได้ผลผลิตจากการเผามากกว่า 1.5 กก ผลผลิตที่ได้ซึ่งเป็นกราฟีนผสมแมกนีเซียมออกไซด์ที่จะถูกกำจัดออกด้วยการกัดกรด โดยได้มีการศึกษาและพัฒนากระบวนการกัดกรดหลายรูปแบบจนได้กระบวนการกัดกรดที่เหมาะสมกับการผลิตจำนวนมากคือ การใช้กรดผสมของไฮโดรคลอริกและไนตริกที่ส่วนผสม 1 ต่อ 3 โดยปริมาตรซึ่งทำให้เกิดความร้อนในตัวเองมากพอที่จะไม่ต้องใช้ตัวทำความร้อนภายนอก หลังการกัดกรดด้วยกระบวนการนี้จะได้กราฟีนรอบละประมาณ 170 กรัมซื่งทำให้ได้กราฟีนรวมประมาณ 1 กก ในเวลาผลิตภายใน 1 วันทำงาน นอกจากนี้ยังได้ศึกษาการเพิ่มคุณภาพของกราฟีนหลังการกัดกรดด้วยโดยใช้กระบวนการแคลไซน์ซึ่งได้เงื่อนไขที่เหมาะสมคืออุณหภูมิ 550 ?C เป็นเวลา 4 ชั่วโมงที่ทำให้ได้กราฟีนที่มีความบริสุทธิ์เพิ่มขึ้นและจำนวนชั้นน้อยลง ได้มีการศึกษาเบื้องต้นในการนำวัสดุกราฟีนที่ได้ไปใช้ประโยชน์เป็นวัสดุสำหรับเป็นขั้วไฟฟ้าของแบตเตอรี่ชนิดซิงค์ไอออนและโซเดียมไอออน โดยพบว่าวัสดุกราฟีนที่ได้ให้ผลที่ดีกว่าวัสดุกราฟีนที่ขายโดยบริษัทเฮเดล ในส่วนของการปลูกกราฟีนบนผลิตภัณฑ์ทองแดงด้วยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์จากกระบวนการตกสะสมไอเคมีนั้นสามารถทำได้โดยไม่ใช้คะตะลิสต์อื่นนอกจากทองแดงโดยใช้พลาสมาช่วยร่วมกับความต่างของอุณหภูมิระว่างโซน โดยพบว่าเงื่อนไขในการปลูกกราฟีนบนแผ่นทองแดงที่เหมาะสม คือ อุณหภูมิของโซน 1 เท่ากับ 1000 ?C ส่วนโซน 2 และ 3 เท่ากับ 700 ?C อัตราส่วนปริมาณของคาร์บอนไดออกไซด์และไฮโดรเจนเป็น 1:5 เวลาในการปลูกกราฟีน 20 นาที ความดัน 0.5 ทอร์และกำลังพลาสมา 400 วัตต์ ซึ่งทำให้ได้กราฟีนที่มีจำนวนไม่กี่ชั้น (few layer) และสามารถใช้ในการผลิตกับแผ่นทองแดงขนาดใหญ่คือ 21?30 cm2 และลวดทองแดงยาวกว่า 300 เมตร ได้มีการทดสอบผลการปรับปรุงลวดทองแดงด้วยกราฟีนสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงและพบว่ากราฟีนจากแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่เคลือบบนทองแดงช่วยให้ลวดยังสามารถนำไฟฟ้าได้ดีที่อุณหภูมิสูงกว่า 100 ?C ดังนั้นการสังเคราะห์กราฟีนทั้งสองวิธีสามารถนำมาใช้ในผลิตในปริมาณมากและได้ผลที่มีความสม่ำเสมอจึงอยู่ในระดับที่มีความพร้อมในการผลิตเชิงอุตสาหกรรมต่อไป

คำสำคัญ