การปรับปรุงอิเล็กโทรดด้วยไคโตซาน

  อิเล็กโทรดหรือชั้นของตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นส่วนประกอบสำคัญส่วนหนึ่งของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน ที่ใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจนเป็นเชื้อเพลิง ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงในการผลิตกำลังไฟฟ้าที่สูงจะขึ้นอยู่กับส่วนอิเล็กโทรดอย่างมาก โดยอิเล็กโทรดที่ทำหน้าที่เป็นแอโนดจะช่วยในการเปลี่ยนแก๊สไฮโดรเจนเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน และอิเล็กโทรดที่เป็นแคโทดจะช่วยในการรวมแก๊สออกซิเจน  โปรตอน และอิเล็กตรอน เพื่อให้ได้น้ำ ถ้าสามารถทำให้ปฏิกิริยาที่ขั้วอิเล็กโทรดทั้งสองเกิดได้เร็ว นั่นหมายถึงกำลังไฟฟ้าจะได้มากขึ้น  อิเล็กโทรดมีส่วนผสมที่สำคัญคือคาร์บอนแบล็ก ซึ่งบริเวณผิวจะมีตัวเร่งปฏิกิริยาแพลททินัมกระจายตัวอยู่ แต่เนื่องจากแพลตตินัมมีราคาแพง จึงหาทางลดปริมาณการใช้แพลตตินัมในอิเล็กโทรด ด้วยการผสมพอลิเมอร์ที่นำโปรตอนได้ เช่น แนฟิออนเข้าไปในอิเล็กโทรด ดังนั้นการลดปริมาณแพลตตินัมจึงไม่ใช่ปัญหาสำคัญอีกต่อไป แต่สิ่งที่สำคัญกว่าอยู่ที่ปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยาแพลตตินัมที่อยู่บนคาร์บอนแบล็กนี้จะทำงานได้ดีก็ต่อเมื่อสัมผัสกับแก๊สและพอลิเมอร์ที่นำโปรตอนได้ เช่นแนฟิออน หรือพอลิเมอร์อื่นๆ ที่นำโปรตอนได้ แต่พบว่าเปอร์เซ็นต์แพลตตินัมที่ใช้งานได้เพื่อก่อให้เกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีได้ ซึ่งจะทำให้เกิดพลังงานไฟฟ้าได้นั้น มีค่าต่ำ แพลตตินัมส่วนใหญ่ที่เกาะบนคาร์บอนแบล็กที่อยู่ภายในก้อนใหญ่นั้น ยังคงไม่สามารถสัมผัสพอลิเมอร์ได้ หรือพอลิเมอร์ที่เข้าไปนั้น อาจขัดขวางการแพร่ของแก๊สไฮโดรเจนหรือออกซิเจนที่เป็นสารตั้งต้น ด้วยการเกาะกลุ่มเป็นก้อนนี้ จึงทำให้แพลตตินัมบางส่วน(ส่วนที่อยู่ด้านนอกของกลุ่มก้อน)เท่านั้นที่ทำงานได้

     จากแนวคิดการเติมพอลิเมอร์ที่นำโปรตอนได้เข้าไปในช่องว่างระหว่างอนุภาคคาร์บอนแบล็กนี้เอง ผศ.ดร.นันทิยา หาญศุภลักษณ์ อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ จึงได้ทำการวิจัยเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของอิเล็กโทรดให้ดีขึ้น โดยการห่อหุ้มคาร์บอนแบล็กที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไคโตซานที่สามารถเชื่อมขวางระหว่างสายโซ่ และได้ยื่นขอจดสิทธิบัตรผลงานวิจัยนี้แล้วเมื่อ 29 มิถุนายน 2553 รวมทั้งยังได้ตีพิมพ์ผลงานดังกล่าวในวารสาร Journal of Power Sources แล้ว และเพื่อพัฒนาเทคนิคนี้ให้ไปสู่การนำไปใช้งานจริง จึงได้ต่อยอดงานวิจัยในการปรับปรุงคาร์บอนแบล็กที่มีแพลตตินัมเกาะอยู่ โดยทำให้แพลตตินัมจำนวนมากขึ้นสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีได้ โดยใช้ไคโตซานและการเชื่อมขวางเพื่อยึดไคโตซานและคาร์บอนแบล็กเข้าด้วยกัน รวมทั้งศึกษาอิทธิพลของปัจจัยที่มีผลต่อเปอร์เซ็นต์ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำงานได้ (Catalyst utilization) ที่เตรียมด้วยวิธีการห่อหุ้มด้วยไคโตซาน และต่อค่าความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่มีการแลกเปลี่ยนในการเกิดปฏิกิริยา  ทำการทดสอบโดยการเปลี่ยนแปลงปริมาณอีพิคลอโรไฮดรินที่ใช้เป็นสารเชื่อมขวางในระดับต่างๆ รวมทั้งปริมาณสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ และเวลาที่ทำการเชื่อมขวาง เพื่อทดสอบสมรรถนะและความเสถียรของเซลล์เชื้อเพลิงชุดทดสอบต้นแบบคาร์บอนแบล็กที่ห่อหุ้มด้วยไคโตซานเปรียบเทียบกับที่ไม่ได้ห่อหุ้มด้วยไคโตซานและพบว่า เฉพาะปริมาตรอีพิคลอโรไฮดรินเท่านั้นที่ส่งผลต่อค่าพื้นที่ผิวว่องไวต่อปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า (ECSA) และค่าความหนาแน่นของกระแสที่มีการแลกเปลี่ยนในการเกิดปฏิกิริยา อย่างมีนัยสำคัญ   ซึ่งผลการศึกษาทำให้ทราบว่าปริมาตรหรือปริมาณอีพิคลอโรไฮดรินที่เพิ่มมากเกินไปจะทำให้เกิดการเชื่อมขวางที่มากเกินไป จนทำให้ไคโตซานไม่สามารถแทรกเข้าไปในตัวอย่างได้อย่างทั่วถึง  ทำให้ค่า ECSA และเปอร์เซ็นต์ของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำงานได้มีค่าลดลง  ซึ่งปริมาณที่เหมาะสมคือ  20 กรัม ต่อไคโตซาน 1 กรัม ซึ่งให้ค่า ECSA และเปอร์เซ็นต์ของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำงานได้สูงที่สุด  ผลการทดลองได้แสดงให้เห็นว่าวิธีการปรับปรุงนี้สามารถเพิ่มเปอร์เซ็นต์แพลตตินัมที่ใช้งานได้ให้สูงขึ้นถึง 3 เท่า  การทดสอบสมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงที่ทำจากคาร์บอนแบล็กฯที่เตรียมได้เมื่อใช้ตัวอย่างที่เตรียมโดยใช้ปริมาณอีพิคลอโรไฮดรินที่เหมาะสมคือ เซลล์เชื้อเพลิงมีสมรรถนะดีที่สุดที่อุณหภูมิ 80 องศาเซลเซียสและความชื้นสัมพัทธ์ 100 เปอร์เซ็นต์  อุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ที่สูงนี้ช่วยทำให้การสูญเสียกัมมันต์และโอห์มน้อยที่สุด ความเสถียรของเซลล์เชื้อเพลิงจากคาร์บอนแบล็กฯที่เตรียมได้นี้ โดยเดินเครื่อง 30 ชั่วโมงต่อเนื่อง ที่อุณหภูมิ 40 องศาเซลเซียสและความชื้นสัมพัทธ์ 100 เปอร์เซ็นต์ ก็มีค่าที่ใกล้เคียงกับเซลล์เชื้อเพลิงที่ประกอบจากคาร์บอนแบล็กฯที่ไม่ได้ผ่านการห่อหุ้ม โดยสูงกว่าเล็กน้อย

	ที่มาข้อมูล : โครงการวิจัยทุนอุดหนุนวิจัย มก. หัวหน้าโครงการ : ผศ.ดร.นันทิยา หาญศุภลักษณ์ ภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์   เรียบเรียง : ฝ่ายเผยแพร่งานวิจัย สถาบันวิจัยและพัฒนาแห่ง มก. โทร. 02 561 1474 e-mail : rdiwan@ku.ac.th
ผศ.ดร.นันทิยา หาญศุภลักษณ์