ฉ

สารบาญ

หนา

กิตติกรรมประกาศ ค

บทคัดยอภาษาไทย ง

บทคัดยอภาษาอังกฤษ จ

สารบาญตาราง ญ

สารบาญภาพ ฎ

บทท่ี 1 บทนํา 1

บทท่ี 2 การทบทวนทฤษฎี และเอกสารทางวิชาการ 3

2.1 ขอมูลเบ้ืองตนของทอนาโนคารบอน 3

2.2 ขอมูลเบ้ืองตนของกระบวนการตกสะสมอิเล็กโทรโฟรีติก 6

2.3 ขอมูลของกระบวนการตกสะสมอิเล็กโทรโฟรีติกกับทอนาโนคารบอน 20

2.4 ขอมูลเบ้ืองตนของไบโอเซนเซอร 22

2.5 ขอมูลเบ้ืองตนเกีย่วกับเคมีไฟฟาและเคมีวิเคราะหเชิงไฟฟา 27

2.5.1 เทคนิควธีิทางเคมีวิเคราะหเชิงไฟฟา 28

2.5.2 เซลลเคมีไฟฟา 28

2.5.3 ชนิดของเซลลเคมีไฟฟา 31

2.5.4 บทบาทของเซลลเคมีไฟฟาในการวิเคราะห 33

2.5.5 ข้ัวไฟฟา 36

2.5.6 ข้ัวไฟฟาอางอิง 37

บทท่ี 3 การทดลอง 39

3.1 สารเคมี 39

ช

สารบาญ (ตอ)

หนา

3.2 อุปกรณ 39

3.3 การทดลอง 40

3.4 ข้ันตอนการสังเคราะหทอนาโนคารบอนดวยกระบวนการตกสะสมไอเคมี 41

3.5 ข้ันตอนการเตรียมสารแขวนลอยทอนาโนคารบอน (CNT suspensions) 42

3.6 ข้ันตอนการเตรียมข้ัวไฟฟาสําหรับกระบวนการ EPD 43

3.7 ข้ันตอนในการะบวนการ EPD สําหรับเตรียมฟลมบนฐานรองสแตนเลส

(ข้ัวลบ) และใชสแตนเลสเปนข้ัวบวก 44

3.8 ข้ันตอนในการะบวนการ EPD สําหรับเตรียมฟลมบนฐานรองอะลูมิเนียม

(ข้ัวลบ) และใชอะลูมิเนียมเปนข้ัวบวก 45

3.9 ข้ันตอนการเตรียมข้ัวไฟฟาสําหรับการออกแบบกระบวนการ EPD 46

3.10 การออกแบบกระบวนการ EPD สําหรับเตรียมฟลมทอนาโนคารบอนเพื่อ

การประยกุตใช 46

3.11 การเตรียมอิเล็กโทรดทํางานทอนาโนคารบอนสําหรับวัดแอมเพอโรเมตริก 47

3.12 การเตรียมสารละลายบัฟเฟอรสําหรับการวัดแอมเพอโรเมตริก 49

3.13 การตรวจสอบช้ินงาน 49

3.13.1 การวัดศักยซีตา (Zeta potential) 49

3.13.2 การวัดแอมเพอโรเมตริก (Amperometric measurement) 52

3.12.3 การวัดไซคลิกโวลแทมเมตรี (Cyclic voltammetry) 55

บทท่ี 4 ผลการทดลอง 57

4.1 ลักษณะเฉพาะของทอนาโนคารบอน 57

4.2 เสถียรภาพของสารละลายท่ีใชในการตกสะสมแบบอิเล็กโทรโฟริติก 59

ซ

สารบาญ (ตอ)

หนา

4.3 ลักษณะเฉพาะของฟลมทอนาโนคารบอนท่ีเตรียมดวยกระบวนการ EPD

โดยใชข้ัวไฟฟาบวกและลบสแตนเลส 63

4.3.1 การวิเคราะหโครงสรางจุลภาค 64

4.3.2 การวิเคราะหองคประกอบทางเคมี 68

4.4 ลักษณะเฉพาะของฟลมทอนาโนคารบอนท่ีเตรียมดวยกระบวนการ EPD

โดยใชข้ัวไฟฟาบวก และลบอะลูมิเนียม 69

4.4.1 การวิเคราะหโครงสรางจุลภาค 70

4.4.2 การวิเคราะหองคประกอบทางเคมี 75

4.5 ลักษณะเฉพาะของฟลมทอนาโนคารบอนเตรียมดวยกระบวนการ EPD

ท่ีทําการออกแบบใหมโดยใชข้ัวไฟฟาลบอะลูมิเนียม 77

4.5.1 การวิเคราะหโครงสรางจุลภาค 77

4.5.2 การวิเคราะหองคประกอบทางเคมี 80

4.6 ปจจัยที่มีผลตอลักษณะทางกายภาพของฟลมทอนาโนคารบอน 81

4.6.1 ผลของเวลาท่ีมีตอฟลมทอนาโนคารบอน 81

4.6.2 ผลของสนามไฟฟาท่ีมีตอฟลมทอนาโนคารบอน 89

4.6.3 การวิเคราะหโครงสรางจุลภาค 91

4.7 ประสิทธิภาพของฟลมทอนาโนคารบอนท่ีเตรียมไดเม่ือใชเปน

ตัวตรวจวดัเคมีไฟฟา 101

4.7.1 ไซคลิกโวลแทมเมตรี (Cyclic Voltammetry; CV) 101

4.7.2 แอมเพอโรเมตริก (Amperometric) 105

ฌ

สารบาญ (ตอ)

หนา

บทท่ี 5 สรุปผลการทดลองและขอเสนอแนะ 108

5.1 สรุปผลการทดลอง 108

5.2 ขอเสนอแนะ 109

เอกสารอางอิง 110

ประวัติผูเขียน 114

ญ

สารบาญตาราง

ตาราง หนา

2.1 ลักษณะเฉพาะของเทคนคิตกสะสมทางไฟฟา (Electrodeposition techniques) 7

2.2 สมบัติทางกายภาพของสารละลาย 13

2.3 เทคนิควิธีการทางเคมีวิเคราะหเชิงไฟฟา 28

4.1 ศักยซีตาและสภาพนําไฟฟาของสารแขวนลอยท่ีเติม Cu(NO3)2 3H2O ลงไป

ณ เขมขนของ Cu(NO3)23H2O สัดสวนตางๆ 61

4.2 องคประกอบธาตุของฟลมทอนาโนคารบอนบนฐานรองสแตนเลสท่ีเตรียมดวย

กระบวนการ EPD เวลา 30 นาที 10 V 68

4.3 องคประกอบธาตุของฟลมทอนาโนคารบอนบนฐานรองอะลูมิเนยีมท่ีเตรียม

โดยกระบวนการ EPD เติมดวย Cu(NO3)2 3H2O เวลา 30 นาที 30 V สเปกตรัม 1 76

4.4 องคประกอบธาตุของฟลมทอนาโนคารบอนบนฐานรองอะลูมิเนยีมท่ีเตรียมโดย

กระบวนการ EPD เติมดวย Cu(NO3)2 3H2O เวลา 30 นาที 30 V สเปกตรัม 2 76

4.5 องคประกอบธาตุของฟลมทอนาโนคารบอนเตรียมดวยกระบวนการ EPD ท่ีทําการ

ออกแบบใหม ใชข้ัวไฟฟาลบอะลูมิเนียม สนามไฟฟา 50 โวลต เวลา 30 นาที 81

4.6 ความหนาของฟลมทอนาโนคารบอนท่ีเตรียมดวยกระบวนการ EPD ในเง่ือนไขตางๆ 89

4.7 เง่ือนไขของฟลมทอนาโนคารบอนท่ีเลือกใชในการทดสอบประสิทธิภาพ 101

ฎ

สารบาญภาพ

รูป หนา

2.1 ลักษณะพืน้ฐานของทอนาโนคารบอน 3

2.2 รูปแบบโครงสรางของทอนาโนคารบอน 4

2.3 แสดงทิศทางการมวนของแผนแกรไฟตเปนทอนาโนคารบอน โดย เปนเวกเตอร

ลัพธเสนรอบวง 5

2.4 ภาพของทอนาโนคารบอนท่ีถายดวยกลองจุลทรรศนอิเล็กตรอนแบบสองผาน 6

2.5 ลักษณะของกระบวนการ EPD 8

2.6 ความสัมพันธระหวางความหนาของฟลมกับเวลาการตกสะสมของการเคลือบ ZnO

บนข้ัวทองแดงท่ีสนามไฟฟาตางกัน 16

2.7 น้ําหนกัของการตกสะสม hydroxyapatite บนซับสเตรด Ti6Al4V เทียบกับสนามไฟฟา

ท่ีใช ณ เวลาการตกสะสมตางกัน 17

2.8 ลักษณะความหนาแนนกระแสของ n-propanol ท่ีสนามไฟฟาตางๆ 18

2.9 ศักยซีตา และสภาพนําไฟฟาของสารแขวนลอย PZT ท่ีคา pH ตางๆ ในตัวกลางซ่ึงมีน้ํา

เปนองคประกอบ (Aqueous media) 19

2.10 โครงสรางและหลักการทํางานของไบโอเซนเซอร 23

2.11 ออกซิเจนอิเล็กโทรดของ Clark 25

2.12 ไดอะแกรมแสดงการแพรของกลูโคสและออกซิเจนผานเมมเบรนเขาไปทําปฏิกิริยา

กับเอนไซมท่ีผิวหนาไบโอเซนเซอรของ Clark 26

2.13 การจัดเซลลเคมีไฟฟาโดยไมมีรอยตอของสารละลาย 29

2.14 การจัดเซลลเคมีไฟฟา โดยมีรอยตอสารละลาย 30

2.14 การจัดเซลลเคมีไฟฟา โดยมีรอยตอสารละลาย (ตอ) 31

2.15 เซลลอิเล็กโทรไลต 32

2.16 การเคล่ือนท่ีของไอออนแบบไมแกรชัน 34

2.17 การนําพาไอออนจากช้ันสารละลายไปยังผิวหนาข้ัวไฟฟาดวยการแพร 35

ฏ

สารบาญภาพ (ตอ)

รูป หนา

2.18 ข้ัวซิลเวอร-ซิลเวอรคลอไรด 38

3.1 แผนดําเนนิงานวจิัย 40

3.2 บริเวณท่ีทาโลหะคะตะลิสตกอนการสังเคราะหทอนาโนคารบอน 41

3.3 รูปแบบการสังเคราะหทอนาโนคารบอน 42

3.4 สารแขวนลอยของทอนาโนคารบอนใน IPA ผสมกับ Cu(NO3)2 3H2O ท่ี

สัดสวนตางๆ หลังส่ันดวยเคร่ืองอัลตราโซนิก 1 ช่ัวโมง 43

3.5 กระบวนการ EPD สําหรับเตรียมฟลมทอนาโนคารบอนบนฐานรองสแตนเลส 44

3.6 กระบวนการ EPD สําหรับเตรียมฟลมทอนาโนคารบอนบนฐานรองอะลูมิเนียม 45

3.7 ข้ัวไฟฟาลบจากทองแดงสําหรับการการออกแบบกระบวนการ EPD เพื่อใหสะดวก

ตอการนําช้ินงานไป 46

3.8 แผนภาพตวัอยางการออกแบบกระบวนการ EPD สําหรับเตรียมฟลมทอนาโนคารบอน

บนฐานรองทองแดงเพ่ือการประยุกตใช 47

3.9 การเตรียมข้ัวไฟฟาทํางานทอนาโนคารบอนสําหรับการใชงาน 48

3.10 ข้ัวไฟฟาทํางานจากฟลมทอนาโนคารบอนเง่ือนไขตางๆ ท่ีถูกทาสีเตรียมไว

สําหรับการใชงาน 48

3.11 เคร่ืองวัดขนาดอนุภาค ยี่หอ Malvern รุน Zetasizer ZS 49

3.12 ประจุช้ันซอนและบริเวณท่ีวดัคาศักยซีตา 51

3.13 การเตรียมช้ินงานเพื่อหาคาศักยซีตา (Zeta potential) 52

3.14 ระบบการวัดแอมเพอโรเมตริก ผลิตโดยคณะวิศวกรรมศาสตร จุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย

(สวทช.) 53

3.15 ข้ัวไฟฟาทํางาน (Working electrode) ผลิตโดยมหาวทิยาลัยเทคโนโลยี

พระจอมเกลาธนบุรี 54

ฐ

สารบาญภาพ (ตอ)

รูป หนา

3.16 ระบบการวัดไซคลิกโวลแทมเมตรี (Cyclic voltammetry) และแอมเพอโรเมตริก

(Amperometric) ท่ี NECTEC 55

3.17 แผนภาพไซคลิกโวลแทมเมตรี 56

4.1 ภาพถาย SEM ท่ีสังเคราะหไดจากกระบวนการตกสะสมไอเคมี 58

4.2 ทอนาโนคารบอนใน IPA ผสมกับ Cu(NO3)2 3H2O ท่ีสัดสวนตางๆ หลังการส่ันดวย

เคร่ืองอัลตราโซนิก 1 ช่ัวโมง 60

4.3 ทอนาโนคารบอนใน IPA ผสมกับ Cu(NO3)2 3H2O ท่ีสัดสวนตางๆ หลังการส่ันดวย

เคร่ืองอัลตราโซนิก 1 ช่ัวโมง เม่ือท้ิงไว 1 วนั 60

4.4 กราฟความสัมพันธระหวางความเขมขนของเกลือประจุความเขมขนตางๆ

กับคาศักยซีตา 61

4.5 ภาพถายฟลมทอนาโนคารบอนบนฐานรองสแตนเลสท่ีเตรียมโดย

กระบวนการ EPD เติมดวย Mg(NO3)2 6H2O ใชสนามไฟฟา 10, 20, 25 และ 30 V

เปนเวลา 30 นาที ตามลําดับ 63

4.6 ภาพถาย SEM ท่ีกําลังขยาย 5,000 และ 50,000 เทา ของฟลมทอนาโนคารบอน

บนฐานรองสแตนเลสเตรียมโดยกระบวนการ EPD เติมดวย Mg(NO3)2 6H2O

ใชเวลา 30 นาที ท่ีโวลตตางๆ 67

4.7 สเปกตรัมองคประกอบธาตุแบบพื้นท่ีโดย EDS-SEM ของฟลมทอนาโนคารบอน

บนฐานรองสแตนเลสที่เตรียมโดยกระบวนการ EPD เติมดวย Mg(NO3)2 6H2O เวลา

30 นาที 10 V 68

4.8 ภาพถายฟลมทอนาโนคารบอนบนฐานรองอะลูมิเนยีมท่ีเตรียมดวยกระบวนการ EPD

สนามไฟฟา 10, 20, 30, 40 และ 50 V เปนเวลา 30 นาที ตามลําดับ 69

ฑ

สารบาญภาพ (ตอ)

รูป หนา

4.9 ภาพถาย SEM ท่ีกําลังขยาย 5,000 และ 50,000 เทา ของฟลมทอนาโนคารบอนบน

ฐานรองอะลูมิเนียมเตรียมโดยกระบวนการ EPD เติมดวย Cu(NO3)2 3H2O

ใชเวลา 30 นาที ท่ีโวลตตางๆ 74

4.10 สเปกตรัมองคประกอบธาตุแบบจุดโดย EDS-SEM ของฟลมทอนาโนคารบอน

บนฐานรองอะลูมิเนียมท่ีเตรียมโดยกระบวนการ EPD เติมดวย Cu(NO3)2 3H2O

เวลา 30 นาที 30 V 75

4.11 ภาพถาย SEM ท่ีกําลังขยาย 5,000 และ 50,000 เทา ของฟลมทอนาโนคารบอน

บนฐานรองอะลูมิเนียมท่ีทําการออกแบบใหมเตรียมโดยกระบวนการ EPD

เติมดวย Cu(NO3)2 3H2O ใชเวลา 30 นาที ท่ีโวลตตางๆ 79

4.12 สเปกตรัมองคประกอบธาตุแบบพื้นท่ีโดย EDS-SEM ของฟลมทอนาโนคารบอนบน

ฐานรองอะลูมิเนียม เตรียมเตรียมโดยกระบวนการ EPD ท่ีทําการออกแบบใหม ณ

สนามไฟฟา 50 โวลต เปนเวลา 30 นาที 80

4.13 ฟลมทอนาโนคารบอนเตรียมโดยกระบวนการ EPD ท่ีเวลา 5, 10, 20, 30 นาที 84

4.14 ความหนาของฟลมทอนาโนคารบอนท่ีเง่ือนไข 40V 30 นาที จากการใช

เทคนิควิเคราะหองคประกอบธาตุแบบเชิงเสน (Line scan) 85

4.15 ภาพถาย SEM ของความหนาฟลมทอนาโนคารบอนท่ีเง่ือนไข 20V 30 นาที,

30V 30 นาที, 40V 30 นาที และ 50V 10 นาที 87

4.16 กราฟความสัมพันธระหวางเวลาการตกสะสมในกระบวนการ EPD ท่ีสนามไฟฟาตางๆ

กับความหนาของฟลมทอนาโนคารบอน 88 4.17 กราฟความสัมพันธระหวางความหนาของฟลมทอนาโนคารบอนกับสนามไฟฟาท่ีใชใน

กระบวนการ EPD ท่ีเวลาการตกสะสม 10, 20 และ 30 นาที 90

ฒ

สารบาญภาพ (ตอ)

รูป หนา

4.18 ภาพถาย SEM ของฟลมทอนาโนคารบอนบนฐานรองทองแดงเตรียมโดยกระบวนการ EPD ท่ีทําการออกแบบใหมท่ีเงื่อนไขตางๆ 100

4.19 ไซคลิกโวลแทมเมตรีเปรียบเทียบกนัระหวางฟลมทอนาโนคารบอนเง่ือนไขตางๆ 102

4.20 ไซคลิกโวลแทมเมตรีเปรียบเทียบกนัระหวาง (ก) ฟลมทอนาโนคารบอน (CNT)

(ข) ฐานรองทองแดง (Cu plate) และ (ค) ข้ัวทํางานคารบอนปร้ินสกรีน (SPCE) ในฟอสเฟตบัฟเฟอรความเขมขน 0.1 M pH 7.0 อัตราการสแกน 0.1 V/s 103

4.21 สัญญาณการตอบสนองของ (ก) ฟลมทอนาโนคารบอน (CNT) เทียบกับ

(ข) ข้ัวคารบอนปร้ินสกรีน (SPCE) ตอการตรวจวดัปริมาณ H2O2 ความเขมขน 0.1 M

ท่ีศักยไฟฟา 0.7 V เทียบกับ Ag/AgCl 105

4.22 กราฟความสัมพันธระหวางความเขมขน H2O2 0.4 ถึง 2.99 mM กับกระแสท่ีไดจาก

แอมเพอโรเมตริก ของ (ก) ฟลมทอนาโนคารบอน (CNT) เทียบกับ

(ข) ข้ัวคารบอนปร้ินสกรีน (SPCE) 106