PMP12

การศกษาขวตวเกบประจไฟฟาความจสงจากเสนใยนาโนคารบอนจากการไพโรไลซส ของแบคทเรยเซลลโลส

The Study of Supercapacitor Electrode from Carbon Produce by Bacterial Cellulose

หฤทย เนอออน (Haruthai Nau-on)* ดร.สปรด พนจสนทร (Dr.Supree Pinitsoontorn)**

ดร.วยะดา มงคลธนารกษ (Dr.Wiyada Mongkolthanaruk)***

บทคดยอ งานวจยนวตถประสงคเพอศกษาผลของอณหภมการเผาไพโรไลซส (Pyrolysis) ตอคาความจไฟฟาของเสนใย

นาโนคารบอนทผลตจากแบคทเรยเซลลโลส โดยใชแผนเสนใยทมการควบคมการผลตภายใตเงอนไขเดยวกน โดยใชตวแปรอณหภม 5 เงอนไขคอ 700 800 900 1000 และ 1100 องศาเซลเซยส เผาภายใตบรรยากาศอารกอนเปนเวลา 2 ชวโมง และวดคาความจไฟฟาของคารบอนทอณหภมตางกน ผลการศกษาพบวาไดคาความจไฟฟาเปน 13, 51, 54, 71 และ 73 F/g ตามล าดบ ซงจะเหนวาคาความจไฟฟาจะเพมขนตามอณหภมการเผาไพโรไลซสซงจะสามารถน าไปปรบปรงประสทธภาพขวตวเกบประจของคารบอนจากแบคทเรยเซลลโลสตอไปได

ABSTRACT The objective of this work is to study the effect of the pyrolysis temperatures on the electrical capacities of carbon nanofibers derived from bacterial cellulose. The experiment used fiber sheets which are controlled under the same conditions of production five temperature conditions: 700 800 900 1000 and 1100 Celsius degrees here used for pyrolysis, burned under the argon atmosphere for 2 hours.The electrical capacity of the carbon at different temperatures was measured. The results showed that the electrical capacities were 13, 51, 54, 71 and 73 F / g, respectively.The electricity capacity increased with the pyrolysis temperature which can improve the efficiency of supercapacitor electrode from bacterial cellulose carbon.

ค าส าคญ: ขวตวเกบประจไฟฟาความจสง คารบอนจากแบคทเรย Keywords: Supercapacitor, Bacterial cellulose carbon

* นกศกษา หลกสตรวทยาศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวสดศาสตรและนาโนเทคโนโลย คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน ** รองศาสตราจารย สาขาวชาวสดศาสตรและนาโนเทคโนโลย คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน

*** ผชวยศาสตราจารย สาขาวชาจลชววทยา คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน

381

PMP12-2

บทน า ในปจจบนดวยจ านวนประชากร เทคโนโลยและสงอ านวยความสะดวกทเพมมากขนทกป สงผลใหมความ

ตองการใชพลงงานทสงขนเพราะนอกจากการใชพลงงานไฟฟาพนฐานในครวเรอนของแลว ยงมความตองการใชอปกรณอเลคทรอนคสพกพาสวนบคคลเพมขนดวย ซงอปกรณเหลานจ าเปนตองมตวกกเกบพลงงานเอาไวใชงานนอกสถานท เชน โทรศพทมอถอ แลปทอปคอมพวเตอร สมารทวอทช หรอแมแตรถยนตทใชเชอเพลงขบเคลอนกจะตองมบางสวนทตองใชพลงงานไฟฟาทถกเกบไว อปกรณกกเกบพลงงานทนยมใชสวนใหญคอแบตเตอร แตเนองจากแบตเตอรตองใชเวลาชารตนาน และจายไฟปรมาณคงทจงอาจไมเหมาะกบอปกรณบางชนดทตองการพลงงานสงในครงเดยวและใชเวลาชารตเพยงเวลาสนๆ จงจ าเปนตองใชตวเกบประจไฟฟาเนองจากตวเกบประจไฟฟาในปจจบนสามารถเกบประจไดจ านวนเลกนอย พลงงานทปลดปลอยออกมาจงมปรมาณเลกนอยมาก มคาเปนระดบไมโครฟารด จงตองใชตวเกบประจความจสงส าหรบงานทตองใชพลงงานสง

ตวเกบประจไฟฟาความจสง (Supercapacitor) เปนอปกรณกกเกบพลงงานไฟฟาทมคาความจตอน าหนก(Specific capacitance) สงและมอายการใชงาน (Cycle life) ทยาวนานสามารถน าไปใชกบอปกรณไฟฟาไดหลายประเภท เชน ในระบบเบรกรถยนตทจะกกเกบพลงงานกลทแปลงเปนพลงงานไฟฟาไวได (Regenerative braking) (Kobsiriphat, 2014) อปกรณส ารองไฟในอปกรณไฟฟาตางๆ วสดทท าขวตวเกบประจแบบกลมวสดคารบอน เชนกลมคารบอนจากแอคตเวทคารบอน (Activated carbon)ไดคาความจประมาณ 40 F/g (Huang, 2003). แตอยางไรกตามส าหรบการใชงานในอปกรณทตองการพลงงานสง เชนแขนกลยกของหรอเครองมอในโรงงานอตสาหกรรมหนกยงตองการพฒนาคาความหนาแนนพลงงาน (Energy density) ทสงอยมาก จงตองศกษาวสดทใหคาความจสงตอไป นอกจากนการใชคารบอนจากแหลงธรรมชาตแตยงคงใหสมบตทางไฟฟาทดเทากบคารบอนทางการคา (Commercial supercapacitors) กเปนอกวสดหนงทนาสนใจเพราะจะไดทงคาความจสงและประหยดทรพยากรธรรมชาต เชน การการสงเคราะหตวเกบประจไฟฟาความจสงจากแหลงคารบอนธรรมชาตกาบมะพราวท าใหเปนแอคทเวทคารบอน (activated carbon) ซงท าใหไดคาความจถง 64 F/g (Natalia, 2013) หรอ เชน การการสงเคราะหตวเกบประจไฟฟาความจสงจากเซลลโลสจากแบคทเรยทใหคาความจสงถง 77 F/g (Chen, 2013)

เซลลโลสจากแบคทเรย (Bacterial cellulose, BC) เปนผลตภณฑทไดจากการเลยงแบคทเรยดวยน าตาลและไดเปนวสดเสนใยนาโนโครงขายสามมต หรอทเหนกนทางการคาคอวนมะพราว (Nata de coco) ทสามารถผลตไดจากกระบวนการหมกน ามะพราวในโรงงาน เสนใยนาโนทไดจะมอตราสวนความยาวตอเสนผานศนยกลางสง มความหนาแนนเสนใยตอปรมาตรสง และปราศจากลกนนหรอสารอนทมกพบในเซลลโลสจากพช เสนใยนาโนมคารบอนเปนองคประกอบหลกจงท าใหเมอผานกระบวนการเผาไพโรไลซส (Pyrolysis) เพอก าจดไฮโดรเจน และออกซเจนแลวจะเหลอเพยงคารบอนทยงคงรปเปนเสนใยนาโนอย ดงนนจงอาจกลาวไดวาเซลลโลสจากแบคทเรย เปนแหลงคารบอนจากธรรมชาตททงผลตงาย ตนทนต าและมพนผวสงจากการซอนทบของเสนใยนาโนขนาดเลก จงเปนวสดทนาสนใจทจะน ามาพฒนาเปนขนตวเกบประจไฟฟาความจสง

วตถประสงคการวจย

วตถประสงคเพอศกษาผลของอณหภมการเผาไพโรไลซส (Pyrolysis) ทอณหภม 700 800 900 1000 และ 1100 องศาเซลเซยสตอคาความจไฟฟาของเสนใยนาโนคารบอนทผลตจากแบคทเรย

382

PMP12-3

วธการวจย 1. การเตรยมเซลลโลสจากแบคทเรย

1) เตรยมอาหารเหลวส าหรบเลยงเชอ (D-glucose 10 %,Yeast 1% โดยน าหนกน า DI) (ภาพท 1ก) 2) ใสขวดอาหารในหมอนงฆาเชอโรค (Autoclave) เพอฆาเชอเจอปน (ภาพท 1ข) 3) ลงเชอ(ภาพท 1ค) และบมในตบมเลยงเชอ (Incubator) อณหภม 30 องศาเซลเซยส เปนเวลา 14 วน (ภาพท 1ง) 4) ลางน าตาลและเชอออกจากแผนเซลลโลส โดยการตมท 100 องศาเซลเซยส และแชดวย NaOH 5) ลางดวยน า DI จนมคา PH เปนกลางและแผนขาวใส (ภาพท 1จ) 6) ท าแหงโดยวธการท าแหงแบบแชเยอกแขง (Freeze drying) (ภาพท 1ช)

ภาพท 1 แสดงขนตอนการเตรยมเซลลโลสจากแบคทเรยขนท 1-6

2. การเตรยมแผนคารบอนนาโนไฟจากแบคทเรยเซลลโลส

1) น าแผนเซลลโลสทไดจากการท าแหงไปเผาไพโรไลซส (Pyrolysis) เปนเวลา 2 ชวโมง ทอตรา 5 องศาเซลเซยส ตอนาท ภายใตบรรยากาศอารกอน โดยใชเงอนไขอณหภมทตางกน 5 อณหภม ไดแก 700 800 900 1000 1100 องศาเซลเซยส ซงจะใชสญลกษณเปน BC-700 BC-800 BC-900 BC-1000 BC-1100 ตามล าดบ ซงจะไดแผนคารบอนจากเซลลโลสดงภาพท 2ข

ก) ข) ค) ง)

ฉ) จ) ช)

383

PMP12-4

ภาพท 2 การเตรยมแผนคารบอนนาโนไฟเบอร โดยใชแผนเซลลโลสจากแบคทเรยกอนการเผา (ก) และหลงเผา (ข)

3. ศกษาลกษณะเฉพาะของชนงาน ในงานวจยนจะใช เครอง Field Emission Scanning Electron Microscopy (FESEM) เพอถายภาพเสนใย

คารบอนจากการเผาในแตละอณหภมเพอศกษาลกษณะและขนาดของเสนใยทตางกน เทคนคการอด – คายประจ (Charge – discharge) (Gramry Instrument Reference 3000,USA) เปนเทคนคทใช

วดคาความจ (Capacitance) ของตวเกบประจความจสง โดยการจายกระแสไฟฟาคงทแกระบบเขาและออกจากตวเกบประจ และวดความตางศกยเวลาอดและคายประจเทยบกบเวลา น ากราฟ V-T ไปค านวณหาคา C (Capacitance) ซงเปนอกหนงวธการวดคาความจไฟฟาในการทดลอง

เทคนคไซคลกโวลแทมเมตทร (Cyclic Voltammetry) (Gramry Instrument Reference 3000, USA) เปนการวดอตราการเกดปฏกรยาของตวเกบประจ มสวนประกอบ 3 อยางคอ 1) ขวท างาน (Working electrode, WE) คอสารทตองการวเคราะห 2) ขวเคานเตอร (Counter electrode, CE) เปนขวใหปฏกรยาเกดครบวงจร 3) ขวอางอง (Reference electrode, RE) คอ ขวทใชเทยบศกยไฟฟา โดยการวดจะใหอตราศกยไฟฟาทเพมขนตอเวลา (Scan rate) และวดกระแสทศกยตาง ๆ กราฟ Cyclic Voltammetry (CV) ทไดจะเปนความสมพนธระหวางกระแสไฟฟาทเกดขนทขวท างาน กบความตางศกยเปรยบเทยบทขวเคานเตอรและขวอางอง สามารถน าไปหาคาความจไฟฟาได ผลการวจย

1. คาความจไฟฟาจากเทคนคไซคลกโวลแทมเมตทร (Cyclic Voltammetry) จากผลการทดลอง กราฟ CV ของเสนใยคารบอนทไดจากการเผาไพโรไลซสทตางกน 5 อณหภม (700-1100)

จะเหนวาทอณหภมต า 700 องศาเซลเซยส กราฟ CV จะมลกษณะเรยวคลายใบไม(ภาพท 3ก) ซงกราฟ CV ตามอดมคตจะมลกษณะเปนสเหลยมชดเจนแสดงถงการอดและคายประจทเทากนไมสญเสยประจไปตอนคายประจ และเมออณหภมสงขน ท 800-1100 (ภาพท 3ข-3จ) จะมลกษณะเปนเหลยมชดเจนขนเรอย ๆ และจากการค านวณคาความจ

C=𝐼∆𝑉

∆𝑡

ทอณหภม (700-1100) จะได13, 51, 54, 71 และ 73 F/g ตามล าดบ (ดงภาพท 3ฉ) ซงแสดงแนวโนมการเพม

ของคาความจตามอณหภม

ก) ข)

384

PMP12-5

ภาพท 3 กราฟ CV ของเสนใยคารบอนทไดจากการเผาไพโรไลซสท 700-1100

2. คาความจไฟฟาจากเทคนคการอด – คายประจ (Charge – discharge) จากผลการทดลอง กราฟ CD ของเสนใยคารบอนทไดจากการเผาไพโรไลซสทตางกน 5 อณหภม (700-1100)

จะเหนวาทอณหภมต า 700 องศาเซลเซยส กราฟ CD จะมกราฟการคายประจทไมสมมาตรกบการอดประจการสญเสยประจระหวางการคายประจไปมาก (ภาพท 4ก) ซงกราฟ CD ตามอดมคตจะมลกษณะเปนสามเหลยมชดเจนแสดงถงการอดและคายประจทเทากนไมสญเสยประจไปตอนคายประจ และเมออณหภมสงขน ท 800-1100 (ภาพท 4ข-4จ) จะม

ก) ข)

ค) ง)

385

PMP12-6

ลกกษณะเปนสามเหลยมชดเจนขนเรอย ๆ และจากการค านวณ C= 𝐼∗∆𝑡

∆𝑉 คาความจ ทอณหภม (700-1100) 3, 48, 51,

71 และ 73 F/g ตามล าดบ (ดงภาพท 4ฉ) ซงแสดงแนวโนมการเพมของคาความจตามอณหภม

ภาพท 4 กราฟ CDของเสนใยคารบอนทไดจากการเผาไพโรไลซสท 700-1100

ก) ข)

ค) ง)

386

PMP12-7

3. เสนใยคารบอนจากการเผาในแตละอณหภมเพอศกษาลกษณะและขนาดของเสนใย จากภาพถาย SEM จะเหนวาทอณหภมต า 700 (ภาพท 5ก) เสนใยจะมรพรนทนอยกวาการเผาทอณหภมสงกวาท 1100 (ภาพ 5ฉ) ทจะมรพรนทมากกวาซงอาจสงผลใหการเผาทอณหภมต ากวามคาความจทนอยกวาอยางไรกตามเมอพจารณาภาพ 5ช ซงเปนกราฟแสดงผลการวดขนาดเสนใยในแตละอณหภมจะเหนวาไมเปนแนวโนมตามอณหภมแตจะคาเฉลยอยท 70 นาโนเมตร

ภาพท 5 ภาพถาย SEM ของเสนใยคารบอนทไดจากการเผาไพโรไลซสท 700-1100 อภปรายและสรปผลการวจย

คาความจไฟฟาทไดจากการวดดวยเทคนคไซคลกโวลแทมเมตทร ของตวอยางทเผาดวยอณหภม 700 800 900 1000 และ 1100 องศาเซลเซยส คอ 13, 51, 54, 71 และ 73 F/g ตามล าดบ

คาความจไฟฟาทไดจากการวดดวยเทคนคไซคลกโวลแทมเมตทร ของตวอยางทเผาดวยอณหภม 700 800 900 1000 และ 1100 องศาเซลเซยส คอ 3, 48, 51, 71 และ 73 F/g ตามล าดบ

จากภาพถาย SEM เสนใยคารบอนในการเผาแตละอณหภมขนาดของเสนใยทใกลเคยงกนทประมาณ 70 นาโนเมตรซงจากผลการทดลองขนาดเสนใยทไมมความแตกตางระหวางอณหภม 700 และ 1100 แตกลบใหคาความจไฟฟาทตางกนอยางมากคอ 13 และ 73 F/g ซงเพมขนมากเปน 5 เทา ดงนนจงสามารถสรปไดวาอณหภมการเผาไมสงผลตอขนาดเสนใยคารบอนจากแบคทเรย

ส าหรบปจจยทสงผลตอความจไฟฟาทเพมขนตามอณหภม อาจเปนเพราะการน าไฟฟาทของเสนใยทเผาทอณหภมสงขนเนองจากเซลลโลสจะเรมกลายเปนคารบอนทอณหภม 600 องศาเซลเซยส ดงนนการเผาทอณหภมสง 700-1100 จะท าใหมปรมาณคารบอนมากขนตามอณหภมการเผาทสงขน ท าใหเสนคารบอนมากกวาการน าไฟฟาด และท าใหคาความจไฟฟาเพมขนตามมา

387

PMP12-8

กตตกรรมประกาศ ผวจยขอขอบพระคณ Thailand Research Fund (TRF) รวมกบ Khon Kaen university (RSA5980014), The Institute of Nanomaterials Research and Innovation for Energy (IN-RIE),Khon Kaen Univercity and the Nanotechnology Center (NANOTEC),NSTDA,Ministry of science and Technology, NANOTEC ส าหรบทนสนบสนนงานวจยนและขอขอบคณภาควชาฟสกส และภาควชาจลชววทยา คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน ทใหความอนเคราะหในดานสถานท และเครองมอวเคราะหในการท าวจยในครงน เอกสารอางอง Chen L F. Bacterial-Cellulose-Derived Carbon Nanofi ber@MnO2 and Nitrogen-Dope CarbonNanofiber Electrode

Materials : An Asymmetric Supercapacitor with High Energy and Power Density. Adv Mater, v.25; 2013. Huang X W, Xie Z W, He X. Q, Sun H. Z, Ton C, Xie D. M. Electric double layer capacitors using activated carbon

prepared from pyrolytic treatment of sugar as their electrodes. Synthetic Metals, v.135–136; 2003. Kobsiriphat W. Supercapacitors. TEMCA Magazine 2014; 2(21): 75-78. Natalia M . Activated carbon derived from natural sources and electrochemical capacitance of double layer capacitor.

Indian Journal of chemical Technology, v.20; 2003.

388