CoverLogo_RSA5980073

วัสดุนาโนคอมโพสิตกราฟีนออกไซด์กับการใช้งาน

การหาวัสดุใหม่ๆ ถือเป็นความท้าทายอย่างหนึ่งของนักวัสดุศาสตร์ เพื่อเป็นหนทางหนึ่งในการแก้ปัญหา เพิ่มประสิทธิภาพ หรือการนำไปใช้ประโยชน์ใหม่ๆ ในงานวิจัยนี้ก็เช่นกัน เป็นการพัฒนาวัสดุนาโนคอมโพสิตแบบใหม่ที่สามารถนำไปใช้เป็นส่วนหนึ่งในการเพิ่มประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ในการวิเคราะห์สารเนื้อแดง หรือแม้แต่การเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพก็ได้ด้วย

ความรู้เบื้องต้นและความสำคัญของงานวิจัย

ในทุกๆปี โลกมีความต้องการพลังงานเพิ่มมากขึ้น ในขณะเดียวกันผลิตภัณฑ์จากปิโตรเลียมได้ถูกนำมาใช้มากเพิ่มขึ้นเพื่อตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้น แต่ก็เป็นสาเหตุให้เกิดปัญหามลพิษและปัญหาโลกร้อนตามมา จึงเป็นแรงผลักดันให้เกิดการค้นคว้าวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีพลังงานทดแทนหรือพลังงานทางเลือก เพื่อช่วยลดปัญหาเหล่านี้
เซลล์เชื้อเพลิง เป็นหนึ่งในวิธีผลิตพลังงานทดแทนที่ได้รับความสนใจในการแก้ปัญหา และลดการใช้ผลิตภัณฑ์จากปิโตรเลียมเหล่านี้ ทั้งนี้โดยทั่วไปไฮโดรเจนและเมทานอลมักถูกนำมาใช้เป็นแหล่งเชื้อเพลิงตั้งต้นในเซลล์เชื้อเพลิง หรือบางครั้ง สารประกอบไฮโดรคาร์บอนก็ถูกนำมาใช้เช่นกัน ด้วยข้อได้เปรียบของเซลล์เชื้อเพลิง เมื่อเทียบกับพลังงานฟอสซิลหรือพลังงานนิวเคลียร์ ด้วยกระบวนการเปลี่ยนแปลงพลังงานทางเคมี เป็นพลังงานไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยารีดอกซ์หรือปฏิกิริยาเคมี โดยไม่ผ่านกระบวนการเผาไหม้ที่เป็นกระบวนการหลักที่ก่อให้เกิดมลพิษและเป็นสาเหตุหนึ่งของภาวะโลกร้อน การทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงคล้ายกับแบตเตอรี่ แต่เซลล์เชื้อเพลิงสามารถให้พลังงานได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่ต้องชาร์จเหมือนแบตเตอรี่ อย่างไรก็ตามเซลล์เชื้อเพลิง ยังมีข้อจำกัดในเรื่องของต้นทุนที่สูงเนื่องจากโลหะที่ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในกระบวนการผลิตพลังงาน มีราคาค่อนข้างสูง ในศตวรรษที่ผ่านมา ได้มีการค้นพบเทคโนโลยีการนำจุลินทรีย์มาใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเปลี่ยนพลังงานเคมีให้เป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรงโดยผ่านปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี เรียกว่าเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพ(EBFCs)
เซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพ (EBFCs) เป็นเชื้อเพลิงที่ใช้เอนไซม์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีเพื่อเปลี่ยนพลังงานเคมีให้เป็นพลังงานไฟฟ้า ทดแทนการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะที่มีราคาแพงในเซลล์เชื้อเพลิงแบบดั้งเดิม
เช่นแพลตตินัมที่ใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงแบบดั้งเดิม นอกจากนี้ EBFCsยังสามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าภายใต้สภาวะปกติเช่น อุณหภูมิโดยรอบ ภายใต้ค่าpHที่เป็นกลาง ความยืดหยุ่นจากปัจจัยเหล่านี้จึงสามารถนำมาใช้เป็นพลังงานสะอาดและนำมาใช้เป็นพลังงานทดแทนได้ พลังงานทางเลือกนี้อาศัยปฏิริยาออกซิเดชันของเอนไซม์ นอกจากไม่ก่อให้เกิดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่เป็นสาเหตุหลักของการเกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อมแล้ว ยังเป็นประโยชน์ต่อชีวมวลอีกด้วย
อย่างไรก็ตามในปัจจุบันยังไม่มีการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพในเชิงพาณิชย์เนื่องจากยังขาดเทคนิคการตรึงเอนไซม์ที่ยังไม่มีประสิทธิภาพในการผลิตพลังงานไฟฟ้าเท่าที่ควรเนื่องจากอัตราการถ่ายโอนอิเล็กตรอนในปฏิกิริยารีดอกซ์ที่ช้ามาก จึงทำให้การผลิตกำลังไฟฟ้าได้น้อยเมื่อเทียบกับระยะเวลาที่ใช้ไป
ปัจจุบัน จึงมีงานวิจัยเพื่อหาเทคโนโลยีมาใช้แก้ไขปัญหานี้ โดยพยายามค้นคว้าวิจัยหาตัวเร่งปฏิกิรยาหรือตัวกลางที่จะช่วยตรึงเอนไซม์ไว้บนผิวหน้าของตัวกลางเพื่อให้เกิดอัตราการถ่ายโอนอิเล็กตรอนระหว่างเอนไซม์และพื้นผิวอิเล็กโทรดที่สูงขึ้น จึงมีการการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับEBFCs รวมทั้งการใช้วัสดุนาโนเข้าไปในโครงสร้าง แต่ยังคงมีข้อจำกัดในเรื่องคุณสมบัติของเอนไซม์ที่มีความเสถียรต่ำ วัสดุนาโนหรือโลหะนาโนได้รับความสนใจเพิ่มมากขึ้นเนื่องจากมีคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีที่เหมาะสมต่อการตรึงเอนไซม์ โปรตีนหรือโมเลกุลชีวภาพอื่นๆโดยช่วยเพิ่มพื้นที่ผิวในการเกิดปฏิกิริยาให้มีขนาดใหญ่มากขึ้น นอกจากนี้ วัสดุนาโนยังช่วยเพิ่มความสามารถของการสัมผัสกันระหว่างพื้นผิวอิเล็กโทรดและเอนไซม์ทำให้การเกิดปฏิกิริยารีดอกซ์มีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งวัสดุที่มีคุณสมบัติดังกล่าวคือ กราฟีน (Graphene)*

*กราฟีน(Graphene) เป็นวัสดุคาร์บอนที่มีคุณสมบัตินำไฟฟ้าและนำความร้อนและเชิงกลที่ดี มีโครงสร้างเป็นตาข่ายรวงผึ้งแต่ยังคงมีข้อจำกัดในเรื่องคุณสมบัติของการละลายที่ไม่ดีเท่าที่ควร

ในงานวิจัยนี้ได้มีการประยุกต์ใช้ Fe3O4/rGO** ซึ่งเป็นวัสดุนาโนคอมโพสิต และออกแบบพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพ โดยใช้กลูโคสเป็นเชื้อเพลิงโดยมีเอนไซม์กลูโคสออกซิเดสและบิลิรูบินออกซิเดส บนวัสดุนาโนคอมโพสิตช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการตรึงเอนไซม์ ทำให้เกิดการสร้างพลังงานไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยาเคมีที่มีความเสถียรภาพมากขึ้นและช่วยยืดอายุการใช้งานของระบบ

**กราฟีนออกไซด์ (GO) เป็นกราฟีนที่ถูกสังเคราะห์จากการเปลี่ยนแปลงทางเคมี เช่น อีพอกไซด์แอลกอฮอล์และกรดคาร์บอกซิลิก. จากการวิเคราะห์คุณสมบัติทางเคมีของกราฟีนออกไซด์ แสดงให้เห็นว่า อัตราส่วนระหว่างคาร์บอนต่อออกซิเจนมีสัดส่วนที่เหมาะสมเนื่องจากกราฟีนที่สังเคราะห์ได้ สามารถแยกชั้นโดยผ่านกระบวนการแทรกชั้นของน้ำได้อย่างงมีประสิทธิภาพ หลุดลอกหรือแยกชั้นออกมาเป็น กราฟีนออกไซด์แบบเดี่ยว(rGO) ซึ่งมีคุณสมบัติชอบน้ำ สามารถละลายได้ดีในน้ำ แต่ไม่นำไฟฟ้า จึงมีคุณสมบัติที่เหมาะต่อการนำมาใช้เป็นวัสดุเซนเซอร์

การใช้ประโยชน์ของวัสดุนาโนคอมโพสิต (Fe3O4/rGO)

ในงานวิจัยนี้นาโนคอนโพสิตของ Fe3O4/rGO ได้ถูกนำมาใช้เป็นขั้วแคโทด(ขั้วบวก)บนเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพ นาโนคอมโพสิตไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มศักยภาพในการตรึงเอนไซม์เท่านั้น แต่ยังสามารถเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ที่เป็นผลพลอยได้จากปฏิกิริยาออกซิเดชันของกลูโคสที่เกิดขึ้นบนขั้วแคโทด ซึ่งเป็นสารที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันแล้วทำให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้าอีกด้วย
นาโนคอมโพสิตนี้ มีความสามารถในการนำไฟฟ้าได้ดี มีความเข้ากันได้ในทางชีวภาพของอนุภาคแม่เหล็กนาโน รวมทั้งการกระจายตัวได้ดีในตัวทำละลายที่มีขั้ว Fe3O4/rGO วัสดุนาโนคอมโพสิตนี้สามารถยึดติดบนพื้นผิวของอิเล็กโทรดได้อย่างง่ายดาย โดย GOx ถูกตรึงเข้าไปในนาโนคอมโพสิตด้วยวิธีการควบคุมด้วยไฟฟ้า ดังนั้นไบโอเซนเซอร์ทำงานบนหลักการเปลี่ยนพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง จึงถูกนำไปใช้ตรวจวัดปริมาณกลูโคสด้วยไบโอเซนเซอร์การปรับปรุงขั้วแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยอนุภาคแม่เหล็กนาโน

ผลที่ได้รับจากงานวิจัยนี้

การออกแบบแพลตฟอร์มที่ใช้ในการสร้างเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพ จากการถ่ายโอนอิเล็กตรอนโดยตรงไม่ผ่านตัวกลาง โดยมี Fe3O4 / rGO / GOD เป็น bioanode และ Fe3O4 / rGO / BOD เป็น Biocathode โดยใช้ Fe3O4/rGO ช่วยในการตรึงเอนไซม์ และ เพิ่มพื้นผิวการเกาะติดด้วยอนุภาคแม่เหล็กนาโน ( Fe3O4 NPs) บนผิวอิเล็กโทรด ด้วยคุณสมบัติของความเป็นพาราแมกเนติกของอนุภาคแม่เหล็กนาโนนี้ทำให้ถูกควบคุมได้ง่ายขึ้น ช่วยป้องกันการรั่วไหลของเอ็นไซม์ที่ผิวอิเล็กโทรดด้วยสนามแม่เหล็กภายนอก จึงเกิดเป็นเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพแบบไร้ตัวกลาง สามารถผลิตได้ครั้งละจำนวนมากและต้นทุนต่ำจึงเป็นประโยชน์อย่างมากในการนำมาใช้งานแบบใช้ครั้งเดียว
อีกทั้ง ยังได้พัฒนาเซนเซอร์ไฟฟ้าเคมีแบบใช้แล้วทิ้ง ที่ใช้งานง่าย ราคาประหยัด ในการตรวจหาสารแรคโตพามีน (RAC)*** อย่างรวดเร็ว การติดตามประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ในการตรวจสอบหาสารแรคโตพามีน โดยใช้ เทคนิค differential pulse voltammetry (DPV) พบว่า พีคของกระแสที่ได้จากเทคนิค DPV เพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรง แปรผันตรงกับค่าความเข้มข้นของ RACในช่วงความเข้มข้น 0.05-10 และ 10-100 µM โดยใช้ detection limit เป็น 13 M (S/N=3) และเนื่องจาก นาโนคอมโพสิต Fe3O4/rGO ช่วยในการถ่ายโอนอิเล็กตรอน และเพิ่มความไวในการตอบสนองของเซ็นเซอร์ จึงแสดงให้เห็นว่า เซ็นเซอร์ทางแบบใช้แล้วทิ้งแบบใหม่ที่ใช้ในการตรวจวัดสารแรคโตพามีน(RAC) มีความไวในการตอบสนองที่ดี ใช้งานง่าย และประหยัด มีความเสถียร และทำซ้ำได้ และสามารถใช้ในการตรวจวัดสาร RAC ในตัวอย่างเนื้อหมูจริงได้อย่างมีประสิทธิภาพ

***สารแรคโตพามีน (RAC) เป็นสารสังเคราะห์ในกลุ่มเบต้าอะโกนิสต์ (Beta-Agonist) ซึ่งเป็นสารเร่งเนื้อแดงที่ได้รับความนิยมมาใช้เร่งการเจริญเติบโตในสัตว์เลี้ยงเพื่อผลิตเนื้อหลายชนิดรวมทั้งสุกร เมื่อเข้าสู่ร่างกายของสัตว์จะตกค้างอยู่ในเนื้อสัตว์ เมื่อคนได้บริโภคเนื้อสัตว์ที่ได้รับการปนเปื้อนในปริมาณสูงจะส่งผลเสียต่อสุขภาพ

ด้วยการประยุกต์ใช้นาโนคอมโพสิต Fe3O4/rGO นี้ ในอนาคตเราอาจได้เห็นการนำไปใช้งานเพื่อเป็นเซ็นเซอร์สำหรับอาหารจำพวกเนื้อสัตว์ต่างๆ หรือเราอาจเห็นวัสดุชนิดใหม่นี้ไปเป็นส่วนหนึ่งในเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพที่มีประสิทธิภาพสูงที่ผลิตขึ้นใช้ในประเทศไทยได้เองก็เป็นได้

อ้างอิงข้อมูลจาก

โครงการวิจัย “Fe3O4 อนุภาคแม่เหล็กนาโน/รีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ คอมโพสิตนาโน: การประยุกต์ใช้เป็นเซ็นเซอร์ตรวจวัดสารปนเปื้อนและเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพแบบเอนไซม์ที่มีประสิทธิภาพสูง”

หัวหน้าโครงการ : รุ่งทิวา  ภู่อาภรณ์
สนับสนุนโดย : สำนักงานคณะกรรมการส่งเสริมวิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม (สกสว.)

เรียบเรียง ไพรินทร์ ตันติวิชยานนท์
กราฟิก ไพรินทร์ ตันติวิชยานนท์
00:00
00:00
Empty Playlist