การเตรียมตัวตรวจวัดแก๊ส NO2 โดยใช้ท่อนาโนคาร์บอนแบบผนังหลายชั้นเจือด้วยโบรอนและไนไตรเจน

Abstract

งานวิจัยนี้ ได้ทำการเตรียมตัวตรวจวัดแก๊สไนโตรเจนไดออกไซด์ (NO2 ) จากการเจืออะตอมไนโตรเจนและโบรอนในท่อนาโนคาร์ บอน (CN-NTs และ BCN-NTs) เพื่อเปรียบเทียบกับท่อนาโนคาร์บอนที่ปราศจากการเจือสาร (CNTs) ในกระบวนการทดลอง ท่อนาโนคาร์บอนถูกสังเคราะห์ด้วยเทคนิคการตกเคลือบด้วยไอระเหยทางเคมี (CVD) ที่อุณหภูมิ 900 °C โดยใช้สารตั้งต้นชนิดของแข็ง ประกอบด้วย เฟอร์โรซีน อิมิดาโซล และกรดบอริก เป็นแหล่งกำเนิดของอะตอม คาร์บอน ไนโตรเจน และโบรอน ตามลำดับ เพื่อทำการเปรียบเทียบในการเตรียมท่อนาโนคาร์บอน 3 ชนิด คือ CNTs, CN-NTs และ BCN-NTs โดยใช้อัตราส่วนของ C, N และ B ที่แตกต่างกัน คือ 1:0:0, 1:2:0 และ 1:2:1 ตามลำดับ สัณฐานวิทยาและโครงสร้างความบกพร่องของท่อทำการตรวจสอบโดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (Scanning electron microscope; SEM), กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (Transmission electron microscope; TEM) และรามาน สเปกโทรสโกปี จากการวิเคราะห์ภาพถ่าย TEM แสดงลักษณะโครงสร้างแบบปล้องไผ่ภายใน CN-NTs และ BCN-NTs ผลการวิเคราะห์ด้วยรามานสเปกตรัมของ BCN-NTs ยืนยันได้ว่าเกิดความบกพร่องในโครงสร้างสูง สังเกตได้จากอัตราส่วนระหว่าง ID /IG มีค่าสูงสุดเมื่อเทียบกับท่อนาโนคาร์บอนชนิดอื่น การวิเคราะห์หมู่ฟังก์ชันและองค์ประกอบธาตุในท่อนาโนคาร์บอนทั้ง 3 ชนิด ด้วยฟูเรียร์ทรานสฟอร์มอินฟราเรดสเปกโทรสโกปี (FTIR) และเอกซ์เรย์โฟโตอิเล็กตรอน สเปกโทรสโกปี (XPS) ผลจาก FTIR สเปกตรัม แสดงให้เห็นว่าในท่อนาโนคาร์บอนที่ถูกเจือด้วยอะตอมโบรอนและ/หรือไนโตรเจนน้ัน มีการเกิดหมู่ฟังก์ชันของคาร์บอนกับอะตอมโบรอนและไนโตรเจน และจาก XPS สเปกตรัมพบการเกิดพันธะระหว่างอะตอมคาร์บอนและไนโตรเจนได้ 2 แบบ (Quaternary nitrogen, Graphitic-N-O) ขณะที่ BCN-NTs แสดงชนิดพันธะของคาร์บอนและไนโตรเจนหลายรูปแบบและมีองค์ประกอบของโบรอนในปริมาณที่ต่ำ และเมื่อนำตัวอย่างท่อนาโนคาร์บอนมาตรวจวัดแก๊สไนโตรเจนไดออกไซด์ที่ความเข้มข้นต่าง ๆ คือ 100, 200 และ 300 ppm ภายใต้อุณหภูมิห้อง โดยใช้การวัดค่าความต้านทานไฟฟ้าจากเทคนิคสองโพรบ ผลแสดงว่า CNTs มีการตอบสนองต่อแก๊ส NO2 สูงสุด เนื่องจาก CNTs มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเล็กจึงทำให้มีพื้นที่ผิวที่สูงทำให้มีประสิทธิภาพในการดูดซับแก๊ส NO2 ได้ดีมากกว่าท่อนาโนคาร์บอนชนิดอื่นแต่ทั้งนี้ พบว่า CN-NTs มีเวลาในการตอบสนองที่รวดเร็วและมีการคืนตัวที่สมบูรณ์ ซึ่งเกิดจากการเจืออะตอมไนโตรเจนที่ช่วยเพิ่มสมบัติในการเป็นสารกึ่งตัวนำและเพิ่มปฏิกิริยาเคมีบนพื้นผิวให้กับท่อนาโนคาร์บอน การตรวจวัดการตอบสนองต่อแก๊ส NO2 ของท่อนาโนคาร์บอนทั้ง 3 ชนิด พบว่า มีการตอบสนองที่เพิ่มขึ้นเมื่อเพิ่มความเข้มข้นของแกส๊ NO2 แต่อย่างไรก็ตาม BCN-NTs ที่ถูกเตรียมในการทดลองนี้ มีเวลาในการตอบสนองต่อแก๊ส NO2 ที่ช้าและเกิดการคืนตัวที่ไม่สมบูรณ์ เนื่องจากอะตอมโบรอนที่ถูกเจือมีการยึดเกาะที่แข็งแรงกับโมเลกุลของแก๊ส NO2