วัสดุเพื่อการกักเก็บพลังงาน

photo

ตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงที่สามารถกักเก็บพลังงานได้

(Energy storage photocatalyst)

                ไทเทเนียมไดออกไซด์ (Titaniumdioxe; TiO2) ถูกนำมาประยุกต์ในชีวิตประจำวันอย่างแพร่หลาย เช่น การบำบัดน้ำเสีย การบำบัดมลพิษในอากาศ การเคลือบบนกระจกเพื่อป้องกันการเกิดฝ้า การเคลือบบนผิวโลหะเพื่อป้องกันการกัดกร่อน เป็นต้น โดยไทเทเนียมไดออกไซด์ที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงอาทิตย์ จะปลดปล่อยอิเล็กตรอน (e-) และโฮล (h+) ออกมา และสามารถเกิดปฏิกิริยากับออกซิเจนและน้ำในอากาศ เกิดไฮดรอกซิลเรดิคอล (OH˚) และไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (H2O2) ซึ่งมีคุณสมบัติในการบำบัดสารอินทรีย์ได้ อีกทั้งอิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นสามารถประยุกต์ใช้ในการป้องกันการกัดกร่อนแบบคาโธดิค (Cathodic protection) ได้อีกด้วย [1]

2

        อย่างไรก็ตาม การประยุกต์ใช้ไทเทเนียมไดออกไซด์ถูกจำกัดในเฉพาะสภาวะที่มีแสง ดังนั้น ตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงที่สามารถกักเก็บพลังงานได้ (Energy storage photocatalyst) จึงถูกพัฒนาขึ้นเพื่อขยายขอบเขตการทำงานของไทเทเนียมไดออกไซด์ในที่มืด [2]

3

กลไกการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงที่สามารถกักเก็บพลังงานได้ เริ่มจากในสภาวะที่มีแสง ไทเทเนียมไดออกไซด์จะปลดปล่อยอิเล็กตรอน (e-) และโฮล (h+) โดยอิเล็กตรอนและโฮลจะถูกนำไปใช้งานดังได้กล่าวมาแล้วข้างต้น และอิเล็กตรอนบางส่วนจะส่งไปเก็บในสารเก็บพลังงาน (Electron storage substance เช่น WO3) เนื่องจากมีระดับพลังงานมากกว่าแถบการนำ (Conduction band) ของไทเทเนียมไดออกไซด์ ซึ่งในขณะรับอิเล็กตรอนนั้นจำเป็นต้องรับไอออนบวก (Cation เช่น H+) ร่วมด้วย เพื่อให้สารเก็บพลังงานเกิดเสถียรภาพทางไฟฟ้า เกิดเป็น HxWO3 ในสภาวะที่มืด ไทเทเนียมไดออกไซด์ไม่สามารถปลดปล่อยอิเล็กตรอน (e-) และโฮล (h+) ได้ ดังนั้น HxWO3 จะทำหน้าที่เป็นแหล่งจ่ายอิเล็กตรอนแทนไทเทเนียมไดออกไซด์

4

        ตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงที่สามารถกักเก็บพลังงานได้ สามารถประยุกต์ใช้ได้หลากหลาย เช่น เคลือบบนโลหะเพื่อป้องกันการกัดกร่อนแบบคาโธดิค โดยการป้องกันแบบนี้เป็นการทำให้โลหะเป็นขั้วคาโธด และทำให้ไทเทเนียมไดออกไซด์เป็นขั้วอาโนด ซึ่งจะปลดปล่อยอิเล็กตรอนให้กับน้ำและออกซิเจนในอากาศ ดังนั้นโลหะจึงไม่เกิดการกัดกร่อน และในที่มืด สารเก็บพลังงานจะปลดปล่อยอิเล็กตรอนทดแทน จึงทำให้สามารถป้องกันการกัดกร่อนได้ตลอดเวลา นอกจากนั้นแล้ว อิเล็กตรอนที่สะสมสามารถเกิดปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศ เกิดเป็นซุปเปอร์ออกไซด์เรดิคอล (O2-˚) และไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (H2O2) สามารถกำจัดสารอินทรีย์ได้อย่างต่อเนื่องเช่นกัน

การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงที่สามารถกักเก็บพลังงานได้ ทำโดยการคัดเลือกสารเก็บพลังงานชนิดใหม่ เช่น Phosphotungstic Acid (PWA) [3], สารประกอบร่วมระหว่าง TiO2-V2O5 [4] ซึ่งมีความสามารถในการเก็บอิเล็กตรอนสูงกว่าสารเก็บพลังงานดั้งเดิม (WO3) และสามารถใช้ควบคู่กับไทเทเนียมไดออกไซด์ได้เป็นอย่างดี

Energy storage material with photocatalytic activity 

เอกสารอ้างอิง

[1] Fujishima, X. Zhang, D. A. Tryk, “TiO2 photocatalysis and related surface phenomena”, Surface Science Reports, 63, pp.515–582, 2008.

[2] T. Tatsuma, S. Saitoh, Y. Ohko, and A. Fujishima, “TiO2-WO3 Photoelectrochemical Anti- corrosion System with an Energy Storage Ability”,  Chemistry of Materials, 13, pp. 2838-2842, 2001

[3] P. Ngaotrakanwiwat and T. Tatsuma, “Optimization of Energy Storage TiO2-WO3 Photocatalysts and Further Modification with Phosphotungstic Acid”, Journal of Electroanalytical Chemistry, 573, pp.263-269, 2004.

[4] P. Ngaotrakanwiwatand V. Meeyoo, “TiO2-V2O5 nanocomposites as alternative energy storage substances for photocatalysts”, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 12, pp.828-833, 2012.