Ratio variation of Platinum-Nickel Catalyst Preparation on Carbon Supporter for Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) – 2009

ในช่วงปี 2008-2010 ตะวันมีความสนใจที่จะศึกษาและพัฒนาด้านพลังงานทางเลือกที่ใช้กับยานยนต์แทนน้ำมันปิโตรเลียม จึงได้มองหาเชื้อเพลิงและกลไกที่นำพลังงานนั้นมาใช้ ในตอนนั้นตะวันพบว่าพลังงานน้ำมีอยู่ทั่วไป และสามารถนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงขับเคลื่อนยานพาหนะได้ 2 รูปแบบหลัก คือ
1) เป็นเชื้อเพลิงให้เครื่องยนต์สันดาปภายใน (รถยนต์ทั่วไปในปัจจุบัน) โดยปกตินิยมเผาไหม้ร่วมกับเชื้อเพลิงปิโตรเลียม
2) เป็นเชื้อเพลิงให้กับเซลล์เชื้อเพลิง (Fuel Cell) ที่ใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจนทำปฏิกิริยารวมตัวกัน ผลิตกระแสไฟฟ้าให้กับมอเตอร์ไฟฟ้า
รูปแบบของเชื้อเพลิงนั้นคือแก๊สไฮโดรเจนและออกซิเจนที่ผลิตได้จากการทำให้น้ำแตกตัวด้วยไฟฟ้าภายในเซลล์เชื้อเพลิงแบบย้อนกลับ (RFC; Regenerative Fuel Cell เหมือนเซลล์เชื้อเพลิง เพียงแต่จ่ายกระแสไฟฟ้าเข้าไปให้น้ำแตกตัวได้แก๊สไฮโดรเจนและออกซิเจน)
ในตอนนั้นตะวันสนใจรูปแบบของเซลล์เชื้อเพลิงร่วมกับยานยนต์ไฟฟ้า เนื่องจากในอนาคตสามารถมาแทนที่ระบบเครื่องยนต์สันดาปภายในชนิดที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงได้ จึงเริ่มศึกษาเซลล์เชื้อเพลิงชนิดแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC; Proton Exchange Membrane Fuel Cell) เนื่องจากเป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่ทำงานได้ในสภาวะทั่วไป ขนาดของชิ้นส่วนทั้งระบบไม่ซับซ้อนมาก จึงเป็นที่นิยมในการวิจัยและพัฒนา แต่ต้นทุนยังสูงมาก หนึ่งในปัจจัยนั้นคือราคาตัวเร่งปฏิกิริยา โดยทั่วไปเซลล์เชื้อเพลิงใช้โลหะแพลทินัมเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา มีราคาสูงมาก (ราคาในปี 2009 กรัมละ 5000 บาท) ตะวันจึงต้องการหาทางลดต้นทุนให้ราคาถูกลงโดยผสมด้วยโลหะจำพวกทรานซิชั่นอื่น ตอนนั้นเลือกนิกเกิลด้วยเหตุผลเพราะหาได้ง่ายและราคาถูก จึงเป็นที่มีของงานวิจัยชิ้นแรกในชีวิตของตะวัน

บทคัดย่อ

ในปัจจุบันมีการบริโภคพลังงานมากข้ึน จึงได้มีการคิดค้นเชื้อเพลิงข้ึนเพื่อรองรับการบริโภคพลังงานที่มากข้ึนซึ่งการทำงานของเซลลเ์ชื้อเพลิงน้ันไม่ส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม เพราะไม่มีการปล่อยแก๊สพิษใดๆ ทำให้ช่วยลดมลภาวะทางสิ่งแวดล้อมและภาวะโลกร้อนที่กำลังเป็นปัญหาอยู่ในปัจจุบันน้ีได้ ปัจจัยหลักที่ทำให้เซลลเ์ชื้อเพลิงทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพคือตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งยัง คงมีการพัฒนาให้มีประสิทธิภาพท่ีดียิ่งข้ึนเรื่อยๆ การทดลองน้ีเป็นการศึกษาการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัม – นิกเกิลบนตัวรองรับคาร์บอนในอัตราส่วน Pt:Ni/C 1:1, 1:2 และ 1:3 เพื่อหาอัตราส่วนที่เหมาะสมระหว่างนิกเกิลกับแพลทินัมในการเร่งปฏิกิริยาในเซลลเ์ชื้อเพลิงโดยได้เตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาในสภาวะท่ีเป็นเบสด้วยวิธิไมโครเวฟ ผลจากการสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยวิธีไมโครเวฟเมื่อนำไปตรวจสอบด้วยเทคนิคการเลี้ยวเบนรังสีเอ็กซ์ (XRD) กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM, EDS) และ กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) พบว่าตัวเร่งปฏิกิริยาทั้ง 3 อัตราส่วนมีองค์ประกอบธาตุตามท่ีต้องการ คือ แพลทินัม นิกเกิล และ คาร์บอน แต่ นิกเกิลเกิดข้ึนในปริมาณที่น้อยกว่ากำหนด ขนาดอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาอยู่ในระดับนาโนเมตร และ จากการทดสอบประสิทธิภาพเซลลเ์ชื้อเพลิง Pt:Ni/C 1:1ให้กระแสสูงสุด 121 มิลลิแอมแปร์ ตามด้วย Pt:Ni/C1:3 ให้กระแสสูงสุด 55 มิลลิแอมแปร์ และ Pt:Ni/C1:2 ให้กระแสสูงสุด 2 มิลลิแอมแปร์ต่อตารางเซนติเมตรที่ความต่างศักย์ 0.6 โวลต์ จากการทดลอง ประสิทธิภาพการให้กระแสไฟฟ้ามีค่าต่ากว่าเซลล์เชื้อเพลิงมาตราฐาน เกิดจากในตัวเร่งปฏิกิริยาท้ัง 3 อัตราส่วนมีปริมาณของแพลทินัมท่ีน้อยกว่าตัวเร่งปฏิกิริยามาตราฐาน และ นิกเกิลมีผลต่อการเร่งปฏิกิริยาไม่มากเท่ากับแพลทินัม อีกท้ังปริมาณของแพลทินัมและนิกเกิลที่สังเคราะห์ได้มีน้อยกว่าที่คำนวณไว้ส่งผลให้ประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาลดลงตามปริมาณของแพลทินัมที่มีในอัตราส่วนนั้น ๆ

 

โครงงานเรื่องนี้จัดทำขึ้นในปี 2009 ระดับชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 โดยได้รับทุนระยะสั้น 1 ปี สนับสนุนโดยโครงการพัฒนาอัจฉริยภาพทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสำหรับเด็กและเยาวชนรุ่นที่ 12 (JSTP) (ของ สวทช.ร่วมกับ มช. มจธ. มก. และ มอ.)