การพัฒนาการสร้างขั้วไฟฟ้าทังสเตนออกไซด์สำหรับประยุกต์ใช้กับปฏิกิริยาออกซิเดชันภายใต้กระบวนการโฟโตอิเล็กโตรคะตะไลติก

Abstract

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์หลักคือการพัฒนาการตรึงฟิล์มบางทังสเตนออกไซด์บนขั้วไฟฟ้าฟิล์มบางผสมทังสเตนออกไซด์ (WO3) กับบิสมัทวานาเดท (BiVO4) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันภายใต้กระบวนการโฟโตอิเล็กโตรคะตะไลติก แบ่งการทดลองออกเป็นสามส่วน ส่วนแรกคือการพัฒนาวิธีการตรึงฟิล์มบางทังสเตนออกไซด์บนขั้วไฟฟ้าด้วยเทคนิคสปัตเตอริง และตามด้วยการตรึงฟิล์มบางบิสมัทวานาเดทด้วยเทคนิคหมุนเหวี่ยงตามลำดับ ศึกษาผลกระทบของลักษณะโครงสร้างและรูปร่างต่อสมบัติโฟโตอิเล็กโตรคะตะไลติกของฟิล์มทังสเตนออกไซด์แบบฟิล์มบางหนาแน่นและแบบแท่งระดับนาโนเมตร ศึกษาผลกระทบของความหนาของชั้นฟิล์มทังสเตนออกไซด์ เพื่อหาสภาวะที่ดีที่สุดในการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันภายใต้กระบวนการโฟโตอิเล็กโตรคะตะไลติกโดยการนาขั้วไฟฟ้าที่เตรียมได้ไปศึกษาลักษณะสัณฐานวิทยาด้วยเทคนิคการใช้อิเล็กตรอนแบบส่องกราดชนิดฟิลด์อิมิสชัน (Field emission scanning electron microscopy; FE-SEM) ศึกษาโครงสร้างผลึกโดยใช้เทคนิคการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (X-ray diffractometry; XRD) ยืนยันชนิดและเลขออกซิเดชันของธาตุองค์ประกอบด้วยเทคนิคเทคนิคสเปกโทรสโกปีของอนุภาคอิเล็กตรอนที่ถูกปลดปล่อยด้วยรังสีเอกซ์ (X-ray photoelectron spectroscopy; XPS) ศึกษาความต้านทานทางเคมีไฟฟ้าด้วยเทคนิคอิมพีแดนซ์สเปกโทรสโกปีเชิงเคมีไฟฟ้า (Electro impedance spectroscopy; EIS) ศึกษาสมบัติทางแสงด้วยเทคนิคยูวีวิสิเบิลสเปกโทรสโกปี (UV-Vis spectroscopy) ในส่วนที่สองคือศึกษาการประยุกต์ใช้ขั้วไฟฟ้าที่ได้พัฒนาขึ้นกับการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันของการผลิตโซเดียมไฮโปคลอไรท์ และได้ศึกษาผลกระทบของค่าศักย์ไฟฟ้าที่ให้ในระบบความเข้มข้นของสารตั้งต้น ความเข้มแสง กลไกการเร่งการเกิดปฏิกิริยาที่ผิวหน้าขั้วไฟฟ้าต่อประสิทธิภาพการผลิตโซเดียมไฮโปคลอไรท์ และเปรียบเทียบประสิทธิภาพการผลิตโซเดียมไฮโปคลอไรท์ของขั้วไฟฟ้าที่พัฒนาขึ้นกับขั้วไฟฟ้าดั้งเดิมที่ตรึงฟิล์มทังสเตนออกไซด์ด้วยเทคนิคแบบหมุนเหวี่ยง ซึ่งขั้วไฟฟ้าที่พัฒนาขึ้นสามารถผลิตโซเดียมไฮโปคลอไรท์ได้ 2,900 มิลลิกรัมต่อลิตร ภายในเวลา 1 ชั่วโมงที่สภาวะศักย์ไฟฟ้าที่ 2.5 V (vs. Ag/AgCl) ความเข้มข้นเริ่มต้น 2.0 โมลาร์ของโซเดียมคลอไรด์ และความเข้มแสงที่ 7.3 mW/cm2 ตามลำดับ ในส่วนที่สามศึกษาการประยุกต์ใช้ขั้วไฟฟ้าที่พัฒนาขึ้นกับการกาจัดสารอินทรีย์สีย้อมโดยใช้โรดามินบีเป็นตัวแทนของน้ำเสียสารอินทรีย์สีย้อม ได้ศึกษาผลกระทบของ ศักย์ไฟฟ้า ความเข้มแสง สารละลายอิเล็กโตรไลต์ ค่า pH กลไกการเกิดปฏิกิริยาบนผิวหน้าขั้วไฟฟ้าต่อการกาจัดสีย้อมและเปรียบเทียบกับขั้วไฟฟ้าดั้งเดิม ซึ่งขั้วไฟฟ้าที่พัฒนาขึ้นสามารถกำจัดสีได้ถึง 97% ภายในเวลา 1 ชั่วโมง มีอัตราการกาจัดที่ 0.261 ต่อนาที ภายใต้สภาวะ ศักย์ไฟฟ้า 1.0 V (vs. Ag/AgCl) ความเข้มแสงที่ 7.3 mW/cm2 ในสารละลายอิเล็กโตรไลท์โซเดียมคลอไรด์ pH = 3 โดยทั้งสองระบบได้ประสิทธิภาพการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันสูงสุดภายใต้สภาวะเร่งร่วมทั้งศักย์ไฟฟ้าและแสง หรือกลไกแบบโฟโตอิเล็กโทรคะตะไลติกและได้ประสิทธิภาพของขั้วไฟฟ้าที่พัฒนาขึ้นมากกว่าขั้วไฟฟ้าแบบดังเดิมอย่างมีนัยสำคัญ เป็นการแสดงให้เห็นว่าเทคนิคการตรึงทังสเตนออกไซด์ที่ได้พัฒนาขึ้นบนฟิล์มผสม WO3/BiVO4 ประสบความสำเร็จในการเตรียมขั้วไฟฟ้าแอโนดเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันภายใต้กระบวนการโฟโตอิเล็กโตรคะตะไลติก เหมาะกับการพัฒนาต่อยอดเพื่อการประยุกต์ไปใช้กับการผลิตโซเดียมไฮโปคลอไรท์และกาจัดสารอินทรีย์สีย้อมในภาคอุตสาหกรรมต่อไป

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์หลักคือการพัฒนาการตรึงฟิล์มบางทังสเตนออกไซด์บนขั้วไฟฟ้าฟิล์มบางผสมทังสเตนออกไซด์ (WO3) กับบิสมัทวานาเดท (BiVO4) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันภายใต้กระบวนการโฟโตอิเล็กโตรคะตะไลติก แบ่งการทดลองออกเป็นสามส่วน ส่วนแรกคือการพัฒนาวิธีการตรึงฟิล์มบางทังสเตนออกไซด์บนขั้วไฟฟ้าด้วยเทคนิคสปัตเตอริง และตามด้วยการตรึงฟิล์มบางบิสมัทวานาเดทด้วยเทคนิคหมุนเหวี่ยงตามลำดับ ศึกษาผลกระทบของลักษณะโครงสร้างและรูปร่างต่อสมบัติโฟโตอิเล็กโตรคะตะไลติกของฟิล์มทังสเตนออกไซด์แบบฟิล์มบางหนาแน่นและแบบแท่งระดับนาโนเมตร ศึกษาผลกระทบของความหนาของชั้นฟิล์มทังสเตนออกไซด์ เพื่อหาสภาวะที่ดีที่สุดในการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันภายใต้กระบวนการโฟโตอิเล็กโตรคะตะไลติกโดยการนาขั้วไฟฟ้าที่เตรียมได้ไปศึกษาลักษณะสัณฐานวิทยาด้วยเทคนิคการใช้อิเล็กตรอนแบบส่องกราดชนิดฟิลด์อิมิสชัน (Field emission scanning electron microscopy; FE-SEM) ศึกษาโครงสร้างผลึกโดยใช้เทคนิคการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (X-ray diffractometry; XRD) ยืนยันชนิดและเลขออกซิเดชันของธาตุองค์ประกอบด้วยเทคนิคเทคนิคสเปกโทรสโกปีของอนุภาคอิเล็กตรอนที่ถูกปลดปล่อยด้วยรังสีเอกซ์ (X-ray photoelectron spectroscopy; XPS) ศึกษาความต้านทานทางเคมีไฟฟ้าด้วยเทคนิคอิมพีแดนซ์สเปกโทรสโกปีเชิงเคมีไฟฟ้า (Electro impedance spectroscopy; EIS) ศึกษาสมบัติทางแสงด้วยเทคนิคยูวีวิสิเบิลสเปกโทรสโกปี (UV-Vis spectroscopy) ในส่วนที่สองคือศึกษาการประยุกต์ใช้ขั้วไฟฟ้าที่ได้พัฒนาขึ้นกับการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันของการผลิตโซเดียมไฮโปคลอไรท์ และได้ศึกษาผลกระทบของค่าศักย์ไฟฟ้าที่ให้ในระบบความเข้มข้นของสารตั้งต้น ความเข้มแสง กลไกการเร่งการเกิดปฏิกิริยาที่ผิวหน้าขั้วไฟฟ้าต่อประสิทธิภาพการผลิตโซเดียมไฮโปคลอไรท์ และเปรียบเทียบประสิทธิภาพการผลิตโซเดียมไฮโปคลอไรท์ของขั้วไฟฟ้าที่พัฒนาขึ้นกับขั้วไฟฟ้าดั้งเดิมที่ตรึงฟิล์มทังสเตนออกไซด์ด้วยเทคนิคแบบหมุนเหวี่ยง ซึ่งขั้วไฟฟ้าที่พัฒนาขึ้นสามารถผลิตโซเดียมไฮโปคลอไรท์ได้ 2,900 มิลลิกรัมต่อลิตร ภายในเวลา 1 ชั่วโมงที่สภาวะศักย์ไฟฟ้าที่ 2.5 V (vs. Ag/AgCl) ความเข้มข้นเริ่มต้น 2.0 โมลาร์ของโซเดียมคลอไรด์ และความเข้มแสงที่ 7.3 mW/cm2 ตามลำดับ ในส่วนที่สามศึกษาการประยุกต์ใช้ขั้วไฟฟ้าที่พัฒนาขึ้นกับการกาจัดสารอินทรีย์สีย้อมโดยใช้โรดามินบีเป็นตัวแทนของน้ำเสียสารอินทรีย์สีย้อม ได้ศึกษาผลกระทบของ ศักย์ไฟฟ้า ความเข้มแสง สารละลายอิเล็กโตรไลต์ ค่า pH กลไกการเกิดปฏิกิริยาบนผิวหน้าขั้วไฟฟ้าต่อการกาจัดสีย้อมและเปรียบเทียบกับขั้วไฟฟ้าดั้งเดิม ซึ่งขั้วไฟฟ้าที่พัฒนาขึ้นสามารถกำจัดสีได้ถึง 97% ภายในเวลา 1 ชั่วโมง มีอัตราการกาจัดที่ 0.261 ต่อนาที ภายใต้สภาวะ ศักย์ไฟฟ้า 1.0 V (vs. Ag/AgCl) ความเข้มแสงที่ 7.3 mW/cm2 ในสารละลายอิเล็กโตรไลท์โซเดียมคลอไรด์ pH = 3 โดยทั้งสองระบบได้ประสิทธิภาพการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันสูงสุดภายใต้สภาวะเร่งร่วมทั้งศักย์ไฟฟ้าและแสง หรือกลไกแบบโฟโตอิเล็กโทรคะตะไลติกและได้ประสิทธิภาพของขั้วไฟฟ้าที่พัฒนาขึ้นมากกว่าขั้วไฟฟ้าแบบดังเดิมอย่างมีนัยสำคัญ เป็นการแสดงให้เห็นว่าเทคนิคการตรึงทังสเตนออกไซด์ที่ได้พัฒนาขึ้นบนฟิล์มผสม WO3/BiVO4 ประสบความสำเร็จในการเตรียมขั้วไฟฟ้าแอโนดเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันภายใต้กระบวนการโฟโตอิเล็กโตรคะตะไลติก เหมาะกับการพัฒนาต่อยอดเพื่อการประยุกต์ไปใช้กับการผลิตโซเดียมไฮโปคลอไรท์และกาจัดสารอินทรีย์สีย้อมในภาคอุตสาหกรรมต่อไป The study aimed to improve and develop the tungsten oxide thin film fabrication on composited thin films of tungsten oxide (WO3) and bismuth vanadate (BiVO4) electrode for enhancing the efficiency of the photoelectrocatalytic oxidation reaction. The experiment was conducted into three trials; the improvement of tungsten oxide thin film fabrication on the electrode by the sputtering technique and followed by the bismuth vanadate thin film layers with a spin coating technique, respectively. The influences of the tungsten oxide thin film structure and the shape on the photoelectrocatalytic properties were studied in the pattern of the dense and the nanorod tungsten oxide films. The effect of the thickness of the tungsten oxide film on photoelectrocatalytic oxidation process property was investigated for the best conditions. The morphology of the prepared electrode was characterized by using the Field Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM). The crystalline structure of composited electrode was studied by the X-ray diffractometry (XRD). The elemental composition and oxidation number were confirmed by the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The electrochemical resistance properties at the interfacial of electrode surface were investigated by the electro impedance spectroscopy (EIS). The optical properties were studied by the UV-Vis spectroscopy. Secondly, the application of the developed electrode for the oxidation reaction of sodium hypochlorite production was studied and even the effects of the applied potential in the system, the concentration of the substrate, the intensity of the light and the mechanism of the catalytic function at the electrode surface on the sodium hypochlorite production efficiency were studied. The efficiency of sodium hypochlorite production of the developed sputtering WO3 and the traditional spin coating WO3 electrodes were compared. The developed electrode can produce 2,900 mg / L for sodium hypochlorite per an hour at 2.5 V (vs. Ag/AgCl) in an initial concentration of sodium chloride and a light intensity of 2.0 M and 7.3 mW/cm2, respectively. Thirdly, the application of the developed electrode for the organic dyes removal was studied by using rhodamine B as the organic dye wastewater. The effects of the electrical potential, the light intensity, the electrolyte solution, pH, the catalytic mechanism at the electrode surface on the efficiency of organic dyes removal were investigated and compared with the traditional electrodes. The developed electrodes can degrade off the dye color to 97% per an hour with the removal rate of 0.261 per minute under 1.0 V (vs. Ag/AgCl), and the light intensity of 7.3 mW/cm2 and the aqueous sodium chloride solution at pH = 3. Both studies achieve the highest oxidation efficiency under the catalytic of bias potential and the light irradiation in the name of the photoelectrocatalytic process. The efficiency of the developed electrodes is significantly improved over conventional electrodes. It is shown that the developed tungsten oxide fabrication on the WO3/BiVO4 composite film has reached to the success in preparing the anode electrode to enhance the oxidation efficiency under the photoelectrocatalytic process. It is suitable to pursue advance studies for further development and even the applications of the sodium hypochlorite production and the removal of organic dyes in the industrial system in advance.