อุปกรณ์ตรวจจับไฮโดรเจนในความเร็วระดับไมโครวินาที

          ดังที่เราทราบกันว่าการผสมกันระหว่างไฮโดรเจนกับอากาศทำให้เกิดการติดไฟและจุดระเบิดได้อย่างง่ายดาย ซึ่งแม้แต่การสปาร์คของไฟฟ้าสถิตก็สามารถทำให้เกิดการจุดระเบิดได้แล้ว ความอันตรายที่เห็นได้นี้จึงเป็นสิ่งที่เราต้องระวังอย่างมาก เนื่องด้วยไฮโดรเจนเป็นแก๊สที่สามารถผลิตขึ้นมาใช้เองได้และเป็นพลังงานที่สะอาด จึงทำให้ในปัจจุบันเทคโนโลยีไฮโดรเจนเป็นเทคโนโลยีที่ถูกนำมาประยุกต์อย่างมากมาย ยกตัวอย่างเช่น ใช้เป็นแหล่งพลังงานให้กับยานพาหนะ รวมถึงเป็นส่วนหนึ่งของระบบกักเก็บพลังงาน เป็นต้น ^[1] เพื่อความปลอดภัยในการใช้งาน ดังนั้น การตรวจจับการรั่วไหลของไฮโดรเจนอย่างทันทีทันใดจึงเป็นสิ่งที่สำคัญ


          โดยทั่วไปแล้วตัวตรวจจับไฮโดรเจนมีหลายรูปแบบ ^[2] แต่ทว่าตัวตรวจจับไฮโดรเจนแบบสารกึ่งตัวนำโลหะออกไซด์ (Metal-oxide semiconductor sensor) เป็นที่นิยมมากที่สุดในการใช้ตรวจจับแก๊สไฮโดรเจนระดับความเข้มข้นต่ำ เนื่องจากมีการตอบสนองที่ค่อนข้างดี มีขนาดเล็ก และราคาถูก ตัวตรวจจับแก๊สชนิดนี้มักจะมีขนาดใหญ่ และมีประสิทธิภาพการใช้งานระยะยาวไม่ค่อยดีนัก จึงทำให้ในปัจจุบันมีการการปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์โดยมีการออกแบบใช้อนุภาคขนาดนาโนซึ่งมีอัตราส่วนพื้นที่ต่อปริมาตรสูงเป็นส่วนประกอบหลัก โดยอนุภาคนาโนนี้มักนิยมใช้คือ แพลเลเดียม (Palladium, Pd) เนื่องจากมีการตอบสนองต่อไฮโดรเจนได้ดีในหลากหลายความเข้มข้นที่อุณหภูมิห้อง จึงทำให้อนุภาคนาโนนี้เหมาะสมในการประยุกต์ใช้ในเชิงปฏิบัติ อย่างไรก็ตามมีข้อเสียสำคัญตรงที่ยังมีความสามารถในการตอบสนองไม่สูงมากนัก (มากกว่า 1 วินาที) และมีโอกาสตรวจจับผิดพลาด เมื่อเจอพื้นที่ที่มีแก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์และไนโตรเจนไดออกไซด์มาก ซึ่งปัญหานี้ในปัจจุบันยังไม่สามารถแก้ไขได้ ดังนั้น การวิจัยและพัฒนาตัวตรวจจับไฮโดรเจนคุณภาพสูงจึงจำเป็นต้องมีการพัฒนาต่อไป

โครงสร้างตัวตรวจจับไฮโดรเจนประเภทวัสดุนาโนโลหะ-โพลิเมอร์ [1]

          เมื่อต้นปี 2019 ที่ผ่านมา ทีมวิจัยที่เกิดจากความร่วมมือของหลากหลายมหาวิทยาลัยจากประเทศสวีเดน เนเธอร์แลนด์ เดนมาร์ก โปแลนด์ และรัสเซีย ได้เสนอโครงสร้างตัวตรวจจับไฮโดรเจนแบบใหม่ที่มีโครงสร้างไม่ซับซ้อน และมีประสิทธิภาพสูง ^[3] โดยโครงสร้างจะประกอบไปด้วยอนุภาคนาโน Pd ที่ถูกสร้างอยู่บนผิวของแก้ว และมีการเคลือบฟิล์มบางโพลิเมอร์โพลิเททระฟลูออโรเอทิลีน (Polytetrafluoroethylene, PTFE (หรือ เทฟลอน)) ไว้บริเวณด้านบน เนื่องจากโพลิเมอร์ชนิดนี้มีความต้านทานทางเคมีสูง และไม่ดูดซับน้ำ สำหรับการทดสอบการทำงานของตัวตรวจจับชนิดนี้นั้น ตัวอย่างตัวตรวจจับไฮโดรเจนที่สร้างขึ้นจะถูกนำไปวางในกล่องสภาวะปิดที่มีการควบคุมแก๊สไฮโดรเจนในปริมาณที่แตกต่างกันที่อุณหภูมิ 30 องศาเซลเซียส และมีการฉายแสงเข้าไปในกล่องปิดนี้ เพื่อทำการทดสอบการตอบสนองเชิงแสง

การเปรียบเทียบผลตอบสนองเชิงแสง เมื่อเปลี่ยนชนิดอนุภาคนาโน Pd เป็น Pd₇₀Au₃₀

          ในการวิเคราะห์ผลการตอบสนองในการตรวจจับไฮโดรเจนของตัวตรวจจับชนิดนี้ จะใช้หลักการพื้นฐานของการดูดกลืนแสง (Optical absorption) โดยที่จะทำการวิเคราะห์การเลื่อนของจุดศูนย์กลางของพีคสูงสุด (Maximum peak shifting) ในกราฟเส้นโค้งสเปกตรัมที่ได้ จากผลการทดลองดังรูปด้านบน เราจะพบว่าสำหรับอุปกรณ์ตัวตรวจจับที่มีการใช้อนุภาคนาโน Pd จุดศูนย์กลางของพีคมีการเลื่อนไปด้านขวา (ด้านความยาวคลื่นค่ามาก) และมีความสูงของพีคที่มากขึ้น แต่ในปริมาณความดันไฮโดรเจนที่แตกต่างกัน (<0.01 mbar และ 1000 mbar) ยังมีความแตกต่างของกราฟสเปกตรัมค่อนข้างมาก บ่งบอกถึงเวลาการตอบสนองที่ยังไม่ค่อยเร็วมากนัก เมื่อเปลี่ยนชนิดของอนุภาคนาโนที่อยู่บนผิวของแก้วเป็นอนุภาคนาโน Pd แบบเจือปนกับทอง (Gold, Au) ในอัตราส่วน 70:30 นั่นคือ Pd₇₀Au₃₀ พบว่ามีความแตกต่างของกราฟสเปกตรัมเมื่อปรับปริมาณไฮโดรเจนแตกต่างกันน้อยลง ซึ่งบ่งบอกได้ว่ามีผลตอบสนองที่ดีมากขึ้น เพราะฉะนั้นจากการวิเคราะห์กราฟสเปกตรัมการดูดกลืนแสง เราจะสามารถบ่งบอกประสิทธิภาพเบื้องต้นของตัวตรวจจับไฮโดรเจนได้

ผลการตอบสนองต่อการตรวจจับไฮโดรเจนในปริมาณไฮโดรเจนที่แตกต่างกันของตัวตรวจจับที่ได้ออกแบบขึ้น

          เพื่อที่จะทราบถึงค่าเชิงตัวเลขของผลการตอบสนอง นักวิจัยจึงได้ทำการป้อนปริมาณแก๊สไฮโดรเจนเป็นลักษณะพัลส์ (Pulse) โดยปรับปริมาณไฮโดรเจนเป็นค่าต่างกัน และวัดการเลื่อนของจุดศูนย์กลางของพีคสูงสุด ผลการทดลองพบว่าในกรณีที่ใช้อนุภาคนาโน Pd จะใช้เวลาในการตอบสนองประมาณ 15 วินาที ซึ่งจะมีการตอบสนองที่ดีขึ้น (เหลือ 5 วินาที) ถ้ามีการเคลือบผิวด้านบนด้วยเทฟลอน จึงเป็นการบ่งชี้ได้อย่างดีถึงการปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์โดยการเคลือบผิวด้วยโพลิเมอร์ ทั้งนี้เมื่อเปลี่ยนชนิดของอนุภาคเป็น Pd₇₀Au₃₀ พบว่ามีผลการตอบสนองลดลงมาถึงระดับ 300 - 400 ไมโครวินาที เมื่อทดลองลดขนาดของอนุภาคนาโน Pd₇₀Au₃₀ ลงมาอีก 30% การตอบสนองมีแนวโน้มดีขึ้นอีก จึงสรุปได้ว่าตัวตรวจแก๊สไฮโดรเจนชนิดนี้มีโครงสร้างไม่ซับซ้อนและประสิทธิภาพสูง จึงมีความน่าสนใจอย่างมากไม่เพียงแต่สามารถนำไปใช้จริงในเชิงปฏิบัติเพื่อตรวจหาแก๊สที่ความเร็วสูงได้ ยังสามารถพัฒนาได้ต่อไปในเชิงวิทยาศาสตร์หรือวิศวกรรมให้มีประสิทธิภาพและความสามารถที่สูงกว่าเดิมได้อีกด้วย



 

เรียบเรียงโดย

ดร.สายชล ศรีแป้น
อาจารย์คณะวิทยาศาสตร์ พลังงานและสิ่งแวดล้อม มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ (วิทยาเขตระยอง)

• [1] S. P. S. Badwal et al., Emerging Electrochemical Energy Conversion and Storage Technologies, Frontiers in Chemistry 2 (2019), 1 – 28.
• [2] X. Liu et al., A Survey on Gas Sensing Technology, Sensors 12 (2012), 9635 – 9665.
• [3] F. A. A. Nugroho et al., Metal-Polymer Hybrid Nanomaterials for Plasmonic Ultrafast Hydrogen Detection, Nature Materials 18 (2019), 489 – 495.