ตั�วเร่�งปฏิกิร่ยานาโน : เทคโนโลย�กิาร่เร่�งปฏิกิร่ยาย�คใหม่�Nanocatalyst: Next Generation of Catalytic

Technologyชนดของตั�วเร่�งปฏิกิร่ยา ตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาสามาร่ถแบ่�งออกิเป�น 2 ชนด คื�อ ตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาเอกิพั�นธ์�หร่�อตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาเน��อเด ยว (Homogeneous catalyst) ซึ่"#งตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาสามาร่ถละลายเป�นเน��อเด ยวกิ�บ่สาร่ตั��งตั&น และตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาววธ์พั�นธ์�หร่�อตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาเน��อผสม(Heterogeneous catalyst) ซึ่"#งตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาไม�ร่วมเป�นเน��อ เด ยวกิ�นกิ�บ่สาร่ตั��งตั&น ตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาเน��อเด ยวม ข้&อได&เปร่ ยบ่กิว�าตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาเน��อผสม คื�อ ม คืวามจำ+าเพัาะตั�อกิาร่เกิดปฏิกิร่ยา ร่&อยละข้องผลตัภั�ณฑ์�ส/งกิว�า แตั�อ0ปสร่ร่คืที่ #ส+าคื�ญข้องกิาร่ใช&ตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาชนดน � คื�อ กิาร่แยกิตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาออกิจำากิผลตัภั�ณฑ์� ที่+าได&ยากิ ที่��งๆ ที่ #ตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาชนดน �ม ข้&อด มากิมายและย�งม คืวามหลากิหลายในกิาร่น+ามาปร่ะย0กิตั�ใช& แตั�กิร่ะบ่วนกิาร่แยกิตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาออกิจำากิผลตัภั�ณฑ์�เป�นส#งจำ+าเป�น ด�งน��นเพั�#อแกิ&ป5ญหา กิาร่แยกิตั�วเร่�งปฏิกิร่ยา ที่างออกิที่ #ด ที่ #ส0ด คื�อ กิาร่ใช&ตั�วเร่�งปฏิกิร่ยา ววธ์พั�นธ์�ซึ่"#งตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาและสาร่ตั��งตั&นไม�ร่วมเป�นเน�� อเด ยวกิ�นตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาววธ์พั�นธ์�ที่ #นยมใช&ในอ0ตัสาหกิร่ร่ม ม ล�กิษณะเป�น ข้องแข้7ง ม พั��นที่ #ผวและกิาร่กิร่ะจำายตั�วข้องอน0ภัาคืส/ง อย/�บ่นตั�วร่องร่�บ่ ที่ #ม คืวามเสถ ยร่ส/ง ที่นตั�อสาร่เคืม และคืวามร่&อน อย�างไร่กิ7ตัามปร่ะสที่ธ์ภัาพัและคืวามจำ+าเพัาะในกิาร่เร่�งปฏิกิร่ยาตั+#ากิว�าเม�# อเที่ ยบ่กิ�บ่ตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาเน�� อเด ยว นอกิจำากิน �อน0ภัาคืข้องตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาววธ์พั�นธ์�ปร่ะกิอบ่ด&วยอะตัอมที่ #ถ/กิฝั5งอย/�ด&านในจำ+านวนมากิซึ่"#ง ไม�ม ผลตั�อกิาร่เร่�งปฏิกิร่ยา ที่+าให&ปร่ะสที่ธ์ภัาพัข้องตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาโดยร่วมตั+#ากิว�าตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาเอกิพั�นธ์� ในที่างกิาร่คื&าไม�เพั ยงแตั�ตั&องกิาร่ตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาที่ #ม ปร่ะสที่ธ์ภัาพัและคืวามจำ+า เพัาะส/งเหม�อน ในร่ะบ่บ่ตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาเน�� อเด ยวเที่�าน��น แตั�ตั&องกิาร่คืวามสะดวกิในกิาร่แยกิตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาออกิและสามาร่ถน+ากิล�บ่มาใช&ใหม�ได&เช�นในกิร่ณ ข้องร่ะบ่บ่ตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาเน��อผสม ซึ่"#งคืวามตั&องกิาร่น �จำะบ่ร่ร่ล0ได&โดยใช&ตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาที่ #ม ข้นาดเล7กิลงส/� ร่ ะด�บ่นาโนเมตัร่หร่�อเร่ ยกิว�าตั�ว เร่�งปฏิกิร่ยานาโน (Nanocatalyst) ซึ่"#งสามาร่ถเป�นสะพัานเช�#อมช�องว�างร่ะหว�างตั�วเร่�ง

ปฏิกิร่ยาเน��อเด ยวและเน��อผสมโดยร่�กิษาล�กิษณะเฉพัาะข้องที่��งสองร่ะบ่บ่ไว& ด�งแสดงในภัาพัที่ # 1ตั�วเร่�งปฏิกิร่ยานาโน ล�กิษณะเฉพัาะข้องอน0ภัาคืนาโน คื�อ ข้นาดเล7กิ อ�ตัร่าส�วน พั�� นผวตั�อปร่มาตัร่ส/ง ช�วยเพั#มพั��นผวส�มผ�สร่ะหว�างสาร่ตั��งตั&นและ ตั�วเร่�งปฏิกิร่ยา และกิร่ะจำายตั�วในร่/ปคือลอยด�ในตั�วกิลาง ที่+าให&ง�าย ตั�อกิาร่แยกิออกิจำากิปฏิกิร่ยาเช�นเด ยวกิ�บ่ตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาววธ์พั�นธ์�นอกิจำากิน �ปร่ะสที่ธ์ภัาพัและคืวามจำ+าเพัาะในกิาร่เร่�งปฏิกิร่ยาข้องตั�วเร่�งปฏิกิร่ยานาโนสามาร่ถจำ�ดกิาร่ร่ะด�บ่อะตัอมโดยกิาร่ปร่�บ่แตั�งสมบ่�ตัที่างฟิ<สกิส�และสมบ่�ตัที่างเคืม เช�น ข้นาด ร่/ปร่�าง องคื�ปร่ะกิอบ่ และล�กิษณะที่างส�ณฐานวที่ยา

ขนาด ร่�ปร่�าง และองค ปร่ะกิอบพื้#$นผิวของตั�วเร่�งปฏิกิร่ยานาโนว�สด0ที่ #ม สมบ่�ตัเป�นตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาโดยที่�#วไปม ร่าคืาแพัง จำ"งตั&องใช&ให&เกิดปร่ะโยชน�ส/งส0ด กิาร่เพั#มพั��นที่ #ผวในกิาร่เกิดปฏิกิร่ยาโดยที่+าให&อน0ภัาคืม ข้นาดเล7กิลง เป�นวธ์ หน"#งที่ #ช�วยลดปร่มาณกิาร่ใช&ตั�วเร่�งปฏิกิร่ยา อย�างไร่กิ7ตัามแม&ว�าจำะลดข้นาดอน0ภัาคืเล7กิลงเที่�าใด กิ7ย�งคืงม อะตัอมที่ #ถ/กิฝั5งอย/�ด&านในอน0ภัาคื ด�งน��นกิาร่ออกิแบ่บ่เพั#อให&ที่0กิอะตัอมม ส�วนร่�วมในกิาร่เกิดปฏิกิร่ยา อาจำจำะตั&องน+าอะตัอมมาเร่ ยงตั�อกิ�นในล�กิษณะข้องฟิ<ล�มบ่างที่ #ม คืวามหนาเพั ยงอะตัอม เด ยว (Single atomic layer) เพั�# อให&ที่0กิอะตัอมสามาร่ถเกิดปฏิกิร่ยาได&ส#งหน"#งที่ #ตั&องตัร่ะหน�กิถ"ง คื�อ ในร่ะหว�างกิาร่เกิดปฏิกิร่ยา อะตัอมเด #ยวๆ ที่ #ม พัล�งงานส/งเหล�าน �อาจำจำะถ/กิกิร่ะตั0&นหร่�อถ/กิด"งเข้&ามาร่วมกิ�นเป�นอน0ภัาคืใหญ� (aggregation) และเส ยสภัาพัในกิาร่เร่�ง ปฏิกิร่ยา ด�งน��นกิาร่เล�อกิตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาที่ #ม ข้นาดเหมาะสมม คืวามจำ+าเป�นอย�างย#ง โดยเฉพัาะข้นาดอน0ภัาคืที่ #ที่+าให&เกิดปร่ะสที่ธ์ภัาพัในกิาร่เร่�งปฏิกิร่ยาส/งส0ด

ข้นาดเล7กิลงอาจำที่+าให&ม อะตัอมพั��นผวที่ #ม คืวามว�องไวในกิาร่เกิดปฏิกิร่ยามากิ อย�างไร่กิ7ตัามเม�#อข้นาดเปล #ยนไป ไม�เพั ยงแตั�ปร่มาณอะตัอมที่ #บ่ร่เวณพั��นผวที่ #เปล #ยน จำ+านวนอะตัอมล&อมร่อบ่ หร่�อเลข้โคืออร่�ดเนช�นม กิาร่ เปล #ยนแปลงด&วย โดยที่�#วๆ ไปอน0ภัาคืนาโนร่/ปร่�างแบ่บ่คืวโบ่ ออกิตัะฮี ดร่อน (Cubooctahedron) เป�นตั�วแที่นข้องอน0ภัาคืนาโน ที่ #ม พัล�งงานตั+#าที่ #ส0ด โคืร่งสร่&างที่ #พั��นผวข้องอน0ภัาคืนาโนชนดน �ปร่ะกิอบ่ด&วยร่ะนาบ่ (111)

จำ+า นวน 8 ด&าน และร่ะนาบ่ (100)จำ+า นวน 6 ด&าน โดยอะตัอมที่ #อย/�ที่ #ศู/นย�กิลางข้องร่ะนาบ่ (111) และร่ะนาบ่ (100) ม เลข้โคืออร่�ดเนช�นเที่�ากิ�บ่ 9 และ 8 ตัามล+าด�บ่ ส�วนอะตัอมที่ #อย/�ที่ #ข้อบ่ร่ะหว�างร่ะนาบ่ (111)

และร่ะนาบ่ (100) ม เลข้โคืออร่�ดเนช�นตั+#ากิว�าคื�อเที่�ากิ�บ่ 7 และอะตัอมที่ #อย/�ตัร่งม0ม ข้องร่อยตั�อม เลข้ออกิซึ่เดช�นตั+#าส0ดคื�อ 6 ด�งภัาพัที่ # 2 กิ ด�งน��น เม�# ออน0ภัาคืข้นาดเล7กิลง อ�ตัร่าส�วนข้องจำ+า นวนอะตัอมที่ #ข้อบ่(Edge

atom) และม0ม (Corner atom) ตั�อจำ+านวนอะตัอมที่ #ผวหน&า (Facet

atom) จำะเพั#มข้"�น (ภัาพัที่ # 2 ข้) กิาร่เปล #ยนแปลงล�กิษณะน �ม ผลกิร่ะที่บ่ตั�อคืวามแข้7งแร่งในกิาร่ด/ดซึ่�บ่ข้องโมเลกิ0ลที่ #เข้&าที่+าปฏิกิร่ยาสมบ่�ตัในกิาร่เร่�งปฏิกิร่ยาจำ"งเปล #ยนแปลง (Kinoshita, 1990) สมบ่�ตัในกิาร่เร่�งปฏิกิร่ยาที่ #พั��นผวข้"�นอย/�กิ�บ่ตั+าแหน�งที่ #โมเลกิ0ลสาร่ตั��งตั&นเข้&ามาเกิดปฏิกิร่ยา โดยแร่งกิร่ะที่+าร่ะหว�างพั��นผวข้องตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาที่ #อะตัอมม เลข้โคืออร่�ดเนช�นส/งน+าไปส/�แร่งผล�กิ คื�อไม�เกิดกิาร่ด/ดซึ่�บ่ที่างเคืม และไม�ม ผลตั�อกิาร่เร่�ง ปฏิกิร่ยา ข้ณะที่ #โมเลกิ0ลเข้&ามาเกิดแร่งกิร่ะที่+าบ่นพั��นผวที่ #ม เลข้โคืออร่�ดเนช�นตั+#ากิาร่ด/ดซึ่�บ่เกิดได&ด และม ผลโดยตัร่งตั�อกิาร่เร่�ง ปฏิกิร่ยา อย�างไร่กิ7ตัามกิาร่เกิดแร่งกิร่ะที่+าอ�อนหร่�อแร่งเกินไปส�งผลให&กิาร่เร่�งปฏิกิร่ยาเกิดช&า ที่��งน �เฉพัาะกิาร่ด/ดซึ่�บ่คื�าเหมาะสมเที่�าน��นที่+าให&กิาร่เร่�งปฏิกิร่ยาเกิดปร่ะสที่ธ์ภัาพัส/งส0ด ด�งน��นจำ"งไม�จำ+าเป�นว�าตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาที่ #อะตัอมพั��นผวม เลข้โคืออร่�ดเนช�นตั+#าจำะม ปร่ะสที่ธ์ภัาพัในกิาร่เร่�งปฏิกิร่ยาส/งเสมอไป เน�#องจำากิบ่างปฏิกิร่ยาอาจำตั&องกิาร่อะตัอมพั��นผวหลายอะตัอมบ่นร่ะนาบ่ (Ensembleeffect) เพั�#อที่+างานร่�วมกิ�นกิ�บ่กิาร่กิร่ะตั0&นกิาร่แตักิพั�นธ์ะหร่�อกิาร่เกิดพั�นธ์ะ ด�งน��นจำ"งคืวร่ที่+าคืวามเข้&าใจำคืวามส�มพั�นธ์�ร่ะหว�างโคืร่งสร่&างข้องตั�วเร่�งปฏิกิร่ยา ปร่ะสที่ธ์ภัาพั และคืวามจำ+าเพัาะในกิาร่เร่�ง ปฏิกิร่ยา จำนสามาร่ถออกิแบ่บ่ตั�ว

เร่�งปฏิกิร่ยาได&จำากิเหตั0และผล (Rational design) เพั�#อคืวบ่คื0มคืวามสามาร่ถในกิาร่ด/ดซึ่�บ่หร่�ออ�ตัร่าเร่7วในกิาร่เกิดปฏิกิร่ยาได&ตัามตั&องกิาร่ ตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาโลหะที่ #ม�กิถ/กิอ& างองเพั�# อ ใช&อธ์บ่ายผลข้องข้นาดและปร่ะสที่ธ์ภัาพัในกิาร่เร่�งปฏิกิร่ยา คื�อ ที่องคื+า ที่องคื+าเป�น ธ์าตั0ที่ #เฉ�#อยตั�อกิาร่เกิดปฏิกิร่ยา ป5จำจำ0บ่�นพับ่ว�าเม�#อข้นาดข้องอน0ภัาคื ถ/กิลดลงเหล�อปร่ะมาณ 2-3 นา โน เม ตัร่ ที่อง คื+า สามา ร่ถ เร่�งปฏิ กิ ร่ย า ออ กิ ซึ่ เ ด ช�น ข้ องคืาร่�บ่อนมอนอกิไซึ่ด�ได&ว�องไว (ภัาพัที่ # 3) ผลข้อง ข้นาดตั�อปร่ะสที่ธ์ภัาพัในกิาร่เร่�งปฏิกิร่ยาข้องที่องคื+า เน�# องจำากิคืวามแตักิตั�างข้องสมบ่�ตัเชงโคืร่งสร่&าง (Geometric property) และ สมบ่�ตั เชงอ เล7กิตัร่อน (Electronic property) ส�งผลกิร่ะที่บ่ตั�อกิาร่ด/ดซึ่�บ่บ่นพั��นผวและกิาร่เกิดปฏิกิร่ยาข้องสาร่ตั��งตั&น ตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาปร่ะสที่ธ์ภัาพัส/งไม�จำ+าเป�นตั&องออกิแบ่บ่ส�งเคืร่าะห�เพั�#อให&ข้นาดเล7กิหร่�ออ�ตัร่าส�วนพั��นผวในกิาร่เกิดปฏิกิร่ยาส/งเพั ยงอย�างเด ยวเที่� าน��น แตั�ปร่ะสที่ธ์ภัาพัในกิาร่เร่�ง ปฏิกิร่ยาข้"� นกิ�บ่ส�ณฐานวที่ยา (Morphology) และโคืร่งสร่&างพั��นผว (Surface structure) โดยร่/ปร่�างส�ณฐานแตักิตั�างกิ�นข้องอน0ภัาคืนาโน ที่+าให&พั��นผวม กิาร่จำ�ดเร่ ยงตั�วข้องอะตัอมบ่นร่ะนาบ่ผล"กิ แตักิตั�างกิ�น เช�น โลหะโคืร่งสร่&างผล"กิแบ่บ่ Face

center cubic (FCC) ผล"กิร่/ปที่ร่งเหล #ยมส #หน&าปร่ะกิอบ่ด&วยด&วยร่ะนาบ่ผล"กิแบ่บ่ (111) ที่ #บ่ร่เวณผวหน&าที่��งหมด ส�วนร่/ปล/กิบ่าศูกิ�ปร่ะกิอบ่ด&วยร่ะนาบ่ (100) ที่ #ผวหน&า 6 ด&าน และร่/ปที่ร่งคืวโบ่ออกิตัะฮี ดร่อลปร่ะกิอบ่ ด&วยร่ะนาบ่ผล"กิ (100) และ (111) และร่/ปร่�างอ�#นๆ แสดงด�งภัาพัที่ # 4 ด�งน��นกิาร่ส�งเคืร่าะห�ที่ #ม กิาร่คืวบ่คื0มร่/ปร่�างให&ได&ร่ะนาบ่ผล"กิพั��นผวเฉพัาะตัามที่ #ตั&องกิาร่ ที่+าให&ได&ตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาที่ #ม ปร่ะสที่ธ์ภัาพัและคืวามจำ+าเพัาะส/งส0ด

ตั�วอย�างปฏิกิร่ยาส+าคื�ญในอ0ตัสาหกิร่ร่มที่ #แสดงถ"งคืวามส�มพั�นธ์�ร่ะหว�างกิาร่จำ�ดเร่ ยงอะตัอมบ่นพั��นผวข้องตั�วเร่�งปฏิกิร่ยากิ�บ่ปร่ะสที่ธ์ภัาพัและคืวามจำ+าเพัาะในกิาร่เร่�งปฏิกิร่ยา คื�อ ปฏิกิร่ยากิาร่ส�งเคืร่าะห�แอมโมเน ยจำากิปฏิกิร่ยาร่ะหว�างไฮีโดร่เจำนและไนโตัร่เจำน ใช&โลหะเหล7กิเป�นตั�วเร่�งปฏิกิร่ยา (Spencer, et. al., 1982) ร่ะนาบ่ (111) บ่นพั�� นผวที่ # ไม�อ#มตั�วในโคืร่งสร่&างผล"กิแบ่บ่ Body centercubic (BCC) ข้องเหล7กิ เป�นร่ะนาบ่ผล"กิม คื�าพัล�งงานกิาร่ด/ดซึ่�บ่ส/งส0ดและม คืวามว�องไวตั�อกิาร่เกิดปฏิกิร่ยามากิ ม คื�าพัล�งงานกิร่ะตั0&นที่ #ที่+าให&โมเลกิ0ลข้องไนโตัร่เจำนแตักิตั�วเป�นอะตัอมตั+#าที่ #ส0ด ในข้ณะที่ #ร่ะนาบ่ (110) อะตัอมบ่ร่เวณพั��นผวม กิาร่บ่ร่ร่จำ0ชดกิว�าไม�ม ปร่ะสที่ธ์ภัาพัในกิาร่เร่�งปฏิกิร่ยา ด�งน��นกิาร่ออกิแบ่บ่พั��นผวให&ม คืวามจำ+าเพัาะ จำ"งเป�นวธ์ หน"#งที่ #ม ศู�กิยภัาพัที่ #จำะน+าไปส/�กิาร่พั�ฒนาปร่ะสที่ธ์ภัาพัข้องตั�วเร่�งปฏิกิร่ยาส+าหร่�บ่กิาร่ปร่ะย0กิตั�ใช&ใน อ0ตัสาหกิร่ร่มตั�อไป