การเตรียมอนุภาคนาโนของซีเรียมออกไซด์โดยวิธีไมโครอิมัลชัน
(Preparation of Cerium Oxide Nanoparticles by Microemulsion Method)

พิพัฒน์ พิเชษฐพงษ์ และ อุทัยวรรณ อินทร์เจริญ
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

ซีเรียม (Ce) เป็นธาตุหายาก (rare earths) ธาตุหนึ่งที่สามารถนำมาใช้ประโยชน์ในด้านต่าง ๆ ตั้งแต่การใช้ผสมในเหล็กหล่อชนิดพิเศษ การผลิตผงขัดเลนส์ การเติมให้เกิดสีในแก้ว การเติมในสีทนแสงยูวี การผลิตสารเร่งปฏิกิริยาในการกลั่นน้ำมัน และการลดมลพิษจากท่อไอเสียรถยนต์ ปัจจุบันมีการศึกษาวิจัยอย่างกว้างขวาง ในการใช้สารประกอบซีเรียมเป็นอิเล็กโทรไลต์ และขั้วไฟฟ้าของเซลล์เชื้อเพลิงแบบออกไซด์ของแข็ง (solid oxide fuel cell) และการผลิตสารเร่งปฏิกิริยา (catalyst) ในการแยกไฮโดรเจนจากสารไฮโดรคาร์บอน เพื่อใช้ป้อนเซลล์เชื้อเพลิง โดยงานวิจัยส่วนใหญ่จะใช้เทคโนโลยีการสังเคราะห์อนุภาคนาโน (nano-sized particle) ของสารประกอบของซีเรียมออกไซด์ โดยมีธาตุอื่น ๆ เจือปน (dope) เข้ามาด้วยในปริมาณที่เหมาะสม ทำให้สามารถนำไฟฟ้าได้ดี ลดอุณหภูมิการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงแบบออกไซด์ของแข็งลงมา และเพิ่มประสิทธิภาพการเป็นสารเร่งปฏิกิริยาในการแยกไฮโดรเจนได้ เนื่องจากมีการพบว่าสารประกอบซีเรียมออกไซด์ที่มีขนาดดนุภาคในระดับนาโนเมตรนี้ ช่วยลดอุณหภูมิที่ใช้ในการขึ้นรูป (sintering) ทำให้เนื้อวัสดุมีความสม่ำเสมอสูง มีสมบัติที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานทางด้านสารเร่งปฏิกิริยาและเซลล์เชื้อเพลิงได้ดี

ประเทศไทยมีแร่โมนาไซต์ (monazite ore) ที่เป็นแร่พลอยได้จากการทำเหมืองแร่ดีบุก และการแต่งแร่จากทรายชายหาดในภาคใต้ แร่โมนาไซต์นี้มีซีเรียมเป็นองค์ประกอบสูงประมาณ 20-25% และมีธาตุหายากอื่น เช่น แลนทานัม นีโอดิเมียม ซาแมเรียม เพรซิโอดิเมียม แกโดลิเนียม และอิตเทรียม ปนอยู่ด้วยจำนวนหนึ่ง นอกจากมีธาตุหายากเป็นองค์ประกอบแล้ว ยังพบว่ามียูเรเนียม และทอเรียมปนอยู่ในปริมาณค่อนข้างสูง แร่โมนาไซต์จึงจัดเป็นแร่วัสดุนิวเคลียร์ชนิดหนึ่ง ซึ่งศูนย์วิจัยและพัฒนาธาตุหายาก ที่เทคโนธานี คลองห้า จ.ปทุมธานี และปัจจุบันเป็นหน่วยงานในสังกัดสถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) กระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ได้ดำเนินการแปรสภาพแร่โมนาไซต์ จนสามารถแยกซีเรียมและธาตุหายากอื่น ๆ ที่เป็นองค์ประกอบในแร่ออกมาได้

สารประกอบของซีเรียมออกไซด์ที่มีขนาดอนุภาคเล็กในระดับนาโนเมตรนี้ สามารถสังเคราะห์ได้จากสารประกอบของซีเรียมหลายประเภท โดยใช้วิธีการที่หลากหลาย เช่น วิธีไมโครอิมัลชัน (microemulsion) วิธีการพ่นให้แยกสลายด้วยความร้อน (spray pyrolysis) วิธีโซลเจล (sol-gel) และวิธีการเผาไหม้โดยตรง (direct combustion) แต่ละวิธีก็จะมีข้อดีข้อเสียแตกต่างกันออกไป ซึ่งการที่จะเลือกวิธีใดนั้น ขึ้นอยู่กับชนิดของสารตั้งต้นที่มีอยู่ รวมทั้งความต้องการของขนาดและการกระจายตัวของอนุภาคซีเรียมออกไซด์ที่ผลิตได้


a

b
รูปที่ 1 ลักษณะหยดน้ำในน้ำมัน (a) และหยดน้ำมันในน้ำ (b) ของของเหลวที่ผสมกันระหว่างน้ำและน้ำมัน
สำหรับวิธีไมโครอิมัลชันนั้น ใช้สารตั้งต้นในรูปของสารประกอบไนเทรตหรือคลอไรด์ของซีเรียม มาทำให้เป็นไมโครอิมัลชัน ที่มีลักษณะเป็นหยดน้ำในน้ำมัน (water in oil) โดยใช้สารลดแรงตึงผิว (surfactant) ช่วยให้สารละลายของซีเรียม (aqueous) สามารกระจายตัวเป็นหยดน้ำเล็ก ๆ อยู่ในตัวกลางที่เป็นน้ำมัน (organic) ตามรูปที่ 1(a) หยดน้ำจะมีสารลดแรงตึงผิวล้อมรอบ ซึ่งสารลดแรงตึงผิวนี้ปกติจะเป็นโมเลกุลยาว มีปลายด้านหนึ่งชอบน้ำ (hydrophilic) ส่วนปลายอีกด้านไม่ชอบน้ำ(hydrophobic) ปลายด้านที่ชอบน้ำก็จะหันเข้าหาหยดน้ำ และปลายอีกด้านที่ไม่ชอบน้ำก็จะหันเข้าไปในน้ำมัน สำหรับรูปที่ 1(b) ก็จะไมโครอิมัลชันลักษณะหยดน้ำมันในน้ำ (oil in water) ตรงกันข้ามกับแบบแรก ขนาดของหยดน้ำหรือหยดน้ำมันนี้จะมีผลต่อความขุ่นใสของของเหลวด้วย โดยปกติไมโครอิมัลชันจะมีขนาดของหยดน้ำหรือหยดน้ำมันในไม่เกิน 0.1 ไมครอน และของเหลวจะใส
รูปที่ 2 ลักษณะปฏิกิริยาท่เกิดขึ้นภายในหยดน้ำหรือน้ำมันเล็กๆ
รูปที่ 3 ผงซีเรียมออกไซด์
ในขั้นตอนการเปลี่ยนสารประกอบซีเรียมให้เป็นออกไซด์ จะทำการตกตะกอนเป็นไฮดรอกไซด์ก่อน โดยใช้แอมโมเนียมไฮดรอกไซด์ทำปฏิกิริยา ในลักษณะที่เป็นไมโครอิมัลชันด้วยกัน คือนำไมโครอิมัลชันของสารประกอบซีเรียมและแอมโมเนียมไฮดรอกไซด์มาผสมและกวนเข้าด้วยกัน จะมีการชนและรวมตัวของหยดน้ำ และเกิดปฏิกิริยาการตกตะกอนขึ้นภายในหยดน้ำตามที่แสดงในรูปที่ 2 ซึ่งปฏิกิริยาที่ถูกจำกัดโดยขนาดของหยดน้ำ ทำให้ตะกอนที่เกิดขึ้นมีขนาดเล็กตามขนาดหยดน้ำด้วย อันเป็นหลักการสำคัญของวิธีไมโครอิมัลชันนั่นเอง เมื่อมีการระเหยไล่ส่วนที่เป็นของเหลวออกและทำให้แห้ง ก็จะนำตะกอนไปเผาที่อุณหภูมิประมาณ 600oC เพื่อเปลี่ยนให้เป็นออกไซด์ ผงซีเรียมออกไซด์ที่ได้มีสีขาวปนเหลืองอ่อนตามรูปที่ 3 สามารถวิเคราะห์หาขนาดของผงซีเรียมออกไซด์ได้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) ตามภาพที่ได้ในรูปที่ 4 ซึ่งในการทดลองเตรียมอนุภาคนาโนของซีเรียมออกไซด์โดยวิธีไมโครอิมัลชันนี้ สามารถเตรียมผงซีเรียมออกไซด์ที่มีขนาดประมาณ 8-10 นาโนเมตรได้
 
  รูปที่ 4 ภาพถ่ายอนุภาคนาโนของซีเรียมออกไซด์ด้วยกล้องจุลทรรศน์ อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน