การสังเคราะห์สารโดยวิธีไฮโดรเทอร์มัล (Hydrothermal Synthesis)
การสังเคราะห์สารโดยวิธีไฮโดรเทอร์มัล (Hydrothermal synthesis) เป็นเทคนิคที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านเคมี วัสดุศาสตร์ และนาโนเทคโนโลยี โดยอาศัยสภาวะของอุณหภูมิและความดันสูงในระบบปิด เพื่อช่วยให้ปฏิกิริยาเคมีสามารถเกิดขึ้นได้ดีขึ้นในสภาวะที่สารบางชนิดอาจไม่สามารถละลายหรือเกิดปฏิกิริยาได้ภายใต้เงื่อนไขปกต
หลักการของวิธีไฮโดรเทอร์มัล
วิธีไฮโดรเทอร์มัลเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นในระบบปิด (เช่น ออโตเคลฟ – Autoclave) ซึ่งบรรจุด้วยสารตั้งต้น (precursors) และตัวทำละลาย (มักเป็นน้ำ) จากนั้นให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิที่สูง (100–300°C) และเกิดแรงดันภายในระบบ ปฏิกิริยาเคมีจะเกิดขึ้นภายใต้สภาวะเหล่านี้ ซึ่งส่งผลให้สามารถสังเคราะห์วัสดุที่มีโครงสร้างเฉพาะได้ เช่น นาโนพาทิเคิลส์ (nanoparticles) โครงสร้างผลึก (crystals) และวัสดุเซรามิกส์ (ceramics)
ข้อดีของการสังเคราะห์แบบไฮโดรเทอร์มัล
- สามารถควบคุมรูปร่าง ขนาด และโครงสร้างของผลึกได้อย่างแม่นยำ
- ใช้วัสดุตั้งต้นที่หลากหลาย เช่น โลหะออกไซด์ ซัลไฟด์ หรือวัสดุผสม
- เหมาะสำหรับการสังเคราะห์วัสดุที่ไม่สามารถเตรียมได้ในสภาวะปกติ
- เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม (โดยเฉพาะเมื่อใช้น้ำเป็นตัวทำละลาย)
ตัวอย่างของวัสดุที่ได้จากการสังเคราะห์ด้วยวิธีไฮโดรเทอร์มัล
- ออกไซด์ของโลหะ เช่น ZnO, TiO₂, Fe₂O₃
- วัสดุนาโน เช่น นาโนทิวบ์ นาโนโรด นาโนไวร์
- โครงสร้างผลึกเฉพาะ เช่น โครงสร้างลูกบาศก์ (cubic), หกเหลี่ยม (hexagonal)
- ซีโอไลต์ (Zeolite) และวัสดุดูดซับอื่นๆ
ปัจจัยที่มีผลต่อกระบวนการ
- อุณหภูมิและความดัน
- ความเข้มข้นของสารตั้งต้น
- ค่า pH ของสารละลาย
- ระยะเวลาในการให้ความร้อน
- ชนิดของตัวทำละลาย
สรุป
การสังเคราะห์สารโดยวิธีไฮโดรเทอร์มัลเป็นเทคนิคที่มีประสิทธิภาพสูงในการเตรียมวัสดุที่มีโครงสร้างเฉพาะ โดยสามารถควบคุมพารามิเตอร์ต่างๆ ได้อย่างยืดหยุ่น เหมาะสำหรับการประยุกต์ใช้ในหลากหลายสาขา เช่น อิเล็กทรอนิกส์ พลังงาน การเร่งปฏิกิริยา และวิทยาศาสตร์วัสดุ
การสังเคราะห์สารโดยวิธีไฮโดรเทอร์มัล (Hydrothermal synthesis) เป็นวิธีการสังเคราะห์สารหรือการทำให้เกิดผลึก ในสภาวะที่ใช้อุณหภูมิ และความดันสูง ในตัวทำละลายที่เป็นน้ำ (hydrothermal) การปลูกผลึกโดยวิธีนี้จะใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า autocalve or Teflon lined Hydrothermal Synthesis Autoclave Reactor โดยทั่วไป autoclave นี้จะประกอบด้วยกระบอกและฝาปิดอย่างหนาที่ทำด้วยสแตนแลสสตีล (Stainless steel) ซึ่งยึดกันด้วยเกลียวของฝาและกระบอกสเตนเลส หรือใช้น๊อตหกเหลี่ยมที่มีเกลียวยึดฝาและกระบอกสเตนเลส ภายในกระบอกสแตนเลสจะมีภาชนะที่มีลักษณะเป็นกระบอกมีฝาปิดเช่นเดียวกัน ใช้สำหรับใส่สารเคมีและตัวทำละลายต่างๆ วัสดุที่ใช้จะต้องทนกรด-ด่าง รวมถึงทนความร้อนและความดันสูงได้ ซึ่งวัสดุนี้จะทำมาจากเทฟลอน (Teflon) และจะมียางที่ทนความร้อน (O-ring) ประกบระหว่างฝาปิดและกระบอกเทฟลอน เพื่อป้องกันไอของสารรั่วออกมาข้อดีของการสังเคราะห์สารหรือการปลูกผลึกด้วยวิธีนี้คือ สามารถสังเคราะห์สารที่ผลึกไม่มีเสถียรภาพที่จุดหลอมเหลว, ผลึกวัสดุที่มีความดันไอสูงใกล้กับจุดหลอมเหลว, สามารถควบคุมขนาดผลึกให้เล็กหรือใหญ่ได้ โดยการปรับอัตราส่วนของสารเคมีที่เป็นส่วนประกอบ และผลึกที่ได้ยังมีคุณภาพดีอีกด้วย ส่วนข้อเสีย คือ ใช้อุปกรณ์ที่มีราคาสูง และ ไม่สามารถสังเกตเห็นกระบวนการเกิดผลึกในขณะทำการทดลองได้
Ref; การวิจัยและพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ Cu2ZnSnS4, ธีรวุฒิ สำเภา และนัทที โคตรทุมมี, ศูนย์ความเป็นเลิศด้านพลังงนทางเลือก สถาบันวิจัยและพัฒนา มหาวิทยาลัยราชภัฏสกลนคร
