Transforming Waste into High-Value Graphene through SLRI’s Innovative Synthesis Technology
กราฟีนเป็นวัสดุนาโนคอมโพซิสหนึ่งที่มีความต้องการสูง ซึ่งในปี 2026 ตลาด Graphene Nanoplatelets (GNPs) ทั่วโลกมีมูลค่าประมาณ 155.9 ล้านดอลลาร์สหรัฐ และคาดการณ์อัตราการเติบโตเฉลี่ยสะสม (CAGR) อยู่ระหว่าง 15% ถึง 37% ต่อปี ในขณะเดียวกันประเทศไทยทั้งภาครัฐและเอกชนกำลังเผชิญขยะหรือวัสดุเหลือทิ้งที่เกิดจากกระบวนการผลิตของอุตสาหกรรม ซึ่งก่อให้เกิดภาระในการจัดการและปัญหาสิ่งแวดล้อม สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) จึงนำแนวคิดการใช้ประโยชน์จากคาร์บอน (Carbon Utilization) ซึ่งสอดคล้องกับเป้าหมายของเทคโนโลยีการดักจับและใช้ประโยชน์จากคาร์บอน (Carbon Capture and Utilization: CCU) มาประยุกต์สู่การพัฒนากระบวนการสังเคราะห์กราฟีนด้วยเทคนิคความร้อนกระตุ้นแบบพัลส์ยาว (Long Pulse Joule Heating: LPJH) และเครื่องสังเคราะห์กราฟีนที่สามารถผลิตกราฟีนในระดับกิโลกรัม เพื่อเปลี่ยนวัสดุเหลือทิ้งที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ และเปลี่ยนคาร์บอนเหล่านั้นให้จัดเรียงตัวใหม่เป็น “กราฟีน” วัสดุนาโนที่มีมูลค่าและความต้องการสูงในตลาด อีกทั้งถ่ายทอดเทคโนโลยีสู่ภาคเอกชน เพื่อบริหารจัดการขยะอุตสาหกรรมอย่างมีประสิทธิภาพ สร้างมูลค่าเพิ่มให้กับวัสดุเหลือทิ้ง และต่อยอดโดยการนำกราฟีนไปสู่การพัฒนาผลิตภัณฑ์ที่มีคุณสมบัติโดดเด่น สามารถแข็งขันได้ในตลาด และสร้างคาร์บอนเครดิต นวัตกรรมนี้จึงเป็นการเชื่อมโยงการจัดการของเสียกับการพัฒนาเทคโนโลยีวัสดุขั้นสูงภายในประเทศ ช่วยสร้างมูลค่าเพิ่มทางเศรษฐกิจ ลดภาระด้านสิ่งแวดล้อม และส่งเสริมการใช้ทรัพยากรอย่างคุ้มค่า ภายใต้แนวคิดเศรษฐกิจหมุนเวียน (Circular Economy) และโมเดลเศรษฐกิจ BCG เพื่อขับเคลื่อนภาคอุตสาหกรรมไทยสู่การเติบโตอย่างยั่งยืน
กราฟีนคืออะไร?
กราฟีน (Graphene) เป็นวัสดุนาโนที่ประกอบด้วยชั้นของคาร์บอนอะตอมที่หนาเพียง 1 ชั้น มีลักษณะเป็นแผ่นที่มีโครงสร้าง 2 มิติ เหมือนตาข่ายรูปหกเหลี่ยมคล้ายรังผึ้ง (Hexagonal Honeycomb Lattice) มีความหนาเท่ากับขนาดของคาร์บอนเพียงอะตอมเดียว
กราฟีนได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางจากคุณสมบัติที่โดดเด่น ได้แก่ มีความแข็งแรงเชิงกลสูง มีความสามารถในการนำไฟฟ้าและนำความร้อนที่ดี มีน้ำหนักเบา มีความยืดหยุ่นของโครงสร้าง ยับยั้งการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย เปลี่ยนความร้อนและปล่อยกลับในรูปของฟาร์อินฟาเรด และป้องกันการกัดก่อนของพื้นผิว ด้วยคุณสมบัติเหล่านี้ทำให้กราฟีนมีการประยุกต์ใช้งานที่หลากหลายอุตสาหกรรม
กราฟีนได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางจากคุณสมบัติที่โดดเด่น ได้แก่ มีความแข็งแรงเชิงกลสูง มีความสามารถในการนำไฟฟ้าและนำความร้อนที่ดี มีน้ำหนักเบา มีความยืดหยุ่นของโครงสร้าง ยับยั้งการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย เปลี่ยนความร้อนและปล่อยกลับในรูปของฟาร์อินฟาเรด และป้องกันการกัดก่อนของพื้นผิว ด้วยคุณสมบัติเหล่านี้ทำให้กราฟีนมีการประยุกต์ใช้งานที่หลากหลายอุตสาหกรรม
เทคโนโลยีการสังเคราะห์กราฟีนด้วยเทคนิคความร้อนกระตุ้นแบบพัลส์ยาว (Long Pulse Joule Heating: LPJH)
สถาบันฯ พัฒนาเทคโนโลยีสังเคราะห์กราฟีนด้วยเทคนิคความร้อนกระตุ้นแบบพัลส์ยาว (Long Pulse Joule Heating: LPJH) สามารถเปลี่ยนวัสดุเหลือทิ้งที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบให้กลายกราฟีนมูลค่าสูงภายในระยะเวลาเพียงไม่กี่วินาที ซึ่งเทคนิคนี้สามารถสังเคราะห์กราฟีนบริสุทธิ์สูง ที่มีชั้นซ้อนกันประมาณ 5-15 ชั้น หรือเรียกว่า Turbostratic graphene มีต้นทุนในการผลิตที่ต่ำ ใช้พลังงานต่ำ ซึ่งแตกต่างจากกระบวนการผลิตกราฟีนด้วยวิธิอื่นๆ เช่น การสังเคราะห์ด้วยเทคนิค Exfoliation ที่ให้ผลผลิตที่เป็นกราฟีนออกไซด์ ซึ่งคุณสมบัติไม่เทียบเท่ากับกราฟีนบริสุทธิ์ อีกทั้งปริมาณผลผลิตต่ำ และต้นทุนในการผลิตที่สูง
ต้นแบบเครื่องสังเคราะห์กราฟีนที่สถาบันฯ พัฒนาขึ้น เป็นระบบที่ถูกพัฒนาเพื่อรองรับการผลิตระดับอุตสาหกรรม โดยมีกำลังการผลิตที่ 1กิโลกรัม/วัน มีระบบการทำงานแบบกึ่งอัตโนมัติ ง่ายต่อการใช้งาน มีระบบความปลอดภัยทางไฟฟ้า และสะดวกต่อการเคลื่อนย้าย โดยหลักการทำงาน คือ พลังงานไฟฟ้าถูกปล่อยผ่านผงคาร์บอนในช่วงเวลาสั้นๆ ความต้านทานไฟฟ้าทำให้วัสดุเกิดความร้อนสูงอย่างรวดเร็ว (อุณหภูมิสูงกว่า 3,000 K) ซึ่งความร้อนและสนามไฟฟ้ามีส่วนช่วยให้โครงสร้างคาร์บอนเดิมเปลี่ยนแปลง และอะตอมคาร์บอนจัดเรียงตัวเป็นโครงข่ายหกเหลี่ยมแบบ sp² เมื่อหยุดจ่ายพลังงาน อุณหภูมิลดลงอย่างรวดเร็ว ช่วยคงโครงสร้างกราฟีนที่เกิดขึ้น
กราฟีนที่ได้จากการสังเคราะห์ด้วยเทคนิค LPJH เป็นกราฟีนแบบหลายชั้นซ้อนกัน (Multilayer graphene) หรือเรียกว่า กราฟีนเทอร์โบสแตรติก (Turbostratic Graphene) ซึ่งเป็นรูปแบบหนึ่งของกราฟีนที่มีการซ้อนกันของหลายชั้นของอะตอมคาร์บอน โดยแต่ละชั้นมีการหมุนหรือเลื่อนตำแหน่งที่ไม่ตรงกัน ทำให้แรงยึดเหนี่ยวระหว่างชั้นอ่อนลงซึ่งง่ายต่อการแยกชั้น ซึ่งแตกต่างจากกราฟีนทั่วไปในธรรมชาติ (Graphite) ที่ต้องเรียงซ้อนกันตรงล็อกพอดีอย่างเป็นระเบียบคล้ายกับตัวต่อเลโก้ที่กองกันอยู่อย่างไม่เป็นระเบียบและมีบางจุดที่เชื่อมต่อกัน
การตรวจวิเคราะห์เพื่อยืนยันอัตลักษณ์กราฟีนด้วยเทคนิคการวิเคราะห์ขั้นสูงและเทคโนโลยีแสงซินโครตรอน
กราฟีนที่สังเคราะห์ได้จากกระบวนการผลิตและต้นแบบเครื่องสังเคราะห์ที่พัฒนาโดยสาถาบันฯ ถูกยืนยันอัตลักษณ์ของ กราฟีนและความบริสุทธิ์ด้วยเทคนิคการวิเคราะห์ขั้นสูงที่สอดคล้องกับมาตรฐานการวิเคราะห์โครงสร้างของกราฟีน ISO 21356-1เช่น Raman Spectroscopy, TEM และวิเคาะห์ด้วยเทคโนโลยีแสงซินโครตรอน เช่น X-ray Photoelectron spectroscopy (XPS) และ Near Edge X-Ray Absorption Fine Structure Spectroscopy (NEXAFS)
Turbostratic Graphene มีลักษณะเฉพาะของการเรียงซ้อนแผ่นกราฟีนที่ไม่เป็นระเบียบในเชิงมุม (Rotational Misalignment) ส่งผลให้แรงปฏิสัมพันธ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ระหว่างชั้นลดลง และแต่ละชั้นสามารถแสดงสมบัติใกล้เคียงกับกราฟีนชั้นเดี่ยวได้
จากผลการวิเคราะห์ด้วยเทคนิค Raman Spectroscopy พบพีคสำคัญ 3 ตำแหน่ง ได้แก่
- D Peak (~1,350 cm-1): สัมพันธ์กับข้อบกพร่องและขอบของโครงสร้างคาร์บอน โดยพีค D ที่มีความเข้มต่ำเมื่อเทียบกับพีค G บ่งชี้ว่าบริเวณที่ตรวจวัดมีข้อบกพร่องในโครงสร้างค่อนข้างน้อย
- G Peak (~1,580 cm-1): เกิดจากการสั่นของพันธะคาร์บอน C–C ภายในโครงข่ายอะตอมคาร์บอนแบบ sp² ซึ่งเป็นลักษณะสำคัญของโครงสร้างกราฟีน
- 2D Peak (~2,700 cm-1): เป็นพีคสำคัญที่ใช้ศึกษาลักษณะการเรียงซ้อนของแผ่นกราฟีน โดยพีค 2D ที่มีความเข้มสูง รูปร่างค่อนข้างสมมาตร และปรากฏเป็นพีคเดี่ยว เป็นลักษณะที่สอดคล้องกับโครงสร้างแบบ Turbostratic ซึ่งมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างชั้นต่ำ
จากการวิเคราะห์โครงสร้างของ Turbostratic Graphene ด้วยเทคนิคกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านความละเอียดสูง (High-Resolution Transmission Electron Microscopy: HRTEM) พบลักษณะของแผ่นกราฟีนหลายชั้น (Multilayer Graphene) ที่เรียงซ้อนกัน โดยสามารถสังเกตเห็นแนวชั้นอะตอมคาร์บอนเป็นเส้นขนานที่มีความคมชัดและต่อเนื่องในระดับนาโนเมตร รวมถึงลักษณะการโค้งงอของแผ่นกราฟีนในบางบริเวณ
ที่ตำแหน่ง 284.6 eV
เทคนิค X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) ในบริเวณสเปกตรัม C 1s พบพีคหลักที่พลังงานยึดเหนี่ยว (Binding Energy) ประมาณ 284.6 eV ซึ่งสัมพันธ์กับพันธะระหว่างอะตอมคาร์บอนแบบ sp² (C=C) อันเป็นโครงสร้างพื้นฐานของกราฟีน แสดงให้เห็นว่าวัสดุที่สังเคราะห์ได้มีองค์ประกอบหลักเป็นโครงข่ายคาร์บอนแบบ sp² นอกจากนี้ ยังพบพีคที่ตำแหน่งประมาณ 285.97, 287.46 และ 288.86 eV ซึ่งสัมพันธ์กับหมู่ฟังก์ชันที่มีออกซิเจนเป็นองค์ประกอบ ได้แก่ C–O, C=O และ O–C=O ตามลำดับ โดยพีคเหล่านี้มีความเข้มต่ำกว่าพีคหลักของคาร์บอนแบบ sp² สะท้อนให้เห็นว่าพื้นผิวกราฟีนมีหมู่ฟังก์ชันที่ประกอบด้วยออกซิเจนอยู่ร่วมด้วยซึ่งเกิดจากการสัมผัสกับอากาศหรือความชื้นในการเตรียมตัวอย่าง
Turbostratic Graphene ที่สังเคราะห์ได้ถูกนำมาวิเคราะห์ด้วยเทคนิค Near Edge X-ray Absorption Fine Structure (NEXAFS) ณ ระบบลำเลียงแสงที่ 3.2 ขอบพลังงานของคาร์บอน C K-edge เพื่อศึกษาลักษณะพันธะทางเคมีและประเมินคุณภาพโครงสร้างของกราฟีนในระดับอะตอม ผลการวิเคราะห์บริเวณ C K-edge พบสัญญาณเด่นของพันธะคาร์บอนแบบ sp² (C=C) ที่พลังงานประมาณ 285 eV ซึ่งเป็นลักษณะสำคัญของโครงสร้างกราฟีน อีกทั้งยังปรากฏพีคที่ช่วงพลังงานที่สูงกว่า 290 eV ซึ่งเป็นการเปลี่ยนผ่าน σ* ของพันธะ C=C และ C-C ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของโครงสร้างคาร์บอนแบบหลายชั้น ซึ่งจากผลการวิเคระาห์ NEXAFS ได้รายงานสัดส่วนสัมพัทธ์ของคาร์บอนแบบ sp² ของกราฟีนที่สังเคราะห์ได้มากกว่า 90% ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับชนิดของแหล่งคาร์บอนตั้งต้นที่นำมาเป็นวัตถุดิบในการสังเคราะห์
ศักยภาพการประยุกต์ใช้กราฟีนในอุตสาหกรรม (Graphene Industrial Applications)
กราฟีนชนิดเทอร์โบสแตรติก (Turbostratic Graphene) ที่พัฒนาโดยสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) เป็นวัสดุนาโนคาร์บอนที่มีโครงสร้างเป็นแผ่นกราฟีนหลายชั้นซ้อนทับกันอย่างไม่เป็นระเบียบ มีคุณสมบัติเด่นด้านการนำไฟฟ้า พื้นที่ผิวจำเพาะ และความสามารถในการนำไปใช้เป็นวัสดุปรับปรุงสมบัติ (Functional Additive) เพื่อพัฒนาวัสดุคอมโพสิตและผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าเพิ่มสูง ซึ่งปัจจุบันกราฟีนชนิดนี้ได้ถูกใช้ในผลิตภัณฑ์ในหลากหลายอุตสาหกรรม ตั้งแต่วัสดุก่อสร้าง ยางและพอลิเมอร์ สิ่งทอ สีและสารเคลือบ สารหล่อลื่น ไปจนถึงระบบกักเก็บพลังงาน เพื่อการพัฒนาวัสดุขั้นสูงและผลิตภัณฑ์นวัตกรรมแห่งอนาคต
ผลงานตีพิมพ์ในวารสารวิชาการระดับนานาชาติ
Watcharamaisakul, S., Janphuang, N., Chueangam, W., Srisom, K., Rueangwittayanon, A., Rittihong, U., Tunmee, S., Chanlek, N., Pornsetmetakul, P., Wirojsirasak, W., Watanarojanaporn, N., Ruethaivanich, K., & Janphuang, P. (2025). Synthesis of Turbostratic Graphene Derived from Biomass Waste Using Long Pulse Joule Heating Technique. Nanomaterials, 15(6), 468. https://doi.org/10.3390/nano15060468
การถ่ายทอดเทคโนโลยีสู่ภาคอุตสาหกรรมร่วมกับกลุ่มมิตรผล
สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) ได้ถ่ายทอดเทคโนโลยีการสังเคราะห์กราฟีนด้วยเทคนิค Long Pulse Joule Heating (LPJH) ให้แก่ บริษัท มิตรผลวิจัย พัฒนาอ้อยและน้ำตาล จำกัด พร้อมติดตั้งเครื่องสังเคราะห์กราฟีนต้นแบบ จำนวน 1 เครื่อง ณ อาคาร Pilot Plant 1 อำเภอภูเขียว จังหวัดชัยภูมิ เพื่อทดสอบการใช้งานในสภาพแวดล้อมจริง และต่อยอดการนำชีวมวลเหลือทิ้งจากอุตสาหกรรมน้ำตาล เช่น ชานอ้อยและใบอ้อย มาผลิตเป็นกราฟีนมูลค่าสูง สะท้อนศักยภาพในการยกระดับงานวิจัยสู่การใช้ประโยชน์ในภาคอุตสาหกรรม และส่งเสริมเศรษฐกิจหมุนเวียน (Circular Economy) อย่างยั่งยืน
การติดตั้งเครื่องสังเคราะห์กราฟีนด้วยเทคนิค Long Pulse Joule Heating (LPJH) และการถ่ายทอดเทคโนโลยีให้แก่
บริษัท มิตรผลวิจัย พัฒนาอ้อยและน้ำตาล จำกัด ณ อาคาร Pilot Plant 1 อำเภอภูเขียว จังหวัดชัยภูมิ