Carbon Nanotubes for Electrochemical Sensing

คาร์บอนนาโนทูปส์สำหรับการตรวจวัดทางเคมีไฟฟ้า

Name: Niramol Punbusayakul

Organization : King Mongkut's University of Technology Thonburi. School of Bioresources and Technology. Biotechnology

Name: นิรมล ปัญญ์บุศยกุล

Organization : มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี. คณะทรัพยากรชีวภาพและเทคโนโลยี. สาขาวิชาเทคโนโลยีชีวภาพ

keyword: Carbon Nanotubes

; คาร์บอนนาโนทูปส์

Abstract: Carbon nanotubes (CNTs) exhibit the attractive electrochemical properties by providing the superior electrocatalytic properties over the other type of the carbon based electrode materials. CNTs can enhance the current responses with a significant reduction of the species overpotential, improve signal-to-noise ratio. Hence, the work in this thesis considers investigation of novel CNTs architectures, including spun fiber of double walled nanotubes (DWNTs) and as-grown ultra long vertically aligned multi walled nanotubes (MWNTs). DWNT used is an open-end DWNT with an inner and outer diameter of about 2-2.5 and 35 om respectively. A diameter of the DWNT spun fiber is -10-30 J.1m. DWNTs spun fiber electrodes were fabricated from the DWNTs spun fiber. Subsequently, the electrochemical properties of the DWNTs spun fiber electrode were investigated and compared to a MWNTs mat electrode and a glassy carbon electrode (GCE). Detailed study was made of the redox behaviour of potassium hexacyanoferrate (IIIIIV), it was found that the DWNTs spun fiber electrodes have a wider working potential window in potassium chloride (KCI) and a faster electron transfer rate than the MWNTs mat and the GeE. These can be observed from the featureless voltammogram in KCI and the stable peak to peak separation (AEp) at the DWNTs electrode toward [Fe(CN)6]3-/4- respectively. The DWNT electrode shows higher current response to the tested species including, ascorbic acid (AA), dopamine (DA), and hydrogen peroxide over the plateau signal at the GCE. A remarkable observation is that the electrode can detect DA as low as 2G J.1M and up to 80 J.1M in an AA and DA mixed solution with the larger oxidation peak separation. The compaction properties of the MWNTs forest, as grown ultra long MWNTs bundles, after drying were exploited for simpiification of a microelectrode fabrication. The as-grown ultra long MWNTs have a small outer diameter about 8-10 om. The microelectrodes were found to have a wider working potential than a conventional GeE. This MWNTs microelectrode provided steady-state voltammograms after a series of the electrode drying and a faster electron transfer rate than that of the GCE. This signifies by the stable AEp for all applied sweep rates. The microelectrode was able to detect AA and DA as low as about 0.7 and 1.87 J.1M, respectively, up to 500 J.1M for both species. This work also proves that the powder based MWNTs (pMWNTs) catalytic activity electrochemical activities exhibited similar to those of an edge plane pyrolytic graphite (EPPG) electrode. The pMWNTs and the EPPG electrode performed a quasi-reversible reaction with slow electron transfer rate as observed by the increasing of the L1Ep with the increasing scan rate. However, those properties are proved to be different from these two novel CNTs architectures used in this thesis. This indicates by the wider working potential and faster electron transfer and kinetics at the latter two electrodes than that of the pMWNTs and EPPG electrodes.

Abstract: คาร์บอนนาโนทูปส์ (Carbon nanotubes; CNTs) มีสมบัติทางเคมีไฟฟ้าที่ดีกว่าคาร์บอนชนิดอื่น เมื่อนำมาสร้างเป็นอิเล็กโทรดทางเคมีไฟฟ้า ได้แก่ สามารถเพิ่มสัญญาณทางเคมีไฟฟ้า สามารถลด ศักย์ไฟฟ้าของสารที่เกิดปฏิกิริยา ทำให้ค่าสัญญาณตอบสนองต่อค่าสัญญาณรบกวน (signal-to-noise ratio) ดีขึ้น งานวิจัยนี้จึงศึกษาคาร์บอนนาโนทูปส์รูปแบบรูปแบบโครงสร้างใหม่ ได้แก่ เชือกฟั่น จากคาร์บอนนาโนทูปส์ผนังสองชั้น (spun fiber of double walled nanotubes; DWNTs) และคาร์บอน- นาโนทูปส์ผนังหลายชั้นจัดเรียงตัวแบบแนวตั้ง (vertically aligned multi walled nanotubes;MWNTs) คาร์บอนนาโนทูปส์ผนังสองชั้นที่ใช้เป็นคาร์บอนนาโนทูปส์ผนังสองชั้นปลายเปิด มีเส้นผ่านศูนย์กลาง ภายใน 2-2.5 นาโนเมตร และเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 3-5 นาโนเมตร โดยหลังจากฟั่นเส้นเชือก มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10-30 ไมโครเมตร งานวิจัยนี้ศึกษาสมบัติทางเคมีไฟฟ้าของอิเล็กโทรด ที่สร้างจาก เชือกฟั่นคาร์บอนนาโนทูปส์ผนังสองชั้น เปรียบเทียบกับอิเล็กโทรดจากแผ่นคาร์บอนนาโนทูปส์ ผนังหลายชั้น ในการทดลองได้ศึกษาพฤติกรรมของสารประกอบโพแทสเซียมเฮกซะไซยาโนเฟอเรท (potassium hexacyanoferrate (III/IV)) พบว่าอิเล็กโทรด เชือกฟั่นคาร์บอนนาโนทูปส์ผนังสองชั้น มีศักย์ไฟฟ้าทำงานในสารละลายโพแทสเซียมคลอไรด์ (potassium chloride) กว้างกว่า และถ่ายทอด อิเล็กตรอนได้เร็วกว่า เมื่อเปรียบเทียบกับอิเล็กโทรดแผ่นคาร์บอนนาโนทูปส์ผนังหลายชั้น และ อิเล็กโทรดกลาสซี่คาร์บอน (glassy carbon electrode: GCE) โดยสามารถสังเกตได้จากไม่พบ การเกิดปฏิกิริยาในระหว่าง ช่วงศักย์ไฟฟ้าที่ให้ในสารละลายโพแทสเซียมคลอไรด์ และค่าความแตกต่าง ระหว่างศักย์ของการออกซิเดชัน (oxidation) และรีดักชัน (reduction) (peak to peak separation: Ep) ของเฟอรีไซยาไนด์ (III/IV) อิออน ([Fe(CN)6]3-/4-) มีค่าคงที่ ตามลำดับ ค่าสัญญาณตอบสนอง ต่อกรดแอสคอบิก (ascorbic acid : AA) ดอพามิน (dopamine: DA) และไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (hydrogen peroxide) ที่อิเล็กโทรดเชือกฟั่นคาร์บอนนาโนทูปส์ผนังสองชั้น สูงกว่าค่าสัญญาณ ตอบสนองของสารประกอบดังกล่าวที่อิเล็กโทรด กลาสซี่คาร์บอน ที่สำคัญอิเล็กโทรดเชือกฟั่น- คาร์บอนนาโนทูปส์ผนังสองชั้น สามารถตรวจวัด DA ได้ความเข้มข้น 20 ไมโครโมลาร์ และ สามารถตรวจวัด DA ได้ถึงความเข้มข้น 80 ไมโครโมลาร์ในสารละลายผสมของ AA และ DA โดยมี ค่าความแตกต่างของค่าศักย์ไฟฟ้าในการตรวจวัดของ AA และ DA มากกว่าที่เคยมีรายงาน ความสามารถในการเข้ารวมตัวกันของมัด (bundles) ของคาร์บอนนาโนทูปส์แบบผนังหลายชั้น หลังจากผ่านการทำให้แห้ง ได้นำมาใช้ประโยชน์สำหรับทำให้การสร้างไมโครอิเล็กโทรดอย่างง่ายขึ้น คาร์บอนนาโนทูปส์แบบผนังหลายชั้นที่สังเคราะห์ได้ มีเส้นผ่านศูนย์กลางของชั้นนอกประมาณ 8-10 นาโนเมตร ไมโครอิเล็กโทรดดังกล่าวมีศักย์ไฟฟ้าในการทำงานกว้างกว่าอิเล็กโทรดกลาสซี่คาร์บอน หลังจากไมโครอิเล็กโทรดที่สร้างจากมัดของคาร์บอนนาโนทูปส์แบบผนังหลายชั้น ผ่านการทำให้แห้ง เป็นลำดับอย่างต่อเนื่อง พบว่าไมโครอิเล็กโทรดดังกล่าวให้สัญญาณโวลแทมโมแกรม เป็นแบบเข้าสู่ สถานะคงที่ (steady-state voltammogram) และมีอัตราการถ่ายทอดอิเล็กตรอนเร็วกว่าที่อิเล็กโทรด- กลาสซี่คาร์บอน โดยสามารถสังเกตได้จากค่าคงที่ ของค่าความแตกต่างระหว่างศักย์ของการเกิด ออกซิเดชันและรีดักชัน หรือ Ep ของเฟอรีไซยาไนด์ (III/IV) อิออน ([Fe(CN)6]3-/4-) นอกจากนี้ยัง พบว่าไมโครอิเล็กโทรดดังกล่าวสามารถตรวจวัด AA และ DA ได้ต่ำถึงความเข้มข้น 0.7 และ 1.87 ไมโครโมลาร์ ตามลำดับ และตรวจวัดสารดังกล่าวทั้งสองตัวได้จนถึง 500 ไมโครโมลาร์ งานวิจัยนี้ยังพิสูจน์ว่า ความสามารถในการเร่งปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าของคาร์บอนนาโนทูปส์แบบผง คล้ายคลึงกับการเร่งปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าของเอชเพลนไพโรไลติกกราไฟท์ (edge plane pyrolytic graphite; EPPG) โดยพบว่าอิเล็กโทรดจากคาร์บอนนาโนทูปส์แบบผง และอิเล็กโทรดเอชเพลน- ไพโรไลติกกราไฟท์ มีปฏิกิริยาเป็นแบบกึ่งผันกลับ (quasi-reversible reaction) เหมือนกัน โดยสังเกต ได้จากค่าความแตกต่างระหว่างศักย์ของการเกิดออกซิเดชัน และรีดักชัน Ep ของเฟอรีไซยาไนด์ (III/IV) อิออน ([Fe(CN)3]-3-/4-) มีค่าเพิ่มขึ้นเมื่ออัตราการเพิ่มของการให้ศักย์ไฟฟ้า (scan rate) เพิ่มขึ้น ซึ่งพบว่าสมบัติดังกล่าวต่างจากสมบัติของคาร์บอนนาโนทูปส์รูปแบบโครงสร้างใหม่ที่ใช้ในงานวิจัย ครั้งนี้อย่างสิ้นเชิง ซึ่งสามารถบอกได้จากอิเล็กโทรดคาร์บอนนาโนทูปส์รูปแบบโครงสร้างใหม่ที่ใช้ ในงานวิจัยนี้ มีค่าศักย์ไฟฟ้าในการทำงานที่กว้างกว่าและการถ่ายทอดอิเล็กตรอนและจลน์ศาสตร์เร็วกว่า (faster electron transfer and kinetics)

King Mongkut's University of Technology Thonburi. KMUTT Library.

Address: BANGKOK

Email: info.lib@mail.kmutt.ac.th

Name: Werasak Surareungchai

Role: Advisor

Name: Mithran Somasandram

Role: Advisor

Name: วีระศักดิ์ สุระเรืองชัย

Role: อาจารย์ที่ปรึกษา

Created: 2007

Modified: 2552-09-04

Issued: 2009-09-04

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

CallNumber: BIT560

eng

DegreeName: Doctor of Philosophy

Level: Doctoral Degree

Descipline: Biotechnology

Grantor: King Mongkut's University of Technology Thonburi

©copyrights King Mongkut's University of Technology Thonburi

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	BIT560.pdf	1.87 MB	154	2025-05-21 17:19:17
2	BIT560ab.pdf	128.14 KB	47	2018-05-10 22:15:09
3	BIT560abth.txt	4.25 KB	33	2018-05-10 22:15:10
4	BIT560aben.txt	3.35 KB	31	2018-05-10 22:15:11

ใช้เวลา

0.044314 วินาที