สจล. พัฒนาเครื่องผลิตวัสดุนาโนควอนตัมดอทกราฟีนต้นแบบระดับโรงงานอุตสาหกรรม ต่อยอดผลผลิตควอนตัมดอทประยุกต์ในขั้วไฟฟ้า และในสารอิเล็กโทรไลต์ร่วมกับการใช้วัสดุกากชานอ้อยเหลือทิ้งการเกษตรมาพัฒนาเป็นอุปกรณ์ตัวเก็บประจุยิ่งยวด

นักวิจัย ศาสตราจารย์ ดร. เชรษฐา รัตนพันธ์ หัวหน้าทีมนักวิจัย ร่วมกับคณะนักวิจัย จากหน่วยวิจัยและนวัตกรรมวัสดุอัจฉริยะ คณะวิทยาศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง และศูนย์ความเป็นเลิศด้านนวัตกรรมกราฟีน สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง ได้พัฒนาต้นแบบเครื่องผลิตวัสดุนาโน 0 มิติ ควอนตัมดอทกราฟีน (เป็นวัสดุนาโนที่มีขนาดเล็กกว่า 10 นาโนเมตร) โดยผลิตได้ในระดับโรงงานอุตสาหกรรม กำลังผลิตขนาด 40-80 ลิตรต่อวัน ที่ความเข้มข้นสารละลายในน้ำปราศจากไอออน (Deionized Water: DI Water) ที่ 5g ต่อ 20L (หรือ 0.25g/L) และได้นำผลผลิตวัสดุควอนตัมดอทต่อยอดประยุกต์พัฒนาเพิ่มประสิทธิภาพในวัสดุแอคทีฟขั้วไฟฟ้าและในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ร่วมกับการใช้วัสดุเหลือทิ้งจากการเกษตร เช่น กากชานอ้อย นอกจากนี้ยังได้นำวัสดุกราฟีนออกไซด์ และรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ ประยุกต์ร่วมกับวัสดุควอนตัมดอทกราฟีน พัฒนาเป็นขั้วไฟฟ้าแบตเตอรี่แบบใหม่และอิเล็กโทรไลต์แบบใหม่ทั้งชนิดของแข็งและชนิดของเหลว สำหรับประดิษฐ์เป็น ตัวเก็บประจุยิ่งยวด แบตเตอรี่ และแบตเตอรี่ลูกผสมระหว่างตัวเก็บประจุยิ่งยวดแบบใหม่

จากความสามารถในการผลิตวัสดุควอนตัมดอทกราฟีนได้เป็นจำนวนมากในระดับอุตสาหกรรม และมีราคาถูกกว่านำการเข้าจากต่างประเทศ ทำให้ได้เปรียบสำหรับต่อยอดงานวิจัยและต่อการพัฒนานวัตกรรม จึงเป็นผลทำให้คณะนักวิจัยมีความสามารถทำการวิจัยได้ตั้งแต่การวิจัยเชิงพื้นฐานระดับ TRL 1-3 ไปจนถึงการพัฒนานวัตกรรมสู่อุตสาหกรรมระดับ TRL 4-7  และขยายเพื่อการมุ่งสู่เชิงพานิชย์ที่ ในระดับTRL 8-9 ได้ตลอดทั้งสายโซ่การวิจัยและพัฒนานวัตกรรม ซึ่งเป็นทำงานที่ตอบโจทย์ต่อสังคม อุตสาหกรรม และเชิงพานิชย์ได้อย่างแท้จริงและได้อย่างยังยืน

งานวิจัยนี้ได้ใช้ วัสดุควอนตัมดอทกราฟีนที่ผลิตได้จากเครื่องผลิตควอนตัมดอทกราฟีนระดับโรงงานต้นแบบอุตสาหกรรม ที่พัฒนาขึ้นโดยนักวิจัย จากสถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง โดยวัสดุรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ควอนตัมดอท (rGO-QDs) ถูกใช้เพื่อเพิ่มการนำไอออนและค่าความจุจำเพาะของขั้วไฟฟ้าคาร์บอนจากกากอ้อยในตัวเก็บประจุยิ่งยวด โดยนำสารละลาย rGO-QDs ผสมกับอิเล็กโทรไลต์ 6 โมล โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (6M KOH) ที่ความเข้มข้น X= 0.5 1.0 3.0 และ 5.0% โดยน้ำหนัก (rGO-QDs-X%/6M-KOH)  คาร์บอนกัมมันต์จากกากอ้อย (SAC) ถูกเตรียมจากของเสียกากชานอ้อย (SB) ด้วยกระบวนการกระตุ้นด้วยการอบอ่อน (annealing) ในบรรยากาศอาร์กอน แล้วนำมาบดด้วยเครื่องบอลมิลล์สามมิติความเร็วสูง  วัสดุรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ควอนตัมดอทถูกวิเคราะห์ตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านกำลังขยายสูง (HRTEM) เผยให้เห็นว่าขนาดของรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ควอนตัมดอทมีค่าเล็กกว่า 10 นาโนเมตร การวิเคราะห์ด้วยรามานสเปกโทรสโกปีพบพีคของ D-band และ G-band ซึ่งแสดงถึงความเป็นรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ควอนตัมดอท โดยสารละลายอิเล็กโทรไลต์ ที่ใช้ควอนตัมดอท 3% (rGO-QDs-3%/6M-KOH) ให้ค่าการนำไอออนสูงที่สุด 26 mS/cm ซึ่งใช้วัสดุคาร์บอนกัมมันต์ชานอ้อยที่ให้ค่าพื้นที่ผิวจำเพาะ 915.57 m²/g  ในการทดสอบปฏิกิริยาแบบครึ่งเซลล์ขั้วไฟฟ้าที่ใช้คาร์บอนกัมมันต์ชานอ้อยและใช้สารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่มีควอนตัมดอท 3% ได้ค่าความจุจำเพาะสูงสุดที่ 176.83 F/g ที่ความหนาแน่นกระแส 0.5 A/g  และการทดสอบอุปกรณ์ตัวเก็บประจุยิ่งยวดแบบสมมาตรด้วย coin cell  ใช้อิเล็กโทรไลต์ที่มีควอนตัมดอท 3% ให้ค่าความจุจำเพาะสูงสุด 54.53 F/g ที่ 0.5 A/g โดยมีค่าสูงถึง 2 เท่าเทียบเมื่อกับการใช้อิเล็กโทรไลต์ KOH เพียงอย่างเดียว และให้ค่าประสิทธิภาพการคงสภาพของเซลล์ลดลงได้เหลือมากกว่า 90% หลังจากทดสอบด้วยการชาร์จ–คายประจุที่จำนวน 5000 รอบ ทั้งนี้ตัวเก็บประจุยิ่งยวดที่พัฒนาขึ้นในงานวิจัยนี้ได้แสดงสมรรถนะทางเคมีไฟฟ้าที่โดดเด่น โดยมีค่าการนำไฟฟ้าไอออนและค่าความจุจำเพาะสูง ซึ่งเป็นผลมาจากการใช้อิเล็กโทรไลต์ที่มีควอนตัมดอทด้วย ซึ่งเป็นผลยืนยันว่าการใช้ควอนตัมดอทสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของสารอิเล็กโทรไลต์ได้จริง และส่งผลให้เกิดการเพิ่มสมรรถนะทางเคมีไฟฟ้าของอุปกรณ์ตัวเก็บประจุยิ่งยวดได้อีกด้วย

การปรับปรุงสารอิเล็กโทรไลต์ KOH สำหรับตัวเก็บประจุยิ่งยวดด้วยการเติมควอนตัมดอทกราฟีนนั้นช่วยเพิ่มการนำไอออนและเพิ่มค่าความจุไฟฟ้าจำเพาะให้กับแอคทีฟคาร์บอนจากกากชานอ้อยให้มีสมรรถนะการเก็บประจุของอุปกรณ์ตัวเก็บประจุยิ่งยวดดีขึ้น ร่วมถึงการเพิ่มค่าด้านพลังงานไฟฟ้า ค่ากำลังไฟฟ้า และช่วยเพิ่มเสถียรภาพ ซึ่งมีศักยภาพสูงมากต่อการพัฒนาอุปกรณ์กักเก็บพลังงานให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นในอนาคต โดยเฉพาะขั้วไฟฟ้าจากวัสดุแอคทีฟคาร์บอนจากของเสียกากอ้อย ที่ช่วยลดต้นทุน และเป็นการเพิ่มมูลค่าของเสียทางการเกษตรได้อีกด้วย ซึ่งการคิดค้นวิจัยนี้เป็นแนวทางในการพัฒนาทางด้านพลังงาน

งานวิจัยนี้สอดคล้องกับ

SDG 7 (Affordable and Clean Energy) ที่มุ่งเน้นพัฒนาระบบกักเก็บพลังงานที่มีประสิทธิภาพสูง และสนับสนุนพลังงานหมุนเวียน

SDG 9 (Industry, Innovation and Infrastructure) ที่ส่งเสริมนวัตกรรมวัสดุขั้นสูงและสนับสนุนอุตสาหกรรมเทคโนโลยีพลังงานสะอาด

SDG 12 (Responsible Consumption and Production) เป็นการใช้กากอ้อย (agricultural waste) อย่างคุ้มค่า พร้อมทั้งลดของเสียและเพิ่ม circular economy

SDG 13 (Climate Action) เป็นการสนับสนุนเทคโนโลยีกักเก็บพลังงานคาร์บอนต่ำและลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกทางอ้อม

ผู้สนใจสามารถอ่านเพิ่มเติมได้ที่

https://doi.org/10.1021/acsomega.5c05166

การอ้างอิงของงานวิจัย

K. Panturotai, C. Sriwong, and C. Ruttanapun, “The impact of incorporating reduced graphene oxide quantum dots into KOH electrolyte on the electrochemical performance of supercapacitors using sugarcane bagasse active electrodes,” ACS Omega 2025, 10, 44021−44037, doi.org/10.1021/acsomega.5c05166

งานวิจัยถูกตีพิมพ์ในวารสาร ACS Omega (Q1 ISI/Scopus, Impact Factor 4.3)

Published: September 16, 2025

รายชื่อนักวิจัย

น.ส. กุวลัย พันธุโรทัย นักศึกษาปริญญาโท ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง โดยมี ศาสตราจารย์ ดร. เชรษฐา รัตนพันธ์ เป็นอาจารย์ที่ปรึกษา

ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร. ชวาลย์ ศรีวงษ์ ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง, หน่วยวิจัยและนวัตกรรมวัสดุอัจฉริยะ คณะวิทยาศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง, ศูนย์ความเป็นเลิศด้านนวัตกรรมกราฟีน สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง

ศาสตราจารย์ ดร. เชรษฐา รัตนพันธ์ ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง, หน่วยวิจัยและนวัตกรรมวัสดุอัจฉริยะ คณะวิทยาศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง, ศูนย์ความเป็นเลิศด้านนวัตกรรมกราฟีน สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง

เครื่องผลิตวัสดุนาโน 0 มิติ ควอนตัมดอทกราฟีน ระดับโรงงานต้นแบบอุตสาหกรรม สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง