BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.6 Graphitic Carbon Nanostructrures Kulit Durian sebagai Bahan
Durian adalah buah yang cukup popular di Asia Tenggara, termasuk Indonesia.
Namun, hanya sepertiga dari durian yang dapat dikonsumsi, sedangkan biji dan kulitnya menjadi limbah. Sementara kulit durian memberikan sumber selulosa yang baik. Kulit durian mengandung 31-35% selulosa, 10-11% lignin, dan 15-18%
hemiselulosa (G. Zhao et al., 2019)(Penjumras et al., 2014). Karena kandungan selulosanya yang cukup tinggi, maka kulit durian cukup kompetibel jika dijadikan sumber selulosa untuk graphitic carbon nanostructures (GCN).
Graphitic carbon nanostructures (GCN) terdiri dari sp2 terhibridisasi ikatan karbon telah diselidiki secara intensif untuk digunakan dalam foto/elektrokatalis, optoelektronik, dan perangkat pembangkit/penyimpanan energi (Gu et al., 2019;
Sevilla & Fuertes, 2010). Pada perakitan baterai, peningkatan kapasitas SIB memerlukan bahan pengisi pengganti acetylene black, salah satunya GCN dari limbah kulit durian. Penggunaan limbah biomassa merupakan metode inovatif dalam pengolahan limbah dan daur ulang yang bernilai tambah (Samaddar et al., 2018).
BAB 3
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian dilakukan sejak 29 Juli 2019 hingga 23 Oktober 2020. Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Advanced Material Processing Program Studi Teknik Fisika ITB. Karakterisasi Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) dilakukan di Program Studi Kimia ITB. Karakterisasi Thermogravimetry-Differential Thermal Analysis(TG-DTA) dilakukan di Balai Besar Keramik (BBK) Bandung. Karakterisasi Thermogravimetry Differential Scanning Calorimetry (TG-DSC) dilakukan di Pusat Penelitian Fisika LIPI Serpong. Karakterisasi X-ray Powder Diffraction (XRD) dilakukan di Pusat Penelitian Nanosains dan Nanoteknologi (PPNN) ITB dan di Pusat Penelitian dan Pengembangan Geologi Kelautan (P3GL) Bandung. Scanning Electron Microscope (SEM) dilakukan di PPNN ITB, di P3GL Bandung, dan di Politeknik Manufaktur (POLMAN) Bandung. Transmission Electron Microscopy (TEM) dilakukan di PPNN ITB. Karakterisasi Brunaeur Emmet and Teller (BET) dilakukan di Teknologi Mineral dan Batubara (tekMIRA) Bandung dan di Pusat Penelitian Fisika LIPI Serpong. Perakitan dan uji performansi SIB dilakukan di Balai Besar Bahan dan Barang Teknik (B4T) Bandung sesuai standar pengujian baterai pada B4T Bandung.
3.2 Alat & Bahan 3.2.1 Peralatan
Peralatan yang digunakan pada penelitian ini terdiri dari:
1. Peralatan penelitian : gelas ukur, cawan petri, neraca digital, spatula, termometer, hot plate & pengaduk magnetik, statif dan klem, kertas timbang, kertas saring, oven, aluminium foil, plastik wrap, indikator pH, ultrasonic homogenizer, tungku nitrogen, tungku oksigen, autoclave, combution boat, dan crucible.
2. Peralatan karakterisasi: Fourier-transform Infrared Spectroscopy atau FTIR (Prestige 21 Shimadzu), Thermogravimetry-Differential Thermal Analysis (TG-DTA (A Setaram Setsys-1750), Thermogravimetry Differential Scanning Calorimetry atau TG-DSC (Linseis type TA PT 1600), Fourier-transform Infrared
Spectroscopy atau FTIR (Prestige 21 Shimadzu), Scanning Electron Microscopy atau SEM (Hitachi SU3500), X-Ray Diffraction atau XRD (PANalytical X'Pert PRO X-ray), Transmission Electron Microscopy atau TEM (Hitachi HT7700), Brunaeur Emmet and Teller atau BET (Quantachrome Nova 4200e), Software ImageJ, Software Match v1.10, Software EXPGUI, Software GSAS, Software BellaV2_21, Software VESTA, dan Battery Testing Equipment Charge-Discharge (Berkeley scientific type neware).
3.2.2 Bahan
Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah sodium karbonat [Na2CO3] anhydrous PA 99,9% EMSURE, caustic soda flake [NaOH] 98% ASC AGC Group, manganase (II) chloride tetrahydrat [MnCl2.4H2O] PA ≥99% Merck, manganese (IV) oxide [MnO2] PA 89% Merck, gula pasir, Aethylenglycol 99,8% BRATACHEM, kulit durian, sodium hipoklorit [NaOCl], sodium klorida [NaCl] PA ≥99,5% Merck, asam sulfat [H2SO4] PA 95-97% Merck, kitosan, asam sitrat, iron (III) nitrate nonahydrate [Fe(NO3)3 9H2O] ≥99,95% Merck, aquadest, acetylene black, PVDF, dan NMP.
Anoda yang digunakan adalah Na2Ti6O13 (Noer, 2020) dan hardcarbon (KURANODETM Type2(9𝜇m), Kuraray Co., Ltd. Carbon Materials Division).
3.3 Prosedur Penelitian
Penelitian ini terdiri dari 5 tahapan, yaitu sintesis dan karakterisasi sodium mangan oksida (Na2Mn3O7); sintesis dan karakterisasi Na2Mn3O7 dengan penggunaan chelating agent; sintesis dan karakterisasi selulosa dari limbah kulit durian; sintesis dan karakterisasi Graphitic Carbon Nanostructures (GCN) kulit durian; dan perakitan baterai diikuti oleh uji performansi baterai.
Sintesis Na2Mn3O7 dalam penelitian ini terdiri dari 5 metode berbeda yang merupakan jumlah keseluruhan dari metode tahap awal dan metode pengembangan.
Pada tahap awal penelitian terdiri atas metode hidrotermal diikuti pencampuran padatan, metode padatan, dan metode sol-gel. Sedangkan pada pengembangannya, terdiri dari metode template patadan dan metode template sol-gel. Secara umum, tahapan penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 3.1 berikut.
Gambar 3.1 Tulang ikan penelitian
3.3.1 Kode Sampel
Sebagaimana yang telah dijelaskan, sintesis sodium mangan oksida (Na2Mn3O7) terdiri dari 5 metode berbeda yang merupakan jumlah keseluruhan dari metode tahap awal dan metode pengembangan. Pada tahap awal penelitian terdiri atas metode hidrotermal diikuti pencampuran padatan, metode padatan, dan metode sol-gel.
Sedangkan pada pengembangannya, terdiri dari atas metode template padatan dan metode template sol-gel. Chelating agent yang digunakan pada metode template padatan dan metode template sol-gel terdiri dari gula pasir dan etilen glikol.
Jumlah sampel Na2Mn3O7 dalam penelitian ini adalah 8 sampel. Sampel-sampel tersebut diberi kode Sampel-sampel yang dideskripsikan pada Tabel 3.1 sebagai berikut.
Tabel 3.1 Kode Sampel
No. Kode Sampel Metode yang Digunakan Chelating Agent yang Digunakan
1. Sampel A Hidrotermal+Padatan Asam sitrat
2. Sampel B Hidrotermal+Padatan Asam sitrat-1% kitosan
3. Sampel C Padatan -
4. Sampel D Sol-gel -
5. Sampel E Template padatan Gula pasir 6. Sampel F Template padatan Etilen Glikol 7. Sampel G Template sol-gel Gula pasir 8. Sampel H Template sol-gel Etilen Glikol
3.3.2 Sintesis dan Karakterisasi Sodium Mangan Oksida (Na2Mn3O7)
Pada tahap awal penelitian ini, sintesis Na2Mn3O7 dilakukan melalui metode hidrotermal diikuti pencampuran padatan, metode padatan, dan metode sol-gel.
Metode-metode tersebut dijelaskan sebagai berikut.
3.3.2.1 Metode Hidrotermal diikuti Pencampuran Padatan
Pada metode hidrotermal diikuti pencampuran padatan ini, sintesis Na2Mn3O7 terdiri dari 2 tahapan. Pertama tahap pembentukan prekursor MnO sedangkan tahap kedua yaitu tahap pembentukan Na2Mn3O7. Diagram alir metode hidrotermal diikuti pencampuran padatan ditunjukkan oleh Gambar 3.2.
Dari diagram alir yang ditunjukkan pada Gambar 3.2, pembentukan MnO diperoleh melalui metode hidrotermal. Langkah pertamanya adalah mencampurkan ([NaCl (PA ≥99,5% Merck) - asam sitrat; MnCl2.4H2O (PA ≥99% Merck) - asam sitrat]), lalu campuran yang berbentuk larutan dimasukkan ke dalam autoclave dan dilakukan proses hidrotermal pada 150℃ selama 6 jam. Selanjutnya dilakukan kalsinasi pada 800℃ selama 1 jam dalam atmosfer nitrogen. Sampel diberi kode A.
Sampel A dikarakterisasi menggunakan XRD untuk mengidentifikasi fasa MnO yang terbentuk.
Prosedur yang sama dilakukan untuk sampel yang diberi kode B, namun chelating agent yang digunakan berbeda, yaitu ([NaCl (PA ≥99,5% Merck) - asam sitrat; MnCl2.4H2O (PA ≥99% Merck) - 1% kitosan]). Baik asam sitrat atau 1%
kitosan berfungsi sebagai dispersan (Purwasasmita et al., 2013) dalam sintesis MnO.
Selain penggunaan chelating agent yang berbeda, perbedaan antara Sampel A dan Sampel B yaitu pada Sampel B (setelah proses kalsinasi pada atmosfer nitrogen) terdapat proses pencucian sampelmenggunakan aquadest. Pencucian sampel tersebut bertujuan untuk menghilangkan ion Cl- yang berpengaruh pada intensitas fasa mangan oksida (MnO) dan sodium mangan oksida (Na2Mn3O7) yang terbentuk.
Setelah fasa MnO dari masing-masing sampel (Sampel A dan Sampel B) telah diidentifikasi, serbuk MnO dari masing-masing sampel dicampur secara padatan dengan prekursor Na2CO3 (PA 99,9% EMSURE). Selanjutnya, kalsinasi dilakukan pada 800℃ dalam atmosfer pengoksidasi. Fasa Na2Mn3O7 diidentifikasi melalui karakterisasi menggunakan XRD.
Gambar 3.2 Sintesis dan karakterisasi Na2Mn3O7 melalui metode hidrotermal diikuti pencampuran padatan (Sampel A dan Sampel B)
3.3.2.2 Metode Padatan
Sintesis Na2Mn3O7 melalui metode padatan ditunjukkan pada diagram alir Gambar 3.3.
Sebagaimana yang ditunjukkan oleh Gambar 3.3, 0,014 mol serbuk MnO2 (PA 89%
Merck) dicampur dengan 0,007 mol serbuk Na2CO3 (PA 99,9% EMSURE).
Pencampuran/penggerusan serbuk dilakukan menggunakan mortar agate selama ±2 jam. Sampel diberi kode Sampel C. Sebagian kecil (beberapa gram) campuran serbuk yang telah digerus diidentifikasi menggunakan FTIR untuk menentukan gugus fungsi dan TG-DTA untuk menentukan temperatur kristalinitas Na2Mn3O7.
Gambar 3.3 Sintesis dan karakterisasi Na2Mn3O7 melalui metode padatan (Sampel C)
Campuran serbuk dikalsinasi pada 800℃ selama ±3 jam pada atmosfer pengoksidasi. Pada tahap akhir, pengujian dilakukan menggunakan XRD untuk menentukan fasa, pengujian SEM dan TEM untuk menentukan morfologi, dan pengujian BET untuk menentukan luas permukaan spesifik Na2Mn3O7.
3.3.2.3 Metode Sol-Gel
Gambar 3.4 menunjukkan sintesis Na2Mn3O7 melalui metode sol-gel. Pada tahap awal, 0,018 mol MnCl2.4H2O (PA ≥99% Merck) dilarutkan dalam 5 ml aquadest.
Selanjutnya, pH larutan tersebut diatur menjadi 13 menggunakan 75M NaOH (98%
ASC AGC Group) sambil diaduk menggunakan pengaduk magnetik pada ≤60℃
selama 90 menit. Larutan telah menjadi gel berwarna coklat tua. Selanjutnya, ion Cl -di dalam gel tersebut -dihilangkan menggunakan aquadest. Setelah ion Cl- dihilangkan, gel dicampur dengan 0,009 mol Na2CO3 (PA 99,9% EMSURE) sambil diaduk
menggunakan pengaduk magnetik pada ≤60℃ selama ±2 jam. Sampel diberi kode Sampel D.
Sebagian kecil (beberapa gram) campuran gel Sampel D dikeringkan dalam tungku pada ≤60℃, selanjutnya diidentifikasi menggunakan FTIR untuk menentukan gugus fungsi dan TG-DTA untuk menentukan temperatur kristalinitas Na2Mn3O7. Selanjutnya, gel yang tersisa dikarakterisasi menggunakan XRD untuk menentukan fasa, SEM dan TEM untuk menentukan morfologi, dan BET untuk menentukan luas permukaan spesifik Na2Mn3O7.
Gambar 3.4 Sintesis dan karakterisasi Na2Mn3O7 melalui metode sol-gel (Sampel D)
3.3.3 Sintesis dan Karakterisasi Na2Mn3O7 dengan Penggunaan Chelating Agent (Metode Template)
Pada tahap pengembangannya, sodium mangan oksida (Na2Mn3O7) disintesis melalui metode template. Metode template tersebut dilakukan dengan cara menambahkan chelating agent atau agen pengkelat pada prekursor Mn dan Na. Metode template dalam penelitian ini terdiri dari metode template padatan dan metode template sol-gel dengan variasi chelating agent gula pasir dan etilen glikol.
3.3.3.1 Metode Template Padatan
Sintesis dan karakterisasi Na2Mn3O7 melalui metode template padatan menggunakan chelating agent gula pasir dan etilen glikol ditunjukkan pada Gambar 3.5. Pada tahap awal, 0,014 mol serbuk MnO2 (PA 89% Merck) dicampurkan dengan masing-masing
chelating agent (gula pasir [massagula pasir = 1/3 (massa MnO2 + massa Na2CO3)] dan etilen glikol [massaetilen glikol = ½ massa MnO2]) selama ±1 jam. Kode Sampel E diberikan untuk sampel yang disintesis melalui metode template padatan menggunakan chelating agent gula pasir. Sedangkan kode Sampel F diberikan untuk sampel yang disintesis melalui metode template padatan menggunakan chelating agent etilen glikol.
Gambar 3.5 Sintesis dan karakterisasi Na2Mn3O7 melalui metode template padatan (Sampel E dan Sampel F)
3.3.3.2 Metode Template Sol-Gel
Sintesis dan karakterisasi Na2Mn3O7 melalui metode template sol-gel menggunakan chelating agent gula pasir dan etilen glikol ditunjukkan pada Gambar 3.6. Pada tahap awal, 0,018 mol serbuk MnCl2.4H2O (PA ≥99% Merck) dilarutkan dengan 5ml aquadest, lalu larutan tersebut dicampurkan dengan 75M larutan NaOH hingga pH 13.
Larutan diaduk menggunakan pengaduk magnetik pada 60℃ selama 90 menit.
Selanjutnya, ion Cl- dihilangkan menggunakan aquadest. Masing-masing chelating agent (gula pasir [massagula pasir = 1/3 (massa MnCl2.4H2O+ massa Na2CO3)] dan etilen glikol [massaetilen glikol = ½ massa MnCl2.4H2O]) dicampurkan sambil diaduk menggunakan pengaduk magnetik pada ≤ 60℃ selama 1 jam. Lalu, gel dicampurkan dengan larutan 0,009 mol Na2CO3 pada ≤ 60℃ selama ±2 jam. Kode Sampel G diberikan untuk sampel yang disintesis melalui metode template sol-gel menggunakan
chelating agent gula pasir. Sedangkan kode Sampel H diberikan untuk sampel yang disintesis melalui metode template sol-gel menggunakan chelating agent etilen glikol.
Selanjutnya, sampel dikalsinasi pada 800℃ selama 3 jam pada atmosfer pengoksidasi.
Setelah kalsinasi, masing-masing sampel dikarakterisasi menggunakan XRD untuk menentukan fasa yang terbentuk, pengujian SEM dan TEM untuk menentukan morfologi yang terbentuk, dan pengujian BET untuk menentukan luas permukaan spesifik Na2Mn3O7.
Gambar 3.6 Sintesis dan karakterisasi Na2Mn3O7 melalui metode template sol-gel
(Sampel G dan Sampel H)
3.3.4 Sintesis dan Karakterisasi Selulosa Kulit Durian
Sintesis selulosa kulit durian dalam penelitian ini dilakukan melalui metode hidrolisis basa dan bleaching (ditunjukkan pada Gambar 3.7). Pada tahap awal, kulit durian dipotong kecil, lalu dicuci. Selanjutnya, dikeringkan menggunakan oven pada 100℃.
Setelah kering, kulit durian digiling menggunakan blender sehingga menghasilkan serat kulit durian. Selanjutnya, serat kulit durian dihidrolisis basa menggunakan NaOH 4M pada 80℃ selama 4 jam.
Sampel yang telah dihidrolisis basa, selanjutnya dikeringkan pada 60℃.
Pemutihan (bleaching) dilakukan menggunakan NaOCl 2,5% pada 70℃ selama 30 menit. Setelah proses pemutihan, sampel dikeringkan pada 60℃. Sampel dikarakterisasi menggunakan FTIR dan XRD. Selulosa dari limbah kulit durian dihasilkan.
Gambar 3.7 Sintesis dan karakterisasi selulosa kulit durian
3.3.5 Sintesis dan Karakterisasi GCN Kulit Durian
Sintesis graphitic carbon nanostructures (GCN) dari limbah kulit durian dilakukan menggunakan metode catalytic graphitization mengikuti prosedur yang telah dilakukan oleh (Muthia S, 2017; Sevilla & Fuertes, 2010). Sintesis dan karakterisasi GCN dari limbah kulit durian ditunjukkan pada Gambar 3.8. Pada tahap awal, dilakukan proses hydrochar dengan cara melarutkan 4,8 gram selulosa dari limbah kulit durian (yang telah dihasilkan sebelumnya) dalam 60 ml aqudest. Kemudian diaduk selama 4 jam. Selanjutnya larutan tersebut ditransfer ke dalam teflon untuk kemudian dimasukkan ke dalam autoclave. Kemudian autoclave dimasukkan ke dalam tungku pada 200℃ selama 4 jam. Sampel disaring lalu dicuci menggunakan aquadest. Hasil saringan dikeringkan di dalam oven pada 120℃ selama 4 jam.
Gambar 3.8 Sintesis dan karakterisasi GCN kulit durian
Tahap selanjutnya yaitu impregnasi menggunakan katalis iron nitrate nanohydrate [Fe(NO3)3 9H2O] dalam larutan etanol (~6 mmol metal.g-1 C), diaduk selama 90 menit. Selanjutnya, produk diendapkan selama 12 jam dan dikeringkan pada 60℃. Pirolisis dilakukan pada 900℃ selama 3 jam. Selanjutnya, sampel graphitic carbon nanostructures (GCN) dari kulit durian dikarakterisasi morfologinya
menggunakan TEM. Sampel GCN kulit durian juga dikarakterisasi menggunakan XRD untuk menentukan fasa yang terbentuk.
3.4 Karakterisasi
Karakterisasi sifat fisik/kimia yang dilakukan dalam penelitian ini terdiri dari FTIR, TG-DTA/DSC, SEM, TEM, XRD, dan BET. Sedangkan uji Galvanostatic Charge-Discharge (GCD) dilakukan untuk menentukan performansi baterai.
3.4.1 Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)
Karakterisasi Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) Prestige 21 Shimadzu dilakukan di Program Studi Kimia Institut Teknologi Bandung (ITB) dengan
%Transmitansi sekitar 0-100, rentang panjang gelombang sekitar 400-4500 (1/cm), resolution = 4.0, apodization = Happ-Genzel, detector = standar, no. of scans = 50.
Karakterisasi ini bertujuan untuk mengidentifikasi gugus fungsi yang terdapat pada serbuk Na2Mn3O7 hasil sintesis (melalui metode padatan, sol-gel, template padatan, dan template sol-gel) dan hasil ekstraksi selulosa kulit durian.
Gambar 3.9 Diagram blok dari Spektrofotometer FTIR (Yurdakal et al., 2019)
Gambar 3.9 menunjukkan diagram blok yang menggambarkan spektrofotometer FTIR. Spektroskopi FTIR didasarkan pada prinsip gangguan radiasi
antara dua balok yang menghasilkan sinyal, disebut interferogram. Interferogram ini biasanya dihasilkan oleh interferometer Michelson, yang mengandalkan beam splitter untuk membagi sinar IR yang masuk menjadi dua balok optik, satu memantulkan cermin tetap dan yang kedua memantulkan cermin bergerak. Dengan demikian, kedua balok direkombinasikan dan bertemu kembali di beamsplitter dan radiasi muncul dari interferometer mencapai kompartemen sampel dan detektor. Setelah amplifikasi sinyal, data diterjemahkan ke dalam bentuk digital oleh konverter analog-ke-digital dan akhirnya ditransfer ke komputer di mana Transformasi Fourier dilakukan untuk mendapatkan Spektrum infrared IR yang diinginkan. Interaksi antara material/zat dan cahaya IR dapat dilihat dari segi perubahan dipol molekuler terkait dengan getaran dan rotasi (Yurdakal et al., 2019).
Gambar 3.10 Spektrum FTIR dari (a) 𝛼-NaMnO2, (b) setelah hidrasi parsial, (c) Na-birnessite monoklinik, (d) Na-Na-birnessite heksagonal, (e) K-Na-birnessite heksagonal, dan (f) mangan dioksida berlapis terhidrasi tipe birnessite (Abou-El-Sherbini et al., 2002)
Gambar 3.10 menunjukkan spektrum FTIR dari (a) 𝛼-NaMnO2, (b) setelah hidrasi parsial, (c) Na-birnessite monoklinik, (d) Na-birnessite heksagonal, (e) K-birnessite heksagonal, dan (f) mangan dioksida berlapis terhidrasi tipe K-birnessite.
Pengujian FTIR melalui persiapan terhidrasi menunjukkan adanya dua jenis (bahkan lebih) getaran peregangan OH di kisaran 3000-3500 cm-1. Mode getaran air diamati pada 1629 cm-1. Pita penyerapan pada 910 cm-1 diindikasikan sebagai getaran
hidroksida pita logam. Ini mendukung keberadaan proton yang dibutuhkan untuk keseimbangan muatan sebagai hidroksida. Patut dicatat bahwa pita ini diamati dengan lemah untuk Na-birnessite monoklinik (Abou-El-Sherbini et al., 2002).
Dalam konteks yang sama, analisis kimia menunjukkan bahwa ada lebih banyak proton ternetralisasi dalam Na-birnessite heksagonal dan K-birnessite heksagonal dibandingkan dengan Na-birnessite monoklinik. Pengamatan lainnya adalah pita di sekitar 400-600 cm-1 diperoleh dari α-NaMnO2 yang digeser menuju bilangan gelombang lebih kecil daripada mangan dioksida berlapis terhidrasi tipe birnessite. Ini merupakan indikasi rendahnya konsentrasi kekosongan mangan (Abou-El-Sherbini et al., 2002).
Gambar 3.11 FTIR dari ekstrasi selulosa bungkil inti sawit (Muthia S, 2017)
Gambar 3.11 menunjukkan spektrum FTIR dari ekstrasi selulosa bungkil inti sawit (Muthia S, 2017). Pada umumnya, selulosa memiliki gugus fungsi -OH, CO, C-H, dan C-OH. Pada Gambar 3.11 terlihat adanya puncak pada bilangan gelombang 3427, 2895, 1633, 1425, 1379, 1319, 1247, 1159, 1062, 1028, 894, 813, 699, dan 613 cm-1. Puncak pada sekitar 3427 cm-1 menandakan adanya gugus fungsi -OH pada sampel selulosa, sedangkan puncak pada sekitar 2895 cm-1 menandakan adanya getaran peregangan C-H. Pada puncak sekitar 1633 cm-1 menandakan adanya adsorbed water. Pada sekitar 1425 cm-1 menandakan adanya in-plane bending dari CH2 pada CH2OH. Pada puncak sekitar 1379 cm-1 dan 1319 cm-1 menandakan bending dari C-OH dan CH. Pada puncak sekitar 1247 cm-1 menandakan out-of-plane bending
pada grup CH2. Puncak triplet dari peregangan getaran C-O muncul pada bilangan gelombang 1159, 1062, dan 1028 cm-1. Puncak yang muncul pada sekitar 894 dan 813 cm-1 menandakan adanya in-plane bending dari grup CH2, bending dari ikatan C-H dan pyranose rings. Sementara puncak yang muncul pada bilangan gelombang sekitar 699 dan 613 cm-1 menandakan adanya out-of-plane bending dari –OH (Muthia S, 2017).
3.4.2 Thermogravimetry-Differential Thermal Analysis/Differential Scanning Calorimetry (TG-DSC/TG-DTA)
Karakterisasi TG-DTA (A Setaram Setsys-1750) dilakukan di Balai Besar Keramik (BBK) Bandung pada atmosfer oksigen, heat rate 15℃ pada 50-1000℃. Sedangkan karakterisasi TG-DSC (Linseis type TA PT 1600) dilakukan di Pusat Penelitan Fisika (P2F) LIPI Serpong pada atmosfer oksigen dan range temperature 50-1000℃.
Analisis termal (Thermal Analysis, TA) adalah sekelompok teknik analitik yang mengukur sifat atau perubahan sifat material sebagai fungsi temperatur.
Perubahan sifat material terhadap temperatur dianggap sebagai peristiwa termal. Sifat-sifat yang dapat berubah antara lain dimensi, massa, fasa dan perilaku mekanik.
Metode analisis termal relatif sederhana karena mengubah temperatur sampel lebih mudah daripada memeriksa sampel menggunakan sinar-X berenergi tinggi, berkas elektron atau ion dalam teknik spektroskopi. Beberapa metode TA telah dikembangkan untuk berbagai keperluan pemeriksaan.
Tabel 3.2 menunjukkan daftar teknik TA yang biasa digunakan. Teknik TA yang paling umum digunakan untuk karakterisasi material yaitu Thermogravimetry (TG), Differential Thermal Analysis (DTA), dan Differential Scanning Calorimetry (DSC). TG biasanya digunakan untuk memeriksa dekomposisi bahan dengan memantau perubahan massa dengan temperatur. DTA dan DSC banyak digunakan untuk memeriksa perubahan fase bahan.
Analisis termal bergantung pada reaksi material terhadap aliran energi termal yang masuk atau keluar dari padatan. Reaksi tersebut disebut sebagai peristiwa termal.
Peristiwa termal yang mungkin terjadi pada benda padat dapat ditinjau dengan meningkatnya temperatur dari nol mutlak (nol Kelvin). Pada nol mutlak, padatan tidak memiliki energi termal dan itu berarti atom-atomnya statis yaitu tidak ada getaran atau
rotasi ikatan atom. Dengan meningkatnya temperatur, energi panas saat amplitudo getaran mencapai tingkat tertentu, perubahan padatan dapat terjadi (yaitu transformasi fase padat, transisi kaca, peleburan, sublimasi dan dekomposisi termal) jika padatan berada dalam atmosfer inert (Leng, 2008).
Tabel 3.2 Teknik Analisis Termal yang Umum Digunakan (Leng, 2008)
Teknik Singkatan Pengukuran
Thermogravimetry TG Perubahan massa
Differential Thermal
Dilatometry - Perubahan panjang atau
volume
Transformasi fasa padat dapat terjadi untuk padatan yang memiliki kesetimbangan kristal berbeda fase dalam rentang temperatur yang berbeda. Misalnya, besi murni berubah dari struktur kristal body-centered cubic (BCC) menjadi face-centered cubic (FCC) saat temperatur meningkat menjadi 912℃. Sedangkan transisi gelas terjadi pada padatan kristal. Dengan meningkatnya temperatur, padatan non-kristal menjadi rigid dalam fasa gelas dapat berubah menjadi padatan seperti karet.
Transisi gelas disebut sebagai fasa transisi orde kedua. Fasa ini dapat dibedakan dari fasa transisi orde pertama dalam keadaan padat, yang merupakan transformasi fasa dalam padatan kristal. Transisi gelas merupakan sifat yang penting dari bahan polimer.
Peleburan yang merupakan transformasi fasa padat menjadi cair dan sublimasi yang merupakan transformasi fasa padat menjadi gas (Leng, 2008).
Dekomposisi termal disebut sebagai perubahan padatan yang mengandung lebih dari satu jenis atom atau molekul. Dengan meningkatnya temperatur, ikatan antar atom menjadi sangat lemah, unsur-unsur tertentu akan terlepas dari benda padat ke atmosfer dan sisanya akan membentuk jenis padatan baru. Misalnya, CaCO3 padat akan terurai menjadi bentuk CaO padat dan gas CO2 pada kisaran temperatur tertentu.
Tabel 3.3 mencantumkan peristiwa termal yang mungkin terjadi saat padatan (A)
dipanaskan dalam atmosfer inert. Aliran panas antara padatan dan atmosfer sekitarnya pada temperatur tertentu ditunjukkan sebagai perubahan entalpi (∆H) sebagaimana ditunjukkan oleh Tabel 3.3. ∆H mengkuantifikasikan panas yang mengalir masuk atau keluar dari padatan di bawah tekanan konstan. Umumnya, peristiwa termal yang terjadi di bawah atmosfer tekanan konstan dianalisis dalam instrumen analisis termal (Leng, 2008).
Tabel 3.3 Peristiwa termal selama pemanasan padatan dalam atmosfer inert (Leng, 2008)
Peristiwa termal Reaksi Heat flow
∆Hs
Entalpi adalah parameter termodinamika yang berfungsi untuk menggambarkan peristiwa termal suatu material di bawah tekanan konstan, misalnya, satu atmosfer. Kita bisa memahami arti perubahan entalpi dan entalpi itu sendiri dengan meninjau hukum pertama termodinamika sebagaimana ditunjukkan oleh persamaan (3.1).
∆𝑈 = 𝑄 − 𝑊 (3.1)
Perubahan energi internal (U) suatu sistem adalah jumlah panas (Q) yang mengalir ke sistem tersebut dan usaha (−W) yang dilakukan oleh sistem. Panas didefinisikan sebagai perpindahan energi antara sistem dan lingkungannya karena perbedaan temperaturnya. Usaha mencakup semua jenis transfer energi selain panas.
Jika kita menganggap bahwa usaha tersebut adalah usaha mekanik dari perubahan volume sistem di bawah tekanan konstan, maka hukum pertama harus ditulis sebagai berikut.
∆𝑈 = 𝑄𝑃− 𝑃∆𝑉 (3.2)
𝑄𝑃 mewakili panas yang dibutuhkan untuk perubahan energi internal di bawah tekanan konstan. Entalpi didefinisikan sebagai H.
𝐻 ≡ 𝑈 + 𝑃𝑉 (3.3)
Jadi, di bawah tekanan konstan, perubahan entalpi akan ditulis sebagai berikut.
∆𝐻 ≡ ∆𝑈 + 𝑃∆𝑉 (3.4)
atau
∆𝑈 = ∆𝐻 − 𝑃∆𝑉 (3.5)
Membandingkan persamaan 3.2 dan persamaan 3.4, kita dapat menyimpulkan sebagai berikut.
∆𝐻 ≡ 𝑄𝑃 (3.6)
Jadi, panas yang mengalir masuk atau keluar dari sistem di bawah tekanan konstan sama dengan perubahan entalpi. Aliran panas di bawah tekanan konstan akan diukur sebagai perubahan entalpi, ∆H. Seringkali kita menyebut ∆H sebagai 'entalpi', bukan 'perubahan entalpi', meskipun yang terakhir secara teknis benar (Leng, 2008).
Differential Thermal Analysis (DTA) dan Differential Scanning Calorimetry (DSC) merupakan teknik analisis termal yang paling banyak digunakan. Kedua teknik tersebut memiliki tujuan yang sama, yaitu meneliti peristiwa termal dalam sampel
Differential Thermal Analysis (DTA) dan Differential Scanning Calorimetry (DSC) merupakan teknik analisis termal yang paling banyak digunakan. Kedua teknik tersebut memiliki tujuan yang sama, yaitu meneliti peristiwa termal dalam sampel