Jurusan Teknik Kimia ITS
ABSTRAK
Metode yang dilakukan pada Sintesis MnO hingga saat ini adalah metode hidrotermal, refluks, sol-gel dan metode keramik (belum membumi). Keempat metode ini belum praktis dan tergolong masih mahal beayanya. Oleh karena itu perlu dikembangkan sintesis MnO dengan beaya murah dan pengerjaannya relatif sederhana, yaitu metode elektrolisis. Metode elektrolisis adalah suatu sistem reaksi elektrokimia yang baru dapat berlangsung bila dalam sistem reaksi tersebut diberikan energi yang cukup.Sebagai sumber energi adalah sumber tegangan arus searah, dapat berupa baterei/adaptor/ Power Supply yang dilengkapi pengatur potensial dan pencatat arus.Pencatat arus mempunyai makna yang sangat penting dalam rangka menghitung sisi kuantitatif dari reaksi kimia yang terlibat dalam sistem reaksi elektrokimia, termasuk produk reaksi dan kebutuhan reaktan bilamana data waktu reaksi dicatat.Sebagai pijakan untuk menghitung banyaknya produk sintesis digunakan konsep dasar Hukum Faraday.
Sintesis MnO yang ditelaah adalah Sintesis MnO dengan metode Elektrolisis. Kajian awal penelitian yang dilakukan adalah elektrolisis larutan KMnO dalam suasana asam sulfat, netral dan basa. Dalam elektrolisis digunakan dua buah lempengan grafit ukuran 4,5 x 0,3 x 1,5 cm sebagai elektroda anoda dan katoda serta Power supply sebagai sumber tegangan arus searah.Partikulat hasil elektrolisis dikarakterisasi dengan XRD untuk mengetahui kemurniannya.
Pola XRD dari partikulat menunjukkan bahwa untuk elektrolisis larutan KMnO dalam suasana basa dihasilkan partikel α-MnO dengan penggunaan potensial terpasang sebesar 5,0 Volt.. Untuk elektrolisis larutan KMnO dalam suasana netral dan asam dihasilkan partikulat berupa campuran dari beberapa oksida mangan. Untuk elektrolisis larutan KMnO dalam suasana asam dikaji ulang. Hasil elektrolisis menunjukkan bahwa partikulat yang dihasilkan dengan menggunakan asam sulfat dengan jumlah asam sulfat dengan pH larutan asam sulfat sebesar 0,2, pola XRD yang ditunjukkan mirip dengan puncak-puncak JCPDS nomer44-0140, yaitu milik senyawa α- MnO.
Disimpulkan bahwa sintesis partikel α-MnOberhasil dilakukan dengan metode elektrolisislarutan KMnO dalam suasana basa, dengan penggunaan potensial terpasang sebesar 5,0 Volt.Sintesis partikel α-MnO berhasil dilakukan juga dalam suasana asam sulfat(pH = 0,2).
Kata-kata kunci: sintesis MnO,elektrolisis, XRD
PENDAHULUAN
Mangan oksida merupakan bahan baterai yang banyak digunakan sebagai bahan katoda untuk baterai primer dan baterai litium yang rechargeabel, selain itu juga dianggap paling berpotensi untuk bahan katoda pada generasi selanjutnya dari baterai litium.Oleh karena itu saat ini banyak peneliti mensintesis oksida logam transisi ini.
Metode sintesis MnO yang telah dikembangkan selama ini adalah metode hidrotermal, refluks, sol-gel, dan metode keramik (dikatakan metode keramik karena prosesnya mirip pada pembuatan keramik). Peneliti akan mengembangkan metode yang baru, yaitu metode elektrolisis.
Metode hidrotermal seperti yang dilakukan oleh (Pang, dkk.,200 ( ), dalam metode ini, larutan KMnO direduksi dengan menggunakan larutan asam, yaitu dengan cara mencampurkan larutan KMnO dengan MnSO. Selanjutnya, pH larutan diatur mendekati 1 dengan cara menambahkan HNO. Proses ini dilakukan pada suhu antara 80 oC selama 24 jam.
Metode keramik, menggunakan prekursor KMnO dan bahan padatan organik, seperti asam oksalat atau asam sitrat, glukosa dan maltosa. Kedua prekursor yang berbentuk padatan digerus ditempat yang berbeda, kemudian dicampurkan tanpa pelarut dan selanjutnya dikalsinasi pada temperatur yang cukup tinggi (300 sampai 700 C) bergantung variabel temperatur yang diinginkan (Smart dan Moore, 2005; Fritsch dkk,1998) ). Hasil yang diperoleh setelah proses kalsinasi adalah kristal MnO dan gas CO serta uap HO.
Bilangan oksidasi Mn dalam MnO - adalah +7, merupakan bilangan oksidasi tertinggi untuk suatu atom. Jadi Mn dalam MnO- sudah tidak dapat dioksidasi lagi, perubahannya hanyalah reduksi saja. Seperti halnya reaksi kimia berikut,
MnO - + 3 e +4 H+ MnO + 2 HO E =+1,67 Volt
Sintesis MnO juga dilakukan oleh Xing, L. et al (2011)( ), hanya saja sintesis MnO yang dilakukan banyak menggunakan bahan kimia antara lain, Graphene nanosheets (GNSs), SDS (Sodium dodecylsulfate ) , sebuah surfaktan jenis anionik, NaSO serta KMnO . Pengerjaan sintesis MnO yang dilakukan oleh (Xing, L. et al) agak sedikit rumit.
Mahmudi, dkk.
Prosiding Seminar Nasional Kimia dan Pembelajarannya (SNKP) 2014
Seperti yang sudah diuraikan di atas sintesis MnO semuanya menggunakan prinsip reaksi kimia redoks. Bila ditelaah lebih dalam, reaksi kimia redoks ada yang berlangsung spontan dan ada kebalikannya, yaitu tidak spontan.Artinya reaksi kimia redoks baru bisa berlangsung bilamana di dalam sistem reaksi kimia tersebut diberikan energi yang cukup.Contoh reaksi tidak spontan adalah reaksi elektrolisis. Oleh karena itu diperlukan metoda baru agar sintesis MnO dapat berlangsung cepat dan murah, yaitu proses elektrolisis.
METODE PENELITIAN
Secara garis besar langkah-langkah sintesis MnO secara elektrolisis adalah sebagai berikut: 1. Disiapkan seperangkat peralatan elektrolisis dan sepasang elektroda grafit.
2. Dibuat larutan KMnO 0,01495 M dan HSO(pH = 0,2; 2,5; 3 dan 6,5) serta larutan KOH . Semuanya dari bahan dengan kualitas p.a. Untuk studi awal elektrolisis KMnO dilakukan dalam suasana larutanKMnO dalam suasana asam (pH = 4), netral, dan basa (pH = 9). Untuk suasana asam dilakukan perbaikan metode kerja, berikut ini. 3. Ditempatkan 300 ml larutan HSO (disesuaikan dengan nilai pH yang diinginkan) di dalam beaker glaas (600 ml)
untuk dielektrolisis terlebihdahulu, paling lama 1 menit,dengan menggunakan sepasang elektroda grafit (inert) dengan ukuran 4,5 x 0,3 x 1,5 cm. Kemudian menyusul dicampurkan 50 ml KMnO 0,01495 M ke dalam larutan HSO yang sudah terlebih dahulu dielektrolisis, dengan cara meneteskan larutanKMnO 0,01495 M pada bagian belakang permukaan katoda. Larutan KMnO 0,01495 M dalam HSO dielektrolisis selama 4 jam-6jam, sampai warna larutan KMnO warnanya pudar.
4. Saat awal elektrolisis(permulaan larutan KMnO dicampurkan ke dalam HSO) terjadi lapisan atas berwarna coklat, lapisan bawah tidak berwarna. Bilamana elektrolisis dihentikan, kedua lapisan bercapur, kemudian terpisah kembali, dengan kondisi kebalikannya. Terjadi dua lapisan, bagian atas tidak berwarna, lapisan bawah berwarna coklat.
5. Selanjutnya, dua lapisan dipisahkan, bagian atas ( tak berwarna dibuang), bagian bawah disentrifuse untuk memisahkan partikulat hasil elektelisis dengan sisa KMnO.Partikulat di dalam tabung sentrifus dapat disatukan, selanjutnya dicuci dengan aquades tiga kali sampai KMnO diyakini tidak terdapat lagi dalam endapan, pencucian terindikasi bersih, bilamana aquades setelah dipakai pencucian filtratnya tidak berwarna lagi.
6. Partikulat yang sudah dicuci selanjutnya dioven sekitar 8 jam pada suhu 80- oC.
7. Partikulat yang sudah kering, dapat dilakukan karakterisasi dengan XRD (X-Ray Diffraction).
HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 1 adalah pola XRD untuk hasil sintesis MnO dengan metode elektrolisis KMnO pada potensial terpasang 5,0 Volt dengan kondisi awal larutan KMnO dalam suasana asam, netral dan basa.
Gambar1. Pola XRD dari Partikulat Hasil Sintesis dengan Metode Elektrolisis KMnO dengan Potensial Terpasang 5 Volt dalam Suasana Asam, Basa, dan Netral.
Pola XRD dari partikulat hasil elektrolisis KMnO dalam suasana asam, basa dan netral yang mirip dengan JCPDS nomer 44-0140, yaitu milik senyawa α- MnO adalah elektrolisis KMnO dalam suasana basa. Untuk suasana asam perlu penelitian lebih lanjut.Hasil XRD untuk elekrolisis dalam suasana asam pada penelitian lanjutan pola XRDnya dapat dilihat pada Gambar 2. 20 30 40 50 60 70 Mn2O3 -MnO2 -MnO2 pH 4 pH 9 pH 7 In te ns it y (a. u. ) 2 (degree)
Mahmudi, dkk.
Prosiding Seminar Nasional Kimia dan Pembelajarannya (SNKP) 2014 Gambar2. Pola XRD dari Partikulat Hasil Sintesis MnO dengan Metode ElektrolisisKMnOdalam
Suasana Asam Sulfat dengan pH HSO 0,2 ; 2,5; 3,0; dan 6,5.
Partikulat hasil sintesis dengan metode elektrolisis KMnOdalam suasana asam sulfat yang menghasilkan partikel α-MnO adalah dalam suasana asam sulfat dengan pH = 0,2, sedangkan pH di atas nilai 0,2 belum dihasilkan senyawa α-MnO . Nilai pH= 0,2 untuk larutan asam sulfat diperoleh dari pemipetan 33 mL HSO pekat 95 %(pa) yang diencerkan dengan aquades sampai volumenya 300 mL. Larutan HSO sebanyak 300 mL ini selanjutnya ditempatkan dalam gelas kimia ukuran 600 mL yang didalamnya dimasukkan sepasang elektroda grafit dan dihubungkan dengan sumber tegangan arus searah( power supply). Potensial terpasang yang dikenakan pada sel elektrolisis adalah sekitar 1,5 Volt. Potensial terpasang 1,5 Volt ini dipilih, merupakan potensial terpasang ideal yang diambil dari diagram Pourbaix dari Gambar 3 di bawah ini. Elektrolisis larutan asam sulfat ini dilangsungkan selama 1 menit, kemudian disusul dengan penetesan larutan KMnO pada bagian permukaan katoda pada sisi bagian belakang. Penetesan larutan KMnO pada sisi bagian depan katoda tidak menghasilkan partikulat padat.
Gambar 3. Diagram Pourbaix antara Potensial terhadap nilai pH.
Sintesis MnO dari elektrolisis dalam suasana larutan netral, partikulat yang dihasilkan berupa campuran dari senyawa MnO; Mn dan KMnO.Mengapa terjadi hasil demikian, hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut. Reaksi reduksi KMnO menjadi MnO dan K MnO memiliki nilai potensial yang agak berimpit, seperti terlihat pada duadata di bawah ini :
2. MnO-+ e MnO- E = 0,564 Volt
Sedangkan Mn diperoleh dari reduksi Mn , dimana Mn dapat diperoleh dari reaksi reduksi MnO -+ 8H+ +5 e Mn + 4 HO E = Volt
Mahmudi, dkk.
Prosiding Seminar Nasional Kimia dan Pembelajarannya (SNKP) 2014
Ion H+ke kutub yang bermuatan berlawanan (negatip), yaitu katoda.dapat diperoleh dari hasil reaksi oksidasi air di anoda yang kemudian ion H+ ini bermigrasi menuju
Sedangkan untuk elektrolisis larutan KMnO dalam suasana asam dengan penggunaan asam sulfat dengan pH di atas nilai pH= 0,2, diperoleh partikulat berupa campuran dari senyawa Mn O dan MnO.Hasil yang demikian dapat dijelaskan sebagai berikut.Saat larutan KMnO telah bercampur dengan asam dan elektrolisis telah dijalankan, proses yang terjadi adalah ion H+ bergerak menuju ke katoda tetapi ion ini juga melakukan reaksi reduksi membentuk gas hidrogen, sehingga apabila jumlah ion ini tidak dalam kondisi melimpah di permukaan katoda, maka reaksi yang diharapkan seperti reaksi di bawah ini tidak bisa terjadi.
MnO - + 3 e +4 H+ MnO + 2 HO E =+1,67 Volt
Paparan tentang studi pendahuluan sintesis MnO dengan metode elektrolisis KMnO oleh peneliti cukupkan sampai tahapan di sini saja, sebagai tahapan perkenalan tentang metode sintesis MnO dengan cara elektrolisis KMnO dalam suasana asam sulfat.
KESIMPULAN
1. Sintesis α-MnO berhasil dilakukan dengan metode elektrolisis KMnO dalam suasana basa dengan penggunaan potensial terpasang sebesar 5 Volt.
2. Sintesis α-MnO berhasil dilakukan dengan metode elektrolisis KMnO dalam suasana asam sulfat yang memiliki nilai pH= 0,2, (yang setara dengan 33 mL HSO pekat 95 % yang diencerkan dengan aquades sampai volumenya 300 mL), dengan penggunaan potensial terpasang sebesar 5 Volt.
3. Partikulat padat sebagai bentukan hasil elektrolisis hanya dapat diperoleh bilamana larutan KMnO diteteskan pada sisi bagian belakang permukaan katoda.
SARAN
Penelitian ini masih perlu penyempurnaan, yaitu mengingat bahwa keberhasilan dari sintesis MnO sangat memerlukan jumlah asam yang cukup tinggi dan asam memiliki sifat yang sangat korosif, maka perlu dilakukan pengembangan lebih lanjut untuk sintesis MnO dengan metode elektrolisis, misalnya untuk sintesis MnO dari elektrolisis KMnO dalam suasana basa, perlu dilakukan penelaahan lebih lanjut. Mengingat bahwa struktur α-MnO lebih banyak menguntungkan daripada struktur MnO yang lain, maka setiap pembentukan partikulat hasil elektrolisis yang memiliki pola XRD identik dengan JCPDS nomer44-0140, yaitu milik senyawa α- MnO perlu dilihat morfologinya dengan SEM atau TEM, sehingga segera dapat dirancang kemanfatan dari hasil sintesis.
DAFTAR PUSTAKA
1. Fritch, S., Post, J. E., Suib, S. L., dan Navrotsky, A. 1998. Thermochemistry of Framework Layer Manganese Dioxide related Phases. J. Chem. Mater -
2. Pang, S C. et al,2000. Novel Electrode Materials for Thin Film Ultracapacitors : Comparison of Electrochemical Properties of Sol-Gel-Derived and Electrodeposited Manganase Dioxide. Journal of The Electrochemical Society, Vol.147,pp.444-450,ISSN 0013-
3. Smart, L. E dan Moore, E. A. 2005,. Solid State Chemistry. Third edition. Taylor and Francis Group, LLC.
4. Xing, L., et al. ,Facile Synthesis of α-MnO/graphene Nanocompisites and Their High Performance as Lithium-ion Battery Anode. Journal homepage :www.elsevier. com/locate/matlet -
5. Yang, Y., Xiao, L., Zhao, Y., dan Wang, F. (2008). Hydrothermal Synthesis and Electrochemical Characterization of α-MnO Nanorods as Cathode Material for Lithium batteries. Int. J. Electrochem. Sci., 3 67-
Abdul Gani Haji, dkk.
Prosiding Seminar Nasional Kimia dan Pembelajarannya (SNKP) 2014