MATERIAL ELEKTRODA BERBASIS KARBON UNTUK PENYIMPANAN ENERGI KIMIA
7.4 Material Berbasis Karbon Untuk Penyimpanan Energi Kimia
Atom karbon unik dalam membentuk ikatan kovalen, baik σ dan π, dengan atom karbon di sekitarnya dalam berbagai negara hibridisasi seperti sp, sp2, sp3, atau dengan elemen non-logam lainnya, umumnya disebut heteroatom. Ini menyediakan berbagai macam struktur karbon alotropik, dari molekul kecil hingga rantai panjang hingga arsitektur mesopori yang kompleks (Paul et al., 2019). Material berbasis karbon telah menunjukkan keserbagunaan luar biasa dalam berbagai bidang aplikasi karena kombinasi unik dari sifat kimia, fisik, termal dan listrik yang luar biasa, kemudian strukturnya dapat dimanipulasi dan atau dikombinasikan dengan bahan berbasis karbon lainnya dan dengan berbagai elemen berbeda untuk membentuk ikatan kovalen yang kuat. Hasilnya, materialnya menunjukkan karakteristik yang
sangat baik seperti keragaman structural, kekuatan tinggi, ketahanan kimia, kepadatan tinggi, dan kekerasan tinggi (Dos Santos et al., 2017; Cha et al., 2013; Paul, 2019; Lin et al., 2019).
Penelitian, pengembangan, dan inovasi mereka berlangsung di berbagai bidang, dan studi yang menggunakan pengembangan bahan berbasis karbon telah menunjukkan banyak hasil positif untuk berbagai macam struktur, yang memungkinkan pengembangan beberapa bahan dengan aplikasi berbeda (Dos Santos et al., 2017; Yan et al., 2016).
Alotrop adalah bentuk struktural elemen yang berbeda. Secara konseptual, banyak cara lain untuk membangun alotrop karbon dengan mengubah motif pengikatan periodik dalam jaringan yang terdiri dari atom karbon sp3, sp2, dan sp1. Berlian dan grafit mewakili satu-satunya alotrop karbon yang dikenal untuk waktu yang lama. Situasi ini berubah pada tahun 1985 dengan penemuan fullerene. Penemuan fullerene kebetulan menandai dimulainya era alotrop karbon sintetis atau lebih dikenal sebagai karbon nanomaterial. Anggota baru ditambahkan ke keluarga ini termasuk karbon nanotube (CNT) dan graphene. Alotrop karbon baru ini terikat oleh atom karbon sp2. Mengingat banyaknya kemungkinan modifikasi karbon dan jumlah investigasi yang sedang berlangsung, daftar ini tentu saja belum selesai. Berbagai bentuk karbon alotropik dengan dimensi yang berbeda, seperti 0D (misalnya fullerene, onion-like carbon, C-dot, GQD nanodiamond), 1D (misalnya, SWCNT dan MWCNT, nanohorns, partially and fully unzipped nanotubes), 2D (misalnya, film monolayer dan multilayer graphene, amorf, grafitik, dan diamond-like-carbon) dan 3D (misalnya, grafit, diamond, pillared graphene) diilustrasikan dalam gambar 7.4 (Kumar and Kumbhat, 2016; Paul et al., 2019).
Apa yang membuat nanomaterial karbon sangat menarik bagi ahli kimia, fisikawan, dan ilmuwan material bukan hanya banyaknya struktur yang menyenangkan secara estetika, tetapi lebih dari itu, sifatnya yang luar biasa dan dalam banyak kasus sifatnya belum pernah terjadi sebelumnya. Mereka terdiri dari sistem 𝜋-elektron yang sepenuhnya terkonjugasi dan dapat dianggap sebagai objek yang membatasi secara topologi masing-masing dalam nol, satu, atau dua dimensi. Waduk elektron yang diperluas ini menghasilkan aktivitas redoks yang nyata dan mobilitas elektron yang tinggi (Kumar and Kumbhat, 2016).
Pada saat yang sama, nanomaterial karbon menunjukkan stabilitas dalam kondisi sekitar. Nanomaterial karbon saat ini mewakili salah satu keluarga material paling menjanjikan
dengan potensi besar untuk aplikasi berkinerja tinggi di bidang nanoelektronika, optoelektronika, penyimpanan hidrogen, sensor, dan penguatan polimer berdasarkan sifat elektronik, optik, mekanik, dan kimia yang belum pernah terjadi sebelumnya. Material ini adalah target ideal untuk penyelidikan dasar material kimia dan fisika seperti ikatan dan pelepasan molekul tergantung bentuk dan muatan, muatan transportasi di ruang terbatas, dan penginderaan superior interaksi supramolekul hingga rezim molekul tunggal. Logam CNT dan graphene adalah perwakilan pertama dari logam organik yang stabil, di mana tidak diperlukan aktivasi lebih lanjut dengan doping atau transfer muatan (Kumar and Kumbhat, 2016).
Gambar 7.4 Morfologi dari alotrop karbon (Paul et al., 2019).
Kemajuan teknologi menuju sumber energi portabel dan dapat dipakai telah mendorong pengejaran untuk pembuatan elektroda fleksibel yang memiliki penyimpanan energi dan efisiensi konversi yang sangat baik. Sejauh ini, ada upaya luar biasa untuk menghasilkan kapasitor fleksibel dengan kinerja yang andal. Keandalan secara eksklusif tergantung pada proses fabrikasi elektroda dan teknik pemasangan perangkat di luar stabilitas mekanik, sifat konduktif, luas permukaan aktif, porositas yang sesuai, morfologi khusus aplikasi, konstituen
kimia serta integritas antarmuka elektroda. Pada kenyataannya, parameter-parameter ini seringkali saling tergantung dan oleh karena itu memerlukan perhatian khusus untuk kinerja elektrokimia yang diinginkan yang mengarah ke aplikasi komersial yang sukses. Selain superkapasitor, baru-baru ini, ada upaya serius untuk mewujudkan sel bahan bakar fleksibel, baterai, dan perangkat konversi energi elektrokimia maju lainnya, seperti pemisahan air dan sistem konversi kimia yang sangat menjanjikan untuk sektor domestik dan industri dengan perlindungan lingkungan yang ditentukan (Paul, 2019).
Elektroda karbon yang fleksibel dan dapat dipakai menjanjikan sebagai elektroda dalam perangkat energi. Elektroda transparan berbasis karbon juga sangat menarik di bidang ini.
Teknologi ini masih dalam tahap baru meskipun banyak laporan terbaru tersedia. Ada banyak masalah penting untuk memberikan fleksibilitas yang dapat dikenakan pada elektroda yang efisien untuk sistem energi elektrokimia, termal, dan fotovoltaik dengan stabilitas jangka panjang. Secara umum, sistem energi fleksibel lebih rendah dalam konversi energi dan kemampuan penyimpanan dibandingkan dengan bentuknya yang tidak fleksibel. Integritas antarmuka perakitan sistem sangat penting. Oleh karena itu, pengembangan besar pada fabrikasi elektroda fleksibel, dapat dipakai, dan transparan berbasis karbon untuk penyimpanan dan konversi energi elektrokimia maju sangat diperlukan bersama dengan penjelasan tentang berbagai faktor yang mempengaruhi kinerja keseluruhan elektroda dan perangkat tersebut termasuk prospek yang menjanjikan (Paul, 2019).
7.4.1 Grafit
7.4.1.1 Tinjauan Umum
Grafit adalah salah satu bahan alami tertua dan paling banyak digunakan. Lebih tradisional dikenal sebagai bahan utama pensil, dari mana nama "grafit" berasal, itu sekarang lebih banyak digunakan dalam beberapa aplikasi industri skala besar, seperti peningkatan karbon dalam pembuatan baja, elektroda baterai, dan pelumas tingkat industri.
Karena permintaan yang tinggi, konsumsi grafit sintetis telah meningkat secara signifikan dalam beberapa tahun terakhir. Investigasi ilmiah yang luas ke dalam grafit telah mengungkapkan bahwa kombinasi unik sifat-sifat fisiknya berasal dari struktur makromolekulnya, yang terdiri dari lapisan-lapisan susunan array heksagonal karbon sp2 (Pierson, 1993).
7.4.1.2 Sintesis Grafit dan Grafit Oksida Sintesis Grafit
Chalmpes et al (2020) mengeksploitasi percobaan demonstrasi kimia klasik berdasarkan reaksi asetilena dengan klor untuk mendapatkan grafit yang sangat kristalin pada kondisi sekitar. Asetilena dan klorin dihasilkan in-situ dengan penambahan kalsium karbida (CaC2) dalam larutan HCl pekat, diikuti dengan penambahan cepat pemutih rumah tangga (NaClO).
Gas-gas yang dilepaskan bereaksi secara spontan, menghasilkan semburan nyala kuning, meninggalkan endapan grafit yang sangat kristalin dalam fase berair. Ini adalah alternatif yang agak terkendali terhadap grafit sintetis, yang terakhir biasanya disiapkan pada suhu tinggi.
Grafit sintetik selanjutnya digunakan untuk memperoleh graphene atau tinta konduktif. Reaksi sistesis grafit sebagai berikut.
CaC2 + 2HCl → CaCl2 + C2H2
NaOCl + 2HCl → Cl2 + NaCl + H2O C2H2 + Cl2 → 2Cgrafit + 2HCl Sintesis Grafit Oksida
Grafit oksida dapat disintesis dengan beberapa metode seperti metode Brodie, metode Hofmann, metode Hummers, metode Staudenmaier dan metode Tour (Jankovský et al., 2016).
Dibawah ini akan dijelaskan metode Brodie dan Hofmann, selengkapnya dapat dibaca pada jurnal tersebut.
a. Metode Brodie
Asam nitrat (> 98%, 62,5 mL) ditambahkan ke dalam labu reaksi yang mengandung batang pengaduk magnet. Campuran kemudian didinginkan hingga 0◦C dan ditambahkan grafit (5 g). Campuran diaduk untuk mendapatkan dispersi yang homogen.
Sambil menjagalabu reaksi pada 0◦C, kalium klorat (25 g) perlahan-lahan ditambahkan ke dalam campuran. Kemudian labu reaksi ditutup secara longgar untuk memungkinkan pelepasan gas dan campuran diaduk selama 20 jam pada suhu 40◦C. Setelah reaksi selesai, campuran dituangkan ke dalam 3 L air deionisasi dan didekantasi. Grafit oksida kemudian didispersikan kembali dalam larutan HCl (5%, 3 L) dan berulang kali disentrifugasi dan didispersikan kembali dalam air deionisasi. Bubur grafit oksida
kemudian dikeringkan dalam oven vakum. Komposisi yang diperoleh dengan analisis pembakaran unsur adalah 59.99 % C, 23.06 % O, 16.82 % H dan 0.13% N.
b. Metode Hofmann
Asam sulfat (98%, 87,5 mL) dan asam nitrat (68%, 27 mL) dicampurkan ke dalam labu reaksi (gelas Pyrex dengan termometer) yang mengandung batang pengaduk magnet.
Campuran kemudian didinginkan dengan perendaman dalam penangas es selama 30 menit. Grafit (5 g) kemudian ditambahkan ke dalam campuran dengan gerakan pengadukan yang kuat. Sambil menjaga labu reaksi dalam penangas es, kalium klorat (55 g) perlahan-lahan ditambahkan ke dalam campuran. Setelah itu, labu reaksi kemudian ditutup secara longgar untuk memungkinkan pelepasan gas dan campuran diaduk terus menerus selama 96 jam pada suhu kamar. Campuran dituangkan ke dalam 3 L air deionisasi dan didekantasi. Grafit oksida kemudian didispersikan kembali dalam larutan HCl (5%, 3 L) dan berulang kali disentrifugasi dan didispersikan kembali dalam air deionisasi. Bubur grafit oksida kemudian dikeringkan dalam oven vakum. Komposisi yang diperoleh dengan analisis pembakaran unsur adalah 47,45 % C, 28,81 % O, 23,71 % H dan 0,02 % N.
7.4.1.3 Aplikasi Grafit dalam Penyimpanan Energi Kimia
Bahan anoda karbon banyak digunakan dalam baterai litium contohnya grafit dan Li4Ti5O12 (Kam and Doeff, 2012). Struktur nano dari material elektroda adalah strategi yang menjanjikan untuk lebih meningkatkan kapasitas baterai (Wang et al., 2009). Dalam karbon grafit, lithium dapat membentuk senyawa interkalasi dengan stoikiometri LiC6, memberikan kapasitas teoritis maksimum LIB sebesar 372 mAh/g (Abouimrane et al., 2010). Kam and Doeff (2012) mendapatkan hasil muatan spesifik tinggi (360 Ah/kg karbon) dan umur siklus elektroda grafit yang memuaskan (1000 siklus) untuk baterai Li-ion. Jeschull (2015) menggunakan elektroda negatif grafit dengan elektroda positif sulfur, menggunakan sistem pelarut DME: DOL yang umum digunakan untuk elektrokimia baterai lithium-sulfur. Sel litium-ion sulfur-grafit menunjukkan efisiensi coulombic rata-rata 99,5%.
Aval et al (2018) melaporkan nilai kapasitasi dari GNP (Graphite Nanoparticle Paper) untuk superkapasitor dalam elektrolit gel. Kapasitansi spesifik dalam elektrolit PVDF untuk scanrate 150 mV/s bernilai 42 F/g dan untuk scanrate 20 mV/s bernilai 176 F/g, dalam elektrolit PVDF + PVA untuk scanrate 150 mV/s bernilai 102 F/g dan untuk scanrate 20 mV/s bernilai 263 F/g, dan dalam elektrolit PVDF + PVA/BaTiO3 untuk scanrate 150 mV/s bernilai 117 F/g dan untuk scanrate 20 mV/s bernilai 312 F/g.
Mashkour and Rahimnejad (2015), mempelajari efek dari bahan elektroda yang berbeda seperti grafit, carbon cloth, carbon paper (CP), dan carbon nanotube platinum (CNT/Pt) yang dilapisi CP pada kinerja MFC (Microbial Fuel Cell). Berdasarkan hasil yang diperoleh, CNT/Pt-terlapis CP terungkap sebagai elektroda katoda terbaik yang mampu menghasilkan kerapatan arus tertinggi (82.38 mA/m2) dan kerapatan daya maksimum (16.26 mW/m2) dalam sistem MFC yang diselidiki. Selain itu, efek oksigen terlarut (aerasi) ditemukan dapat meningkatkan kerapatan daya dua kali lipat dari 0.93 menjadi 1.84 mW/m2 menggunakan grafit sebagai model elektroda katoda.
Liu et al (2017) menyelidiki potensi yang belum dimanfaatkan dari CGA (carbon microspheres modified graphite anode) yang dibuat dengan metode hidrotermal dan kalsinasi dalam operasi MFC. Hasil penelitian menunjukkan bahwa CGA dapat dimanfaatkan sebagai anoda MFC yang baru dan efisien. Daya output dari MFC yang terlibat dengan CGA adalah sekitar 358 mW/m2, yang 3.1 kali dari MFC dengan grafit anoda (GA). Selain itu, MFC ini menunjukkan tingkat pengurangan 68% COD dari air limbah. Melalui analisis lebih lanjut, CGA dapat meningkatkan luas permukaan spesifik dan meningkatkan adsorpsi mikroorganisme, yang secara efisien dapat mendukung laju transfer elektron antara mikroorganisme dan sirkuit eksternal, yang menghasilkan peningkatan aktivitas elektrokimia MFC.
7.4.2 Graphene
7.4.2.1 Tinjauan Umum
Graphene adalah monolayer atom karbon dua dimensi (2D) yang dikemas rapat menjadi kisi sarang lebah. Graphene adalah blok bangunan semua bahan grafis lainnya. Seperti yang ditunjukkan pada gambar 7.5, graphene dapat dibungkus menjadi 0D fullerene, digulung menjadi 1D nanotube, ditumpuk menjadi grafit 3D, dll. (Geim and Novoselov, 2007).
Gambar 7.5 Pusat dari semua bentuk material berbasis-karbon. Graphene adalah material 2D untuk semua material karbon dengan berbagai dimensi, jika dibungkus menjadi buckyballs 0D, digulung menjadi nanotube 1D atau ditumpuk menjadi grafit 3D (Geim and Novoselov, 2007)
Konduktivitas termal yang tinggi 5000 W/mK, reversible kapasitas 1264 mAh/ pada 50-100 mA/g, mobilitas intrinsik tinggi 200000 cm2/Vs, kekakuan mekanik tinggi 1060 GPa, Transmitansi optik yang baik 97.7% dan luas permukaan tinggi 2630 m2/g (Geim and Novoselov, 2007). Graphene dan turunannya adalah material yang menjanjikan di bidang nanoteknologi dan ilmu material dan telah menarik minat penelitian dalam jumlah besar dalam beberapa tahun terakhir. Graphene dan turunannya menjadi komponen yang sangat menarik untuk bahan komposit untuk konversi energi surya, penyimpanan energi, pemurnian lingkungan, transistor, fotodetektor, optoelektronik dan aplikasi biosensor (Tahir et al., 2016;
