1
EFEK PENAMBAHAN CARBON NANOTUBE (CNT) TERHADAP SIFAT FISIS PELET KARBON
Diah Angraina Fitri1, Iwantono2, Erman Taer2
e-mail : di4h_angraina30@yahoo.com
1 Mahasiswa Program S1 Fisika FMIPA – Universitas Riau 2 Dosen Jurusan Fisika FMIPA – Universitas Riau
Jurusan Fisika – Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Riau Kampus Binawidya Pekanbaru, 28293, Indonesia
ABSTRACT
Carbon pellets have been successfully synthesize from rubber wood sawdest (RWSD) and carbon nanotube (CNT). The results showed after the CNT added, there are increases in density (23,6 %), electrical conductivity (33,36 %) and quality of surface morphology of the sample. The SEM image of the sample showed that the CNT was distributed uniformly on the carbon pellets surface and filled in their pores.
Keywords: Carbon Nanotube (CNT), Density, Electrical Conductivity PENDAHULUAN
Dalam kurun beberapa tahun terakhir, telah ditemukan beberapa material baru, seperti carbon nanotube (CNT), fullerene, dendrimer dan material baru lainnya. Penemuan ini sempat menjadi perhatian para ahli karena karakteristiknya yang unik dan fantastis. Sebelumnya terdapat dua bentuk unsur karbon murni yang dikenal: grafit dan intan. Dalam perkembangan berikutnya, molekul C60 dikenal dengan nama fullerene dan
digunakan pula untuk menamai molekul-molekul serupa yang ditemukan sesudahnya, seperti C70, C74, dan C82. Penemuan fullerene ini kemudian memicu ditemukannya
material baru bernama CNT. CNT merupakan material baru yang memiliki kelebihan untuk dibuat pelet, misalnya yaitu memiliki resistivitas rendah, konduktivitas tinggi, dan kestabilan yang tinggi. Dengan keunggulan CNT tersebut, maka CNT banyak diaplikasikan pada berbagai bidang, salah satunya untuk meningkatkan kualitas pelet karbon. Pada penelitian ini Pelet karbon dibuat dari bahan dasar serbuk gergaji kayu karet (SGKK). Komposisi dari kayu karet ini memiliki kualitas karbon yang sangat baik untuk membuat karbon aktif, dimana kadar karbon yang dimiliki sekitar 79% sedangkan 21% adalah zat bukan karbon. Namun dalam perkembangannya, kualitas pelet karbon masih dapat ditingkatkan lagi, terutama untuk meningkatkan sifat fisisnya (densitas dan konduktivitas listrik). Untuk itu perlu dilakukan upaya dalam meningkatkan sifat fisis dari pelet karbon. Salah satunya dapat dilakukan dengan penambahan CNT ke dalam serbuk gergaji kayu karet. Dengan penambahan CNT diharapkan dapat meningkatkan kualitas pelet karbon.
2
METODE PENELITIAN
Metode yang diterapkan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen. Bahan dan alat yang digunakan pada penelitian ini, diantaranya adalah bahan baku SGKK, CNT, ball miling, timbangan digital, furnace, kertas pasir P1200, Hydraulic Press, dan lain-lain. SGKK yang telah diayak diberi tambahan material konduktif yaitu CNT dengan presentase 10%. Selanjutnya dilakukan penimbangan agar diperoleh jumlah berat yang sama, sehingga pelet yang telah jadi nantinya memiliki bentuk ukuran yang sama. Setelah serbuk ditimbang, langkah selanjutnya adalah mencetak serbuk menjadi bentuk kepingan koin dengan menggunakan Hydraulic Press, dan kemudian diukur diameter, tebal, massa masing-masing sampel. Pelet karbon kemudian diukur densitasnya pada saat sebelum karbonisasi dan sesudah karbonisasi dan aktivasi. Kemudian pelet kabon diukur hambatan listrik dan konduktivitas listrik. Proses karbonisasi dilakukan pada semua sampel pada temperatur 600 0C dengan menggunakan gas N2 selama 8-9 jam
Tujuan dari proses karbonisasi ini dilakukan adalah untuk menyingkirkan bahan yang bukan karbon serta menghindari pelet terurai menjadi abu. Setelah proses karbonisasi, selanjutnya dilakukan proses aktivasi fisika dengan menggunakan gas CO2 dengan
temperatur 900oC selama 1 jam. Proses aktivasi, mulai dengan memasukkan sampel ke dalam furnace dan gas CO2 dialirkan masuk ke dalam furnace, dan proses pengeluaran
sampel yang sudah diaktivasi sama halnya dengan karbonisasi, dimana sampel dapat dikeluarkan jika temperaturnya sudah kembali menjadi temperatur kamar. Selanjutnya dilakukan pemolesan dengan menggunakan kertas pasir Kovex P1200 untuk pengaturan ketebalan pelet. Tahap selanjutnya dilakukan pengeringan selama 24 jam dalam furnace (oven) yang bertemperatur 110oCuntuk mendapatkan pelet yang kuat. Selanjutnya pelet karbon dapat dianalisa, dengan pengukuran densitas, hambatan listrik, konduktivitas listrik dan pelet karbon dikarakterisasi dengan metode SEM untuk mengamati struktur permukaannya.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pelet karbon dibuat dari bahan SGKK tanpa penambahan CNT dan dengan penambahan CNT melalui proses sebelum karbonisasi, karbonisasi dan aktivasi. Efek dari karbonisasi adalah hilangnya zat pengotor dari pelet karbon. Penambahan CNT bertujuan untuk meningkatkan kualitas pelet karbon. Sebelum karbonisasi densitas pelet karbon sebesar 0,800 gr/cm3 dan setelah dikarbonisasi dan aktivasi (SGKK-KA) densitas pada pelet karbon menurun menjadi hanya sebesar 0,524 gr/cm3.
3
Dari grafik 1 terlihat bahwa densitas pelet karbon tanpa penambahan CNT mengalami penurunan sebesar 34,6 %. Penurunan ini disebabkan karena terjadi pengurangan massa lebih besar daripada pengurangan volume pada pelet karbon selama proses karbonisasi dan aktivasi, sehingga menyebabkan nilai densitas mengalami pengurangan. Proses karbonisasi dengan gas 𝑁2 berfungsi untuk membuang zat-zat pengotor yang terdapat pada permukaan partikel karbon, sedangkan proses aktivasi dengan gas CO2 berfungsi
untuk memperbaiki struktur pori pada permukaan partikel karbon pada pelet karbon. Penyusutan ini terjadi karena massa, tebal, dan diameter pelet karbon semakin berkurang karena bahan kimia yang bukan karbon yang terdapat dalam pelet karbon menguap sehingga akan menyisakan bahan karbon saja.
Sebelum karbonisasi dijalankan pelet karbon dengan penambahan CNT (SGKK+CNT) memiliki densitas sebesar 0,804 gr/cm3, sedangkan setelah melalui proses karbonisasi dan aktivasi didapati nilai densitas sebesar 0,686 gr/cm3 seperti terlihat dari gambar 2.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 SGKK SGKK-K A De nsit as (gr /cm³)
Gambar 1. Grafik perbandingan nilai densitas pelet karbon pada proses sebelum karbonisasi, setelah dikarbonisasi dan aktivasi.
4
Setelah penambahan CNT pada SGKK diperoleh pengurangan nilai densitas yang lebih kecil (14,6 %) dibandingkan dengan tanpa penambahan CNT (34,6 %). Hal ini disebabkan karena pada proses karbonisasi dan aktivasi campuran SGKK dan CNT hanya mengalami pengurangan massa pada bahan dari SGKK, sedangkan CNT diasumsikan tidak mengalami pengurangan massa. Pada akhirnya adalah wajar diperoleh pengurangan nilai densitas SGKK+CNT lebih kecil dibandingkan dengan nilai densitas SGKK saja. Deraman (2010) melaporkan bahwa penambahan CNT sebesar 3 % sampai 5 % pada bahan karbon dari tandan kelapa sawit menghasilkan densitas sebesar 1,3781 gr/cm3. Hasil ini jika dibandingkan penelitian yang telah dilakukan berada dalam nilai yang tidak jauh berbeda. Jika dibandingkan nilai densitas pelet karbon yang telah mengalami proses karbonisasi dan aktivasi tanpa dan dengan penambahan CNT didapatkan nilai masing-masing sebesar 0,524 gr/cm3 dan 0,686 gr/cm3. Peningkatan nilai densitas ini diprediksi oleh kehadiran CNT menempati
rongga-ronggadiantara permukaan partikel pada permukaan pelet karbon.
Gambar 3 memperlihatkan bahwa setelah karbonisasi dan aktivasi nilai hambatan listrik pada pelet karbon tanpa penambahan CNT lebih besar dibandingkan pelet karbon dengan penambahan CNT yaitu sebesar 10 Ω dan 7 Ω.
0.62 0.64 0.66 0.68 0.7 0.72 0.74 0.76 0.78 0.8 SGKK SGKK-K A De nsit as (gr /cm³)
Gambar 2. Grafik densitas pelet karbon SGKK dengan penambahan CNT pada proses sebelum karbonisasi, sesudah karbonisasi dan aktivasi.
5
Gambar 3. Grafik hambatan pelet karbon SGKK tanpa dan dengan penambahan CNT setelah karbonisasi dan aktivasi.
Gambar 4 memperlihatkan setelah karbonisasi dan aktivasi konduktivitas listrik SGKK tanpa CNT sebesar 4,589 (Ωm)-1 , sedangkan konduktivitas listrik SGKK dengan
penambahan CNT sebesar 6,557 (Ωm)-1. Terlihat bahwa terjadi peningkatan nilai
konduktivitas listrik setelah SGKK ditambahkan CNT. Hal ini disebabkan karena CNT memiliki nilai konduktivitas lebih tinggi dibandingkan karbon dari bahan SGKK sehingga dengan penambahan CNT sebesar 10% menyebabkan terjadi peningkatan nilai konduktivitas listrik pada pelet karbon.
Gambar 4 Grafik konduktivitas pelet karbon SGKK tanpa dan dengan penambahan CNT. 0 2 4 6 8 10 12 SGKK K A SGKK+CNT K A Ha mbata n L ist rik (Ω) 0 1 2 3 4 5 6 7 SGKK K A SGKK+CNT K A K ondu ktivit as L ist rik (( Ω m)ˉ ¹ )
6
Deraman (2010) melaporkan bahwa penambahan CNT sebesar 3 sampai 5 % pada bahan karbon dari tanda kelapa sawit menghasilkan konduktivitas listrik sebesar 3,4146 (Ωm)-1. Nilai konduktivitas ini hampir sama dengan hasil penelitian ini.
Hasil Scanning Electron Microscopy (SEM) memperlihatkan bentuk permukaan atau morfologi dari pelet karbon tanpa penambahan CNT pada pembesaran 500X. Partikel karbon dari SGKK terlihat dengan jelas berbentuk lempengan panjang diperlihatkan pada gambar 5. Gambar SEM dengan pembesaran 1.000X memperlihatkan SGKK tersusun rapi dari lempengan-lempengan panjang yang memiliki ukuran partikel ≥ 7 µm. Pelet karbon tanpa penambahan CNT yang banyak terdapat rongga-rongga antar partikel pada permukaan pelet karbon. Gambar 6 memperlihatkan bahwa material konduktif berupa karbon nanotube (CNT) yang dihasilkan terdistribusi secara merata pada permukaan pelet karbon. Hasil ini menunjukkan bahwa metode pencampuran CNT dan SGKK telah berhasil dilakukan dengan baik.
CNT mengisi rongga-rongga antara partikel pada permukaan pelet karbon secara penuh, Sehingga, ruang antar partikel karbon SGKK lebih kecil atau sempit dibandingkan dengan celah pada partikel karbon SGKK tanpa penambahan CNT, sehingga pelet Gambar 5. Analisa SEM pelet karbon tanpa penambahan CNT pada pembesaran
500X.
Gambar 6. Analisa SEM pelet karbon dengan penambahan CNT pada pembesaran 10000X.
7
karbon menjadi semakin padat. Kenyataan ini mendukung hasil yang telah didapatkan pada pengukuran nilai densitas, dimana setelah penambahan CNT nilai densitas mengalami peningkatan yang cukup signifikan. Karbon nanotube pada permukaan pelet karbon berbentuk tabung panjang dengan ukuran 50 hingga 71,4 nm. Hasil SEM yang hampir sama juga ditunjukan oleh hasil penelitian R. Farma dan kawan-kawan (2013) dari bahan karbon tandan kelapa sawit.
KESIMPULAN DAN SARAN
Adapun kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian yang telah dilakukan bahwa dengan penambahan CNT telah mempengaruhi nilai densitas, konduktivitas listrik dan morfologi permukaan pelet karbon. Nilai densitas pelet karbon dari bahan SGKK mengalami peningkatan, yaitu dari 0,524 gr/cm3 menjadi 0,686 gr/cm3 (23,6 %). Nilai hambatan listrik pelet karbon mengalami penurunan setelah penambahan CNT yaitu dari 10 Ω manjadi 7 Ω. Sedangkan konduktivitas listrik pelet karbon mengalami peningkatan setelah ditambahkan CNT, yaitu sebesar 4,589 Ωm-1 menjadi 6,887 Ωm-1.
Terlihat bahwa terjadi peningkatan nilai konduktivitas listrik sebesar 33,36 % . Hasil SEM menunjukkan bahwa CNT terdistribusi secara merata pada seluruh permukaan pelet karbon dan mengisi pada bagian rongga-rongga sampel. Untuk penyempurnaan penelitian mengenai efek penambahan CNT terhadap sifat fisis pelet karbon, maka perlu disarankan untuk penelitian lanjutan yaitu sebaiknya mengaplikasikan pelet karbon dengan penambahan CNT sebagai elektroda karbon pada sel superkapasitor.
DAFTAR PUSTAKA
Taer, E., M. Deraman, I.A. Talib L., A.A. Umar, M. Omaya, R.M. Yunus, (2010), Physical, electrochemical and supercapacitive properties of activated carbon pellets from pre-carbonized rubber wood sawdust by CO2 activation: Current Applied Physics 10:1071–1075.
Taer, E., Deraman, I.A. Talib, A. Awidrus, S.A. Hashmi, A.A. Umar, (2011), Preparation of a Highly Porous Binderless Activated Carbon Monolith from Rubber Wood Sawdust by a Multi-Step Activation Process for Application in Supercapacitors. Int. J. Electrochem. Sci., 6:3301 – 3315.
Novi, S. (2011), Pengaruh Material Konduktif pada Elektroda Karbon Superkapasitor, Skripsi Jurusan Fisika FMIPA Universitar Riau, Pekanbaru.
Jisha, M. R., Hwang, Y. J., Shin, J. S., Nahm, K. S., Kumar, P. T., Karthikeyan, K., Dhanikaivelu, N., Kalpana, D., Renganathan, N. G. and Stephan, M. A. (2009), Electrochemical characterization of supercapacitors based on carbons derived from coffee shells, Materials Chemistry and Physics 115(1): 33-39.
Hill. J. W & Petrucci. R. H (2002), General Chemistry : An Intregrated Approach. 3rd ed
Paian Oppu T. (2008), Analisa Efek Secondary, Universitas Indonesia, Jakarta.
Derawan, M., Md. Saad, S.K., Ishak, M.M., Awitdrus, Erman T., Talib L., R. Omar, (2010), Carbon/Carbon Nanotubes (CNTs) composite from green pellets contain CNTs and self-adhesive carbon grainsfrom fibers of oil palm fruit bunch, Journal of 3rd nanoscience and nanotechonology symposium. 128:179-186.
8
R. Farma, M. Deraman, Awitdrus, L.A., Talib, L., R. Omar, J.G. Manjunatha, M. M., Ishak, N. M. Basri And B. N. M. Dolah, Physical and electrochemical properties of super capasitor electrodes derived from carbon nanotube an biomassa carbon, 8:257-273
