LAPORAN AKHIR
PENELITIAN TERAPAN UNGGULAN PERGURUAN TINGGI
PRODUKSI ELEKTRODA BATERAI PRIMER BERBAHAN NON- LOGAM (GRAFIT/GRAFENA, GRAFIT/N-GRAFENA DAN
GRAFENA/N-GRAFENA)
TIM PENELITI
Ketua: Rikson A. F. Siburian, S.Si, M.Si, Ph.D (0004097404) Anggota 1: Sabarmin Perangin-angin, S.Si, M.Si (0013126905) Anggota 2: Dr. Helmina Br. Sembiring, M.Si (0002027601)
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
NOVEMBER 2018
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
RINGKASAN
Penelitian tentang produksi elektroda baterai primer berbahan non logam (Grafit/Grafena, Grafit/N-Grafena dan Grafena/N-Grafena) telah dilakukan. Tujuan penelitian ini adalah untuk menghasilkan komponen elektroda baterai primer berbahan non logam (Grafit/Grafena, Grafit/N-Grafena dan Grafena/N-Grafena) sehingga limbah logam yang biasa digunakan dalam komponen elektroda baterai primer bisa dikurangi dan biaya produksi lebih murah (non metal). Penelitian ini menggunakan metode termodifikasi Hummers serta N-Grafena, Grafit/Grafena, Grafit/N-Grafena dan Grafena/N-Grafena dihasilkan dengan metode impregnasi.
Karakterisasi Grafena, N-Grafena, Grafit/Grafena, Grafit/Grafena, Grafit/N- Grafena dan Grafena/N-Grafena masing-masing dilakukan dengan XRD, FTIR, SEM-EDX dan Konduktometer. Data XRD menunjukkan bahwa atom N dapat terdeposit dengan baik pada Grafena untuk membentuk N-Grafena, itu ditunjukkan oleh puncak yang luas dan lemah muncul pada 2θ = 26,16º. Data ini konsisten dengan data EDX, di mana adanya atom N pada N-Grafena (2,72%). Data FTIR juga menunjukkan bahwa ada interaksi antara C dan N (puncak pada 1396 cm-1).
Data konduktivitas menunjukkan bahwa N-grafena memiliki konduktivitas tertinggi (1157,32 µS/cm) dibandingkan dengan grafena (858,21 µS/cm), grafit (79,16 µS/cm) dan katoda baterai primer (80,98 µS/cm) serta konduktivitas Grafit/grafena (100 µS/cm) grafit/N-grafena (230,60,20 µS/cm) dan grafena/N- grafena (868,27 µS/cm) Data-data tersebut membuktikan bahwa N-grafena (Grafit/Grafena, Grafit/N-Grafena dan Grafena/N-Grafena) mampu dijadikan sebagai bahan elektroda bterai primer berbahan non logam.
Kata kunci : Grafena, Grafit, Katoda Baterai Primer, Metode Hummers, N-Grafena
iii PRAKARTA
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas penyertaan dan pertolongannya sehingga penelitian dengan judul “Produksi Elektroda Baterai Primer Berbahan Non Logam (Grafit/Grafena, Grafit/N-Grafena dan Grafena/N-Grafena)” dapat dilakukan. Penelitian ini merupakan penelitian lanjutan dari penelitian sebelumnya. Laporan ini merupakan laporan kemajuan dari penelitian yang sedang dilaksanakan. Pada penelitian ini dilakukan preparasi dan karakterisasi grafena (metode Hummer termodifikasi), sintesis N-grafena (pendekatan basah (larutan NH3) dan penyiapan elektroda dengan komposisi terbaik dari grafit/grafena, grafit/N-grafena dan grafena/N-grafena. Komponen elektroda baterai primer didominasi oleh komponen logam. Pada saat waktu pakainya sudah habis maka logam-logam tersebut menjadi limbah yang tak terdaur ulang. Oleh karena itu, tujuan penelitian ini adalah menghasilkan komponen elektroda baterai primer berbahan non logam (Grafit/Grafena, Grafit/N-Grafena dan Grafena/N-Grafena) sehingga limbah logam yang biasa digunakan dalam komponen elektroda baterai primer bisa dikurangi dan biaya produksi lebih murah (non metal). Pada penelitian ini dilakukan penyiapan elektroda dengan komposisi terbaik dari grafit/grafena, grafit/N-grafena dan gr afena/N-grafena. Selanjutnya dikarakterisasi struktur kristal dengan X-Ray Difraction (XRD), analisis permukaan dengan Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive X-Ray (SEM-EDX), analisis gugus fungsi dengan Fourier Transform Infrared (FTIR) dan analisis Konduktivitas dengan konduktometer. Penelitian ini akan menghasilkan elektroda baterai primer berbahan non logam. Penelitian ini dapat terlaksana dengan baik berkat bantuan Lembga Penelitian Universitas Sumatera Utara.
Akhirnya sebagai manusia yang tidak sempurna dengan penuh kerendahan hati tim peneliti menyadari bahwa penelitian ini masih penuh dengan kekurangan.
Saran yang konstruktif diharapkan demi perbaikan di kemudian hari.
Salam Hormat
Peneliti
iv DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN -
RINGKASAN ii
PRAKATA iii
DAFTAR ISI iv
DAFTAR TABEL v
DAFTAR GAMBAR vi
DAFTAR LAMPIRAN vii
BAB 1. PENDAHULUAN 1
1.1 Latar Belakang 1
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA 4
2.1 State of the art 4
2.2 Studi Pendahuluan 4
BAB 3. TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN 6
3.1 Tujuan Penelitian 6
3.2 Manfaat Penelitian 6
BAB 4. METODE PENELITIAN 7
4.1 Bahan dan Alat 7
4.2 Prosedur Penelitian 8
4.3 Bagan Penelitian 11
BAB 5. HASIL DAN LUARAN YANG DICAPAI 16
5.1 Hasil yang Dicapai 16
5.1.1 Sintesis Grafena 16
5.1.2 Reaksi Grafena 17
5.1.3 Sintesis N-Grafena 17
5.1.4 Pembuatan Elektroda pada Sel Baterai Primer 18 5.1.5 Analisis Struktur N-Grafena, Grait/Grafena, Grafit/N-
Grafena, Grafena/N-Grafena dengan XRD
18 5.1.6 Analisis Gugus Fungsi Grafit, Oksida Grafena dan N-
Grafena dengan FTIR
21 5.1.7Analisis Gugus Fungsi Pada perbandingan Grafit/Grafena,
Grafit/N-Grafena dan Grafena/N-Grafena dengan FTIR
22 5.1.8Analisis Permukaan Grafit, Grafena,N-Grafena,
Grafit/Grafena, Grafit/N-Grafena, Grafena/N-Grafena dengan SEM-EDX
23
5.1.9 Analisis Konduktivitas dengan Konduktometer 31
5.2 Luaran yang Dicapai 33
BAB 6. RENCANA TAHAPAN BERIKUTNYA 34
BAB 7. KESIMPULAN DAN SARAN 35
DAFTAR PUSTAKA 36
LAMPIRAN-LAMPIRAN 39
v
DAFTAR TABEL
Nomor Tabel
Judul Halaman
Tabel 1 Kelimpahan Elemen Grafit menggunakan EDX 24 Tabel 2 Kelimpahan Elemen Grafena menggunakan EDX 25 Tabel 3 Kelimpahan Elemen N-Grafena menggunakan EDX 27 Tabel 4 Kelimpahan Elemen Grafit/Grafena menggunakan EDX 28 Tabel 5 Kelimpahan Elemen Grafit/N-Grafena menggunakan EDX 29 Tabel 6 Kelimpahan Elemen Grafena/N-Grafena menggunakan EDX 30 Tabel 7 Analisis konduktivitas grafit, oksida grafena, grafena, N-
Grafena, grafit/grafena, grafit/N-grafena dan grafena/N- grafena
31
vi
DAFTAR GAMBAR
Nomor Gambar Judul Halaman
Gambar 1 Difraktogram Grafit,Oksida Grafena, Grafena dan N-Grafena
19 Gambar 2 Difraktogram Grafit/Grafena,
Grafit/N-Grafena dan Grafena/N- Grafena
20
Gambar 3 Spektrum FTIR dari Grafit,Oksida Grafena,Grafena dan N-Grafena
21
Gambar 4 Spektrum FTIR dari
Grafit/Grafena, Grafit/N-Grafena dan Grafena/N-Grafena
22
Gambar 5 Foto SEM pada permukaan Grafit dengan perbesaran (A) 100x; (B) 1000x; (C) 4000x
23
Gambar 6 Foto SEM pada permukaan Grafena dengan perbesaran (A) 100x; (B) 1000x; (C) 4000x
25
Gambar 7 Foto SEM pada permukaan N- Grafena dengan perbesaran (A) 100x; (B) 1000x; (C) 4000x
26
Gambar 8 Foto SEM pada permukaan Grafit/Grafena dengan perbesaran (A) 100x; (B) 1000x; (C) 4000x
27
Gambar 9 Foto SEM pada permukaan Grafit/N-Grafena dengan perbesaran (A) 100x; (B) 1000x;
(C) 4000x
29
Gambar 10 Foto SEM pada permukaan Grafena/N-Grafena dengan perbesaran (A) 100x; (B) 1000x;
(C) 4000x
30
vii
DAFTAR LAMPIRAN
Nomor Lampiran
Judul Halaman
Lampiran 1 Publikasi Ilmiah 40 Lampiran 2 Evaluasi atas capaian luaran kegiatan
penelitian
46 Lampiran 3 Bukti dari Buku yang terbit 50 Lampiran 4 Sertifikat Seminar Internasional 52
1 BAB 1 PENDAHULUAN 1. 1 Latar Belakang
Capaian Renstra USU disusun dalam lima tahapan: i) Tahap I (2015-2019):
USU menjadi universitas nasional terkemuka dengan akreditasi tertinggi dan merintis pengakuan internasional; ii) Tahap II (2020-2024): USU menjadi universitas berstandar internasional berciri keunggulan local; iii) Tahap III (2025- 2029): USU menjadi universitas berstandar internasional dengan kekhususan bidang Tropical Science and Medicine, Agroindustry, Local Wisdom, Energy (sustainable), Natural Resources (biodiversity, forest, marine, mine, tourism), Technology (appropriate) dan Arts (ethnic) yang selanjutnya disebut dengan bidang unggulan kompetitif TALENTA; iv) Tahap IV (2030-2034): USU menjadi universitas berstandar internasional sebagai barometer dalam bidang unggulan kompetitif TALENTA; dan v) Tahap V (2035-2039): USU terus memimpin sebagai universitas barometer global dalam bidang unggulan kompetitif TALENTA. Saat ini USU sudah dipertengahan Tahap I. Penelitian ini sinkron dengan pengembangkan salah satu target keunggulan USU yaitu Energi baru dan terbarukan (EBT). Penelitian ini sangat mendukung peta jalan dibidang EBT dengan isu strategis Teknologi Nano Material (Material Maju), yaitu sesuai peta jalan RIP (2016): Identifikasi dan Pengembangan Teknologi Nano; (2017):
Eksperimental dan uji aplikasi; (2018): Standarisasi Produk; (2019): Optimasi terhadap hasil yang sudah diperoleh dan (2020): Komersialisasi, dan isu strategis Sustainable Manufacturing/Material Efficiency: (2016): Memperbaiki efisiensi material dan Perbaikan proses dan simulasi terhadap efisiensi material; (2017):
Manajemen sistem efisiensi material dan Penerapan teknologi baru dibidang efisiensi material; (2018): Sustainable Manufacturing pada efisiensi material dan Peningkatan efisiensi material melalui perbaikan proses; (2019): Konsep perawatan untuk efisiensi material dan (2020): Perbaikan proses dan simulasi terhadap efisiensi material. Untuk mencapai capaian renstra dan RIP USU maka luaran penelitian bidang terapan yang akan dilakukan adalah dibidang material maju yang mendukung EBT, yaitu baterai primer. Penelitian yang akan dilakukan sangat sesuai dengan peta jalan RIP yaitu eksperimental dan uji aplikasi, yaitu produksi
2
skala besar dan aplikasi Grafena dan N-Grafena untuk elektroda baterai (2017); Uji efisiensi komposisi elektroda: grafit/grafena, grafit/N-grafena dan grafena/N- grafena (2018); Standarisasi produk dan efisiensi material: uji kinerja material elektroda baterai hasil rancangan sendiri pada anoda dan katoda (2019) dan Komersialisasi: Produksi dan Uji kerja baterai primer hasil rancangan sendiri (2020).
Baterai adalah suatu piranti elektrokimia yang menyimpan energi kimia sebagai energi kimia selama proses pertukaran electron diantara anoda dan katoda.
Baterai yang ideal memiliki energi spesifik yang tinggi, power densitas yang tinggi, siklus hidup baik, tahan terhadap gangguan dan biaya murah (Dunn, 2011). Saat ini, Lithium (Li) menjadi baterai yang paling banyak digunakan (Bacheri, 2011 dan Goodenough, 2013). Teknologi baterai sangat bergantung kepada material baru yang dapat diproses dan dimanipulasi secara proses kimia-fisika dengan skala 1-10 nm, misalnya LiBs. LIBs sangat bergantung pada penggunaan nanocomposites dan nanometer-thick coatings untuk mengoptimalkan jalur konduksi ionik dan elektronik, dan mencegah reaksi samping yang tidak dapat dipulihkan (Lu, 2016).
Oleh karena itu perlu dicari material yang berskala 1-10 nm.
Sejak grafena diisolasi pertama sekali tahun 2014, grafena telah menjadi material yang menarik untuk diteliti khususnya untuk piranti penyimpan energi elektrokimia (Raccichini, 2014). Grafena adalah karbon monolayer berlapis dengan kisi 2D (Geim, 2007). Kinerja grafena sangat tergantung pada metode memproduksinya. Keistimewaan grafena: karbon 2D, sp2, kekerasaan sangat tinggi, fleksibel dan elastic, luas permukaan 1500 m2g-1, konduktivitas elektrik (2000 S cm-1) dan termal konduktivitas (4840-5300 Wm-1K-1) (Bianco, 2013). Grafena dapat dipertimbangkan menjadi material aktif dalam mekanisme penyimpanan energi, misalnya menjadi wadah (host) terhadap ion Li dan Na didalam ion baterai, misalnya Li/Grafena memiliki kapasitas spesifik (744 mAhg-1) dan Li/Grafit (372 mAhg-1) (Dahn, 1995). Secara umum permasalahan utama materai adalah bila menggunakan grafena dan logam, adalah bahwa harga logam sangaat mahal dan menjadi limbah setelah habis penggunaan serta struktur rigid dan flat dari grafena menjadi masalah untuk memodifikasi modulasinya dan sifat fisika-kimianya serta masih rendahnya densitas energi dan kapasitas energi dari baterai primer (Reddy,
3
2010). Permasalahan lainnya adalah lemahnya interaksi antara elektroda dan pengangkutan elektron serta hilangnya kontak listrik pada waktu penggunaan yang lama. Solusi untuk mengatasi persoalan tersebut adalah memanfaatkan grafena dan mendopnya dengan menggunakan nitrogen (N). Dopan secara kimia kedalam karbon dengan P (Wu, 2002), B (Endo, 1999) dan B-N (Weydanz, 1994). Dopan pada C dapat meningkatkan kapasitas spesifik dari C. Baterai primer terdiri dari dua elektroda (anoda, diisi oleh logam (Zn atau Fe)) dan katoda (Karbon (grafit). Oleh karena itu, kinerja baterai primer dapat dimodifikasi dengan menggunakan material yang paling tepat agar kualitasnya dapat ditingkatkan.
Konsep penting dalam penelitian ini adalah i) peningkatan kapasitas simpan energi dapat dilakukan oleh grafena dan N-grafena (luas permukaan keduanya besar); ii) Kapasitas energi dan energi spesifik dari baterai dapat ditingkatkan oleh grafena dan N-grafena; iii) non-logam merupakan alternatif material nano yang dapat digunakan untuk menghasilkan baterai primer yang ramah lingkungan dan menurunkan harga baterai primer serta mengurangi penggunaan; dan iv) komposit sesame grafitik karbon (ikatan-π): grafit/grafena; grafit/N-Grafena dan Grafena/N- Grafena menjadi kandidat material yang perspektif untuk digunakan pada elektroda baterai primer.
4 BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA 2.1 State of the art
Grafena dapat dimodifikasi dengan menggunakan nitrogen (N-doping karbon) untuk digunakan pada elektroda baterai primer non-logam (Stein, 2009;
Saleh, 2011; Gong, 2009). Posisi cacat pada struktur grafena oleh adanya dekorasi N diklasifikasikan sebagai piridin, pirolik, grafitik dan oksida piridin, dengan memiliki sifat-sifat yang berbeda satu dengan lainnya termasuk juga dalam aplikasi elektrokimia (Liu, (2011)).
N-doping karbon menunjukkan peningkatan kinerja kapasitansi dari kapasitor serta meningkatkan konduktivitas elektronik dikarenakan adanya pembentukan variasi dari struktur N-doping. Tipe N-doping piridinik dan grafitik mampu meningkatkan aktivitas katalis dari karbon untuk ORR. Artinya N-doping karbon nano tube dapat digunakan sebagai material elektroda katalis yang non-Pt.
Elektroda sel baterai primer didominasi dengan logam dan paduannya. Namun, densitas energinya masih belum dapat ditingkatkan, sementara persediaan logam semakin menipis dan limbahnya membahayakan lingkungan. Grafit, grafena dan N-Grafena adalah material karbon grafitik yang memiliki hibridisasi sp3 dan sp2. Ketiga jenis karbon tersebut memiliki luas permukaan yang besar dan daya hantar listrik yang tinggi. Paduan ketiga komposisi tersebut diharapkan akan mampu meningkatkan daya simpan elektron, densitas energi dan kapasitas energi dari baterai primer. Sehingga, elektroda non metal dapat diproduksi. Biaya produksi baterai juga dapat diturunkan serta dapat didaur ulang setelah waktu hidupnya habis. Interaksi σ-π dan π- π, diharapkan menjadi nilai baru dari penelitian ini.
2.2 Studi Pendahuluan
i) Produksi Material Pendukung Katalis (Grafena dan N-Grafena).
Penelitian tentang bahan pendukung telah dilakukan selama empat tahun (2010- 2014) dengan menghasilkan tiga publikasi internasional (Rikson, 2012, 2013 dan 2014), satu desertasi (Rikson, 2013) dan tiga skripsi (Bernandus, 2013; Maria, 2013 dan Marselius, 2014). Pada studi pendahuluan telah berhasil disintesis grafena
5
berlapis nano. Data Transmission Electron Microscope (TEM), Difraksi Sinar-X (XRD) dan Spektroskopi Foton Sinar-X (XPS) menunjukkan masing-masing bahwa grafena berstruktur flat, adanya perubahan puncak pada C(002) untuk grafit, oksida grafit dan grafena dan terjadi pergeseran kimia yang berbeda antara grafit, oksida grafit dan grafena. Seluruh data tersebut membuktikan bahwa grafena dapat disintesis dari grafit. Grafena sebagai bahan pendukung untuk katalis pada sistem sel bahan bakar hidrogen merupakan suatu hal yang baru yang belum pernah dilakukan oleh peneliti lainnya. Sehingga penggunaan grafena sangat menarik untuk dikaji terus menerus dikarenakan sifatnya yang unik yang tidak dimiliki oleh material lainnya, yakni luas permukaan sentuhan yang besar (2630 m2 g−1) dan nilai konduktivitas yang tinggi (1250 S m-1). Kinerja grafena sebagai bahan pendukung untuk katalis dalam sistem sel bahan bakar hidrogen serta pengembangan sintesis dan karakterisasi sifat-sifat grafena sangat menarik dan terus dikembangkan sebagai obyek riset yang tak pernah habis serta membuka berbagai peluang aplikasi dari penggunaan grafena. Oleh karena itu riset grafena baik sintesis dan kinerjanya sangat penting untuk terus dilakukan. Selanjutnya, untuk meningkatkan aktivitas katalis dari grafena yang tidak memiliki celah energi, maka dilakukan dopan dengan N (N-Grafena). Sintesis dan aplikasi N-Grafena telah dilakukan pada tahun 2016-2017 (2 publikasi: Oriental Journal of Chemistry dan ChemSelect; dan 1 publikasi (2017) sedang dalam proses review). Berdasarkan keunikan grafena dan N-Grafena maka perlu dilakukan paduan untuk pengganti elektroda pada baterai primer. Sehingga, USU nantinya memiliki produk unggulan dibidang baterai primer.
6 BAB 3
TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN
3.1 Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk menghasilkan grafena dan N-grafena dalam skala besar dengan metode sederhana serta menghasilkan komposit terbaik untuk elektroda baterai primer.
3.1 Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian ini adalah:
i) Menghasilkan elektroda untuk sel baterai primer non-logam yaitu paduan antara grafit/grafena; grafit/N-Grafena dan Grafena/N-Grafena serta uji kinerja dan komersialisasi baterai primer hasil rancangan sendiri
ii) Produksi elektroda katalis dalam skala besar, yaitu Grafena, N-Grafena dan paduannya dapat dihasilkan;
iv) Pengembangan ilmu material dan elektrokimia.
v) Menyiapkan alternatif sumber energi baru dan terbarukan, yaitu sel baterai primer non-logam.
7 BAB 4
METODE PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan dengan 5 tahapan dalam proses pembentukan grafena dan N-doping grafena serta sintesis dan uji kinerja paduan grafit/grafena, grafit/N-grafena dan grafena/N-Grafena harus diobservasi. Tahap-1, preparasi dan karakterisasi grafena, N-grafena dan masing-masing paduan elektroda sel baterai primer: grafit/grafena, grafit/N-grafena dan grafena/N-Grafena; Tahap-2, dopan nitrogen kedalam grafena, dengan menggunakan variasi konsentrasi dopan nitrogen terhadap grafena; Tahap-3, karakterisasi N-doping grafena secara fisika dan kimia serta aktivitas katalis, dan Tahap-4, mekanisme reaksi N-doping grafena. Melalui riset ini, temuan khusus yang akan didapatkan mekanisme reaksi yang utuh dari proses pembentukan N-doping didalam grafena dapat dibuat serta dapat terpublikasi internasional dan kinerja N-doping grafena sebagai elektroda katalis untuk sel bahan bakar hidrogen dapat diketahui. Karakterisasi dilakukan dengan menggunakan FTIR, XRD, XRF dan SEM-EDX
Tahap-5: Penyiapan paduan grafit/grafena, grafit/N-grafena dan grafena/N-Grafena dan uji kinerja kualitas elektroda sel baterai primer (Galvanostat).
4.1 Bahan dan Alat 4.1.1 Bahan
Baha-bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain: aquades, grafit, asam sulfat (H2SO4), kalium permanganat (KMnO4), natrium nitrat (NaNO3), hidrogen peroksida (H2O2), amonia (NH3)dan larutan piranha (3% v/v H2SO4: 0,5%
v/v H2O2).
4.1.2 Alat
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini antara lain: timbagan analitik, labu erlenmeyer, gelas ukur, pengaduk, gelas kimia, pipet Shaker, X-Ray Difraction (XRD), Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive X-Ray (SEM-EDX), Fourier Transform Infrared (FTIR) dan konduktometer
8 4.2 Prosedur Penelitian
4.2.1 Preparasi dan Karakterisasi Grafena
- Sebanyak 0.2 gr serbuk grafit dimasukan ke dalam erlenmeyer 250 mL, kemudian ditambahkan 0.2 gr NaNO3 dan 15 mL H2SO4 96%.
- Larutan distirer selama 2 jam.
- Erlenmeyer yang berisi campuran, ditempatkan dalam wadah es (ice waterbath) dan ditambahkan secara bertahap 1 gr KMnO4 kemudian diaduk selama 24 jam.
- Setelah diaduk selama 24 jam, ke dalam larutan tersebut ditambahkan 20 mL H2SO4 5% dan 1 mL H2O2 30% dan diaduk selama 1 jam.
Larutan tersebut dipusingkan dengan alat sentrifus kecepatan 6500 RPM selama 20 menit untuk memisahkan filtrat dan supernatan.
- Selanjutnya ke dalam larutan ditambahkan aquades 25 ml dan disentrifuse dengan kecepatan 3000 RPM (Rotor Per Minute) selama 20 menit. Larutan dipindahkan ke dalam gelas beker dan ditambahkan aquades 100 mL kemudian di ultrasonikasi selama 5 jam, kemudian dibiarkan dingin dan dihasilkan oksida grafena.
- Larutan oksida grafena ditambahkan 10 ml NH3 kemudian distirer selama 48 jam.
- Larutan disaring dan dikeringkan pada suhu 80ºC selama 24 jam dan dikarakterisasi dengan mengunakan XRD, FTIR, SEM-EDX, dan Konduktometer.
4.2.2 Sintesis N-dopan Grafena
- Larutan grafena ditambahkan 10 ml NH3 kemudian distirer selama 48 jam.
- Larutan disaring dan dikeringkan pada suhu 80ºC selama 24 jam.
9 4.2.3 Karakterisasi N-doping Grafena
Residu N-Grafena dikarakterisasi dengan mengunakan XRD, FTIR, SEM-EDX, dan Konduktometer.
No Analisis Data
Tujuan/Standar data yang dicapai
FTIR XRD SEM-EDX Kondukto
meter 1 Kontrol
(A0) : Grafit
Mengukur vibrasi
dominan dari gugus fungsi dan ikatan yang memiliki kepolaran yang tinggi
Mengidentifi Kasi struktur kristal padatan dengan
membandingkan nilai jarak dan identitas puncak difraksi dengan data standar
Digunakan untuk
menganalisis komponen kimia beserta konsentrasi unsur
Mengukur konduktukti vitas dari suatu bahan/
komponen 2 (A1) :
Oksida Grafit 3 (A2) :
Grafena 4 (A3) :
Oksida Grafena 5 (A4) : N-
doping Grafena
4.2.4 Penyiapan Elektroda Baterai Primer 4.2.4.1 Sintesis Grafit/Grafena
- 1 gram Grafena ditambahkan dengan 200 mL Aquades kemudian dimasukkan kedalam beaker glass di stirer 1 jam.
- 1 gram Grafit ditambahkan dengan 200 mL Aquades kemudian di tuangkan kedalam beaker glass di stirer 1 jam.
- Ditambahkan campuran Grafit-Aquades kedalam campuran Grafena- Aquades kemudian di stirer 2 jam.
- Lalu di saring dan keringkan dengan Oven pada suhu 80oC.
Dikarakterisasi dengan XRD, FTIR, SEM-EDX dan Konduktometer.
10 4.2.4.2 Sintesis Grafit/N-Grafena
- 1 gram N-Grafena ditambahkan dengan 200 mL Aquades kemudian dimasukkan kedalam beaker glass di stirer 1 jam.
- 1 gram Grafit ditambahkan dengan 200 mL Aquades kemudian di tuangkan kedalam beaker glass di stirer 1 jam.
- Ditambahkan campuran Grafit-Aquades kedalam campuran N-Grafena- Aquades kemudian di stirer 2 jam.
- Lalu di saring dan keringkan dengan Oven pada suhu 80oC.
Dikarakterisasi dengan XRD, FTIR, SEM-EDX dan Konduktometer.
4.2.4.3 Sintesis Grafena/N-Grafena
- 1 gram Grafena ditambahkan dengan 200 mL Aquades kemudian dimasukkan kedalam beaker glass di stirer 1 jam.
- 1 gram N-Grafena ditambahkan dengan 200 mL Aquades kemudian di tuangkan kedalam beaker glass di stirer 1 jam.
- Ditambahkan campuran N-Grafena-Aquades kedalam campuran Grafena- Aquades kemudian di stirer 2 jam.
- Lalu di saring dan keringkan dengan Oven pada suhu 80oC.
Dikarakterisasi dengan XRD, FTIR, SEM-EDX dan Konduktometer.
11 4.3 Bagan Penelitian
4.3.1 Preparasi dan Karakterisasi Grafena
0,2 gram serbuk Grafit
Dimasukkan kedalam Erlemeyer Ditambahkan 15 mL H2SO4(p) 96%
Distirer selama 1 jam
Ditambahkan 0.2 gram NaNO2(s) Distirer selama 1 jam
Ditambahkan 1 gram KMnO4 Distirer 24 jam
Ditambahkan 1 mL H2O2 30 % Distirer selama 1 jam
Ditambahkan 20 mL H2SO4 5%
Distirer selama 1 jam
Disentrifugasi dengan kecepatan 3000 rpm selama 20 menit
Larutan Supernatan Endapan Grafena Oksida
Dicuci dengan larutan Piranha
Disentrifugasi dengan kecepatan 6.500 rpm hingga larutan Supernatan berubah menjadi bening
Larutan supernatan Endapan Grafena Oksida
Dicuci dengan aquadest
Disentrifugasi dengan kecepatan 6.500 rpm hingga larutan Supernatan berubah menjadi bening
Larutan Supernatan Endapan Grafena Oksida
Dimasukkan kedalam beaker glass 1000 mL Di Ultrasonikasi selama 5 jam Oksida Grafena
12 Oksida Grafena
Ditambahkan 10 ml NH3 Distirer 48 jam
Disaring
Dikeringkan pada suhu 80oC selama 24 jam Dikarakterisasi menggunakan XRD, SEM-EDX dan Konduktometer
4.3.2 Sintesis N-Dopan Grafena
Grafena
Ditambahkan 10 ml NH3 Distirer 48 jam
Disaring
Dikeringkan pada suhu 80oC selama 24 jam Dikarakterisasi menggunakan XRD, SEM-EDX dan Konduktometer
13 4.3.3 Sintesis Grafit/Grafena
1 gram Grafit 1 gram Grafena
Dimasukkan kedalam beaker
glass 500 mL Dimasukkan kedalam beaker
glass 500 mL Ditambahkan 200 mL Aquades
Absolut Ditambahkan 200 mL Aquades
Absolut
Di stirer 1 jam Di stirer 1 jam
Dicampur Larutan Grafit-Aquades kedalam larutan Grafena-Aquades Distirer selama 2 jam
Disaring menggunakan kertas saring whatman no.42
Larutan Grafit-Aquades Larutan Grafena-Aquades
Filtrat Endapan
Dikeringkan dengan oven pada suhu 80oC
Grafit /Grafena
Dikarakterisasi dengan
menggunakan XRD, FTIR, SEM- EDX, dan Konduktometer Hasil
14 4.3.4 Sintesis Grafit/N-Grafena
1 gram Grafit 1 gram N-Grafena
Dimasukkan kedalam beaker
glass 500 mL Dimasukkan kedalam beaker
glass 500 mL Ditambahkan 200 mL Aquades
Absolut Ditambahkan 200 mL Aquades
Absolut
Di stirer 1 jam Di stirer 1 jam
Dicampur Larutan Grafit-Aquades dalam larutan N-Grafena-Aquades Distirer selama 2 jam
Disaring menggunakan kertas saring whatman no.42
Larutan Grafit-Aquades Larutan N-Grafena-Aquades
Filtrat Endapan
Dikeringkan dengan oven pada suhu 80oC
Grafit /N-Grafena
Dikarakterisasi dengan
menggunakan XRD, SEM-EDX, dan Konduktometer
Hasil
15 4.3.5 Sintesis Grafena/N-Grafena
1 gram Grafena 1 gram N-Grafena
Dimasukkan kedalam beaker
glass 500 mL Dimasukkan kedalam beaker
glass 500 mL Ditambahkan 200 mL Aquades
Absolut Ditambahkan 200 mL Aquades
Absolut
Di stirer 1 jam Di stirer 1 jam
Dicampur Larutan Grafena-Aquades dalam larutan N-Grafena-Aquades Distirer selama 2 jam
Disaring menggunakan kertas saring whatman no.42
Larutan Grafena-Aquades Larutan N-Grafena-Aquades
Filtrat Endapan
Dikeringkan dengan oven pada suhu 80oC
Grafena /N-Grafena
Dikarakterisasi dengan
menggunakan XRD, FTIR, SEM- EDX, dan Konduktometer Hasil
16 BAB 5
HASIL DAN LUARAN YANG DICAPAI
5.1. Hasil yang Dicapai
5.1.1. Sintesis Grafena
Sintesis grafena dibagi menjadi dua tahapan, yaitu sintesis oksida grafena dan sintesis grafena. Pada tahapan sintesis oksida grafena, bubuk grafit komersil sebagai bahan dasar dioksidasi menjadi grafit oksida dengan menggunakan metode Hammers. Grafit direaksikan dengan zat pengoksidasi yaitu KMnO4(s) dan NaNO3(s). Proses oksidasi ini hanya dapat berlangsung ada kondisi asam, sehingga digunakan H2SO4(l) sebagai pembuat suasana asam (Suwandana dan Susanti, 2015).
Proses pencampuran ini dilakukan didalam ice waterbath dengan tujuan untuk menjaga temperatur di bawah 25oC yang selanjutnya dilakukan pengadukan selama 24 jam . Larutan hitam pekat akan berubah menjadi larutan coklat tua yang menandakan grafit telah teroksidasi. Pada penambahan H2SO4 5% dan H2O2 30%
guna untuk menghilangkan sisa KMnO4. Larutan disentrifugasi pada 3000 rpm selama 20 menit bertujuan untuk memisahkan fase padat grafit oksida dan cairan beserta zat pengotornya. Penambahan dengan H2O pada endapan grafit oksida bertujuan untuk menghilangkan zat pengoksidasi, mengendapkan partikel grafit oksida, menstabilkan tingkat keasaman dari ion-ion sulfat, KMnO4 dan H2O2 (Titelman, et al., 2005) serta menghasilkan grafit oksida dengan memiliki sifat kelarutan yang stabil di dalam air (Baurlinos, et al., 2003) yang selanjutnya diultrasonikasi pada gelombang 50/60 Hz untuk membuka lembaran-lembaran grafit oksida sehingga dihasilkan lembaran tunggal oksida grafena yang menyebabkan perubahan warna larutan menjadi hitam kecoklatan mengindikasikan bahwa telah dihasilkan oksida grafena.
Pada tahap sintesis grafena, larutan oksida grafena direduksi dengan NH3(l)
dilakukan pengadukan selama 48 jam guna proses reduksi berlangsung dengan baik dalam mengurangi gugus fungsional secara merata sehingga menyebabkan terjadinya perubahan warna larutan dari hitam kecoklatan menjadi hitam pekat.
17
Perubahan warna larutan menunjukkan telah dihasilkan grafena. Selanjutnya campuran disaring dan dikeringkan dalam oven pada suhu 800C dengan tujuan untuk menghilangkan kadar air. Grafena yang diperoleh dikarakterisasi dengan analisis struktur dengan XRD, SEM EDX, FTIR dan Konduktometer.
5.1.2. Reaksi Grafena
Reaksi yang diperoleh dari hasil penambahan zat pengoksidasi yaitu KMnO4 dan H2O2 pada saat proses sintesis oksida grafena (Fan, et al., 2008) adalah sebagai berikut :
KMnO4 + 3H2SO4 K+ + MnO3+ + H3O+ + 3HSO4-
MnO3 + MnO4- Mn2O7
2H2O2 O2 + 2H2O
Proses sintesis grafena memerlukan oksida grafena sebagai prekursor. Oksida grafena diperoleh dari proses pengelupasan grafit oksida di dalam air dengan metode ultrasonikasi (Suwandana dan Susanti, 2015). Proses reduksi oksida grafena menggunakan amona (NH3) sebagai reduktor. Mekanisme reaksi yang terjadi selama proses reduksi dapat dilihat pada reaksi berikut:
NH3 + 2H2O NH4OH + 2H+ + 2e- GO + 2H+ + 2e- rGO
5.1.3 Sintesis N-Grafena
Pada tahap sintesis N-Grafena, serbuk grafena yang telah dihasilkan ditambahkan aquades dan Amonia (NH3) 10 M kemudian dikeringkan dalam oven pada suhu 80oC dan dihaluskan dengan mortar. Serbuk N-Grafena dikarakterisasi menggunakan XRD, FTIR, SEM-EDX dan Konduktometer.
MnO2
18
5.1.4 Pembuatan Elektroda pada Sel Baterai Primer
Proses pembuatan material sebagai elektroda pada sel baterai primer dilakukan pada perbandingan untuk material Grafit/Grafena, Grafit/N-Grafena dan Grafena/N-Grafena. Masing-masing perbandingan ditambahkan 50 mL aquades dan distirer selama 1 jam. Campurkan kedua larutan dan distirer kembali selama 2 jam. Larutan disaring dan dikeringkan di dalam oven pada suhu 80ºC. Hasil material elektroda kemudian dikarakterisasi dengan XRD, FTIR, SEM-EDX dan Konduktometer.
5.1.5 Analisis Struktur dengan XRD
Struktur padatan beberapa sampel yaitu grafena dan grafit dianalisis menggunakan alat difraktometer sinar-X Shimadzu XRD-6100. Radiasi Cu-Kα yang digunakan (1.54060 Å) untuk mengamati sampel dari 5o hingga 70o dengan kurva perubahan intensitas terhadap 2ɵ (degree), kecepatan scan 2o min-1, tegangan 40 kV, dan arus 30 mA. Sedangkan grafit/grafena, mangan/grafit, mangan/grafena, tembaga/grafit dan tembaga/grafena dianalisis dengan menggunakan alat difraktometer sinar-X Rigaku Smartlab 3 kW. Radiasi Cu-Kα yang digunakan (1.540598 Å) untuk mengamati sampel dari 5o hingga 70o dengan kurva perubahan intensitas terhadap 2ɵ (degree), kecepatan scan 2o min-1, tegangan 44 kV, dan arus 40 mA.
19
5.1.5.1 Analisis Struktur N-Grafena dengan XRD
Gambar 1 Difraktogram Grafit, Oksida Grafena, Grafena dan N-Grafena
Analisis struktur grafit memiliki puncak difraksi yang tajam pada 2θ=26.50o dengan C (002) memiliki d-spacing 3.37 Å, sesuai dengan yang dilaporkan sebelumnya (Shao et al., 2012). Telah terjadi proses oksidasi dan terbentuk oksida grafena pada pucak 2θ=9,07o dengan d-spacing 9.74 Å disebabkan adanya ikatan dari grafit yang teroksidasi dan masuknya oksigen ke dalam ruang interlayer pada grafit (Jeong et al., 2008).
Setelah proses reduksi menjadi grafena, analisis struktur grafena dengan XRD memiliki puncak difraksi pada 2θ=26,68o dengan d-spacing 3.34 Å sesuai yang dilaporkan sebelumnya (Suwandana dan Susanti, 2015). Puncak grafena tersebut mempunyai intensitas yang sangat rendah, menurun dibandingkan dengan grafit menandakan bahwa grafena cenderung memiliki struktur kristal yang amorf.
Hal ini menunjukkan telah terjadi pengurangan beberapa gugus fungsional oleh reduktor amonia (NH3) dan penataan kembali struktur dari grafena.
Pola XRD dari N-Grafena memiliki puncak difraksi pada 2θ=26.16o dimana puncak sedikit lebar menandakan doping heteroatom (N) yang menginduksi
0 10 20 30 40 50 60 70 80
C (002)26.580(3.34A)
In te ns it as (a .u )
2 Theta(o)
Oksida Grafena Grafena
Grafit N-Grafena
20
situs cacat dan penghancuran dalam kisi karbon pada grafena, hasil ini menyebabkan N-Grafena memiliki kristalinitas yang rendah dan menyebabkan perubahan kecil dalam nilai 2θ (Geng et al., 2011).
5.1.5.2 Analisis Struktur Pada Perbandingan Grafit/Grafena, Grafit/N- Grafena Grafena/N-Grafena dengan XRD
Gambar 2 Difraktogram Grafit/Grafena, Grafit/N-Grafena dan Grafena/N- Grafena
Pada perbandingan grafit/grafena memiliki puncak difraksi tajam pada 26.46ᵒ dengan d-spacing 3.36 Ǻ, grafit/N-grafena memiliki puncak difraksi tajam pada 2θ=26.41o dengan d-spacing 3.37 Å dan grafena/N-Grafena (1:1) memiliki puncak difraksi pada 2θ=26.330 dengan d-spacing 3.35 Ǻ.
Hasil analisis dengan XRD menunjukkan bahwa pada campuran grafit/grafena menunjukkan intensitas atom karbon yang masih didominasi oleh fase heksagonal. Perubahan difraktogram mengindikasikan bahwa grafena telah terdeposit kedalam Grafit. Pada perbandingan grafit/N-Grafena memiliki puncak yang tajam yang menunjukkan lapisan yang masih menumpuk hal ini menandakan
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
C (002)26.490(3.36A)
Intensitas (a.u)
2 Theta (o)
(Grafit/Grafena) (Grafit/N-Grafena) (Grafena/N-Grafena)
21
bahwa tidak terjadinya interaksi antara C-N di dalam campuran grafit/N-Grafena.
Sedangkan pada perbandingan grafena/N-Grafena menunjukkan bahwa sudah adanya interaksi antara grafena dan N-Grafena dimana puncaknya melebar dan lemah serta menyebabkan perubahan kecil dalam nilai 2θ.
5.1.6 Analisis Gugus Fungsi Grafit, Oksida grafena, Grafena dan N-Grafena dengan FTIR
Karakterisasi menggunakan FTIR adalah analisis yang ideal untuk mengidentifikasi gugus fungsi yang terdapat dalam katoda baterai, grafit, oksida grafena, grafena dan N-grafena. Analisis FTIR menggunakan alat Shimadzu IR Prestige-21 dilakukan pada rentang bilangan gelombang 4000-500 cm-1. Semua sampel dianalisis dalam bentuk padat berupa pellet KBr.
Gambar 3 Spektrum FTIR dari Grafit, Oksida Grafena, Grafena dan N-Grafena
Grafit komersil memiliki puncak karakteristik pada 1573 cm-1 menunjukkan vibrasi regangan dari C=C aromatis. Oksida grafena memiliki puncak lebar pada panjang gelombang 3000-3700 cm-1, panjang gelombang pada daerah tersebut berhubungan dengan vibrasi streching dan bending ikatan O-H dari molekul air (Chae, 2011). Peak dengan intensitas kuat pada daerah sekitar 1600 cm-1
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
(C=O)2337
1111 1033
1033 1620
1620
3425
1573 1573 1396
(C-O) (C-O)
(C-O)
(C=C) (C=C)
(C=C) (C=C)
(O-H)
(C-N)
Transmitansi (%T)
Bilangan Gelombang (cm-1)
Grafit Oksida Grafena Grafena N-Grafena
22
menunjukkan vibrasi regangan C=C pada cincin benzen atau deformasi vibrasi pada pita O-H dari molekul air terinterkalasi yang berarti proses oksidasi dari grafit menjadi oksida grafit berjalan dengan baik (Shao, 2012). Puncak pada daerah sekitar 2337 cm-1 menunjukkan deformasi vibrasi C=O dan pada 1203 cm-1, 1050 cm-1 menunjukkan deformasi vibrasi C-O epoksi, dan C-O alkoksi, masing-masing (Avinav et al., 2014).
Pada grafena tampak terdapat puncak dengan intensitas kuat pada daerah sekitar 1600 cm-1 yang menunjukkan ikatan C=C 22romatic yang merupakan ikatan utama pada struktur grafena. Semakin lama ultrasonikasi maka ikatan C=C 22romatic semakin kuat. Sedangkan ikatan C=O (karbonil), C-OH (fenol) dan C-O (alkoksi/ether) semakin berkurang. Hal ini mengindikasikan bahwa telah terjadi reduksi oksida grafena menjadi grafena (Junaidi, 2014).
Pada N-Grafena, atom nitrogen menggantikan atom karbon dimana terdapat puncak pada 1396 dan 1573 cm-1 sesuai dengan ikatan C-N dan C=C yang kuat dan tajam masing-masing. Hal ini mengindikasikan bahwa N-Grafena terbentuk (Acik, 2011).
5.1.7 Analisis Gugus Fungsi Pada Perbandingan Grafit/Grafena, Grafit/N- Grafena Grafena/N-Grafena dengan FTIR
Gambar 4 Spektrum FTIR dari Grafit/Grafena, Grafit/N-Grafena Grafena/N-Grafena
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
(C-O) 1033 1033 1573
1573 1396
(C-O) (C-N)
(C=C) (C=C)
Transmitansi(%T)
Bilangan Gelombang(cm-1)
Grafit/N-Grafena Grafena/N-Grafena
23
Pada Grafit/N-Grafena memiliki puncak karakteristik pada 1573 cm-1 menunjukkan vibrasi regangan dari C=C aromatis yang berasal dari struktur pada grafit dan pada 1033 cm-1 menunjukkan deformasi vibrasi C-O (epoksi atau alkoksi) dimana hadirnya oksigen berasal dari penambahan N-Grafena ke dalam struktur grafit sehingga gugus fungsi oksigen menempel pada permukaan grafit. Sedangkan pada pada Grafena/N-Grafena munculnya peak baru pada 1396 cm-1 yang menunjukkan adanya ikatan C-N.
5.1.8 Analisis Permukaan Grafit, Grafena, N-Grafena, Grafit/Grafena, Grafit/N-Grafena, Grafena/N-Grafena dengan SEM-EDX
Analisa SEM-EDX bertujuan untuk memproleh gambaran permukaan atau fitur material dengan resolusi yang sangat tinggi hingga memperoleh suatu tampilan dari permukaan sampel yang kemudian dikomputasikan dengan software untuk menganalisis komponen materialnya baik dari kuantitatif maupun dari kualitatif dari sampel grafit, grafena, N-Grafena, grafit/grafena, grafit/N-Grafena, grafena/N- Grafena. Instrumen yang digunakan adalah mesin SEM tipe EM 30 COXEM dengan tegangan sebesar 20.000 kV.
5.1.8.1 Analisis Grafit dengan SEM-EDX
Gambar 5 Foto SEM pada permukaan Grafit dengan perbesaran (A) 100; (B) 1000; (C) 4000
24
Gambar 5 menunjukkan grafit memiliki permukaan tebal dan rapat ditunjukkan pada perbesaran 100 dan 1000. Pada perbesaran 4000 terlihat terlihat besarnya tumpukan pada grafit menunjukkan bahwa grafit memiliki struktur berlapis (Hernandez, 2008). Hal ini menunjukkan bahwa struktur grafit identik dengan katoda baterai primer.
Data EDX dari grafit ditunjukkan pada tabel 1.
Tabel 1 Kelimpahan Elemen Grafit menggunakan EDX Number
Element
Element Symbol
Element Name
Weight
Concentration element (%)
6 C Karbon 84,50
8 O Oksigen 12,05
13 Al Alumunium 0,83
14 Si Silikon 1,06
16 S Sulfur 0,65
19 K Kalium 0,28
22 Ti Titanium 0,63
Sum 100
Data hasil EDX dari grafit yang diukur menggunakan detektor Si, terlihat bahwa grafit didominasi oleh atom C disebabkan struktur grafit terdiri atas ikatan- ikatan atom karbon. Dan ditemukannya unsur lain seperti O, Al, Si, K, Ti dan S hal ini dikarenakan grafit tersebut bukan merupakan grafit murni yang hanya tersusun atas atom C melainkan grafit komersil sehingga mengandung unsur-unsur yang lain.
25
5.1.8.2 Analisis Grafena dengan SEM-EDX
Gambar 6 Foto SEM pada permukaan Grafena dengan perbesaran (A) 100;
(B) 1000; (C) 4000
Gambar 6 menunjukkan grafena memiliki lapisan tipis, tidak tebal dan rapat seperti grafit yang ditunjukkan pada perbesaran 100 artinya grafena berhasil disintesis. Pada perbesaran 1000 dan 4000 grafena memiliki permukaan yang berkerut dibandingkan grafit, lembaran grafena ini tersusun secara acak dan terkait satu sama lain membentuk padatan tidak teratur dengan lapisan yang lebih tipis (Junaidi, 2014).
Data EDX dari grafena ditunjukkan pada tabel 2.
Tabel 2 Kelimpahan Elemen Grafena menggunakan EDX Number
Element
Element Symbol
Element Name
Weight
Concentration element (%)
6 C Karbon 75,88
8 O Oksigen 8,64
13 Al Alumunium 7,5
16 S Sulfur 4,62
19 K Kalium 3,36
Sum 100
26
Data hasil EDX dari grafena yang diukur menggunakan detektor Si, terlihat bahwa atom C dalam grafena mengalami penurunan, hal ini dikarenakan grafit telah teroksidasi. Atom oksigen yang masih terdeteksi dalam struktur grafena menandakan bahwa proses reduksi oksida grafena menjadi grafena menggunakan reduktor amonia belum sempurna. Dan pada grafena terdapat unsur yang lain seperti Al, S dan K dalam struktur grafena.
5.1.8.3 Analisis N-Grafena dengan SEM-EDX
Gambar 7 Foto SEM pada permukaan N-Grafena dengan perbesaran (A) 500;
(B) 1000; (C) 4000
Gambar 7 menunjukkan permukaan N-Grafena tampak sangat berbeda dari grafena dimana permukaannya tampak lebih homogen pada perbesaran 500, 1000 dan 4000. Adanya lapisan-lapisan tipis dari grafena juga tampak pada morfologi N-Grafena.
Data EDX dari N-Grafena ditunjukkan pada tabel 3
27
Tabel 3 Kelimpahan Elemen N-Grafena menggunakan EDX Number
Element
Element Symbol
Element Name
Weight
Concentration element (%)
6 C Karbon 56,87
8 O Oksigen 32,9
25 Mn Mangan 4,31
7 N Nitrogen 2,72
13 Al Alumunium 1,88
19 K Kalium 0,57
16 S Sulfur 0,47
11 Na Natrium 0,28
Sum 100
Data hasil EDX dari N-Grafena yang diukur menggunakan detektor Si, menunjukkan adanya N (2,72%) mengidentifikasikan bahwa N-Grafena terbentuk.
Hal tersebut menandakan terjadinya penggabungan antara C dan N akibat efek N- dopan dimana N dapat menyumbangkan elektronnya ke dalam sistem grafena (Siburian, 2017).
5.1.8.4 Analisis Grafit/ Grafena dengan SEM-EDX
Gambar 8 Foto SEM pada Grafit/Grafena dengan perbesaran (A) (1:1) 100;
(B) 1000; (C) 4000
28
Pada Grafit/Grafena dengan perbesaran 100x dan 1000x menunjukkan bahwa Grafit/Grafena memiliki permukaan yang acak dan rapat. Serta pada perbesaran 4000x terlihat adanya interaksi antara grafit dan Grafena. Data EDX dari Grafit/Grafena ditunjukkan pada tabel 4.
Tabel 4 Kelimpahan elemen Grafit/ Grafena menggunakan EDX
Element Wt% (Kelimpahan)
C 44.57
O 39.95
Si 5.95
Al 3.71
Ca 1.91
K 1.31
Mg 0.90
Ti 0.65
Na 0.56
Fe 0.49
Total 100
Data hasil EDX dari Grafit/Grafena diukur pada tengangan 15 KeV.
Spektrum tersebut merupakan karakteristik sinar-X yang ditangkap oleh detector Si. Intensitas atom Karbon masih mendominasi dengan 44,57% kelimpahan sebesar 44,57% dan masih adanya pengotor O, Si, Al, Ca, K, Mg, Ti, Na dan Fe.
29
5.1.8.5 Analisis Grafit/N-Grafena dengan SEM-EDX
Gambar 9 Foto SEM pada Grafit/N-Grafena dengan perbesaran (A) (1:1) 100;
(B) 1000; (C) 4000
Gambar diatas menunjukkan pada variasi perbandingan Grafit/N-Grafena menunjukkan lapisan-lapisan tipis yang acak pada perbesaran 100 dan terlihat permukaan yang bertumpuk dengan ukuran pori yang besar pada perbesaran 1000
dan 4000. Data EDX dari Grafit/N-Grafena ditunjukkan pada tabel 5 Tabel 5 Kelimpahan Elemen Grafit/N-Grafena menggunakan EDX Number
Element
Element Symbol
Element Name
Weight
Concentration element (%)
6 C Karbon 59,43
8 O Oksigen 17,9
13 Al Alumunium 5,5
16 S Sulfur 12,59
19 K Kalium 4,58
Sum 100
Data hasil EDX dari variasi perbandingan grafit/N-Grafena yang diukur menggunakan detektor Si, menunjukkan kandungan atom C yang besar, hal tersebut karena grafit terdiri atas ikatan-ikatan atom karbon.
30
5.1.8.6 Analisis Grafena/N-Grafena dengan SEM-EDX
Gambar 10 Foto SEM pada Grafena/N-Grafena dengan perbesaran 100;
(B) 1000; (C) 4000
Gambar diatas menunjukkan pada variasi perbandingan Grafena/N-Grafena menunjukkan lapisan-lapisan tipis yang acak pada perbesaran 100 dan 1000 serta memiliki bentuk permukaan yang rapat dengan ukuran pori yang lebih kecil pada perbesaran 4000. Data EDX dari Grafit/N-Grafena ditunjukkan pada tabel 6
Tabel 6 Kelimpahan Elemen Grafena/N-Grafena menggunakan EDX Number
Element
Element Symbol
Element Name
Weight
Concentration element (%)
6 C Karbon 46,28
8 O Oksigen 20,08
13 Al Alumunium 10,7
16 S Sulfur 15,95
19 K Kalium 4,33
7 N Nitrogen 1,62
20 Ca Calcium 1,04
Sum 100
31
Data hasil EDX dari variasi perbandingan Grafena/N-Grafena yang diukur menggunakan detektor Si, menunjukkan bahwa adanya atom N (1,62%). Hal ini dikarenakan N-Grafena terdeposit kedalam struktur grafena dan terjadi ineraksi antara atom C dan N pada grafena dan N-Grafena.
5.1.9 Analisis Konduktivitas dengan Konduktometer
Analisis konduktivitas pada grafit, oksida grafena, grafena, N-grafena, grafit/grafena, grafit/N-grafena dan grafena/N-grafena dengan menggunakan alat AC780-Conductivity Meter i SOLV pada suhu kamar dan dengan volume masing- masing sampel sebanyak 50 mL dapat dilihat pada Tabel 7
Tabel 7 Analisis konduktivitas grafit, oksida grafena, grafena, N-Grafena, grafit/grafena, grafit/N-grafena dan grafena/N-grafena
Sampel
Hasil Pengukuran Daya Hantar Listrik (DHL)(µS/cm)
P1 P2 P3 Rata-rata
Grafit 79,17 79,17 79,15 79,16
Oksida Grafena 69,36 69,36 69,33 69,35
Grafena 858,21 858,21 858,21 858,21
N-Grafena 1157,33 1157,33 1157,31 1157,32
Grafit/grafena 100 100 100 100
Grafit/N-grafena 230,60 230,60 230,60 230,60
Grafena/N-grafena 868,27 868,27 868,27 868,27
Pada tabel pengukuran Daya Hantar Listrik (DHL) dari katoda baterai primer, grafit, oksida grafena dan grafena menunjukkan adanya perbedaan daya hantar listrik dimana daya hantar listrik dari grafena lebih besar yaitu sebesar 868,27 µS/cm daripada daya hantar listrik dari katoda baterai primer dan grafit.
Sifat daya hantar listrik dari grafena ini berasal dari elektron ikatan π terdelokalisasi di sepanjang ikatan C-C dan bertindak sebagai pembawa muatan listrik dan grafena berstruktur flat dengan luas permukaan spesifik sebesar 2630 m2/g sehingga
32
elektron bisa bermobilitas ke semua permukaan akan tetapi konduktivitas dari N- Grafena lebih besar dibandingkan grafena yaitu sebesar 1157,33 µS/cm, hal itu dikarenakan adanya modifikasi dari struktur grafena akibat penambahan nitrogen yang berasal dari amonia yang nantinya akan mendonasikan elektron ke dalam struktur grafena sehingga N-grafena akan membentuk interaksi C-N di dalam sistem grafena yang mampu mengubah band gap dari grafena dan meningkatkan konduktivitas dari grafena (Xin et al., 2011) sehingga sangat menjanjikan untuk digunakan dalam baterai, superkapasitor, sel surya, sensor dan penyimpanan hidrogen (Chang et al., 2012)
Daya hantar listrik dari variasi perbandingan Grafena/N-Grafena lebih besar daripada daya hantar listrik dari variasi perbandingan Grafit/Grafena dan Grafit/N- Grafena. Hal ini terjadi karena N-Grafena terdeposit ke dalam struktur grafena dan penambahan N-Grafena akan menambah nilai daya hantar listrik dari grafena. Sifat daya hantar listrik dari variasi perbandingan tersebut berasal dari penambahan doping nitrogen kedalam struktur grafena akibatnya dapat menghasilkan lebih banyak sisi aktif, karena kemungkinan grafena yang terdegradasi nitrogen memiliki permukaan yang lebih meningkat, peningkatan hidrofobisitas dan penyebaran elektrolit pada elektroda lebih baik sehingga dapat memperbaiki konduktivitas listrik dan kecepatan transfer elektron grafena (Hu et al. 2014).
33 5.2 Luaran yang Dicapai
Penelitian tentang produksi elektroda baterai primer berbahan non logam (Grafit/Grafena, Grafit/N-Grafena dan Grafena/N-Grafena) telah dilakukan. Luaran yang dicapai dari penelitian ini adalah komponen elektroda baterai primer berbahan non logam (Grafit/Grafena, Grafit/N-Grafena dan Grafena/N-Grafena).
Karakterisasi Grafena, N-Grafena, Grafit/Grafena, Grafit/Grafena, Grafit/N- Grafena dan Grafena/N-Grafena masing-masing dilakukan dengan XRD, FTIR, SEM-EDX dan Konduktometer. Data XRD menunjukkan bahwa atom N dapat terdeposit dengan baik pada Grafena untuk membentuk N-Grafena, itu ditunjukkan oleh puncak yang luas dan lemah muncul pada 2θ = 26,16º. Data ini konsisten dengan data EDX, di mana adanya atom N pada N-Grafena (2,72%). Data FTIR juga menunjukkan bahwa ada interaksi antara C dan N (puncak pada 1396 cm-1).
Data konduktivitas menunjukkan bahwa N-grafena memiliki konduktivitas tertinggi (1157,32 µS/cm) dibandingkan dengan grafena (858,21 µS/cm), grafit (79,16 µS/cm) dan katoda baterai primer (80,98 µS/cm) serta konduktivitas Grafit/grafena (100 µS/cm) grafit/N-grafena (230,60,20 µS/cm) dan grafena/N- grafena (868,27 µS/cm) Data-data tersebut membuktikan bahwa N-grafena (Grafit/Grafena, Grafit/N-Grafena dan Grafena/N-Grafena) mampu dijadikan sebagai bahan elektroda baterai primer berbahan non logam.
34 BAB 6
RENCANA TAHAPAN BERIKUTNYA
Rencana tahapan berikutnya adalah melakukan pengujian terhadap kinerja baterai primer agar dapat melihat berapa lama daya tahan terhadap baterai primer jika elektroda pada baterai yang pada umumnya menggunkan grafit digantikan oleh material elektroda (grafit/grafena, grafit/N-grafena dan grafena/N-grafena) sehingga tujuan jangka panjang penelitian ini adalah dapat menghasilkan baterai primer hasil rancangan sendiri yang bisa bersaing dengan baterai primer yang komersial saat ini, misalnya alkalin dan durasel. Serta target khusus inovasi menghasilkan baterai primer yang memiliki energi spesifik tinggi, waktu penyimpanan lama, instant, laju kapasitas rendah serta non logam. Sedangkan tujuan jangka pendek adalah produksi skala besar dan komposisi terbaik material elektroda (grafit/grafena, grafit/N-grafena dan grafena/N-grafena) dengan menguji kinerja material elektroda pada katoda dan anoda baterai primer; dan uji kinerja baterai primer hasil rancangan sendiri. Konsep penting dalam penelitian ini adalah keunggulan karbon grafitik (memiliki ikatan-π) dapat dimanfaatkan sebagai elektroda baterai dikarenakan luas permukaan besar, konduktivitas tinggi, ketahanan kimia, fisika dan mekanik baik serta dapat dimodifikasi dengan dopan Nitrogen (Basa Lewis).
35 BAB 7
KESIMPULAN DAN SARAN
7.1 Kesimpulan
Dari hasil penelitian yang dilakukan dapat disimpulkan:
1. Penyiapan elektroda pada katoda baterai primer dengan melakukan sintesis grafit menjadi grafena menggunakan metode Hummer’s yang dimodifikasi dilanjutkan dengan dopan nitrogen pada grafena menggunakan amonia sehingga dihasilkan N-Grafena. Keberhasilan sintesis ini dibuktikan dengan data XRD, FTIR dan SEM-EDX.
2. N-Grafena memiliki konduktivitas yang tinggi (1157,33 µS/cm) dan N-Grafena mampu meningkatkan konduktivitas dari berbagai variasi perbandingan komposit Grafit/N-Grafena dan Grafena/N-Grafena hal ini dikarenakan N- Grafena mampu mengubah band gap dari grafena karena adanya interaksi C-N.
Oleh karena itu berdasarkan besarnya nilai konduktivitas dari N-Grafena, Grafit/ Grafena, Grafit/N-Grafena dan Grafena/N-Grafena maka diharapkan mampu menghasilkan komponen elektroda baterai primer berbahan non logam.
7.2 Saran
Disarankan untuk penelitian selanjutnya melakukan pegujian terhadap kinerja baterai primer agar dapat melihat berapa lama daya tahan terhadap baterai primer jika elektoda pada baterai yang pada umumnya menggunakan grafit digantikan oleh N-Grafena.
36
DAFTAR PUSTAKA
Acik M, Lee G, Mattevi C, Pirkle A, Wallace RM, Chhowalla M, Cho K, Chabal Y, 2011.
J.Phys.Chem. C.115, 19761-19781.
Allen, M. J., Tung, V. C., Kaner, R. B. (2010), Honeycomb carbon: a review of graphene, Chem. Rev., 110,132–145.
Avinav G, Nandgaonkar, Wang Q, Fu K., Krause WK. 2014. A One pot biosynthesis of reduced graphene oxide (RGO)/bacterial cellulose (BC) nanocomposite. Green Chem, 16, 3195-3201.
Bianco, A. et al. (2013), All in the graphene family – A recommended nomenclature for two-dimensional carbon materials, Carbon, 65, 1–6.
Bourlinos, A. B., Gournis, D., Petridis, D., Szabo, T., Szeri, A., dan Dekany, I. 2003.
Graphite Oxide Chemical Reduction to Graphite and Surface Modification with Primary Aliphatic Amines and Amino Acids. Langmulir.
Dahn, J. R., Zheng, T., Liu, Y. dan Xue, J. S. (1995) Mechanisms for lithium insertion in carbonaceous materials. Science, 270, 590–593.
Dunn, B., Kamath, H. & Tarascon, J. M. (2011), Electrical energy storage for the grid: a battery of choices, Science, 334, 928–935.
Etacheri, V., Marom, R., Elazari, R., Salitra, G. and Aurbach, D. (2011), Challenges in the development of advanced Li-ion batteries: a review, Energy. Environ. Sci., 4, 3243–3262.
Endo, M. (1999), Anode performance of a Li ion battery based on graphitized and B- doped milled mesophase pitch-based carbon fibers. Carbon, 37, 561–568.
Goodenough, J. B., Park, K.-S (2013), The Li-ion rechargeable battery: a perspective, J.
Am. Chem. Soc. 135, 1167–1176.
Gencoglu, M. T., Ural, Z. (2009), Design of a PEM fuel cell system for residential application, Int. J. Hidrogen Energi, 34, 5242–5248.
Gong, K., Du, F., Xia, Z., Durstock, M., Dai, L. (2009), Science, 323 760
Geim, A. K., Novoselov, K.S. (2007), The rise of graphen, Nature Materials, 6, 183–191.
37
Geng D, Yang S, Zhang Y, Yang J, Liu J, Li R, 2011. Nitrogen Doping Effects on the Structure of Graphene. Applied Surface Science, 257, 9193-9198.
Hermann, A., Chaudhuri, T., Spagnol, P. (2005), Bipolar plates for PEM fuel cells: A review Int. J. Hidrogen Energi, 30, 1297–1302.
Jeong, K.H., Lee, P.Y., Lahaye, R.J.W.E., Park, H. M., An, K. H., dan Kim, I. J. 2008.
Evidence of Graphitic AB Stacking Order of Graphit Oxides. J. AM. Chem. SOC.
American Chemical Society.
Junaidi M, Susanti D, 2014. Pengaruh Variasi Waktu Ultrasonikasi dan Waktu Tahan Hidrotermal terhadap Struktur dan Konduktivitas Listrik Material Grafena. Jurnal Teknik Pomits, vol.3: 1-6.
Lu, J., Chen, Z., Ma, Z., Pan, F., Curtiss, L. A., Khalil, A., (2016), The role of nanotechnology in the development of battery materials for electric vehicles, Nature Nanotechnology, 11, 1031-1038.
Liu, H., Liu, Y., Zhu, D (2011), Journal of Materials Chemistry, 21, 3335.
Liu, G., Niu, P., Sun, C., Smith, S.C., Chen, Z., Lu, G.Q., Cheng, H.M (2010), Journal of the American Chemical Society, 132. 11642.
Li, Y., Tang, L., Li, J. (2009), Pt/graphene nanocomposite, Electrochem. Comm., 11, 846– 849.
Momirlan, M., Veziroglu, T. N. (2005), Design of a PEM fuel cell system for residential application, Int. J. Hydrogen Energy, 30, 795–802.
Raccichini, R., Varzi, A., Passerini, S., Scrosati, B., (2015), The role of graphene for electrochemical energy storage, 14, 271-279.
Reddy, A. L. M., Srivastava, A., Gowda, S. R., Gullapalli, H., Dubey, M., Ajayan, P. M., (2010), Synthesis Of Nitrogen-Doped Graphene Films For Lithium Battery Application, 4 (11), 6337-6342.
Siburian, R., Kondo, T. J. Nakamura (2013), Size Control to a Sub-Nanometer Scale in Platinum Catalysts on Graphene, Journal of Physical Chemistry C, 117, 3635- 3645.
Siburian, R., Nakamura, J. (2012), Formation Process of Pt Subnano-Clusters on Graphene Nanosheets, Journal of Physical Chemistry C, 116, 22947-22953.
38
Sharma, S., Pollet, B. G. (2012), A review of application of carbon nanotubes for lithium ion battery anode material J. Power Sources, 208, 96–119.
Seo, M. H., Choi, S. M., Kim, H. J., Kim, W. B. (2011), Efficient electro-oxidation of biomass-derived glycerol over a graphene-supported Pt-Ru electrocatalyst, Electrochem. Comm., 13, 182–185.
Stein, A., Wang, Z., Fierke, M.A, (2009), Advanced Materials, 21, 265.
Suwandana, R. F., dan Susanti, D. 2015. Analisis Pengaruh Massa Reduktor Zinc terhadap Sifat Kapasitif Superkapasitor Material Graphene. Jurnal Teknik ITS.
4:1.
Saleh, F.S., Okajima, T., Kitamura, F., L. Mao, T., Ohsaka, (2011), Electrochimica Acta 56 4916.
Wu, Y. P.; Fang, S.; Jiang, Y.; Holze, R. (2002), Effects of doped sulfur on electrochemical performance of carbon anode. J. Power Sources, 108, 245–249.
Weydanz, W. J., Way, B. M., van Buuren, T., Dahn, J. R. (1994), Behavior of nitrogen- substituted carbon (NC) in Li/Li(NC)cells. J. Electrochem. Soc., 141, 900–907.
Xin, Y., Liu, J., Zhou, Y., Liu, W., Gao, J., Xie, Y., Yin, Y., Zou, Z. (2011), Preparation and characterization of Pt on graphene, J. Power Sources, 196, 1012–1018.
Yu, D., Zhang, Q., Dai, L (2010), Journal of the American Chemical Society, 132, 15127.
