Metode Sintesis Graphene dan Teknologi
Penerapannya
Yeti Rafitasari
January 3, 2016
Perkembangan teknologi dewasa ini begitu pesat. Adanya tuntutan dari konsumen yang semakin membutuhkan perangkat elektronik yang efisien, ringan dan tentunya dengan performa tinggi, menuntut perkembangan ilmu material untuk menemukan sebuah material baru yang dapat memenuhi kebutuhan tersebut. Salah satu tuntutan material tersebut adalah material yang da-pat diaplikasikan pada rancangan perangkat elektronik yang futuristik dan setipis mungkin. Kendala yang dialami oleh produsen perangkat elektronik sekarang adalah belum adanya sebuah material yang fleksibel dengan konduk-tivitas elektrik yang tinggi yang dapat diaplikasikan pada perangkat elektronik seperti pada layar LCD, baterai lithium-ion, transistor, superkapasitor, dll [1]. Graphene adalah material yang dapat menjawab kebutuhan hal tersebut. Per-masalahan yang kemudian muncul adalah proses sintesis massal yang masih menjadi kendala.
Material graphene merupakan material yang tersusun atas atom-atom kar-bon monolayer yang membentuk struktur heksagonal seperti sarang lebah dua dimensi. Graphene memiliki sifat-sifat yang khas antara lain Dirac Fermion, ballistic electron transport, efek Hall kuantum dan chiral tunneling[2]. Graphene juga memiliki luas permukaan yang spesifik (2630 m2g−1), mobilitas elektrik sebesar 2 × 106cm2V−1s−1, konduktivitas termal sebesar 5000 W m−1K−1
dan transitansi optik 97,7% [3]. Pada daerah energi 0,1 eV sampai dengan 0,6 eV graphene monolayer memiliki konduktansi universal ±6, 08 × 10−5Ω−1 [4] dan memiliki nilai regangan yang bersifat reversible serta memiliki kekuatan tekanan terhadap pseudo-medan magnet masing-masing sebesar 20% dan 300 Tesla[5], sedangkan graphene multilayer memiliki mobilitas carrier pada suhu 3000K sebesar 1500 cm2V−1s−1 dan pada suhu 40K sebesar 6000 cm2V−1s−1
[6] (Lihat gambar1).
Berbagai metode sintesis telah dikembangkan untuk proses sintesis graphene diantaranya adalah (a) Mechanical exfoliation graphene menggunakan metode peel-of dengan Scotch-tape, (b) CVD lapisan Graphene, (c) Metode Hummer, (d) Sintesis Graphene dengan metode Reduksi Grafit Oksida (GO)[7].
Mechanical exfoliation graphene merupakan metode yang mudah digu-nakan akan tetapi hanya dapat menghasilkan graphene dalam jumlah sedikit, karena metodenya menggunakan pengelupasan secara mekanik pada grafit.
Gambar 1: Graphene
Grafit yang berupa padatan, ditempeli dengan menggunakan selotip, kemu-dian selotip tersebut dilepas. Setelah dilepas selotip tersebut direkatkan kem-bali sampai pada akhirnya diperoleh graphene. Pengelupasan mekanik dapat menghasilkan lembaran graphene sampai 1 mm2dengan sifat elektronik yang amat bagus. Lembaran ini dapat menghasilkan efek Hall kuantum dan mem-punyai mobilitas bersuhu rendah sampai dengan 20.000cm2/Vs.
Metode CVD merupakan metode sintesis graphene dengan menggunakan substrat SiO2 sebagai media pertumbuhan graphene. Metode ini
menggu-nakan peralatan penunjang dengan teknologi tinggi sehingga membutuhkan biaya relatif mahal. Namun metode ini dapat menghasilkan lebih banyak graphene dibandingkan menggunakan metode mechanical exfoliation.
Metode Hummer untuk mensintesis graphene berhasil dilakukan pada tahun 2014 dengan melakukan variasi waktu ultrasonikasi dan waktu tahan proses hydrothermal dengan diperolehnya hasil graphene yang memiliki konduktifi-tas listrik terbaik (0,00021S/cm) dengan waktu ultrasonikasi 120 menit dan waktu tahan hydrothermal 12 jam[8].Pada tahun yang sama, graphene juga berhasil disintesis dengan metode Hummer dan reduksi Zn dengan melakukan variasi pada waktu ultrasonikasi dan temperatur Hidrotermal terhadap sifat kapasitif graphene. Hasil yang didapatkan adalah sifat kapasitansi tertinggi diperoleh pada waktu ultrasonikasi 90 menit dan temperatur hydrotermal 160 yaitu sebesar 491,36 F/gr[9].
Metode Reduksi Grafit Oksida (GO) inti metode ini adalah mengoksidasi grafit sehingga menjadi grafit oksida. Metode yang digunakan untuk mensin-tesis grafit oksida dalam penelitian ini adalah modifikasi Metode Hummer. Proses ini dilakukan dengan melarutkan 40 mg grafit oksida ke dalam 40 ml aquades hingga larutan menjadi homogen. Setelah larutan menjadi homogen, larutan diultrasonikasi dengan ultrasonic cleaner yang memiliki kemampuan memancarkan gelombang ultrasonik sebesar 50/60 Hz. Ultrasonikasi dilakukan dalam waktu 90 menit. Akibat gelombang ultrasonik, maka grafit oksida akan terkelupas menjadi graphene oksida (GO). Lalu ditambahkan 10 ml HCl 37% ke dalam larutan GO untuk membentuk suasana asam dan dihomogenkan dengan proses stirring. Selanjutnya ditambahkan serbuk Zn ke dalam laru-tan GO yang telah memiliki suasana asam dengan variasi 0,8 g, 1,6 g, dan
2,4 g. Zn kemudian bereaksi dengan GO sehingga menghasilkan gelembung-gelembung gas karena terjadi reduksi gugus fungsi oksigen. Ketika gelembung-gelembung sudah berhenti berekasi, HCl kembali ditambahkan untuk menghilangkan ZnO yang merupakan pengotor. Dari proses sintesis ini dihasilkan graphene oksida tereduksi (rGO). Setelah proses sintesis ini, larutan rGO dicuci berulang kali dengan aquades untuk menetralkan pH-nya. Setelah pH menjadi netral, laru-tan rGO di-hydrothermal untuk membentuk struktur graphene yang lebih sta-bil. Proses hydrothermal dilakukan selama 12 jam. Larutan rGO dimasukkan ke dalam wadah teflon, yang kemudian dimasukkan ke dalam autoclave dan dikencangkan dengan skrup agar benar-benar kedap udara. Air dalam larutan rGO akan mencapai kondisi kritis dan memiliki tekanan tinggi akibat temper-atur yang tinggi sehingga dapat berperan sebagai agen kristalisasi fasa [10]. Proses sintesis graphene dengan menggunakan Metode Reduksi Grafit Oksida (GO) dianggap sebagai metode paling sesuai karena bersifat sederhana, sesuai untuk produksi skala besar, dan murah.
Gambar 2: Sintesis GO dari graphite
Baru-baru ini tim peneliti dari Inggris dan Irlandia menemukan cara ter-baru untuk mensintesis graphene yaitu dengan menuangkan bubuk graphite, seperti yang digunakan di dalam pensil, ke dalam blender. Setelah itu mereka menambahkan air dan cairan pembersih piring dan mencampurnya di dalam blender dengan kecepatan tinggi. Proses tersebut menghasilkan graphene, ma-terial paling tipis di dunia tetapi sangat kuat. Bahan graphene mempunyai potensi mentransformasikan elektronik dan teknologi-teknologi lain. Tenaga yang tercipta dari alat berputar dalam kecepatan tinggi di cairan, cukup kuat untuk memisahkan lapisan-lapisan graphene yang membentuk butiran graphene tanpa merusak struktur dua dimensi. Peneliti menyebut perkem-bangan ini sebagai langkah penting menuju penggunaan graphene di berbagai aplikasi komersial, termasuk pengolahan air, pembersihan tumpahan minyak dan bahkan untuk memproduksi kondom lebih tipis. Temuan tim peneliti dimuat di jurnal Nature. Sejauh ini masih sulit memproduksi graphene dalam skala industri.
Semua sifat-sifat elektronik, optic,termal, dan magnetik yang menjadi kelebi-han graphene diatas dapat digambarkan dengan jelas dengan mengkajinya mu-lai dari bagian fundamental yaitu struktur pita elektronik (energi dispersi) juga
rapat keadaan material graphene. Graphene yang memiliki sifat semimetal (pita valensi dan konduksi bertemu pada titik K yang simetri) dapat di-modifikasi struktur pitanya sehingga terjadi celah diantara pita konduksi dan valensinya diatas maupun dibawah aras tenaga Fermi. Berbagai model telah dicoba untuk menggambarkan struktur pita elektronik graphene secara anal-itik yang menggunakan model ikatan kuat, maupun numerik seperti Density Functional Theory juga Tight Binding dengan penyelesaian Time Dependent Schrodinger Equation.
Graphene merupakan material unik yang menjadi harapan bagi perkem-bangan industri otomotif, medis, pesawat terbang, maupun industri elektronik seperti transistor efek medan, Transparent Conductive Film,elektroda baterai ramah lingkungan, komposit nano polimer,superkapasitor, dll.
Bahkan,baru-baru ini, Samsung Electronics telah mengembangkan tero-bosan teknologi yang bisa menggandakan kapasitas baterai lithium-ion den-gan lapisan graphene yang bebas silikon karbida. Pemerhati industri berharap teknologi baru ini bisa membawa perubahan yang signifikan untuk memper-panjang daya tahan baterai pada perangkat mobile dan mobil listrik. Tim peneliti Samsung mengembangkan teknologi dari pertumbuhan graphene se-cara langsung lewat silikon nanopartikel tanpa pembentukan silikon karbida. Lapisan graphene yang berlabuh ke permukaan silikon mengakomodasi perlu-asan volume silikon melalui proses pergeseran antara lapisan graphene yang berdekatan. Ketika dipasangkan dengan lithium kobalt oksida katoda komer-sial, lapisan graphene yang bebas silikon karbida memungkinkan sel penuh untuk mencapai kepadatan energi volumetrik hampir dua kali lebih tinggi daripada baterai lithium-ion komersial yang ada saat ini. ”Pengamatan ini menunjukkan bahwa lapisan dua dimensi dari struktur graphene dan integrasi bebas silikon karbida dengan silikon dapat berfungsi sebagai prototipe dalam memajukan silikon anoda menjadi teknologi komersial[11].
References
[1] Nur,L., Susanti, D., Teknik, J., Industri, F. T., & Sepuluh, I. T. ” Pengaruh Variasi Kadar Zn Dan Temperatur Hydrotermal Terhadap Struktur Dan Nilai Konduktivitas Elektrik Material Graphene, 3(2)185–190. (2014) [2] Castro Neto, A.H., Guinea, F, Peres N. M. R, Novoselov, K. S. dan Geim,
A. K., ” The Electronic Properties of Graphene, Rev. Mod.Phys, Volume 81. (2009)
[3] Zhu, Y.,Murali, Weiwei Cai,S., Li, X., Suk, J.W., Potts,J.R., dan Ruoff, R.S. ” Graphene and Graphene Oxide: Synthesis, Properties and Applica-tions,Adv. Mater., XX, 1–19 (2010)
[4] Kuzmenko, A.B., van Heumen, E., Carbone, F., dan van der Marel, D., ” Universal Dynamical Conductance in Graphite, Phys. Rev. Lett 100, 117401 (2008)
[5] Peres, N.M.R., ” The Transport Properties of Graphene: An Introduc-tion,Rev. Mod.Phys. 82, 2673. (2010)
[6] Novoselov, K.S., Geim, A.K., Morozov, S.V., Jiang, D., Zhang, Y., Dubon-nos, S. V., Grigorieva, I. V., Firsov. A. A.,, ” Electric Field Effect in Atom-ically Thin Carbon Films,Science 306, 666. (2004)
[7] Junaidi, M., dan D.Susanti, ” Pengaruh Variasi Waktu Ultrasonikasi dan Waktu Tahan Hydrothermalterhadap Struktur dan Konduktivitas Listrik Material Graphene,3(1). (2014)
[8] Pradesar,Y., dan D.Susanti, ” Pengaruh Waktu Ultrasonikasi dan Waktu Tahan Proses Hydrothermal Terhadap Struktur Dan Sifat Listrik Material Graphene,Tugas Akhir ITS:Surabaya (2014)
[9] Nurdiansyah,H., dan D. Susanti, “ Pengaruh Temperatur Hidrotermal dan Waktu Ultrasonikasi Terhadap Nilai Kapasitansi Elektroda Electric Double Layer Capasitor (EDLC) dari Material Grafena, Tesis ITS: Surabaya (2014) [10] Faiz, R., dan D. Susanti, ” Analisis Pengaruh Massa Reduktor Zinc ter-hadap Sifat Kapasitif Superkapasitor Material Graphene,4(1), 95–100 (2015) [11] Son, I. H.,J. Hwan Park,S. Kwon, S. Park, M. H.R¨ummeli, , Bachmatiuk, H.Chang, ” Silicon carbide-free graphene growth on silicon for lithium-ion battery with high volumetric energy density,Nature Communications,7393. http://doi.org/10.1038/ncomms8393 (2015)
