LAPORAN AKHIR TAHUN HIBAH KOMPETENSI

LAPORAN AKHIR TAHUN HIBAH KOMPETENSI. KINERJA GRAFENA SEBAGAI BAHAN PENDUKUNG (SUPPORT MATERIAL) ELEKTRO KATALIS DALAM SEL BAHAN BAKAR HIDROGEN Tahun ke 1 (satu) dari rencana 2 (dua) tahun Rikson A. F. Siburian, Ph.D. NIDN: 0004097404 Dr. Jasman, S.Pd, M.Si NIDN: 0011066908 Minsyahril Bukit, S.Si, M.Si NIDN: 0017017706. UNIVERSITAS NUSA CENDANA KUPANG Oktober 2016.





RINGKASAN Sel bahan bakar hidrogen (Hydrogen fuel cells) memiliki berbagai keunggulan dibandingkan dengan bahan bakar fosil, yaitu efisiensi tinggi dan ramah lingkungan. Sasaran utama dalam pengembangan teknologi sel bahan bakar adalah biaya rendah (low-cost), kinerja yang tinggi (high performance) dan keuletan bahan (durable materials). Sel bahan bakar terdiri dari dua elektroda, yakni anoda-katoda dan katalis. Katalis terdiri dari karbon sebagai bahan pendukung (support material) dan logam, misalnya platina (Pt) sebagai logam yang diperlukan dalam elektrokatalis. Masalah utama dalam pengembangan sel bahan bakar adalah harga Pt yang sangat mahal dan interaksi yang lemah antara Pt dan karbon sehingga dibutuhkan jumlah Pt yang lebih besar . Oleh karena itu pada penelitian ini ada dua fokus riset yang dilakukan yakni: 1) Sintesis Grafena dan karakterisasinya (Tahun Pertama) serta 2) Sintesis Elektroda Katalis dengan menggunakan berbagai logam didalam grafena dan uji kinerja elektroda katalis. Pada penelitian ini dilakukan sintesis grafena dari berbagai reduktor yakni NaBH4, KBH4, Amonia, Asam Sitrat, Hidrazin dan Seng. Sintesis grafena dilakukan dengan memodifikasi metode Hummer’s yakni mengoksidasi grafit menjadi oksidasi grafit dan dieksfoliasi dalam aquades untuk menghasilkan oksida grafena dan direduksi untuk menghasilkan grafena. Tambahan lagi pada penelitian ini juga dicoba untuk memblend berbagai sumber karbon untuk melihat berbagai interaksi dan sifatnya. Ada beberapa hasil penelitian yang diperoleh yakni: 1) Dengan reduktor KBH4. Grafena berlapis nano dihasilkan ditandai dengan masih adanya peak pada 2ʘ 26o, artinya masih ada beberapa grafit yang tertumpuk didalam grafena. Hasil XRF menunjukkan bahwa grafena yang dihasilkan dominan dengan atom karbon. SEM data memperlihatkan terbentuknya beberapa lembaran grafena namun masih terdapat beberapa tumpukan. Sedangkan daya hantar listrik grafena (429.5 µS cm-1) memiliki daya hantar tertinggi dibandingkan dengan grafit dan oksida grafena. Datadata tersebut menunjukkan bahwa grafena dapat disintesis dengan menggunakan reduktor KBH4; 2) Dengan reduktor NaBH4. Grafena dapat disintesis dengan reduktor NaBH4 meskipun grafena yang dihasilkan masih berlapis nano. Grafena yang dihasilkan terdispersi baik didalam air dan terkoagulasi didalam kloroform. Konduktivitas yang dihasilkan (429.5 µS cm-1) lebih rendah dari KBH4.3) Dengan reduktor hidrazin. Hasil penelitian menujukkan bahwa gugus fungsional oksida grafena berkurang setelah direduksi dengan hidrazin (data FT-IR). Pengukuran dengan XRD menunjukkan bahwa puncak C(002) grafena berbeda signifikan dengan grafit dan oksida grafena. Hasil SEM juga menunjukkan permukaan grafena adalah tipis dan plat. 4) Dengan reduktor amoniak. Data FTIR memperlihatkan bahwa gugus fungsi oksigen khususnya gugus epoksi (C–O) pada grafena tergantikan dengan kehadiran gugus C–N pada panjang gelombang 956,69 cm-1. Hal ini terjadi akibat proses de-oksigenasi. Hasil analisis XRD menunjukkan munculnya peak C(002) yang lemah dan lebar pada pada 2θ = 26, 5° dengan jarak antar bidangadalah 3,35 Å, yang merupakan struktur khas dari pembentukan grafena. Analisis menggunakan SEM-EDX menunjukkan bahwa grafena memiliki ukuran partikel dan ukuran pori yang lebih kecil dan seragam serta agregat yang tersusun secara acak dengan lapisan yang tipis dan terkait erat satu sama lain. Serta hasil analisis menggunakan konduktometer menunjukkan bahwa daya konduktivitas dari grafena (0,230 μs/cm) lebih tinggi dibandingkan daya konduktivitas grafit (0,013 μs/cm) dan 5) Dengan asam sitrat. Hasil analisis grafena dengan menggunakan konduktometer menunjukan peningkatan daya hantar listrik pada grafena sebesar (105,8 μs/cm) dibandingkan dengan oksida grafena (50,8 μs/cm). Hasil karakterisasi grafena menggunakan FT-IR menunjukan berkurangnya gugus–gugus fungsi oksigen berupa (C=O, O-H, C-O, C-OH/C-O) dari struktur oksida grafena akibat penambahan reduktor asam sitrat. Hasil XRD menunjukan terdapatnya puncak yang lebih rendah dan luas pada grafena dibandingkan dengan grafit dan oksida grafena. Hasil SEM-EDX menunjukan ukuran permukaan dan bentuk struktur yang lebih kecil, tipis serta berkurangnya penumpukan pada struktur grafena. Hasil-hasil tersebut menunjukkan bahwa grafena dapat disintesis dari grafit dengan menggunakan reduktor amoniak, asam sitrat dan hidrazin. Asam sitrat dan amoniak diharapkan mampu menggantikan hidrazin yang bersifat sangat beracun, serta harus terus dilakukan upaya untuk menghasilkan grafena yang berlapis tunggal dan penelitian lebih lanjut untuk deposit logam kedalam grafena.. 1.

PRAKATA Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas penyertaan dan pertolonganNya, akhirnya peneliti dapat menyelesaikan laporan tahunan penelitian dengan judul “KINERJA GRAFENA SEBAGAI BAHAN PENDUKUNG ELEKTRO KATALIS DALAM SEL BAHAN BAKAR HIDROGEN“. Grafena telah menarik perhatian dunia baik para peneliti maupun industrial. Hal ini disebabkan aplikasinya yang luas yakni dibidang semikonduktor, elektronik maupun telekomunikasi. Oleh karena itu produksi grafena dalam skala besar sedang menjadi perhatian para ilmuan. Sehingga sintesis grafena sangat penting untuk dapat dilaksanakan. Penelitian ini dapat terlaksana dengan baik berkat bantuan DP2M Kementerian Riset Teknologi dan Pendidikan Tinggi, Republik Indonesia melalui Hibah Kompetensi. Peneliti menyadari penelitian ini masih jauh dari sempurna masih dibutuhkan berbagai penelitian lainnya untuk menyempurnakan penelitian ini. Oleh karenanya masukan dari berbagai pihak dibutuhkan demi kesempurnaan penelitian ini dikemudian hari.. Salam hormat, Peneliti. 2.

DAFTAR ISI. JUDUL RINGKASAN PRAKATA DAFTAR ISI DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR DAFTAR LAMPIRAN BAB 1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Grafit 2.2 Oksida Grafena 2.3 Grafena 2.3.1 Sintesis grafena 2.3.2 Aplikasi grafena untuk sel bahan bakar 2.4 Sel Bahan Bakar 2.4.1 Aplikasi dari sel bahan bakar 2.5 Amonia 2.6 Asam Sitrat 2.7 Hidrazin 2.8 Kalium Borohidrida 2.9 Natrium Borohidrida 2.10 Karakterisasi Material 2.10.1 Konduktometer 2.10.2 Difraksi sinar X (X-Ray Difraction) 2.10.3 Spektroskopi Inframerah Transformasi Fourier 2.10.4 Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive X-Ray (SEM-EDX) BAB 3. TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN 3.1 Tujuan Penelitian 3.2 Manfaat Penelitian BAB 4. METODE PENELITIAN 4.1 Sintesis Grafena BAB 5. HASIL DAN PEMBAHASAN 5.1 Analisis Grafena 5.1.1 Grafena (Reduktor KBH4) 5.1.2 Grafena (Reduktor NaBH4) 5.1.3 Sintesis Grafena (Reduktor Amonia) 5.1.4 Sintesis Grafena (Reduktor Asam Sitrat) 5.1.5 Sintesis Grafena (Reduktor Hidrazin) 5.1.6 Sintesis Grafena (Reduktor Asam Sitrat) Analisis X-Ray 5.1.7 Sintesis Grafena (Reduktor Hidrazin) Analisis X-Ray 5.1.8 Sintesis Grafena (Reduktor Amonia) Analisis SEM-EDX 5.1.9 Sintesis Grafena (Reduktor Asam Sitrat) 5.1.10 Sintesis Grafena (Reduktor Hidrazin) 5.1.11 Analisis Konduktivitas BAB 6. RENCANA TAHAPAN BERIKUTNYA 3. Halaman 1 2 3 4 5 6 7 7 10 10 11 12 14 15 16 17 17 19 20 21 22 23 23 25 26 28 29 29 29 30 30 31 31 31 36 49 52 56 58 60 62 65 68 69 72.

BAB 7. KESIMPULAN DAN SARAN 7.1 Kesimpulan 7.2 Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN A. Publikasi B. Submission paper C. Buku Ber-ISBN D. Personalia Tenaga Peneliti dan Kualifikasinya E. Sebagai Pemakalah F. Instrumen Penelitian G. Hasil analisis SEM dari Grafit, Oksida Grafena dan Grafena H. Hasil analisis XRD dari grafit, oksida grafena dan grafena. I. Bagan alir Penelitian J. Foto – foto penelitian K. Data XRD Material sel Katoda (Grafit, Oksida grafit, Grafena, Grafit/oksida grafit, Grafit/grafena, Mn/Grafit dan Mn/Grafena) L. Data XRF Material sel Katoda (Grafit/oksida grafit, Grafit/grafena, Mangan/grafit, dan Mangan/grafena). 4. 72 72 72 73 78 78 80 80 81 86 86 89 90 91 92 96 105.

DAFTAR TABEL. NO. JUDUL. HALAMAN. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10. Tabel 1. Sifat – sifat grafena dan karbon lainnya Tabel 2. Aplikasi grafena untuk sel bahan bakar Tabel 3. Aplikasi grafena untuk piranti elektronik Tabel 4. Perbandingan dari berbagai sel bahan bakar Tabel 5. Sifat-sifat Fisik Amonia Tabel 6. Sifat Fisika-Kimia dari Asam Sitrat Tabel 7. Sifat fisika hidrazin Tabel 8 Sifat fisika dan kimia dari kalium borohidrida Tabel 9 Sifat fisika-kimia dari natrium borohidrida Tabel 10. Nilai frekwensi spesifik sinar infra merah pada gugus fungsional ikatan kimia Tabel 11. Data unsur yang terdapat dalam grafit, oksida grafena dan grafena. Tabel 12. Hasil pengukuran DHL grafit, oksida grafena dan grafena Tabel 13. Hasil pengukuran DHL grafena dari penelitian sebelumnya Tabel 14. Analisis daya hantar listrik grafit, OG, grafit/grafena, dan grafena. Tabel 15. Nilai frekuensi spesifik sinar infra merah pada gugus fungsional ikatan kimia. Tabel 16. Nilai frekuensi spesifik infra merah pada gugus fungsional ikatan kimia. Tabel 17. Perbandingan Elemen C dan O Tabel 18. Daya konduktivitas grafit, oksida grafena dan grafena Tabel 19.Hasil pengukuran Daya Hantar Listrik grafit, oksida grafena dana grafena. 13 15 16 17 18 19 21 22 23 27. 11 12 13 14 15 16 17 18 19. 33 35 35 48 51 66 67 70 71. DAFTAR GAMBAR NO. JUDUL. HALAMAN. 1 2. Gambar 1. Struktur Grafit Gambar 2. Struktur oksida grafena dengan gugus fungsional. A: Gugus Epoksi, B: Gugus Hidroksil, C: Gugus Karboksil Gambar 3. Ibu dari semua bentuk grafitik. Grafena adalah struktur 2D material penyusun dasar untuk material karbon dari semua dimensi karbon. Grafena dapat dibungkus menghasilkan (a) 0D buckyballs, digulung (b) 1D nanotube, dan ditumpuk (c) 3D grafit (A. K. Geim, K.S. Novoselov, Nature Materials, 2007). Gambar 4. Skema sederhana dari sel bahan bakar Gambar 5. Struktur ammonia Gambar 6. Struktur Hidrazin. 10 11. 3. 4 5 6. 5. 13. 17 18 21.

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16. 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47. Gambar 7. Struktur Kalium Borohidrida Gambar 8 .Struktur Natrium Borohidrida (Anonim, 2011) Gambar 9. Diagram Difraksi Sinar-X Gambar 10. Diagram spektroskopi inframerah transformasi fourier. Gambar 11. Skema SEM (Liani, 2012) Gambar 12 Reaksi KBH4 dan oksida grafena Gambar 13. Difraktogram dari grafit, oksida grafena dan grafena Gambar 14. Grafik XRF dari Grafit, Oksida Grafena dan Grafena Gambar 15. Hasil SEM grafit, oksida grafena dan grafena (a) 1000x, (b) 2500x dan (c) 5000x perbesaran. Gambar 16. (a) grafena dalam air (b) grafena dalam etanol 96% (c) hasil solvasi grafena dalam air (d) hasil solvasi grafena dalam etanol 96%. Gambar 17. Difraktogram dari a) Grafit; b) OG; c) Grafena Gambar 18a. Grafit/Oksida Grafit Gambar 18b. Grafit/Grafena Gambar 18c. Mn/Grafit Gambar 18d. Mn/Grafena Gambar 19a. Grafit/Oksida Grafit Gambar 19b. Grafit/Grafena Gambar 19c. Mn/Grafit Gambar 19d. Mn/Grafena Gambar 20. Grafit/Oksida Grafit Gambar 21. Grafit/Grafena Gambar 22. Mn/Grafit Gambar 23. Mn/Grafena Gambar 24. Spektra FTIR Grafit (a), Oksida Grafena (b) dan Grafena (c). Gambar 25. Mekanisme de-epoksidasi dari Oksida Grafena (OG) menggunakan reduktor NH3. Gambar 26. Spektra FTIR Grafit Gambar 27. Spektra FT-IR Oksida Grafena Gambar 28. Spektra FT-IR Grafena Gambar 29. Spektra FT-IR (a) grafit; (b) OG; (c) grafena. Gambar 30. Pola XRD Grafit (a), Oksida Grafena (b) dan Grafena (c). Gambar 31. Spektra XRD dari Grafit Gambar 32. Spektra XRD Oksida Grafena Gambar 33. Spektra XRD Grafena Gambar 34. Difraktogram dari a) Grafit; b) OG; c) Grafena Gambar 35. Hasil SEM Grafit, Oksida Grafena dan Grafena dengan 1000x (a), 2500x (b) dan 5000x (c) Perbesaran. Gambar 36. Spektra EDX Grafit (a), Oksida Grafena (b) dan Grafena (c). Gambar 37. Hasil SEM Grafit 1000x(A), 2500x(B) dan 5000x(C) Gambar 38. Spektra EDX Grafit Gambar 39. Hasil SEM Oksida Grafena 1000x(A), 2500x(B) dan 5000x(C) Gambar 40. Spektra EDX Oksida Grafena Gambar 41. SEM Grafena 1000x (A), 2500x (B) dan 5000x (C) 6. 21 22 26 27 29 31 32 33 34 36. 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 46 46 47 49 51 52 53 54 56 57 58 59 60 61 62 64 65 65 66 66 67.

48 49. Gambar 42. Spektra EDX Grafena Gambar 43 A. Gambar MEP hasil penelitian S. Wang (2011). B Gambar MEP hasil analisis penelitian ini a) grafit; b) OG; dan c) grafena dengan perbesaran 1000x. DAFTAR LAMPIRAN NO A B C D E F G H I J K. JUDUL Publikasi Submission Paper Buku Ber-ISBN Personalia Tenaga Peneliti dan Kualifikasinya Sebagai Pemakalah Instrumen Penelitian Hasil analisis SEM dari Grafit, Oksida Grafena dan Grafena Hasil analisis XRD dari grafit, oksida grafena dan grafena Bagan alir Penelitian Foto – foto penelitian Data XRD Material sel Katoda (Grafit, Oksida grafit, Grafena, Grafit/oksida grafit, Grafit/grafena, Mn/Grafit dan Mn/Grafena). 7. HALAMAN 79 81 81 82 87 87 90 91 92 93 97. 68 69.

BAB 1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Populasi dunia saat ini telah mencapai kurang lebih tujuh miliar orang. Pada tahun 2050 diestimasi akan mencapai sembilan miliar, dan akan terus bertambah mencapai sebelas miliar pada 2100 (R. Lee, 2011). Peningkatan jumlah penduduk dan perkembangan ekonomi yang begitu cepat mengakibatkan kebutuhan energi semakin tinggi (Y. Cheng, C. dan H. Wang, 2012). Energi merupakan urat nadi teknologi dan pengembangan ekonomi. Oleh karena itu, keamanan, ketersediaan dan kemampuan penyediaan energi sangat fundamental bagi kestabilan dan pengembangan ekonomi. Konsumsi energi dunia, 86 % bersumber dari bahan bakar fosil, yaitu minyak (33 %), gas (23 %), dan batubara (30 %) (International Energy Agency in World Energy Outlook, 2011). Bahan bakar fosil berkontribusi penuh bagi ketersediaan energi listrik dan total kebutuhan energi dunia. Penyediaan energi listrik dunia (18.000 TWH (Terawatt-jam) per tahun, setara dengan 40 % dari kebutuhan total energi manusia diperoleh dari bahan fosil (Q. Schiermeier, J. Tollefson, T. Scully, A. Witze, O. Morton, 2008). Namun demikian, ada beberapa kelemahan dari bahan bakar fosil (i) polusi, penyumbang karbon dioksida (efek rumah kaca). Emisi karbon dioksida diestimasi akan meningkat dari 29 menjadi 43 giga ton (Gt) per tahun (S. Chu, A. Majundar, 2012). Hal ini juga penyumbang pemanasan global saat ini, dan (ii) bahan bakar fosil merupakan sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui, satu saat bahan bakar fosil akan habis dan ketersediaannya semakin terbatas (G. Fischer, L. Schrattenholzer, 2001). Dengan demikian, alternatif energi yang murah serta dapat mengurangi ketergantungan akan bahan bakar fosil khususnya untuk kendaraan menjadi penting, sehingga emisi gas rumah kaca dapat dikurangi (F. Veld, 2012), contohnya penggunaan gas hidrogen (H2). Hidrogen dapat digunakan sebagai sumber energi alternatif dikarenakan ramah lingkungan, ketersediannya besar, dapat diperoleh dari berbagai sumber daya alam yang dapat diperbaharui serta dapat langsung dikonversi menjadi energi pada kendaraan maupun untuk keperluan rumah tangga (M. J. Prather, 2003). Saat ini, sel bahan bakar membran polimer telah menarik perhatian dunia dikarenakan dapat diaplikasikan untuk berbagai bidang, misalnya transportasi, perumahan, perkantoran dan peralatan elektronik. Komersialisasi sel bahan bakar akan diterima pasar apabila kinerjanya dapat ditingkatkan, harga yang ekonomis serta keuletan produk tersebut (dapat digunakan dalam waktu yang lama) (H. Zhang dan P. K. Shen, 2012). Keunggulan lainnya i) hasil akhirnya adalah air dan prosesnya bersih serta ramah lingkungan; ii) lebih 8.

efisien dalam hal mengkonversi energi kimia menjadi energi listrik dibandingkan dengan teknologi saat ini. Sehingga, persoalan polusi udara, gas emisi rumah kaca dan ketergantungan terhadap bahan bakar fosil dapat dikurangi. Oleh karenanya, pengembangan sel bahan bakar sangat penting untuk dikembangkan. Pengembangan sel bahan bakar sangat bergantung terhadap teknologi bahan yang akan digunakan dalam piranti – piranti sel bahan bakar tersebut. Sistem sel bahan bakar berkorelasi langsung dengan sifat – sifat bahan yang digunakan (R. Borup, et.al. 2007). Oleh karena itu, teknologi pengembangan material baru sangat berperan krusial dalam pengembangan sistem penyimpanan energi dan konversi energi elektrokimia. Dari sejumlah material yang diinvestigasi dalam piranti elektrokimia, material karbon sangat menarik untuk dikembangkan dikarenakan ketersediaannya yang besar, stabil secara kimia dan fisika (dapat digunakan di berbagai temperatur, media asam maupun basa) serta ramah lingkungan. Hal – hal tersebut menyebabkan karbon sangat menarik untuk digunakan sebagai elektoda didalam piranti energi elektrokimia (J. B. Hou, Y.Y. Shao, M. W. Ellis, R. B. Moore, B. L. Yi, 2011). Grafena sebagai salah satu material karbon telah menarik perhatian banyak peneliti, khususnya material untuk sel bahan bakar dan kapasitor. Grafena adalah karbon dua dimensi dengan satu lapisan (K. S. Novoselov, et.al., 2004). Grafena memiliki struktur yang unik, yakni dua dimensi (2D) tersusun oleh sp2-atom karbon dengan lapisan flat. Grafena memiliki sifat – sifat yang unggul diantarannya sifat elektronik yang unik, dikarenakan daya mobilitas elektronnya yang tinggi (K. S. Novoselov, A. K. Geim, 2007), ketahanan secara mekanik (C. Lee, X. Wei, J. W. Kysar, J. Hone, 2008), sifat termal yang tinggi (A. A. Balandin, et.al., 2008) dan luas permukaan sentuhan yang besar (2630 m2g-1) (M. D. Stoller, S. Y. Park, J. An. Zhu, R. S. Ruoff, 2008). Penggunaan grafena dalam bidang elektrokatalis untuk sel bahan bakar telah banyak dilaporkan (B. Seger, V. P. Kamat, 2009; E. J. Yoo, T. Okata, T. Akita, M. Kohyama, J. Nakamura, I. Honma, 2009; S. Zhang, Y. Shao, H. Liao, M. H. Engelhard, G. Y. Geping, Y. L. Yuehe, 2011). Katalis platina (Pt) didalam grafena telah diaplikasikan untuk oksidasi metanol (MOR) (S. M. Choi, M. H. Seo, H. J. Kim, W. B. Kim, 2011; Y. Li, L. Tang, J. Li, 2009; Y. Xin, J. Liu, Y. Zhou, W. Liu, J. Gao, Y. Xie, Y. Yin, Z. Zou, 2011), oksidasi hidrogen (HOR) (E. J. Yoo, T. Okada, T. Akita, M. Kohyama, I. Honma, J. Nakamura, 2011), dan reduksi oksigen (ORR) (H. W. Ha, Y. I. Kim, S. J. Hwang, R. S. Ruoff, 2011; M. H. Seo, S. M. Choi, H. J. Kim, W. B. Kim, 2011; Y. S. Yun, D. Kim, Y. Tak, H. J. Jin, 2011). Pada kasus MOR, HOR dan ORR, Pt/grafena katalis menunjukkan aktivitas katalis yang lebih tinggi dibandingkan dengan Pt/karbon hitam (CB) (katalis komersial) (E. J. Yoo, T. Okada, T. Akita, M. Kohyama, I. Honma, J. Nakamura, 9.

2011). Peningkatan aktivitas katalis Pt/grafena disebabkan oleh adanya interaksi kimia antara grafena dan Pt (hibridisasi π–d) (S. Marchini, S. Gunther, J. Wintterlin, 2007). Selain itu, perlu dicatat bahwa Pt subnano-kluster hanya terbentuk dan ditemukan di dalam grafena, yang tidak akan pernah dijumpai pada bahan pendukung karbon lainnya (katalis komersial (Pt/CB), ukuran dari partikel platina dari kisaran 1 – 10 nm) (E. J. Yoo, T. Okata, T. Akita, M. Kohyama, J. Nakamura, I. Honma, 2009). Artinya pembentukan Pt subnano-kluster lebih cenderung berinteraksi kimia dengan grafena dibandingkan dengan karbon hitam. Oleh karena itu, kinerja Pt subnano-kluster dan non-Pt didalam grafena penting untuk diklarifikasi. Konsep penting dalam penelitian ini adalah memanfaatkan keuntungan adanya interaksi yang kuat antara Pt dan logam transisi dengan grafena (interaksi kimia, hidridisasi π – d). Sehingga, penggunaan Pt dapat dikurangi, dengan demikian biaya produksi sel bahan bakar menjadi lebih murah. Permasalahannya adalah proses pembentukan Pt dan non-Pt subnano-kluster didalam grafena belum diketahui dengan baik. Oleh karenanya, penelitian ini bertujuan untuk memberikan model mekanisme reaksi pembentukan Pt dan non-Pt subnano-kluster didalam grafena berdasarkan data eksperimen. Untuk itu, setiap tahapan dalam proses pembentukan Pt dan non-Pt subnano-kluster harus diobservasi. Tahap-1, preparasi Pt dan non-Pt prekursor didalam etanol, hasil yang diharapkan adalah perubahan valensi dari Pt dan non-Pt prekursor; Tahap-2, dispersi grafena didalam berbagai pelarut (polar, semipolar dan non polar), agar dapat dilihat dispersi grafena, dikarenakan daya dispersi yang tinggi dari bahan pendukung faktor penting untuk meningkatkan pendepositan Pt dan non-Pt; Tahap-3, pendepositan platina didalam grafena, dalam tahapan ini, dispersi dan deposit platina didalam grafena dapat diamati, sehingga bisa dibuat mekanisme reaksi, proses pembentukan Pt sub-nanokluster, dan Tahap-4, pereduksian Pt dan non-Pt didalam grafena, reduksi ion Pt dan non-Pt menjadi metal diharapkan dapat teramati pada tahapan ini. Melalui riset ini, temuan khusus yang akan didapatkan mekanisme reaksi yang utuh dari proses pembentukan Pt dan non-Pt subnano-kluster didalam grafena dapat dibuat serta dapat terpublikasi internasional dan kinerja grafena sebagai bahan pendukung bagi elektrokatalis Pt dan non-Pt untuk sel bahan bakar hydrogen dapat diketahui. Tujuan khusus dalam penelitian ini adalah untuk mengklarifikasi mekanisme proses pembentukan Pt dan non-Pt subnano-klusters didalam grafena selama proses preparasi katalis. Pt/grafena katalis disiapkan dengan menggunakan prekursor H2PtCl6, MnCl2 dan FeCl3 dengan variasi pH, selanjutnya proses pembentukan Pt dan non-Pt subnano-klusters 10.

didalam grafena di uji dengan menggunakan difraksi sinar-X, spektrofotometer infra merah (FTIR) dan mikroskop electron payaran (SEM). BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Grafit Grafit adalah bentuk alotrop karbon yang memiliki sifat penghantar listrik dan panas yang baik. Sifat daya hantar listrik yang dimiliki oleh grafit dipengaruhi oleh elektronelektron yang tidak digunakan untuk membentuk ikatan kovalen. Elektron-elektron ini tersebar secara merata pada setiap atom C karena terjadi tumpang tindih orbital seperti pada ikatan logam yang membentuk awan elektron. Ketika diberi beda potensial, elektronelektron yang terdelokalisasi sebagian besar akan mengalir menuju anoda (kutub positif), aliran elektron inilah yang menyebabkan arus listrik dapat mengalir (A. Rahmandari et al, 2010). Grafit memiliki struktur berlapis (Gambar 1).. Gambar 1. Struktur Grafit (R. E. Smallman dan R. J. Bishop, 2000) Ada tiga jenis grafit alam yaitu: . Serpihan kristal grafit, timbul sebagai yang terisolasi, datar, dengan tepi heksagonal jika tidak terputus dan ketika rusak bagian tepi dapat membentuk sudut.. . Grafi tamorf timbul sebagai partikel halus dan merupakan hasil metamorfosis termal batubara, tahap terakhir dari pengarangan, dan kadang-kadang disebut meta-antrasit. Serpihan grafit ini sangat halus kadang-kadang disebut amorf (Sutphin et al. 1990).. . Gumpalan grafit, muncul sebagai plat besar berserat atau lancip dengan agregat kristal, dan hidrotermal.. Menurut B. Yen dan B. Schwickert, 2004, sifat dan kegunaan grafit adalah sebagai berikut: 1. Memiliki titik leleh tinggi, sama seperti intan. Hal ini disebabkan ikatan kovalen yang terbentuk sangat kuat sehingga diperlukan energi yang tinggi untuk memutuskannya. 2. Memiliki sifat lunak, terasa licin dan digunakan pada pensil setelah dicampur tanah liat. 11.

3. Tidak larut dalam air dan pelarut organik, karena tidak mampu melarutkan molekul grafit yang sangat besar. 4. Dibanding intan, grafit memiliki massa jenis yang lebih kecil, karena pada strukturnya terdapat ruang-ruang kosong antar lipatannya. 5. Berupa konduktor listrik dan panas yang baik. Karena sifat ini grafit digunakan sebagai anoda pada baterai (sel Leclanche) dan sebagai elektroda pada sel elektrolisis. Bubuk grafit dan grafit, dalam aplikasi industri digunakan sebagai pelumas kering. Penggunaan grafit dibatasi oleh kecenderungannya untuk memfasilitasi terjadinya korosi dalam beberapa stainless steel, dan korosi galvanis antara logam yang berbeda (karena konduktivitas listriknya). Grafit juga korosif terhadap alumunium dalam kondisi udara yang lembab. Untuk alasan ini, angkatan udara (AU) Amerika Serikat melarang penggunaannya sebagai pelumas dalam pesawat aluminium dan dalam senjata otomatis berbahan aluminium (V. Lavrakas, 1957).. 2.2 Oksida Grafena Oksida grafena atau biasa disebut oksida grafit atau asam grafitik, adalah sebuah senyawa campuran karbon, hidrogen, dan oksigen yang diperoleh melalui proses oksidasi yang kuat dari grafit. Oksida grafena mempunyai struktur berlapis seperti grafit (Gambar 2) hanya posisi atom karbon dalam oksida grafena ditambah dengan kehadiran kelompok atom oksigen yang tidak hanya memperluas jarak antar lapisan tapi juga membuat lapisan atom yang tebal dan bersifat hidrofilik. Sebagai hasilnya, oksida lapisan ini dapat berinteraksi dengan air dibawah perlakuan ultrasonifikasi (K. S. Novoselov et al, 2004).. Gambar 2. Struktur oksida grafena dengan gugus fungsional. A: Gugus Epoksi, B: Gugus Hidroksil, C: Gugus Karboksil (A. Lerf et al, 1998).. 12.

Sifat yang menarik dari oksida grafena (OG) adalah dapat tereduksi menjadi grafena, oleh pemindahan atau penghilangan kelompok oksigen, yang mana diperolehnya kembali struktur grafena melalui penghubungan struktur. Reduksi lapisan oksida grafena pada umumnya mempertimbangkan metode kimia untuk memperoleh grafena (Eda dan Chhowalla, 2010). Sasaran langsung yang ingin dicapai dari reduksi ini adalah menghasilkan material grafena yang hampir serupa dengan grafena murni yang diperoleh melalui pengelupasan mekanik langsung (metode Scotch Tape) dari grafit, baik kesamaan dalam struktur maupun sifat (S. Pei dan H. M. Cheng, 2011). Saat ini grafena dapat diproduksi melalui pengelupasan kulit secara mikro-mekanik dari grafit pirolitik (Novoselov et al, 2004), pertumbuhan epitaksial (C. Berger et al, 2006), dan deposisi uap kimia (chemical vapour deposition/ CVD) (K. S. Kim et al, 2009). Tiga metode ini dapat menghasilkan grafena dengan struktur dan sifat yang sempurna. Sebagai perbandingan, OG mempunyai dua karakteristik penting: (1) dapat diproduksi menggunakan bahan baku grafit yang relatif murah, melalui metode kimia yang hemat biaya dengan suatu hasil yang tinggi, dan (2) OG sangat hidrofil dan dapat membentuk koloid yang stabil dalam air sehingga memudahkan pembentukan struktur makroskopik yang sederhana dan proses pelarutan yang mudah, yang mana kedua karakteristik ini menjadi penting dalam produksi grafena dalam skala yang besar. Sebagai hasilnya oksida grafena (OG) dan reduksi oksida grafena (rOG) menjadi topik hangat dalam penelitian dan pengembangan grafena.Meskipun target akhir adalah grafena berlapis tunggal yang susah untuk dicapai, namun para peneliti berusaha terus-menerus agar membuatnya menjadi semakin dekat dengan grafena berlapis tunggal (S. Pei dan H. M. Cheng, 2011). Oksida grafena pertama diperkenalkan oleh kimiawan Oxford, Benjamin C. Brodie pada tahun 1859, dengan memperlakukan grafit dengan campuran kalium klorat dan asam nitrat. Pada tahun 1957 Hummer dan Offeman mengembangkan proses yang lebih aman, lebih cepat, dan lebih efisien, dengan menggunakan campuran asam sulfat H2SO4,natrium nitrat (NaNO3), dan kalium permanganat (KMnO4), yang sampai saat ini masih tetap digunakan. Metode ini dinamakan metode modifikasi Hummer (M. Hirata et al, 2004).. 2.3 Grafena Grafena adalah flat lapis tunggal atom karbon sp2 dengan struktur dua dimensi (2D) (K. S. Novoselov, et.al., 2004). Grafena adalah induk dari sistem “grafitik” material seperti fuleren (0D), karbon nanotub (1D) dan grafit (3D) (Gambar 3). Grafena terdiri dari suatu atom karbon yang terhibridisasi sp2, dimana setiap atom karbon terikat dengan tiga atom 13.

karbon lainnya, kerangka struktur heksagonal dengan panjang ikatan 1.42 Å. Struktur planar 2D dari lapisan karbon mengijinkan struktur dasar dan tepi dari grafena dapat berinteraksi dengan katalis nanopartikel. Struktur flat dari grafena menyebabkan grafena memiliki luas permukaan sentuhan yang luas yang memungkinkan katalis nanopartikel dapat terdeposit (S. Sharma, B. G. Pollet (2012).. a. b. c. Gambar 3. Ibu dari semua bentuk grafitik. Grafena adalah struktur 2D material penyusun dasar untuk material karbon dari semua dimensi karbon. Grafena dapat dibungkus menghasilkan (a) 0D buckyballs, digulung (b) 1D nanotube, dan ditumpuk (c) 3D grafit (A. K. Geim, K.S. Novoselov, Nature Materials, 2007). Faktanya, karbon 2D seperti grafena tidak tersedia dialam, sehingga perlu disintesis. Sifat – sifat grafena dan jenis karbon lainnya ditunjukkan pada Tabel-1 (H. J. Choi, S. M. Jung, J. M. Seo, D. W. Chang,L. Dai, J. B. Baek, 2012) Tabel 1. Sifat – sifat grafena dan karbon lainnya Tipe dari bahan karbon Grafena Grafit Karbon aktif Karbon nanotube Fulerena. Luas Permukaan Sentuhan (m2 g-1) 2630. Konduktivitas termal (Wm-1 K-1). ∼10 1200 1315. ∼3000 0.15–0.5 >3000. 5. 0.4. ∼5000. Sifat – Sifat Mobilitas Intrinsik (cm2V-1 s-1) ∼15,000 ∼200,000 13,000 – ∼100,000 0.56. 14. Modulus Young (TPa). Transparansi Optik (%). ∼1.0. ∼97.7. 0.01. –. 1.06 0.138 0.64. – – –.

Tabel 1 menunjukkan bahwa grafena merupakan material karbon yang baik dikarenakan konduktivitas elektrik yang baik dan luas permukaan yang besar. Grafena memiliki sifat konduktif dan pembawa muatan yang baik. 2.3.1 Sintesis grafena Grafena dapat disintesis dengan dua cara, yaitu i) oksidasi grafit menjadi oksida grafit dan diultrasonikasi menjadi oksida grafena selanjutnya direduksi menghasilkan grafena. Metode ini menghasilkan grafena dalam skala besar dan biaya produksi yang murah, namun kekurangannya adalah belum menghasilkan grafena dengan lapisan tunggal serta ii) pertumbuhan langsung grafena dengan menggunakan prekursor metana dan sumber hidrokarbon lainnya (M. J. Allen, V. C. Tung, R. B. Kaner, 2010). Metode ini menghasilkan kualitas grafena yang tinggi dan satu lapisan, namun biaya produksinya mahal serta produksi yang dihasilkan sedikit. Metode yang telah dikembangkan untuk membuat grafena terbagi menjadi dua, yaitu pembelahan grafit menjadi lapisan-lapisan grafena (top down) dan penumbuhan grafena secara langsung dari atom-atom karbon (bottom up). 1) Pengelupasan Dalam metode pengelupasan (exfoliation), kristal grafit dibelah-belah menjadi lapisanlapisan grafena. Cara yang paling awal adalah dengan selotip yang ditempelkan pada grafit lalu dikelupas. Sebagian material yang terambil kemudian ditempel selotip lagi dan dikelupas, demikian seterusnya sampai didapatkan lapisan yang sangat tipis yang mungkin hanya terdiri dari satu lapisan grafena (K. S. Novoselov et al, 2004). Cara lain untuk membelah grafit adalah dengan pelarutan atau dispersi dalam cairan. Salah satu metode adalah pelarutan dalam larutan surfaktan SDBS (Sodium Dodecylbenzene Sulfonate) (Lotya et al, 2009). Dalam larutan ini, grafit yang hidrofobik dibasahi oleh air dan lapisan-lapisan grafena terlepas dengan sendirinya. Setelah itu dilakukan pengendapan dan pengeringan sehingga grafena dapat dikumpulkan. Cara inidapat menurunkan konduktivitas, namum memiliki keunggulan yakni memerlukan biaya yang murah. 2) Penumbuhan dari Silikon Karbida Grafena telah berhasil ditumbuhkan dari silikon karbida (SiC). Dalam metode ini, substrat SiC dipoles sampai sangat rata lalu dipanaskan dalam vakum tingkat ultra (Ultra High Vacuum, 10-10 torr) sehingga atom-atom Si menyublim (V. Y. Aristov et al, 2009).. Cara lain adalah dengan membiarkan sedikit gas (O2, H2O, CO2) tersisa dalam vakum tingkat sedang (10-5 torr). Ternyata sedikit gas ini bereaksi dengan SiC menyisakan atom 15.

karbon yang membentuk grafena (Z. M. Song, 2006). Hasil-hasil penumbuhan tersebut biasanya menghasilkan beberapa lapisan grafena. Keunggulan dari metode ini adalah bahwa substrat SiC dapat langsung digunakan sebagai substrat untuk membuat rangkaian elektronik dengan grafena. 3) Penumbuhan dengan Chemical Vapor Deposition (CVD) pada logam Penumbuhan dengan CVD telah dilakukan pada substrat logam seperti Ni dan Cu. Logam-logam ini dipilih karena dapat dikikis sehingga grafena yang dihasilkan tidak terikat pada substrat logam. Gas yang bisa digunakan adalah metana dan hidrogen. Grafena dapat ditumbuhkan pada nikel yang mencapai lebar beberapa sentimeter yang seluruhnya bersambungan (A. Reina et al, 2009). Jika menggunakan substrat Cu, dihasilkan grafena yang jumlah lapisannya lebih sedikit dan sebagian besar merupakan lapisan tunggal (X. Li et al, 2009). Mekanisme penumbuhan grafena pada logam adalah sebagai berikut: atom karbon yang berasal dari gas larut ke dalam substrat logam pada suhu 1000ºC. Ketika suhu diturunkan, kelarutan karbon berkurang sehingga atom-atom karbon mengendap di permukaan logam menjadi grafena. Grafena berlapis lebih dari satu ditemukan pada perbatasan kristal (grain boundary) logam (A. Reina et al, 2009). Berdasarkan sifat yang dimiliki grafena yaitu ukurannya yang tipis dan kemampuan transport elektronnya maka grafena cocok untuk dibuat menjadi beberapa alat seperti kapasitor dan transistor. Kapasitor dari grafena memiliki keunggulan berupa perbandingan luas permukaan terhadap massa yang besar, sehingga menghasilkan nilai kapasitansi persatuan massa mencapai 205 F/gram dan rapat energi 28,5 Wh/kg. Dihubungkan dengan kecepatan mengalirkan muatan listrik, kapasitor grafena mencapai nilai rapat daya 10 kW/kg (Y. Wang et al, 2010). 2.3.2 Aplikasi grafena untuk sel bahan bakar Grafena dapat digunakan untuk bahan pendukung katalis maupun sebagai katalis bebas logam dalam sel bahan bakar. Aplikasi grafena untuk sel bahan bakar di tunjukkan pada Tabel 2. Tabel 2. Aplikasi grafena untuk sel bahan bakar Aplikasi Bahan dan Kondisi Sifat – Sifat Pendukung Fungsionalisasi grafena Luas permukaan dan aktivitas ORR lebih tinggi katalis dari katalis komersial E-TEK atau Pt/MWCNT Poli(dialil-dimetilMeningkatkan durabilitas dan aktivitas ORR amonium klorida) Katalis CVD menggunakan Aktivitas elektrokatalis lebih baik, stabilitas bebas NH3 (N-doped grafena) operasinya lebih panjang, dan ketahanan 16.

logam. terhadap CO lebih tinggi dari katalis komersial Peran utama dari grafena sebagai bahan pendukung adalah sebagai jangkar dan. pendistribusi homogen partikel logam dengan ukuran nanopartikel (B. Seger, V. P. Kamat, 2009). Aplikasi lainnya untuk grafena ditunjukkan pada Tabel 3 (K. S. Novoselov, V. I. Fal’ko, L. Colombo, P. R. Gellert, M. G. Schwab, K. Kim, 2012). Tabel 3. Aplikasi grafena untuk piranti elektronik Aplikasi Fungsinya E-paper Transmitansi yang tinggi OLEDs Mencegah hubungan singkat listrik Transistor berfrekuensi tinggi Transistor bermobilitas electron tinggi (rendah gangguan) Transistor logika Mobilitas tinggi Layar sentuh Grafena mempunyai jaminan yang lebih baik dari material komersial 2.4 Sel Bahan Bakar Sel bahan bakar adalah suatu piranti elektrokimia yang mengkonversi secara langsung energi kimia dari bahan bakar (contohnya hidrogen, metanol, dan sebagainya) bereaksi dengan oksidator (udara atau oksigen) dengan adanya katalis menjadi listrik, panas dan air (S. Sharma, B. G. Pollet, 2012). Sasaran utama dalam teknologi sel bahan bakar adalah pengembangan sel bahan bakar dengan biaya rendah, kinerja yang tinggi dan bahan yang ulet. Banyak usaha yang telah dilakukan untuk mereduksi biaya dan meningkatkan kinerja dari sel bahan bakar, seperti: (i) pengurangan penggunaan katalis di dalam elektroda sel bahan bakar, (ii) pengurangan ukuran nanopartikel elektrokatalis, (iii) peningkatan kinerja dari bahan pendukung elektrokatalis baik bahan karbon maupun berbahan non-karbon, (iv) peningkatan dispersi elektrokatalis dengan penggunaan metode fabrikasi terbaru, (v) pengembangan elektroda membran (MEA) untuk menghasilkan dispersi dan penggunaan katalis lebih baik, dan (vi) peningkatan transpor massa pada permukaan elektroda sel bahan bakar (A. Hermann, T. Chaudhuri, P. Spagnol, 2005). Saat ini, ada enam tipe sel bahan bakar, yakni: (i) polymer elektrolite membrane fuel cell (PEMFC) termasuk direct methanol fuel cell (DMFC), (ii) alkaline fuel cell (AFC), (iii) phosphoric acid fuel cell (PAFC), (iv) molten carbonate fuel cell (MCFC), (v) solid oxide fuel cell (SOFC) dan (vi) microbial fuel cell (MFC). PEMFC, DMFC, AFC, PAFC, dan MFC dapat dioperasikan pada temperatur yang rendah (50–200 °C) dan MCFC serta SOFC dioperasikan pada temperatur yang tinggi (650– 1000 °C) (M. T. Gencoglu, Z. Ural, 2009). 17.

PEMFCs dan DMFCs paling banyak digunakan untuk kendaraan umum, generator, pitanti – piranti elektronik, seperti charger, laptop, dan mobile phone. Tabel 4. Perbandingan dari berbagai sel bahan bakar Tipe sel Temperatur Elektrolit Efisiensi (%) Aplikasi bahan bakar operasi ( oC) AFC 660–250 Cair 50–70 Transportasi, militer, sistem penyimpanan DMFC 50–90 Padatan 35–40 energi, sistem energi PEMFC 80–100 Padatan 35–60 yang dinamis MCFC ≈ 650 Cair 40–55 Kombinasi energi dan panas untuk sistem PAFC 160–250 Cair 35–50 transportasi SOFC 750–1000 Padatan 45–60 2.4.1 Aplikasi dari sel bahan bakar Sel bahan bakar dapat digunakan dalam berbagai sektor seperti militer, industri, ruang angkasa, elektronik jinjing, kediaman, transportasi dan perdagangan dikarenakan kualitas energi yang dihasilkan lebih baik, ulet dan ramah lingkungan. Pada masa akan datang hidrogen akan digunakan sebagai bahan bakar untuk sistem sel bahan bakar. Dalam hal ini, hidrogen dapat digunakan sebagai pengganti bahan bakar fosil (M. Momirlan, T. N. Veziroglu, 2005). Gambar 4 menunjukkan skema sederhana dari sel bahan bakar.. Gambar 4. Skema sederhana dari sel bahan bakar Sel bahan bakar terdiri dari sumber bahan bakar dan membran. Sel bahan bakar menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar dan menghasilkan arus searah.. 2.5 Amonia Amonia (NH3) merupakan gas yang tidak berwarna dengan titik didih -33ºC. Gas amonia lebih ringan dibandingkan udara, dengan densitas kira-kira 0,6 kali densitas udara pada suhu yang sama. Bau yang tajam dari amonia dapat dideteksi pada konsentrasi yang 18.

rendah 1-5 ppm (K. Brigden dan R. Stringer, 2000). Amonia sangat beracun bagi hampir semua organisme. Pada manusia, resiko terbesar adalah dari penghirupan uap amonia yang berakibat beberapa efek diantaranya iritasi pada kulit, mata dan saluran pernafasan. Pada tingkat yang sangat tinggi, penghirupan uap amonia sangat bersifat fatal. Jika terlarut di perairan akan meningkatkan konsentrasi amonia yang menyebabkan keracunan bagi hampir semua organisme perairan (P. Valupadas, 1999). Amonia merupakan basa lemah. Pembentukan ion hidroksida akan meningkatkan pH larutan, sehingga larutan menjadi alkali. Jika ion-ion hidroksida atau amonium bereaksi lebih lanjut dengan senyawa lain yang ada di dalam air, maka amonia akan terkonversi lebih banyak lagi untuk menjaga kesetimbangan reaksi (M. Appl, 1999). Amonia memiliki struktur seperti ditunjukkan pada Gambar 5:. N. H. H H. Gambar 5. Struktur amonia Amonia memiliki rumus kimia NH3, massa molar 17.01 g mol-1, tidak berwarna, keasaman (pKa) 9.25, kebasaan (pKb) 4.75, dan momen dipol 1.42 D. Sifat-sifat fisik amonia dapat ditunjukkan pada Tabel 5. Tabel 5. Sifat-sifat Fisik Amonia Berat molekul Titik didihºC Titik beku ºC Suhu kritis ºC Tekanan kritis bar Kalor jenis kj/ (kg K) 0ºC 100ºC 200ºC Panas pembentukan standar (ΔHf) kJ/kmol Kelarutan dalam air (% berat) 0ºC 20ºC 40ºC Berat jenis ammonia bebas air -40ºC 0ºC 19. 17,03 -33 sampai dengan -35 -77,7 133 112,8 2,0972 2,2262 2,1056 -46,222 42,8 33,1 23,4 0,69 0,639.

40ºC Sumber: I. Riwayati, 2010. 0,580. Sebagian besar produksi amonia dipergunakan oleh industri pupuk. Amonia diubah menjadi pupuk padat (urea, amonium nitrat, amonium pospat dan ammonium sulfat), hanya sebagian kecil yang dipergunakan dalam industri kimia yang lain. Setiap atom nitrogen yang diproduksi dalam industri senyawa kimia secara langsung maupun tidak langsung berasal dari amonia. Salah satu kegunaan penting dari nitrogen yang ada dalam amonia setelah dikonversi menjadi asam nitrat adalah untuk memproduksi plastik dan serat, contohnya poliamida, resin–resin urea-formaldehid–.fenol, resin-resin berbahan dasar melamin, poliuretan dan poliakrilonitril (M. Appl, 1999). Amonia (NH3) adalah persenyawaan nitrogen yang mempunyai pasangan elektron bebas (PEB) yang dapat didonorkan terhadap atom pusat, sehingga persenyawaan nitrogen ini dapat membentuk kompleks, yaitu sebagai ligan. Pada umumnya, amonia bertindak sebagai reduktor dimana nitrogen mengalami oksidasi dengan peningkatan bilangan oksidasi. Nitrogen dapat membentuk senyawa kovalen dengan banyak unsur non logam. Senyawa terpenting dengan hidrogen dan oksigen dapat dijumpai pada nitrogen mulai dari bilangan oksidasi -3 sampai +5 seperti amonia memiliki bilangan oksidasi -3 (Cotton dan Wikinson, 1989).. 2.6. Asam Sitrat Asam sitrat merupakan asam organik lemah yang ditemukan pada daun dan buah tumbuhan genus Citrus (jeruk). Senyawa ini merupakan bahan pengawet yang baik dan alami, Selain digunakan sebagai penambah rasa masam pada makanan dan minuman ringan. Asam sitrat terdapat pada berbagai jenis buah dan sayuran, namun ditemukan pada konsentrasi tinggi, yang dapat mencapai 8 % bobot kering pada jeruk. Secara umum rumus umum asam sitrat adalah (C6H8O7) (Anonim II, 2009). Sifat umum asam sitrat ditunjukkan pada Tabel 6. Tabel 6. Sifat Fisika-Kimia dari Asam Sitrat Nama umum. Asam Sitrat O. OH. O. O. HO. OH OH. 20.

Rumus Umum Nama Lain Titik Lebur Temperature penguraian ternal. C6H8O7 Asam 2 – hidroksil – 1,2,3 propanatrikarboksilat 426 K ( 1530C ) 448 K (1750C ). Densitas 1,665 × 103 Kg / m3 Kelarutan dalam air 339 / 100 ml Δf 40 - 1543,8 Kj / mol o S 252,1 J / (mol K ) Sumber : Anonim II, 2009 Keasaman asam sitrat didapatkan dari tiga gugus karboksil – COOH yang dapat melepas proton dalam larutan. Jika hal ini terjadi, ion yang dihasilkan adalah ion sitrat (C 6H5O73-). Sitrat sangat baik digunakan dalam larutan penyangga untuk mengendalikan pH larutan. Ion sitrat dapat bereaksi dengan ion logam membentuk garam sitrat. Selain itu, sitrat dapat mengikat ion-ion logam dengan pengkelatan, sehingga dapat digunakan sebagai pengawet dan reduktor. Ion sitrat dapat bereaksi dengan banyak ion logam dengan pengkhelatan karena adanya anion karboksilat sebagai ligan polidental yang mampu membentuk cincin kelat dengan ion logam, sehingga digunakan sebagai bahan sabun dan deterjen. Asam sitrat juga digunakan untuk memulihkan bahan penukar ion yang digunakan pada alat penghilang kesadahan dengan menghilangkan ion-ion logam yang terakumulasi pada bahan penukar ion tersebut sebagai kompleks sitrat. Asam sitrat dalam industri digunakan sebagai bioteknologi dan obat–obatan untuk melapisi (passivate) pipa mesin dalam proses kemurnian tinggi sebagai ganti asam nitrat, karena asam sitrat dapat menjadi zat berbahaya setelah digunakan untuk keperluan tersebut.. 2.7 Hidrazin Hidrazin merupakan campuran bahan anorganik dengan rumus kimia N2H4. Hidrazin adalah.cairan tak berwarna dengan bau seperti amonia, dan memiliki sifat mudah terbakar. Hidrazin dapat dianggap sebagai turunan dari amonia dengan mengganti satu atom hidrogen oleh gugus NH2. Pembakaran hidrazin sangat eksotermik, maka hidrazin banyak dipakai sebagai bahan bakar roket. Bahan yang dipakai merupakan campuran 1,1dimetil-hidrazin yang bereaksi secara energetika dengan oksida yang kuat seperti asam nitrat. Hidrazin terbentuk dari dua atom nitrogen yang berikatan dengan empat atom hidrogen dengan memiliki ikatan kovalen seperti terlihat pada Gambar 6.. 21.

Gambar 6. Struktur Hidrazin. Hidrazin sangat baik digunakan sebagai zat pereduksi karena produk yang dihasilkan berupa gas nitrogen dan air. Kelemahan dari hidrazin adalah sifat toksisitasnya yang tinggi dan mudah menguap pada temperatur kamar. Hidrazin memiliki rumus kimia N2H4, massa molar 32,04 g mol-1, tidak berwarna, masa jenis 1,021 g cm-3, titik leleh 2 oC; 275 K; 35 o. F, titik didih 114 oC; 378 K; 237 oF, tekanan uap 1 kP (30.7 oC), visikositas 0,876 cP,. bentuk molekul triangular piramida, momen dipole 1.85 D, seperti terlihat pada Tabel 7. Tabel 7. Sifat fisika hidrazin Nama kimia Hidrazin Massa molar 32,04 g mol-1 Rumus kimia N2H4 Warna Tidak berwarna Massa jenis 1,021 g cm-3 Titik leleh 2 oC; 275 K; 35 oF Titik didih 114 oC; 378 K; 237 oF Tekanan uap 1 kP (30.7 oC) Visikositas 0,876 cP Bentuk molekul Triangular piramida Momen dipole 1,85 D Entalpi pembentukkan 50,63 KJ mol-1 Entropi 121,52 J K-1 mol-1 Sumber: A. B. Bourlinos (2003) 2.8 Kalium Borohidrida Kalium borohidrida adalah senyawa anorganik berupa padatan kristalin berwarna putih yang tidak berbau. Kalium borohidrida beracun bila dikonsumsi namun dapat digunakan untuk membuat bahan kimia lainnya. Kalium borohidrida disebut juga kalium tetrahidroborat dan biasanya ditemui dalam bentuk bubuk dengan rumus kimia KBH4.. Gambar 7. Struktur Kalium Borohidrida 22.

Padatan KBH4 ini larut dalam air, alkohol dan ammonia. Dalam bidang industri, senyawa anorganik ini digunakan sebagai agen pereduksi untuk mereduksi aldehid dan keton. KBH4 relatif stabil namun bila bereaksi dengan air atau udara yang lembab dapat menghasilkan gas hidrogen dan mudah terbakar (Anonim, 2015). Tabel 8. Sifat fisika dan kimia dari kalium borohidrida Nama umum Kalium borohidrida / kalium tetrahidroborat Rumus kimia KBH4 Keadaan fisik Padatan Warna Putih Berat molekul 53,9411g/mol Massa jenis 1,18 g/ml Titik leleh 63,65 Tempat penyimpanan Daerah bebas air Kelarutan air 190 g/L Peka Kelembaban sensitive Sumber : MSDS Pottasium Borohydride, 2015 2.9 Natrium Borohidrida Natrium borohidrida adalah senyawa anorganik berupa padatan kristalin putih yang tidak berbau, dan biasanya terdekomposisi pada 400° C. Natrium borohidrida juga disebut sebagai natrium tetrahidroborat dan biasanya ditemui dalam bentuk bubuk dengan rumus kimia NaBH4.. Gambar 8 .Struktur Natrium Borohidrida (Anonim, 2011) Padatan ini larut dalam air, eter dan hidrokarbon, terurai di udara lembab dan terdekomposisi pada suhu tinggi dengan melepaskan gas hidrogen. Natrium Borohidrida merupakan reduktor serbaguna yang sering digunakan untuk menemukan aplikasi luas dalam kimia sehingga NaBH4 digunakan sebagai bahan pereduksi untuk senyawa anorganik dan organik dan untuk mempreparasi kompleks hibrida. Sebagai reduktor natrium borohidrida mampu mengurangi banyak karbonil organik Biasanya NaBH4 digunakan di laboratorium untuk mengkonversi keton dan aldehida menjadi alkohol. 23.

Tabel 9. Sifat fisika-kimia dari natrium borohidrida Nama umum Natrium borohidrida/ natrium tetrahidroborat Rumus kimia NaBH4 Keadaan fisik Padatan Warna Putih, putih keabu-abuan Berat molekul 37,84g/mol Berat jenis 1,074 g cm-3 (Air = 1) Densitas uap 1,3 g/cm3 (Air = 1) Kelarutan Mudah larut dalam air dingin Titik lebur Terurai Sumber: (Anonim, 2011) Beberapa pendorong utama natrium borohidrida sering digunakan karena sifatnya yang aman untuk penyimpanan, penggunaan serta penanganannya, dapat larut dalam air, eter dan hidrokarbon dan tidak bersifat karsinogenik. Aplikasi utama natrium borohidrida adalah produksi natrium ditionat dari sulfur dioksida. Natrium ditionat digunakan sebagai agen pemutih untuk pulp kayu dan di industri pencelupan. 2.10 Karakterisasi Material Metode yang umum untuk mengkarakterisasi katalis sel bahan bakar secara kimia adalah menggunakan difraksi sinar-X (XRD), mikroskop elektron payaran (SEM), dan spektrofotometer infra merah (FTIR). Metode tersebut dapat digunakan untuk menentukan ukuran partikel platina dan morfologinya dengan menggunakan SEM. Pada sisi lain, FTIR dapat membantu untuk mengetahui perubahan fungsional setiap tahapan reaksi, sehingga dapat diprediksi gugus – gugus fungsional yang berubah akibat setiap perlakuan. 2.10.1 Konduktometer Konduktivitas atau keterhantaran termal k, adalah suatu besaran intensif bahan yang menunjukkan kemampuannya untuk menghantarkan panas. konduktivitas termal adalah suatu fenomena transport di mana perbedaan temperatur menyebabkan transfer energi termal dari satu daerah benda panas ke daerah yang sama pada temperatur yang lebih rendah. Panas yang ditransfer dari satu titik ke titik lain melalui salah satu dari tiga metoda yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Konduktivitas termal = laju aliran panas × jarak / ( luas × perbedaan suhu ) =. ×. 1 ×∆. Besaran ini didefinisikan sebagai panas Q, yang dihantarkan selama waktu t melalui ketebalan L, dengan arah normal ke permukaan dengan luas A yang disebabkan oleh 24.

perbedaan suhu ΔT dalam kondisi. yang terus berlanjut perpindahan panas dan jika. perpindahan panas hanya tergantung dengan perbedaan suhu tersebut (Anam, 2010). Konduktometer adalah alat yang digunakan untuk menentukan daya hantar suatu larutan dan mengukur derajat ionisasi suatu larutan elektrolit dalam air dengan cara menetapkan hambatan suatu kolom cairan. Selain itu konduktometer memiliki kegunaan yang lain yaitu mengukur daya hantar listrik yang diakibatkan oleh gerakan partikel di dalam sebuah larutan. Prinsip kerja dari konduktometer adalah sel hantaran dicelupkan kedalam larutan ion positif dan negatif yang ada dalam larutan menuju sel hantaran menghasilkan signal listrik berupa hambatan listrik larutan. Hambatan listrik dikonversikan oleh alat menjadi hantaran listrik larutan. Konduktometri adalah suatu metoda analisis yang berdasarkan kepada pengukuran daya hantar listrik yang dihasilkan oleh sepasang elektroda inert yang mempunyai luas penampang (A) dan jarak tertentu (d). Daya hantar listrik tersebut merupakan fungsi konsentrasi dari larutan elektrolit yang diukur. Daya hantar listrik berhubungan dengan pergerakan suatu ion di dalam larutan ion yang mudah bergerak mempunyai daya hantar listrik yang besar. Faktor-faktor yang mempengaruhi daya hantar adalah perubahan suhu dan konsentrasi di mana jika semakin besar suhunya maka daya hantar juga akan semakin besar dan apabila semakin kecil suhu yang digunakan maka semakin kecil daya hantar yang dihasilkan, begitu juga antara konsentrasi dan daya hantar. Oleh sebab itu pengaruh suhu dan konsentrasi dapat mempengaruhi daya hantar. Daya hantar listrik (G) merupakan kebalikan dari tahanan (R), sehingga daya hantar listrik mempunyai satuan ohm-1 . Bila arus listrik dialirkan dalam suatu larutan mempunyai dua elektroda, maka daya hantar listrik (G) berbanding lurus dengan luas permukaan elektroda (A) dan berbanding terbalik dengan jarak kedua elektroda (l). G = l/R = k (A / l) dimana k adalah daya hantar jenis dalam satuan ohm -1 cm -1. Pengukuran daya hantar memerlukan sumber listrik, sel untuk menyimpan larutan dan jembatan (rangkaian elektronik) untuk mengukur tahanan larutan. a. Sumber Listrik Hantaran arus DC melalui larutan merupakan proses faradai, yaitu oksidasi dan reduksi terjadi pada kedua elektroda. Sedangkan arus AC tidak memerlukan reaksi elektro. 25.

kimia pada elektroda- elektrodanya, dalam hal ini aliran arus listrik bukan akibat proses faradai. b. Tahanan Jembatan Jembatan Wheatstone merupakan jenis alat yang digunakan untuk pengukuran daya hantar. c. Sel Salah satu bagian konduktometer adalah sel yang terdiri dari sepasang elektroda yang terbuat dari bahan yang sama. Biasanya elektroda berupa logam yang dilapisi logam platina untuk menambah efektifitas permukaan elektroda. Aplikasi konduktometer telah digunakan untuk mengukur daya hantar listrik atau konduktivitas berbagai macam mineral seperti grafena. Grafenadiperoleh dari reduksi oksida grafena menggunakan natrium boronhidrida (NaBH4) dan hidrazin (N2H4). Konduktivitas grafena yang direduksi menggunakan NaBH4 jauh lebih rendah daripada yang direduksi menggunakan N2H4 (H.J. Sin et al, 2009). 2.10.2 Difraksi sinar X (X-Ray Difraction) Difraksi sinar–X digunakan untuk mengidentifikasi struktur kristal suatu padatan dengan membandingkan nilai jarak d (bidang kristal) dan intensitas puncak difraksi dengan data standar. Sinar–X merupakan radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang sekitar 100 pm yang dihasilkan dari penembakkan logam dengan elektron berenergi tinggi. Melalui analisis XRD diketahui dimensi kisi (d = jarak antar kisi) dalam struktur mineral, sehingga dapat ditentukan apakah suatu material mempunyai kerapatan yang tinggi atau tidak, dan difraksimaterial tersebut. Hal ini dapat diketahui dari persamaan Bragg yaitu nilai sudut difraksi Ө yang berbanding terbalik dengan nilai jarak d (jarak antar kisi) dalam kristal. Sesuai dengan persamaan Bragg (W.D. Callister, 2003). 2d sin θ = nλ dimana : d θ λ. = jarak antar bidang dalam Kristal = sudut deviasi n = orde (0,1,2,3,...) = panjang gelombang. Prinsip dasar dari XRD adalah hamburan elektron yang mengenai permukaan kristal. Bila sinar dilewatkan ke permukaan kristal, sebagian sinar tersebut akan terhamburkan dan sebagian lagi akan diteruskan ke lapisan berikutnya. Sinar yang dihamburkan akan berinterferensi secara konstruktif (menguatkan) dan destruktif (melemahkan). Hamburan sinar yang berinterferensi inilah yang digunakan untuk analisis.. 26.

Karakterisasi XRD bertujuan untuk menentukan sistem kristal. Metode difraksi sinar-X dapat menerangkan parameter kisi, jenis struktur, susunan atom yang berbeda pada kristal, adanya ketidaksempurnaan pada kristal, orientasi, butir-butir dan ukuran butir (R.E. Smallman, 1991). Prinsip kerja XRD secara umum adalah sebagai berikut : XRD terdiri dari tiga bagian utama, yaitu tabung sinar-X, tempat objek yang diteliti, dan detektor sinar X. Sinar X dihasilkan di tabung sinar X yang berisi katoda memanaskan filamen, sehingga menghasilkan elektron. Perbedaan tegangan menyebabkan percepatan elektron akan menembaki obyek. Ketika elektron mempunyai tingkat energi yang tinggi dan menabrak elektron dalam obyek sehingga dihasilkan pancaran sinar X. Objek dan detektor berputar untuk menangkap dan merekam intensitas refleksi sinar X. Detektor merekam dan memproses sinyal sinar X dan mengolahnya dalam bentuk grafik. Diagram Difraksi Sinar-X dapat ditunjukkan pada Gambar 9. Tabung Sinar-X. Celah divergen. kolimator. sampel. Detektor. Gambar 9. Diagram Difraksi Sinar-X Aplikasi XRD telah banyak digunakan untuk menganalisis berbagai macam mineral, salah satudiantaranya adalah analisis grafit dan oksida grafena. Pola XRD yang diperoleh menyebutkan bahwa puncak serapan yang khas dari grafit yaitu pada 2θ = 26,5° dengan jarak antar bidang adalah 3,36 Å dan puncak serapan yang khas dari oksida grafena pada 2θ = 10,7° dengan jarak antar bidang adalah 8,3 Å yang disebabkan karena kehadiran gugusgugus fungsi oksigen (H. J. Sin et al, 2009). 2.10.3 Spektroskopi Inframerah Transformasi Fourier FTIR adalah teknik analisis IR yang seringkali menggunakan daerah IR pertengahan (4000 sampai 200 cm-1). FTIR memiliki beberapa keuntungan di antaranya non-destruktif, dapat menganalisis multikomponen secara cepat, tidak perlu penyiapan contoh, dan gangguan dapat diminimumkan selama penentuan suatu senyawa. Monokromator pada spektrometer dispersif klasik mempunyai celah yang kecil untuk jalan keluar dan masuknya sinar sehingga membatasi panjang gelombang radiasi mencapai detektor. Berbeda dengan spektrometer klasik, FTIR tidak mengukur panjang gelombang satu demi satu, melainkan dapat mengukur intensitas transmitans pada berbagai panjang gelombang secara serempak (D. A. Skoog et al, 1998). Pada FTIR, monokromator digantikan dengan interferometer. Interferometer ini mengatur intensitas sumber sinar inframerah dengan mengubah dari posisi cermin pemantul yang memantulkan sinar dari sumber sinar ke contoh. Jadi, keberadaan interferometer membuat spektrometer mampu mengukur semua frekuensi optik secara serempak dengan mengatur intensitas dari semua frekuensi tunggal sebelum sinyal mencapaidetektor. Hasil scanning interferometer yang 27.

berupa interferogram (pengaluran antara intensitas dan posisi cermin) ini tidak dapat diinterpretasikan dalam bentuk aslinya. Proses matematika transformasi fourier akan mengubah interferogram menjadi spektrum antara intensitas dan frekuensi. Nilai frekwensi spesifik sinar infra merah dapat ditunjukkan pada Tabel 10. Tabel 10. Nilai frekwensi spesifik sinar infra merah pada gugus fungsional ikatan kimia Jenis ikatan C–H. Daerah frekwensi (cm-1) 2700-3300 5600-6300 8300-9000 4200-5000 1300-1500 800-830 600-900. Intensitas kuat sedang lemah sedang sedang-kuat lemah lemah. Jenis ikatan C–C C–O C–N C=C C=O. Daerah frekwensi (cm-1) 800-1200 900-1300 900-1300 1600-1700 1600-1900 3300-3600 5000-5300. C=N C≡C. 1600-1700 2100-2400. sedang-kuat sedang-kuat sedang Kuat sedang lemah sedang-kuat sedanglemah sedang. C≡N C–F C–Cl C–Br C–I. 2100-2400 1000-1350 710-770 500-670 480-600. Kuat Kuat Kuat Kuat Kuat. O–H 3000-3700 6700-7100. kuat kuat sedang1200-1500 lemah 3000-3700 kuat N–H 6300-7100 lemah 9000-10000 sedang 4800-5300 kuat-sedang Sumber: G. W. Ewing, 1975.. Intensitas. Diagram spektroskopi FTIR dapat ditunjukkan pada Gambar 10. Lampu infrared. inteferometer. Tempat sampel. detektor. Gelombang interferensi. absorbsi. komputer. SPEKTRUM IR. Gambar 10. Diagram spektroskopi inframerah transformasi fourier. Aplikasi FTIR telah banyak digunakan dalam menganalisis gugus fungsi pada serbuk grafit dan grafena. Salah satu diantaranya adalah analisis grafena yang diperoleh dari proses pengelupasan langsung grafit dengan metode pemanasan. Hasil FTIR menyebutkan bahwa puncak serapan dari grafena mempunyai kemiripan dengan grafit. Meskipun masih terdapat sejumlah kecil gugus hidroksil pada panjang gelombang ~ 3450 cm -1dalam grafena (Z. Tang et al, 2009). 2.10.4 Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive X-Ray (SEM-EDX) Prinsip Kerja SEM-EDX 28.

SEM membentuk suatu gambar dengan menembakkan suatu sinar elektron berenergi tinggi, biasanya dengan energi dari 1 hingga 20 keV, melewati sampel dan kemudian mendeteksi “secondary electron” dan “backscattered electron” yang dikeluarkan. ‘Secondary electron’ berasal pada 5-15 nm dari permukaan sampel dan memberikan informasi topografi dan variasi unsur dalam sampel. ‘Backscattered electron’ terlepas dari daerah sampel yang lebih dalam dan memberikan informasi terutama pada jumlah rata-rata atom dari sampel. Peristiwa tumbukan dari berkas sinar elektron terjadi ketika energi yang diberikan pada sampel, dapat menyebabkan emisi dari sinar-X yang merupakan karakteristik dari atom-atom dalam sampel. Energi dari sinar-X digolongkan dalam suatu tebaran spektrometer energi dan dapat digunakan untuk identifikasi unsur-unsur dalam sampel. Berkas elektron primer berinteraksi dengan sampel dalam sejumlah cara: a) Elektron primer menghasilkan energi elektron yang rendah, yang cenderung menekankan pada sifat topografi spesimen. b) Elektron primer daribackscattered electronmenghasilkan gambar dengan nomor atom yang khas. c) Atom terionisasi yang mengakibatkan terjadi emisi X-ray. Sinar-X yang dipancarkan merupakan karakteristik dari unsur-unsur dalam beberapa sampel (M. Martinez, 2010). Energi elektron dari kulit terluar yang lebih tinggi akan mengisi lubang, dan kelebihan energi elektron tersebut dilepaskan dalam bentuk foton sinar-X. Pelepasan ini sinar-X menciptakan garis spektrum yangsangat spesifik untuk setiap elemen. Dengan cara ini data X-ray dapat dianalisis dan dikarakterisasi. Analisa SEM-EDX dilakukan 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 kualitatifnya. SEM-EDX umumnya dipakai dalam eksplorasi dan produksi migas, termasuk didalamnya, evaluasi kualitas batuan melalui studi diagnosa yang meliputi identifikasi dan interpretasi keberadaan mineral dan distribusinya pada sistem porositas batuan. Investigasi permasalahan produksi migas seperti efek clay minerals, steamfloods dan chemical treatments yang terjadi pada peralatan pemboran, gravelpackspada reservoir serta identifikasi mikrofosil untuk penentuan umur dan lingkungan pengendapan (Gambar 11) (Liani, 2012). SEM telah banyak dipakai dalam menganalisis grafit, oksida grafena dan. 29.

grafena. Struktur permukaan, ukuran partikel dan bentuk partkel dari grafit, oksida grafena dan grafena dapat diketahui menggunakan analisis SEM (V. Loryuenyong et al, 2013).. Gambar 11. Skema SEM (Liani, 2012). BAB 3. TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN 3.1 Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk: 1. Mensintesis grafena dari berbagai reduktor (KBH4, NaBH4, hidrazin, ammonia, dan asam). 2. Menghasilkan elektroda katalis berbahan grafena baik non-platina maupun platina.. 3.2 Manfaat Penelitian 1. Memproduksi grafena dalam skala besar dengan berbagai reduktor (KBH4, NaBH4, hidrazin, ammonia, dan asam). 2. Mengurangi biaya opearasi sel bahan bakar. 3. Menghasilkan alternatif energi yang dapat diperbaharui. BAB 4. METODE PENELITIAN 4.1. Sintesis Grafena 30.

Sintesis grafena dilakukan dengan menggunakan bahan baku grafit. Grafit dioksidasi dengan menggunakan asam kuat dan oksidator untuk menghasilkan oksida grafit. Selanjutnya, oksida grafit di sentrifugasi dan di ultrasonikasi untuk menghasilkan oksida grafena. Selanjutnya oksida grafena direduksi dengan menggunakan reduktor yakni ammonia, asam sitrat dan hidrazin. Ada dua tahapan penting dalam penelitian ini, yakni: a. Sintesis grafena a.1 ALAT DAN BAHAN a.1.1 Alat-alat Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini antara lain: timbangan analitik, labu erlenmeyer, gelas ukur, pengaduk, gelas kimia, pipet, Shaker, konduktometer, Spektroskopi Inframerah Transformasi Fourier (FTIR), X-Ray Difraction (XRD) dan Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive X-Ray (SEM-EDX). a.1.2 Bahan-bahan Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain: aquades, grafit, asam sulfat (H2SO4), kalium permanganat (KMnO4), natrium nitrat (NaNO3), hidrogen peroksida (H2O2), KBH4, NaBH4, amonia (NH3), hidrazin (N2H4), asam sitrat (C6H8O7) dan larutan piranha (3% v/v H2SO4 : 0.5% v/v H2O2). a.1.3 Prosedur Kerja Dalam tahap ini, grafit dioksidasi dengan menggunakan asam kuat (H 2SO4) dengan menggunakan oksidator (NaNO3, KMnO4, dan H2O2), untuk menghasilkan oksida grafit. Selanjutnya oksida grafit disentrifugasi untuk memisahkan filtrat dan supernatan serta distabilisasi dalam air melalui proses shaker sehingga diperoleh larutan oksida grafena, kemudian oksida grafena direduksi menggunakan ammonia (NH3), asam sitrat (C6H8O7) dan hidrazin (N2H4) untuk menghasilkan grafena. a.1.4 Analisis grafit Grafit tanpa dimodifikasi dianalisis dengan menggunakan XRD, FTIR, Konduktometer dan SEM-EDX. a.1.5 Sintesis oksida grafena a) Sebanyak 0.2 g serbuk grafit dimasukan ke dalam erlenmeyer 250 mL, kemudian ditambahkan 0.2 g NaNO3 dan 15 mL H2SO4 96%. b) Larutan distirer selama 2 jam. c) Erlenmeyer yang berisi campuran, ditempatkan dalam wadah es (ice waterbath) dan ditambahkan secara bertahap 1 g KMnO4 kemudian distirer selama 24 jam. d) Setelah distirer selama 24 jam, ke dalam larutan tersebut ditambahkan 20 mL H 2SO4 5% dan 1 mL H2O2 30% dan distirer selama 1 jam. Larutan tersebut disentrifugasi dengan kecepatan 3000 Rotor per Minute (RPM) selama 20 menit untuk memisahkan filtrat dan supernatan. e) Selanjutnya ke dalam larutan ditambahkan aquades 25 ml dan disentrifius dengan kecepatan 3000 RPM selama 20 menit. Larutan dipindahkan ke dalam gelas beker dan ditambahkan aquades 100 mL kemudian di-shaker selama 5 jam. 31.

f) Larutan disaring dan residu dikeringkan pada suhu 80ºC kemudian dikarakterisasi dengan menggunakan XRD, SEM-EDX, FTIR, dan Konduktometer. a.1.6 Sintesis grafena Larutan oksida grafena ditambahkan masing-masing 10 ml reduktor NH3, asam sitrat dan hidrazin 10M kemudian distirer selama 48 jam. Larutan disaring dan residu dikeringkan pada suhu 80ºC selama 24 jam, lalu dikarakterisasi dengan mengunakan XRD, SEM-EDX, FTIR dan Konduktometer. a.1.7 Karakterisasi Karakterisasi dilakukan dengan cara: N o 1 2 3. Analisis Data Kontrol (A0): grafit Oksida grafena (A1) Grafena (A2). Tujuan/ Standar data yang dicapai Konduktometer. XRD. FTIR. SEM-EDX. Mengukur daya hantar sampel (grafit, oksida grafena, grafena) yang dianalisis. Data yang diperoleh adalah daya hantar listrik (G). Mengidentifikas i struktur kristal padatan dengan membandingka n nilai jarak d dan intensitas puncak difraksi dengan data standar. Mengukur vibrasi dominan dari gugus fungsi dan ikatan yang memiliki kepolaran yang tinggi. Mengamati morfologi permukaan dengan resolusi tunggi yang dikomputasikan untuk menganalisis komponen material. BAB 5. HASIL DAN LUARAN YANG DICAPAI 5.1 Analisis Grafena 5.1.1 Grafena (Reduktor KBH4) Penggunaan KBH4 sebagai reduktor dalam proses mereduksi oksida grafena menjadi grafena bertujuan untuk menghasilkan lembaran grafena berlapis tunggal. Dari hasil reduksi yang diperoleh, larutan hasil reduksi tersebut berwarna hitam yang menandakan bahwa dalam larutan terdapat grafena (Gambar 12). Reaksi antara KBH4 dan oksida grafena :. Gambar 12 Reaksi KBH4 dan oksida grafena Reaksi antara KBH4 dan oksida grafena ini dapat dijelaskan bahwa kalium borohidrida (KBH4) akan menyerang atom karbon sp2 yang terdekat dengan kelompok epoksida dan menghasilkan gugus hidroksil. 32.

Hasil analisis Pola difraksi XRD grafit, oksida grafena dan grafena dapat dilihat pada Gambar 13.. Grafit C(002). Oksida grafena. Grafena. C(002 ). Gambar 13. Difraktogram dari grafit, oksida grafena dan grafena Pola difraksi XRD dari grafit dan grafena menunjukkan puncak yang tajam dan rapat pada 2θ = 26,50° yang sesuai garis difraksi C(002) dengan jarak antara partikel adalah 3,36Å. Garis difraksi C(002) merupakan spesifik dari intensitas atom karbon yang masih didominasi oleh fase heksagonal. Namun pola difraksi dari grafena terlihat adanya perubahan puncak yang sedikit melebar dan tinggi. Hal ini menunjukkan bahwa telah terjadi proses oksidasi dan terbentuk oksida grafena. Terjadinya perubahan puncak dari difraktogram ini disebabkan adanya ikatan dari grafit yang teroksidasi dan masuknya oksigen ke dalam ruang interlayer pada grafit (Jeong et al, 2008). Banyaknya atom oksigen yang diikat dalam ruang antar lapisan, menyebabkan munculnya puncak pada nilai 2θ = 11,66° yang merupakan puncak khas dari oksida grafena (Siburian, 2012). Puncak grafena yang diperoleh sedikit lebih rendah dibandingkan puncak grafit karena grafena yang telah direduksi dengan reduktor KBH4 mengalami pengurangan gugus fungsi yaitu hilangnya gugus fungsi oksigen, hal ini menandakan bahwa telah terjadi proses. 33.

reduksi. Puncak tajam yang terdapat pada grafena menunjukkan grafena yang diperoleh bersifat kristal dan belum berlapis tunggal. Data hasil analisis XRD ini sesuai dengan persamaan Bragg 2d sin θ = nλ, dimana nilai sudut difraksi θ berbanding lurus dengan nilai jarak dalam kristal. Pada keadaan ini, dapat membentuk pola difraksi yang saling menguatkan untuk sudut-sudut yang memenuhi persamaan Bragg. Persamaan Bragg ini merupakan persamaan utama dalam difraksi Analisis menggunakan XRF berfungsi untuk menentukan komposisi unsur yang terdapat dalam suatu sampel atau material secara kualitatif dan kuantitatif. Grafik hasil analisis XRF untuk grafit, oksida grafena dan grafena dapat dilihat pada Gambar 14 dan data unsurnya dapat dilihat pada Tabel 11. 14000 12000 10000 8000 6000. grafit. 4000. oksida grafena. 2000. grafena. 0. Gambar 14. Grafik XRF dari Grafit, Oksida Grafena dan Grafena Tabel 11. Data unsur yang terdapat dalam grafit, oksida grafena dan grafena Komposisi. Jumlah Oksida grafena 648,149 3454 1413,3 1957,12 788,275 844,287. Grafit Klor Karbon 6158 Kalsium 1460,46 Kalium Skandium Molibdenum 538,17 Sumber : Penelitian. Grafena 657,019 11730,8 1427,22 2342,58 702,176 534,246. Berdasarkan data hasil analisis dapat dilihat bahwa kandungan unsur kimia tertinggi adalah karbon yang merupakan unsur utama dalam grafena. Dimana jumlah karbon untuk grafit sebesar 6158, oksida grafena sebesar 3454 dan grafena sebesar 11730,8. Hal ini menunjukkan bahwa reduksi oksidasi grafena oleh KBH4 menghasilkan banyak gugus fungsi yang tereduksi, sehingga jumlah karbon meningkat pada grafena. Bila dilihat dari 34.

data spektra yang ada, terdapat beberapa puncak untuk unsur yang lain seperti klor, kalsium, kalium, skandium, molibdenum dan unsur lainnya namun jumlahnya sangat sedikit sehingga dapat diabaikan. Hasil analisis SEM (Scanning Electron Microscope) terhadap grafit oksida grafena dan grafena dapat dilihat pada Gambar 15.. (a). (b). (c). Gambar 15. Hasil SEM grafit, oksida grafena dan grafena (a) 1000x, (b) 2500x dan (c) 5000x perbesaran. Perbesaran 1000x pada grafit menunjukkan bahwa grafit memiliki ukuran partikel yang lebar, tebal dan sangat rapat (Gambar 15a). Serta, pada perbesaran 2500x (Gambar 15b) dan 5000x (Gambar 15c) terlihat banyak tumpukan yang menandakan bahwa grafit memiliki struktur berlapis. Hasil SEM dari oksida grafena dapat dilihat pada perbesaran 1000x dimana ukuran partikelnya lebih kecil dibandingkan dengan grafit (Gambar 15a). Pada perbesaran 2500x dan 5000x terlihat tumpukan yang lebih sedikit yang menandakan telah terjadi pengelupasan struktur pada grafit. 35.

Pada perbesaran 1000x dari grafena menunjukkan permukaan grafena yang berkerut, ukuran partikel dan pori yang lebih kecil dan seragam dibandingkan grafit dan oksida grafena. Lembaran grafena ini tersusun secara acak dengan lapisan yang lebih tipis. Berdasarkan pada hasil analisis SEM, grafena yang dihasilkan belum berlapis tunggal. Hal ini dapat dilihat pada perbesaran 2500x dan 5000x yang menunjukkan masih adanya penumpukkan yang lebih halus dan sedikit berkurang dibandingkan pada oksida grafena. Konduktometri merupakan metode analisis kimia berdasarkan pengukuran daya hantar listrik suatu larutan. Hasil analisis daya hantar listrik (DHL) dari grafit, oksida grafena dan grafena yang dilakukan dengan metode konduktometri yang dapat dilihat pada Tabel 12. Tabel 12. Hasil pengukuran DHL grafit, oksida grafena dan grafena Sampel Hasil pengukuran DHL (µS cm-1) Grafit. 135,5. Oksida grafena. 50,8. Grafena. 429,5. Sumber: penelitian. Pada Tabel 12 pengukuran daya hantar listrik (DHL) dari grafit, oksida grafena dan grafena menunjukkan adanya perbedaan daya hantar dimana daya hantar listrik dari grafena lebih besar daripada daya hantar listrik dari grafit dan oksida grafena. Hal ini terjadi berdasarkan teori dimana daya hantar listrik dari grafena harus lebih besar dari grafit dan oksida grafena. Sifat daya hantar listrik dari grafena ini berasal dari elektron ikatan π yang terdelokalisasi di sepanjang ikatan C-C dan bertindak sebagai pembawa muatan listrik. Hasil analisis daya hantar listrik (DHL) grafena dari penelitian sebelumnya yang menggunakan reduktor Amonnia, Hidrazin dan Asam sitrat dapat dilihat pada Tabel 13. Tabel 13. Hasil pengukuran DHL grafena dari penelitian sebelumnya Sampel. Hasil pengukuran DHL (µS cm-1). Amonnia 28,4 Hidrazin 33,7 Asam sitrat 105,8 Hasil analisis daya hantar listrik (DHL) grafena dari penelitian sebelumnya menunjukkan daya hantar grafena yang lebih kecil dari grafit. Hasil analisis solvasi grafena dalam air dan etanol 96% dapat dilihat pada Gambar 16.. 36.

Gambar 16. (a) grafena dalam air (b) grafena dalam etanol 96% (c) hasil solvasi grafena dalam air (d) hasil solvasi grafena dalam etanol 96%. Hasil solvasi grafena menunjukan bahwa grafena memiliki struktur yang lebih stabil. Saat dilarutkan dalam air dan etanol, grafena sukar larut dalam air namun sedikit larut dalam etanol, hal ini dikarenakan molekul air dari H dan O tidak mampu menarik sisi-sisi dari grafena untuk memutuskan ikatan antar lapisan yang menyusun grafena. Ini dipengaruhi oleh adanya perbedaan keelektronegatifan sehingga elektron tidak tersebar secara merata. Grafena sedikit larut dalam etanol 96% karena etanol 96% merupakan pelarut organik yang bersifat nonpolar sehingga mampu melarutkan grafena. Berdasarkan pengamatan ini menunjukkan bahwa grafena bersifat nonpolar dimana setiap senyawa baik polar maupun nonpolar memiliki densitas yang berbeda-beda sehingga grafena dapat larut dalam etanol 96% 5.1.2 Grafena (Reduktor NaBH4) Hasil analisis struktur XRD dari Grafit, Oksida grafit, dan Grafena, dapat dilihat pada Gambar 17.. 37.

C (002) GRAFIT. C (002) OG T. C (002) GRAFENA. T. Gambar 17. Difraktogram dari a) Grafit; b) OG; c) Grafena Difraktogram grafit menunjukkan puncak yang tajam pada puncak 2θ = 26,50o (gambar 17a), dengan. C (002) memiliki nilai basal spacing adalah 0,336 nm. Pada. dikfraktogram oksida grafit (Gambar 17b) terlihat adanya perubahan puncak yang melebar dan sedikit tinggi dengan nilai 2θ = 26,47o dan nilai basal spacing 0,337 nm. Hal ini menunjukkan bahwa telah terjadi proses oksidasi dan terbentuk oksida grafena. Terjadinya perubahan puncak dari difraktogram ini disebabkan adanya ikatan. dari. grafit. yang. teroksidasi dan masuknya oksigen ke dalam ruang interlayer pada grafit (Jeong dkk, 2008). Banyaknya atom oksigen yang diikat dalam ruang antar lapisan, menyebabkan munculnya puncak T pada nilai 2θ = 11,66° dan nilai basal spacing 0,759 nm. Pada 38.

difraktogram grafena (Gambar 17c) menunjukkan bahwa puncak C(002) mengalami perubahan dan sedikit melebar dengan nilai 2θ = 26,45o dan nilai basal spacing adalah 0,336 nm. Hal ini menunjukkan telah terjadi pengurangan beberapa gugus fungsional oleh reduktor natrium borohidrida dan penataan kembali struktur dari grafena. Pada difraktogram dari grafena terlihat puncak T yang lemah dan melebar dengan nilai 2θ = 11,76° dan nilai basal spacing 0,752 nm, hal ini yang menguatkan bahwa telah terjadi proses reduksi. Puncak C (002) yang masih tajam menunjukkan bahwa grafena yang terbentuk belum berlapis tunggal (Azizah Nur Lita dan Susanti Diah, 2014) Difraksi Sinar X dari Variasi Perbandingan Grafit/ Oksida Grafit. C (002). Intensity (a.u). Grafit/Oksida grafit (1:1) Grafit/Oksida grafit (2:3) Grafit/Oksida grafit (3:2). 0. 20. 40. 60. 80. 100. 2 theta (degree). Gambar 18a. Grafit/Oksida Grafit Gambar 18a merupakan difraktogram dari masing- masing perbandingan grafit : oksida grafit (1:1; 3:2; dan 2:3). Hasil XRD menunjukkan bahwa pada penambahan oksida grafit yang lebih besar jumlahnya daripada grafit mengakibatkan posisi 2θ C(002) bergeser ke arah penambahan jumlah oksida grafit yang lebih besar. Artinya pada proses oksidasi ikatan oksida grafit lebih kuat sehingga banyak atom oksigen dari grafit ditarik masuk mengisi ke dalam ruang interlayer pada oksida grafit. Masih tingginya puncak pada C (002) mengindikasikan bahwa campuran grafit dan oksida grafit belum memilki lapisan yang tunggal, namun sudah terjadi penurunan kristalinitas (Wang dkk, 2011). Difraksi Sinar X dari Variasi Perbandingan Grafit/Grafena 39.

C (002). Intensity (a.u). Grafit/Grafena (1:1) Grafit/Grafena (2:3) Grafit/Grafena (3:2). 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 2 theta (degree). Gambar 18b. Grafit/Grafena Gambar 18b di atas merupakan difraktogram dari perbandingan grafit : garfena 1:1; 3:2; dan 2:3. Hasil analisis dengan XRD menunjukkan bahwa pada perbandingan campuran 3:2 dan 2:3 posisi 2θ bergeser ke arah penambahan jumlah grafena yang lebih besar. Hal tersebut karena grafena yang digunakan dalam campuran ini. telah terjadi. pengurangan beberapa gugus fungsional oleh adanya reduktor natrium borohidrida (NaBH 4) dan penataan kembali struktur dari grafena sehingga menyebabkan perubahan yang dikarenakan oleh adanya ikatan dari atom-atom oksigen dari grafena yang lebih kuat dan menarik masuk ke dalam ruang interlayer pada grafena. Namun grafena yang terbentuk belum berlapis tunggal, hal ini terlihat dari puncak yang masih tajam C (002). ( Talyzin dkk, 2008). Komposit Grafit/oksida grafit, dan grafit/grafena, hasil analisis dengan menggunakan XRF dapat ditunjukkan pada gambar 19.. 40.

A0 = 1:1 A1 = 3:2 A2 = 2:3. Frekuensi. Karbon Oksigen Hidrogen. A1. A2. A3. Partikel. Gambar 19a. Grafit/Oksida Grafit Gambar 19a merupakan grafik analisis dengan XRF untuk material katoda pada grafit:oksida grafit dengan masing–masing perbandingan 1:1; 3:2; dan 2:3. Hasil analisis menunjukkan bahwa pada campuran A0 = 1:1 dimana. partikel karbon lebih dominan. daripada oksigen dan hidrogen dengan jumlah partikel karbon sebanyak 36252 diikuti oleh oksigen dan hidrogen sebanyak 13866 dan 5375. Partikel karbon lebih banyak yang terdeteksi, dibandingkan dengan oksigen dan hidrogen. Perbandingan 1:1 lebih baik jika dibandingkan dengan perbandingan lain, hal ini karena campurannya sama dan grafit yang digunakan memiliki sifat kimia yang mirip dengan unsur karbon utama. Hal ini terlihat dari hasil analisis dengan XRF dengan unsur penyusun yang dominan yaitu karbon, diikuti dengan oksigen, dan hidrogen. Hal yang sama pada campuran A1 = 3:2 dan A2 = 2:3 dengan jumlah masing–masing partikel yaitu 10426; 9476; 4676, A2 = 8596; 5973 dan 4693. (Grant dkk, 1998). Spektroskopi Fluoresensi Sinar X perbandingan Grafit/Grafena.. 41.