ELEKTRODA KARBON DARI KULIT BATANG PEPAYA LIAR (CARICA PAPAYA L) DENGAN VARIASI
SUHU AKTIVASI FISIKA SEBAGAI SEL SUPERKAPASITOR
RESPOSITORY
RENI SYAHPUTRI NIM. 1903110033
JURUSAN FISIKA PROGRAM STUDI S-1 FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS RIAU
2023
1 ELEKTRODA KARBON DARI KULIT BATANG PEPAYA LIAR (CARICA PAPAYA L) DENGAN VARIASI SUHU AKTIVASI FISIKA
SEBAGAI SEL SUPERKAPASITOR
Reni Syahputri*
Program S1 Fisika FMIPA-Universitas Riau
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Riau, Pekanbaru, Riau 28293, Indonesia
*Email : reni.syahputri0033@student.unri.ac.id
ABSTRACT
Supercapacitors are energy storage devices that have many advantages, including rapid charging and an unlimited lifespan. This research aims to evaluate the potential of papaya stem bark biomass (KBP) as a raw material for carbon electrodes production for supercapacitor cell applications. KBP Carbon electrodes were made through a pre-Carbonization process for 3 hours at 200°C, chemical activation using 0.3 M KOH as an activating agent, Carbonization process at 600°C, using N2 gas, and physical activation process at 700°C, 800°C and 900°C using CO2 gas. The KBP-800 sample has the highest density shrinkage value, which is 57.01%. The FTIR test results showed that the KP activated Carbon contained the functional groups O-H, C-H, C C, C=O, C-O. XRD analysis reveals that the Carbon electrode was semicrystalline characterized by peaks (002) and (100) at angles 2 around 22° and 44°. The smallest Lc values and the largest La values were owned by the KBP-800 samples is 9.558 nm and 30.327 nm.
According to SEM characterization, the KBP electrode exhibits a nanoflower structure with meso- and macro-sized pores. EDX analysis indicates the presence of elements, namely Carbon (C), Oxygen (O). Magnesium (Mg). Phosphorus (P), Potassium (K), and Calcium (Ca). The KP-800 sample has the best supercapacitor cell performance, as determined by CV and GCD analysis, with the best specific capacitance values of 238 F/g and 264 F/g.
Keywords: Papaya peel, KOH, physical activation, nanoflower, supercapacitor
2 ABSTRAK
Superkapasitor merupakan piranti penyimpan energi yang memiliki banyak keunggulan, seperti pengisian daya yang cepat dan masa pakai yang tidak terbatas. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui potensi dari biomassa kulit batang pepaya (KBP) sebagai bahan dasar pembuatan elektroda karbon untuk aplikasi sel superkapasitor. Pembuatan elektroda karbon KBP melalui proses pra- karbonisasi selama 3 jam dengan suhu 200°C, aktivasi kimia menggunakan KOH 0,3 M sebagai agen pengaktif, proses Karbonisasi dengan 600 °C,menggunakan gas N2, dan proses aktivasi fisika dengan suhu 700°C, 800°C dan 900°C menggunakan gas CO2. Nilai penyusutan densitas tertinggi dimiliki oleh sampel KBP-800 yaitu 57,01 %. Hasil uji FTIR menunjukkan bahwa karbon aktif KBP mengandung gugus fungsi O-H, C-H, C C ,C=O, C-O. Analisis XRD menunjukkan bahwa elektroda Karbon bersifat semikristalin ditandai dengan puncak (002) dan (100) pada sudut 2 sekitar 22° dan 44°. Nilai Lc terkecil dan La
terbesar dimiliki oleh sampel KBP-800 yaitu 9,558 nm dan 30,327 nm. Hasil karakterisasi SEM menunjukkan bahwa elektroda KBP berstruktur nanoflower dengan pori berukuran meso dan makro.Analisis EDX menunjukkan adanya unsur yaitu Karbon (C), Oksigen (O), Magnesium (Mg), Fosfor (P), Kalium (K), dan Kalsium (Ca). Analisis CV dan GCD menunjukkan nilai kapasitansi spesifik tertinggi berasa pada sampel KBP-800 sebesar 238 F/g dan 264 F/g, dengan demikian kinerja sel superkapasitor terbaik dimiliki oleh sampel KBP-800.
Kata kunci : Kulit pepaya, KOH, aktivasi fisika, nanoflower, superkapasitor
3 1. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Krisis energi terjadi disebabkan oleh produksi energi yang tidak sebanding dengan kebutuhan energi yang diperlukan, selain itu minimnya pendayagunaan energi terbarukan. Pencegahan terjadinya krisis energi secara terus menerus dapat dilakukan dengan beberapa cara seperti meningkatkan pemanfaatan energi serta konservasi energi dan peralihan menuju energi terbarukan (Poudyal et al., 2019).
Sumber energi terbarukan mampu dikombinasikan dan digunakan bersama dengan piranti penyimpan energi. Superkapasitor dianggap sebagai teknologi penyimpanan energi yang paling menjanjikan untuk kendaraan listrik dan sistem energi terbarukan. Superkapasitor memiliki rapat energi secara umum kurang dari 20 Wh/kg dengan rapat daya lebih dari 10 kW/kg dimana besarnya 10 hingga 100 kali lipat dari baterai (Xie et al., 2018).
Komponen utama dari superkapasitor yaitu elektroda, elektrolit, pengumpul arus dan separator.
Superkapasitor menggunakan lapisan
ganda listrik (EDLC) dari antarmuka elektroda atau elektrolit di mana ion terakumulasi pada permukaan elektroda karena daya tarik elektrostatik (Frackowiak, 2006).
Elektroda adalah bagian superkapasitor yang paling mempengaruhi sel superkapasitor berdasarkan jenis dan sifat yang terkandung dalam bahan elektroda.
Elektroda terdiri dari empat jenis berdasarkan bahan pembuatannya yaitu karbon aktif, oksida logam, polimer, dan graphene (Sharma et al., 2010). Karbon aktif merupakan bahan terbaik yang digunakan untuk elektroda superkapasitor karena porositasnya yang tinggi ,biayanya rendah, luas permukaan spesifik serta konduktivitas listrik yang tinggi.
Sintesis karbon aktif berbasis limbah biomassa telah banyak diterapkan (Hwang et al., 2017).
Penelitian ini menggunakan limbah biomassa kulit batang pohon pepaya liar. Tanaman pepaya merupakan tanaman yang berfungsi sebagai tanaman obat-obatan, buah- buahan, dan sayuran. Tanaman ini memiliki beberapa kandungan kimia yang terdapat pada kulitnya,
4 diantaranya kandungan hemiselulosa,
selulosa dan lignin masing masing sebesar 11,8%, 58,71% dan 14,26% . Pohon pepaya liar merupakan salah satu tanaman yang penggunaanya masih kurang dimanfaatkan secara maksimal oleh masyarakat, dengan demikian kulit batang dari pohon pepaya liar tersebut terbuang dengan sia sia, maka dari itu kulit batang tanaman tersebut sangat berpotensi dijadikan sebagai bahan dasar pembuatan elektroda karbon untuk sel superkapasitor.
2. METODE PENELITIAN 2.1 Preparasi Karbon Aktif
Prepareasi karbon aktif menggunakan biomassa kulit batang pepaya liar diawali dengan pengambilan batang pohon pepaya kemudian lakukan pengikisan pada kulitnya. Kulit batang pepaya kemudian dipotong kecil-kecil sekitar 5 cm dan kemudian dikeringkan dibawah sinar matahari agar kadar air dari kulit batang pepaya berkurang dan menguap selama 5-10 hari hingga mendapatkan massa yang konstan.
Langkah selanjutnya proses pra- karbonisasi pada suhu 200°C selama 3 jam , kemudian sampel dihaluskan
menggunakan alat Ball Miling selama 20 jam dan di ayak dengan ayakan berukuran 53 µm agar menghasilkan serbuk karbon yang homogen. Serbuk karbon kemudian diaktivasi kimia dengan menggunakan aktivator KOH 0,3 M menggunakan Hot Plate pada suhu 80ºC dengan kecepatan 450 rpm selanjutnya sampel dicetak pelet dengan menggunakan alat yaitu Hydraulic press. Sampel yang sudah dicetak kemudian dikabonisasi yang dialiri dengan gas Nitrogen (N2) dan aktivasi fisika dialiri gas CO2 dengan variasi suhu 700°C, 800°C, 900°C dengan kode sampel KBP- 700, KBP-800, KBP-900. Terakhir, elektroda karbon disusun membentuk sel superkapasitor yang terdiri dari elektroda karbon aktif, separator dan elektrolit.
2.2 Karakterisasi Sifat Fisis Elektroda Karbon
Karakterisasi sifat fisis elektroda karbon menggunakan Fourier Transform Infra Red , X- Ray Diffraction , Scannning Electron Microscope , Energy Dispersive X- Ray. X-Ray Diffraction menggunakan alat X-Pert Powder Panalytical. Fourier Transform Infra
5
Red bertujuan untuk
mengidentifikasi senyawa organik pada sampel. Alat yang digunakan untuk karakterisasi FTIR adalah IRPrestige-21 Shimadzu.. Scannning Electron Microscope bertujuan untuk mengetahui struktur morfologi elektroda karbon menggunakan alat JEOL JSM-6510 LA dan Energy Dispersive X-Ray menggunakan alat JEOL JSM-6510 LA .
2.3. Karakterisasi Sifat elektrokimia Sel Superkapasitor
Karakterisasi sifat elektrokimia sel superkapasitor menggunakan Cyclic Voltametry dan Galvanostatic Charge-Discharge.
Pengujian CV dilakukan untuk mengetahui nilai kapasitansi spesifik dari elektroda karbon sel superkapasitor yang diuji menggunakan alat Physics CV UR Rad-far 5841 pada laju scan 1 mV/s, 2 mV/s, 3 mV/s, 5 mV/s dan 10 mV/s dan potensialnya 0 – 1 V.
Pengujian GCD dilakukan untuk menentukan sifat elektrokimia elektroda sel superkapasitor. GCD dilakukan dengan menggunakan alat GCD UR Rad-far 5841 dengan potensial 0 hingga 1 V dan rapat arus
1 A/g, 2 A/g, 5 A/g, 10 A/g . 3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Hasil Pengukuran Densitas
Pengukuran densitas elektroda karbon terdiri dari pengukuran diameter (d), massa (m) dan ketebalan (t) yang dilakukan sebelum dan sesudah pirolisis.
Pengukuran densitas dapat dihitung dengan persamaan 2.3 dan disajikan dalam bentuk diagram seperti terlihat pada Gambar 3.1
Gambar 4.1 Diagram Hasil Pengukuran Densitas
Gambar 4.3 menunjukkan adanya perubahan densitas sebelum dan sesudah pembakaran berdasarkan variasi suhu aktivasi fisika 700ºC, 800ºC, dan 900ºC.
Nilai densitas sebelum pembakaran masing masing sampel 1,01 gr.cm-3, 1,06 gr.cm-3, dan 0,92 gr.cm-3. Nilai densitas sesudah pembakaran masing masing sampel 0,49 gr.cm-3, 0,45 gr.cm-3, dan 0,57 gr.cm-3.
6 Pembakaran yang dilakukan terdiri
dari proses karbonisasi dan aktivasi fisika, tujuan dari proses karbonisasi yaitu untuk menghilangkan unsur non karbon yang menyebabkan densitas mengalami penyusutan dan proses aktivasi fisika dapat membuka pori-pori karbon serta mampu membentuk pori baru, semakin banyak pori yang dihasilkan akan membuat nilai densitas semakin kecil (Ramadhani et al., 2020).
Gambar 4.4 memperlihatkan persentase penyusutan densitas elektroda karbon KBP-700, KBP- 800, KBP-900 masing-masing sebesar 50.98 % , 57,01% dan 43,76
%. Sampel KBP-800 mengalami penyusutan densitas lebih besar daripada KBP-700, dikarenakan suhu aktivasi yang meningkat mampu menghasilkan reaksi oksidasi antara karbon dan karbondioksida yang menyebabkan rantai karbon banyak yang terlepas, dan terbentuklah banyak pori sehingga penyusutan densitas pun semakin tinggi (Zhang et al., 2018). Sampel KBP-900 memiliki susut densitas terkecil dibandingkan KBP-700 dan KBP- 800 karena penambahan suhu aktivasi fisika terlalu tinggi
menyebabkan kerusakan struktur pori elektroda karbon ( Farma et al.,2021). Berdasarkan data tersebut dapat disimpulkan bahwa suhu 800ºC adalah suhu aktivasi fisika terbaik untuk mendapatkan penyusutan densitas tertinggi pada elektroda karbon KBP.
Gambar 4.2 Persentase Susut Densitas
Daftar Pustaka
Farma, R, Anakis, R. P., Apriyani,I.
2021 Activated Carbon (AC) Prepared by Direct CO2 Activation of Persea America Seeds Biomass for Supercapacitor Electrodes.
Journal of Physics:
Coference Series 2049
Frackowiak, E. (2006).
Supercapacitors Based on Carbon Materials and Ionic Liquids. J. Braz. Chem.
Soc, 17 (6), 1074-1082.
7 Hwang, J. Y., Li, M., El-Kady, M. F.
and Kaner, R. B. 2017. Next- Generation Activated Carbon Supercapacitors: A Simple Step in Electrode Processing Leads to Remarkable Gains in Energy Density. Advanced Functional Materials 27 : 15.
Poudyal, R. Loskot, P. Nepal, R.
Parajuli, R. Khadka, K. S.
2019. Mitigating the Current Energy Crisis in Nepal with Renewable Energy Sources.
Renewable and Sustainable Energy Review. 1-14.
Ramadhani, L. F., Nurjannah, I. M., Yulistiani, R., dan Saputro, E.
A. 2020. Teknologi Aktivasi Fisika pada Pembuatan Karbon Aktif dari Limbah Tempurung Kelapa. Jurnal
Teknik Kimia 26 (2) : 42-53.
Sharma, P. Bhatti, T. S. 2010. A Review on Electrochemical Double-Layer Capacitors.
Energy Conversion and Management.1-12.
Xie, J., Yang, P., Wang, Y., Qi, T., Lei, Y. and Li, C. M. 2018.
Puzzles and Confusions in Supercapacitor and Battery:
Theory and Solutions.
Journal of Power Sources 401 : 213-223.
Zhang, Y., Yu, S., Lou, G., Shen, Y., Chen, H., Shen, Z., Zhao, S., Zhang, J., Chai, S., Zhou, Q.
2017. Review of
Macroporous Materials as Electrochemical
Supercapacitor Electrodes. J.
Mater. Sci. 52, 11201-11228
