ELEKTRODA KARBON DARI RUMPUT GUINEA (PENICUM MAXIMUM) DENGAN VARIASI MOLARITAS ZnCl2
UNTUK SEL SUPERKAPASITOR
REPOSITORY
OLEH:
EVRIKA RUGUNATI ZENDATO NIM. 1903110157
PROGRAM STUDI - S1 FISIKA JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS RIAU
PEKANBARU 2023
1 MAXIMUM) DENGAN VARIASI MOLARITAS ZnCl2
UNTUK SEL SUPERKAPASITOR Evrika Rugunati Zendato*
Program S1 Fisika FMIPA-Universitas Riau
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Riau, Pekanbaru, Riau 28293, Indonesia
*Email: [email protected]
ABSTRACT
Biomass-based porous Carbon electrodes have been widely used as a basic material for producing supercapacitor cell electrodes, because its application can be applied in the long term, sustainable, renewable, easy to find and has economic value. This research used biomass Guinea grass (RG) with ZnCl2 molarity variations of 0.1 M, 0.3 M, and 0.5 M as carbon electrodes for supercapacitor cells. The process of synthesizing supercapacitor cell electrodes is through several stages a pre-Carbonization at 200°C, chemical activation, Carbonization with N2 gas at temperature of 800°C and physical activation with CO2 gas at temperature 900°C. The highest density shrinkage value is owned by the RG-05 sample is 60.92%. Analysis Fourier Transform Infra Red showed that the active Carbon of Guinea grass contained the functional groups O-H, C=O, C-O, C≡C and C-H. X- Ray Diffraction analysis shows that there are two peaks at an angle of 2θ angles of 24o and 44o at scattering fields (002) and (100) which identify amorphous characteristics. Analysis Scanning Electron Microscopy showed the formation of porous Carbon electrodes with nanosheet and nanofiber structures. Analysis Energy Dispersive X-Ray showed that the RG-05 sample produced the largest percentage of Carbon at 88.01% of the three samples. Electrochemical analysis of supercapacitor cells using the Cyclic Voltametry and Galvanostatic Charge- Discharge methods with 1 M H2SO4 electrolyte, shows the highest specific capacitance values were owned by the RG-05 sample of 487 Fg-1 and 495 Fg-1. In conclusion the biomass derived from Guinea grass (RG), which is underutilized and wasted, has the potential to use as a porous Carbon electrode for high- performance supercapacitor cell applications.
Keywords: Guinea grass, carbon electrode, ZnCl2, supercapacitor.
2 ABSTRAK
Elektroda Karbon berpori berbasis turunan biomassa telah banyak digunakan sebagai bahan dasar pembuatan elektroda sel superkapasitor, karena pengaplikasiannya dapat diterapkan dalam jangka panjang, berkelanjutan, terbarukan, mudah didapat dan bernilai ekonomis. Penelitian ini menggunakan biomassa turunan rumput Guinea (RG) dengan variasi molaritas ZnCl2 yaitu 0.1 M, 0.3 M, dan 0.5 Msebagai elektroda Karbon sel superkapasitor. Proses sintesis elektroda sel superkapasitor ini melalui beberapa tahap, yaitu tahap pra- Karbonisasi dengan suhu 200°C, aktivasi kimia, Karbonisasi dengan gas N2 pada suhu 800°C dan aktivasi fisika dengan gas CO2 pada suhu 900°C. Nilai penyusutan densitas tertinggi dimiliki oleh sampel RG-05 yaitu sebesar 60.92%.
Analisis Fourier Transform Infra Red menunjukkan bahwa Karbon aktif rumput Guinea mengandung gugus fungsi O H, C O, C O, C Cdan C H. Analisis X- Ray Diffraction menunjukkan bahwa terdapat dua puncak yang melebar pada sudut 2 sudut 24o dan 44o pada bidang hamburan (002) dan (100) yang mengidentifikasi karakteristik amorf. Analisis Scanning Electron Microscopy menunjukkan terbentuknya elektroda Karbon berpori dengan struktur nanosheet dan nanofiber. Analisis Energy Dispersive X-Ray menunjukkan bahwa sampel RG-05 memiliki kandungan Karbon tertinggi yakni 88.01% dari ketiga sampel tersebut. Analisis elektrokimia sel superkapasitor menggunakan metode Cyclic Voltametry dan Galvanostatic Charge-Discharge dengan elektrolit H2SO4 1 M, menghasilkan nilai kapasitansi spesifik tertinggi dimiliki oleh sampel RG-05 masing-masing sebesar 487 Fg-1 dan 495 Fg-1. Kesimpulannya biomassa turunan rumput Guinea (RG) yang kurang dimanfaatkan secara maksimal dan terbuang sia-sia, sangat berpotensi dijadikan sebagai elektroda Karbon berpori untuk aplikasi sel superkapasitorberkinerja tinggi.
Kata kunci : rumput Guinea, elektroda karbon, ZnCl2, superkapasitor.
1. PENDAHULUAN
Energi mengalami peningkatan konsumsi setiap tahunnya disebabkan oleh pengembangan teknologi industri dan pertumbuhan jumlah penduduk yang memiliki peranan penting sebagai penggerak sektor perekonomian dunia (Siregar, 2021). Peningkatan kebutuhan energi sangat bergantung pada bahan bakar yang berasal dari fosil yaitu gas alam, minyak bumi dan batu bara.
Bahan bakar fosil merupakan sumber energi yang tidak dapat diperbaharui karena proses pembuatannya membutuhkan waktu yang sangat lama dibandingkan dengan
penggunaannya. Mengatasi keterbatasan tersebut pengembangan sumber energi terbarukan menjadi salah satu solusi alternatif untuk menciptakan piranti penyimpanan energi dengan pengaplikasian jangka panjang, berkelanjutan dan terbarukan (Manieniyan et al., 2009).
Superkapasitor salah satu inovasi baru dalam pengembangan media penyimpanan energy dengan rapat daya lebih tinggi, memiliki kapasitas penyimpan muatan sangat besar, serta proses charge dan discharge yang sangat cepat
dibandingkan perangkat
3 Perkembangan superkapasitor
banyak digunakan dalam sistem cadangan daya, kendaraan listrik dan elektronik portabel (Safitri et al., 2017). Superkapasitor terdiri dari elektroda, elektrolit, pengumpul arus, pemisah (separator). Elektroda merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi keefektifan superkapasitor. Elektroda dapat dibuat dari bahan polymer, oksida logam, dan karbon aktif. Karbon aktif berbasis biomassa salah satu material karbon yang sering diterapkan sebagai elektroda karbon karena memiliki kinerja tinggi dalam konduktivitas listrik, stabilitas termal, dan luas permukaan yang tinggi (Zulkifi dkk., 2015). Karbon aktif berbasis biomassa yang telah dijadikan biomassa untuk material elektroda superkapasitor diantaranya, jerami (Fang et al., 2021), daun serai (Taer, Yanti and Taslim, 2022), sisa-sisa bagian tanaman jagung (Jin et al., 2014), manggis (V. Yang et al., 2019), kulit buah naga (Lu et al., 2020), kapas (Liu et al., 2016), serabut tandan kosong kelapa sawit (Farma et al., 2018), buah bintaro (Farma et al., 2020), pelepah sagu (Farma, Maurani, et al., 2021), batang pisang (Subramanian et al., 2007), daun nanas (Agustino et al., 2020), dan ampas wortel (Ahmed et al., 2018).
Rumput Guinea (penicum maximum) dapat juga dijadikan sebagai material elektroda karbon.
Rumput Guinea merupakan salah satu tumbuhan yang tergolong dalam kelompok gulma ganas bersifat agresif. Tumbuhan rumput Guinea memberikan dampak yang buruk untuk petani seperti menghambat kegiatan pertanian diantaranya pemupukan dan pemanenan
mengurangi kualitas benih tanaman.
Dampak buruk tersebut juga dirasakan oleh masyarakat sekitar, yaitu adanya tumbuhan rumput yang tumbuh liar di area permukiman masyarakat dan menghambat serta membahayakan laju kendaraan karena rumput Guinea adalah tumbuhan yang tumbuh dengan tegak dan tinggi dengan daun yang lebat.
Masyarakat sebagian besar masih kurang menyadari atau belum tahu akan penggunaan secara maksimal tumbuhan rumput liar contohnya rumput Guinea (Paiman, 2020).
Rumput Guinea adalah salah satu gulma yang memiliki potensi dimanfaatkan sebagai bahan dasar dalam pembuatan elektroda karbon, karena rumput Guinea mengandung beberapa kandungan kimia yaitu hemiselulosa 20,24%, selulosa 44,2%, lignin 34% (Holder et al., 2019) dan kadar karbon 40% serta nitrogen 1,3% (Balogun et al., 2022).
Pembuatan karbon aktif dari biomassa rumput Guinea dengan memvariasikan molaritas ZnCl2 yaitu 0.1 M, 0.3 M dan 0.5 M
2. METODE PENELITIAN Metodologi penelitian yang dilakukan menjelaskan tentang alat dan bahan yang digunakan serta prosedur pembuatan elektroda karbon dari biomassa rumput Guinea. Rumput Guinea yang masih hijau dikumpulkan lalu dibersihkan dan dipotong kecil-kecil dengan ukuran ±3-5 cm lalu dijemur selama 15 hari di bawah sinar matahari sampai massanya konstan. Proses selanjutnya yaitu proses pra karbonisasi, proses ini dimulai dengan memasukkan 30 gram rumput Guinea yang telah kering
4 dalam wadah tabung ke dalam oven
dengan suhu 200°C selama 2 jam, sehingga dihasilkan sampel dengan.
warna cokelat kehitaman.
Pengukuran massa rumput Guinea dilakukan sebelum dan sesudah dipanaskan, lalu sampel dihaluskan dengan ball milling, kemudian sampel diayak menggunakan ayakan 53 µm sehingga menghasilkan ukuran partikel yang homogen.
Pencetakan pelet dilakukan menggunakan hidrolik press dengan tekanan 7 ton. Kemudian dilakukan pengukuran densitas yaitu massa, ketebalan, dan diameter pelet.
Karbonisasi dilakukan menggunakan gas N2 pada suhu 800℃ dengan suhu tahan 358℃ menggunakan furnace dan aktivasi fisika dilakukan menggunakan gas CO2 pada suhu 900℃. Sampel yang telah di aktivasi fisika selanjutnya dinetralkan dengan cara direndam dengan aquades menggunakan gelas beker hingga mendapatkan pH~7 selama 2-3 hari setelah proses karbonisasi dan aktivasi fisika. Sampel yang telah dinetralkan kemudian dikeringkan menggunakan oven pada suhu 110℃
hingga sampel benar-benar dalam keadaan kering, sampel kemudian dilakukan pengukuran densitas yaitu massa, ketebalan dan diameter pelet.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Penyusutan Massa Pra-
karbonisasi
Pembuatan elektroda karbon menggunakan biomassa rumput Guinea dilakukan dengan proses pra-karbonisasi. Gambar 4.1 (a, b) menunjukkan hasil dari proses sebelum dan sesudah pra- karbonisasi, terlihat pada gambar tersebut bahwa biomassa rumput Guinea mengalami penyusutan
massa dan perubahan warna menjadi coklat tua, hal ini dikarenakan rumput Guinea mengalami pemutusan ikatan senyawa lignoselulosa (hemiselulosa, selulosa dan lignin) dan terjadinya reaksi Maillad karena adanya pemanasan yang menyebabkan terjadinya reaksi antara gula reduksi dan dan asam amino yang menghasilkan warna coklat pada saat proses pra- karbonisasi (Rawal, Joshi and Kumar., 2018).
Gambar 4.1 Rumput Guinea (a) sebelum pra-karbonisasi (b) sesudah pra-karbonisasi.
Presentase penyusutan massa rata-rata setelah di pra-karbonisasi sebesar 23,04%, hal ini terjadi karena kadar air, senyawa hidrokarbon dan oksigen dalam biomassa RG mengalami penguraian, serta terjadinya pemutusan rantai karbon, dan pembentukan pori-pori baru.
(Farma et al., 2020). Rata-rata persentase penyusutan massa dari RG ini menunjukkan bahwa susut massanya berada dalam rentang 20- 40% yang menandakan biomassa bersifat swa-merekat (Deraman et al., 1998).
3.2 Hasil pengukuran densitas Pengukuran densitas dilakukan dengan mengukur ketebalan, diameter dan massa pelet sebelum dan sesudah proses pirolisis pada suhu tinggi yang dipengaruhi oleh dekomposisi senyawa lignoselulosa (Nur et al., 2020). Besar nilai
a b
5 sebelum dan sesudah proses pirolisis
dapat dilihat pada Gambar 4.2.
Gambar 4.2 Hasil pengukuran densitas elektroda karbon rumput Guinea.
Penurunan densitas setelah dilakukan proses pirolisis disebabkan oleh adanya reaksi dari gas inert dengan unsur-unsur yang terkandung pada elektroda karbon RG, sehingga unsur selain karbon, seperti oksigen, hidrogen, non karbon, dan zat pengotor akan mengalami penguapan dan menghasilkan unsur karbon dengan tingkat kemurnian yang tinggi (Farma et al., 2021). Unsur- unsur selain karbon yang terurai ini juga dapat menghasilkan struktur pori baru yang mempengaruhi luas permukaan elektroda, sehingga dapat meningkatkan kinerja dari superkapasitor (Jayachandran et al., 2021).
Proses aktivasi fisika dengan suhu tinggi juga sangat mempengaruhi penurunan dari densitas elektroda karbon RG, karena pada proses aktivasi fisika dapat memperbaiki struktur pori, permukaan dan membentuk pori-pori baru sehingga dihasilkan pori dengan jumlah banyak. Pori-pori baru ini dihasilkan dari pori-pori yang telah terbuka dengan hilangnya endapan tar yang melekat pada permukaan elektroda karbon (Liu et al., 2020).
akan membuat semakin banyak pori- pori elektroda karbon aktif yang terbentuk sehingga tingkat porositas yang dihasilkan pun semakin besar, dengan demikian penyimpanan muatan pada elektroda akan semakin baik (Farma et al., 2021).
4. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan dari elektroda karbon yang berasal dari biomassa rumput Guinea dengan menggunakan variasi molaritas ZnCl2 untuk aplikasi sel superakapsitor maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut:
1. Elektroda karbon berpori berbasis biomassa turunan rumput Guinea dengan variasi molaritas ZnCl2 telah berhasil diterapkan pada sel superkapsitor dengan kinerja yang tinggi.
2. Penyusutan massa pra- karbonisasi 23,04%.
3. Hasil analisis densitas yang diperoleh menunjukkan bahwa RG-05 memiliki densitas terkecil yaitu 0,42 gcm-3.
4. Molaritas 0.5 M ZnCl2 merupakan variasi aktivator optimum pada pembuatan elektroda karbon untuk aplikasi sel superkapasitor dari biomassa rumput Guinea.
5. REFERENSI
Agustino. Awitdrus. Farma, R. &
Taer, E. (2020) Pembuatan dan Karakterisasi Elektroda Karbon Aktif dari Serat Daun Nanas untuk Aplikasi Superkapasitor.
Journal of Aceh Physics Society. 9: 1–8.
6 Ahmed, S. Ahmed, A. & Rafat, M.
(2018) Supercapacitor Performance of Activated Carbon Derived From Rotten Carrot in Aqueous, Organic and Ionic Liquid Based Electrolytes. Journal of Saudi Chemical Society. 22: 993–
1002.
Balogun, A.O. et al. (2022) ‘Study on combustion characteristics and thermodynamic parameters of thermal degradation of guinea grass (Megathyrsus maximus) in N2-pyrolytic and oxidative atmospheres’, Sustainability (Switzerland), 14(1), pp. 1–21.
Fang, C., Hu, P., Dong, S., Cheng, Y., Zhang, D., & Zhang, X.
(2021). Construction of carbon
nanorods supported
hydrothermal carbon and carbon fiber from waste biomass straw for high strength supercapacitor. Journal of Colloid and Interface Science, 582, 552–560.
Farma, R. et al. (2018) ‘Cyclic
Voltammetry Sel
Superkapasitor Dengan Variasi Konsentrasi Aktivator Kalium Hidroksida’, Jurnal Fisika Indonesia, 21(2), p. 20.
Farma, R. et al. (2020) ‘Preparation and Characterization Activated Carbon Based on Mesocarp of Bintaro Fruit as Electrode Materials Supercapacitor Cell Application’, Journal of Physics: Conference Series, 1655(1).
Farma, R., Apriyani, I., Taer, E., Awitdrus, and Apriwandi, A.
(2022). Hemicellulosa-Derived Arenga Pinnata Bunches as Free-Standing Carbon
Nanofiber Membranes For
Electrode Material
Supercapacitor. Scientifc Reports. 12(2572).
Farma, R., Lestari, O., et al. (2021)
‘Removal of Cu, Fe, and Zn from Peat Water by Using Activated Carbon Derived from Oil Palm Leaves’, Advanced Materials Research, 1162, pp. 65–73
Holder, N., Persaud, A., Mota-Meira, M., Born, J., & Sutrina, S. L.
(2019). The Influence Of Physico-Chemical Parameters, Substrate Concentration, And Species Variations On The Biochemical Methane Production Rates Of Ten Tropical/Subtropical Grasses.
Biofuels, Bioproducts And Biorefining, 13(1), 21–36.
Jayachandran, M. et al. (2021)
‘Activated carbon derived from bamboo-leaf with effect of various aqueous electrolytes as electrode material for supercapacitor applications’, Materials Letters, 301(2001), p. 130335.
Jiang W, Pan J, Liu X. A novel rod- like porous carbon with ordered hierarchical pore structure prepared from Al- based metal-organic framework without template as greatly enhanced performance for supercapacitor. J Power Sources 2019;409:13e23.
Liu, Y. et al. (2017) ‘Biomass-derived hierarchical porous carbons:
Boosting the energy density of supercapacitors: Via an ionothermal approach’, Journal of Materials Chemistry A, 5(25), pp. 13009–13018.
7 dan Liu J. (2016) Biomass-
Swelling Assisted Synthesis of Hierarchical Porous Carbon Fibers for Supercapacitor Electrodes. ACS Applied Mater Interfaces. 8: 28283–90.
Lu, W. Cao, X. Hao, L. Zhou, Y. dan Wang, Y. (2020) Activated carbon derived from pitaya peel for supercapacitor applications with high capacitance performance.
Materials Letters. 264: 127- 139.
Manieniyan, V., Thambidurai, M.
and Selvakumar, R. (2009)
‘Study on Energy Crisis and the Future of Fossil’, Proceedings of SHEE, (October), pp. 7–12.
Nur, A. et al. (2020) ‘Komunikasi Fisika Indonesia VARIASI KONSENTRASI
AKTIVATOR KOH’, 17(3), pp. 127–133.
Rawal, S., Joshi, B. and Kumar, Y.
(2018) ‘Synthesis and characterization of activated carbon from the biomass of Saccharum bengalense for electrochemical
supercapacitors’, Journal of Energy Storage, 20, pp. 418–
426.
Safitri, D. A., Susanti, D., Dan Nurdiansah, H. (2017).
Analisis Pengaruh Doping Nitrogen Terhadap Sifat Kapasitif Superkapasitor Berbahan Graphene. Jurnal Teknik ITS, 6(1), 90–95.
Siregar, R. (2021). British Journal of Environmental Studies Environmentally Friendly Alternative Energy
Overcoming the Energy Crisis.
44–50.
Subramanian, V. Luo, C. Stephan, A.
M. Nahm, K. S. Thomas, S.
And Wei, B. (2007) Supercapacitors From Activated Carbon Derived From Banana Fibers. The Journal Of Physical Chemistry.
111: 7527–7531.
Taer, E., Yanti, N., & Taslim, R.
(2022). Interconnected micro- mesoporous carbon nanofiber derived from lemongrass for high symmetric supercapacitor performance. Journal of Materials Research and Technology, 19, 4721–4732.
Yang, V. Senthil, R. A. Pan, J. Khan, A. Osman, S. And Wang, L.
(2019) Highly Ordered Hierarchical Porous Carbon Derived from Biomass Waste Mangosteen Peel As Superior Cathode Material for High Performance Supercapacitor.
Journal of Electroanalytical Chemistry. 855: 113616.
Zulkifli., Taer, E., & Sugianto. 2015.
Pembuatan Karbon Aktif Monolit dari Kayu Karet Menggunakan Aktivator KOH dan HNO3 untuk Aplikasi Superkapasitor. JOM FMIPA 2 (1).
