BAB I PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Peningkatan akan kepedulian terhadap kesehatan dan semakin bekembangnya pemantauan gas beracun dan gas berbahaya telah menjadi perhatian khusus. Salah satu gas yang dapat mengancam kesehatan manusia adalah hidrogen sulfida (H2S). Gas H2S pada konsentrasi tinggi (lebih dari 100 ppm) dapat menyebabkan kematian (Hosseini et al., 2015).
H2S dapat ditemukan pada produksi alami dalam minyak mentah, gas alam yang berasal dari penguraian kotoran manusia dan hewan. Bahaya akan gas H2S bagi manusia berdampak pada pengembangan sensor gas H2S. Banyak pengembangan berkelanjutan terhadap pemenuhan tuntutan sensor gas yang efisien. Perancangan bahan penginderaan gas pada skala nano melalui penggunaan nanopartikel akan lebih meningkatkan reaktivitas kimia dengan gas H2S karena peningkatan rasio permukaan ke volume partikel,yang sebanding dengan jumlah situs reaktif. Karena itu, fabrikasi sensor gas H2S berdasarkan bahan nano memiliki potensi besar untuk meningkatkan kinerja sensor gas, terutama dalam hal sensitivitas, kesederhanaan, ukuran, dan penghematan daya, terutama ketika nanopartikel ini tergabung dalam semikonduktor dan oksida logam (Ali et al., 2020).
Sensor gas berbasis grafen oksida (GO) telah banyak digunakan. Konsentrasi kecil gas target yang diadsorpsi pada permukaan grafen dapat menyebabkan perubahan resistansi, dan dapat diaplikasikan penggunaannya sebagai bahan yang sangat sensitif untuk aplikasi deteksi gas (Zhang et al., 2019). Karena sifat morfologinya, material 2D grafena atau grafena oksida (GO) sangat menjanjikan untuk sensor gas, juga karakter rasio permukaan volume yang tinggi secara intrinsik mendukung untuk material sensor. Selain itu, materi 2D grafena dan grafena oksida (GO) juga menunjukkan sifat semikonduktif, dengan celah pita langsung atau tidak langsung, dapat disesuaikan dengan jumlah lapisan (Shan, 2013); Liu et al., 2014).
Grafen oksida (GO) merupakan materi 2 dimensi yang telah banyak diteliti tentang sifat dan kinerja sensor gasnya. Namun, sensor gas berbasis oksida logam seperti GO resistif biasanya bekerja pada suhu tinggi (lebih tinggi dari 100 °C), yang mengarah pada konsumsi daya yang tinggi dan suhu operasi yang tinggi berkaitan dengan pergeseran dalam respon sensor gas, karena pertumbuhan kristal logam oksida. Kelemahan lain dari sensor gas berbasis oksida logam adalah kurangnya selektivitas (Wang et al., 2019). Karena itu, perlu dikembangkanya sensor gas yang memiliki sensitivitas baik dan terjangkau serta dapat
dioperasikan pada suhu kamar. Sensor gas yang berbasis semikonduktor misalnya SnO2, ZnO, TiO2, WO3 (Tai et al., 2016a). Diantara semikonduktor tersebut, yang sering digunakan adalah TiO2 dan ZnO (Moon et al., 2010);(Tai et al., 2016a).
ZnO merupakan bahan fungsional serbaguna yang termasuk semikonduktor tipe-n dan dikembangkan sebagai nanomaterial karena sifat unik yang dimilikinya. Material ZnO memiliki celah pita dengan panjang kurang lebih 3,2 - 3,37 eV dan memiliki mobilitas elektron yang tinggi (Song et al., 2019). ZnO dalam bentuk nanopartikel memiliki luas permukaan yang lebih besar daripada ZnO biasa sehingga memiliki sifat transpor elektron yang lebih tinggi (Choi et al., 2020). ZnO nano ini dapat digunakan sebagai bahan fabrikasi perangkat karena memiliki sifat fisik dan sifat kimia yang unggul (Van Tuan et al., 2020).
Struktur wurzite ZnO dapat memfasilitasi beragam jenis struktur nano morfologi salah satunya adalah nanoflowers (Kataria et al., 2016).
ZnO nanoflowers dibuat dengan metode hidrotermal. Metode hidrotermal merupakan metode yang sangat sederhana, mudah dan terkendali, sehingga dapat memeperoleh hasil yang besar dan morfologi yang unik (Lv et al., 2012). Metode ini dapat memperoleh hasil produktivitas yang baik dengan alat yang sederhana dan hanya perlu pelarut dan kontrol suhu.
Berbagai morfologi baru pada nanomaterial ZnO dibuat menggunakan metode hidrotermal.
Sintesis ZnO nanoflowers juga dipengaruhi surfaktan dan lamanya waktu hidrotermal.
Semakin banyak komposisi surfaktan yang digunakan maka semakin mudah nanoflowers terbentuk. Pengaruh waktu hidrotermal juga mempengaruhi morfologi ZnO yang terbentuk.
Dibutuhkan waktu yang optimum dalam pembentukan ZnO nanoflowers (Fan et al., 2016).
Nanoflowers merupakan bentuk 3 dimensi yang tersusun dari banyak batang (rods) yang membentuk struktur bunga (flower). Penumbuhan ZnO nanoflowers ini dapat dilakukan dengan metode hidrotermal dengan penambahan surfaktan. Struktur ZnO nanoflowers memiliki luas permukaan, kestabilan kimia dan transpor elektron yang lebih baik dibanding struktur nano bentuk lain (Zeng et al., 2016). Berdasarkan sifat tersebut maka ZnO nanoflowers dapat berperan dalam penyerapan gas dalam sensor. ZnO nanoflowers memiliki sifat sensitivitas gas yang baik dan GO memiliki luas permukaan yang besar.
Pengkompositan ZnO nanoflowers dan GO maka dapat menghasilkan sensor gas performa tinggi. (Katiyar et al., 2020).
Sensor gas berbasis komposit berbahan nano seperti GO/ZnO nanoflowers dapat meningkatkan sifat penginderaan terhadap gas (Liu et al., 2014; Mao et al., 2012). GO dapat
lebih mendeteksi molekul gas dibanding dengan grafen murni karena terdapat gugus fungsi oksida sisa yang memberikan peningkatan jumlah adsorbsi serta memiliki konduktivitas listrik yang lebih baik (Yang et al., 2014; Serhan et al., 2019). Komposisi GO dan ZnO pada komposit dapat mempengaruhi kinerja sensor yang dihasilkan, yang dapat dilihat baik dari sidat optik dan sifat elektrik dari sensor gas. Sensor berbasis GO/ZnO nanflowers relatif mudah untuk dikembangkan dengan cara modifikasi permukaan untuk memperbaiki performa dan dapat dikembangkan luas untuk sensor gas yang berbiaya murah dan ramah lingkungan.
B. Perumusan Masalah 1. Identifikasi Masalah
Sensor gas menjadi semakin penting di masyarakat karena banyak dibutuhkan untuk mengidentifikasi gas-gas beracun seperti gas H2S dan dapat digunakan sebagai alat kontrol emisi dalam keamanan lingkungan, digunakan dalam bidang industri ataupun di bidang medis. Penggunaan komposit film tipis berbasis logam oksida telah banyak digunakan untuk mendeteksi target gas. Logam oksida khususnya GO, telah menunjukkan karakteristik terbaik, dalam hal respon dan sensitivitas, di antara bahan-bahan lainnya (Tai et al., 2016b).
Penggabungan komposit dari oksida logam dan bahan semikonduktor seperti ZnO nanoflowers ini akan memberikan performa lebih baik pada struktur dan sifat optisnya, sehingga aplikasi pada sensor gas diharapkan bisa maksimal.
Pembuatan komposit GO/ZnO nanoflowers dapat dilakukan dengan metode hidrotermal ataupun solvotermal. Metode ini dapat mengontrol distribusi struktur dengan mengubah laju pertumbuhan pada nanoflowers (Paquin et al., 2015). Pembuatan komposit GO/ZnO nanoflowers ini menggunakan metode hidrotermal dengan penambahan surfaktan dimana sintesis hidrotermal dapat juga didefinisikan metode yang menggunakan panas dan air. Pada praktiknya, metode ini melibatkan pemanasan reaktan dalam wadah tertutup autoclave menggunakan air. Sintesis komposit GO/ZnO nanoflowers dengan metode hidrotrmal yaitu dengan mengontrol rasio GO, sumber Zn, jenis pelarut dan suhu reaksi dan penambahan surfaktan (Song et al., 2019; Wu dan Wang, 2018). Sintesis GO/ZnO nanoflowers dengan proses hidrotermal pada suhu 95 °C selama 12 jam. Metode ini menghasilkan komposit dengan struktur nano ZnO yang terdistribusi secara seragam pada lembar GO (Yue et al., 2019).
Penggunaan surfaktan yang berperan dalam pertumbuhan ZnO nanoflowers. Salah satu surfaktan yang dapat digunakan yaitu Hexamethylenetetramine (HMTA).
Hexamethylenetetramine (HMTA) menjadi bahan surfaktan yang lazim digunakan dalam sintesis nano ZnO. HMTA dipilih karena sebagai pengontrol prekursor sehingga diharapkan dapat meningkatkan pertumuhan dan bentuk nano ZnO. dapat merupakan senyawa organik heterosiklik dengan kelarutan tinggi dalam air yang digunakan untuk membuat building block struktur kristal dengan cara self assembly (Botsi et al., 2019). HMTA dapat digunakan untuk memperoleh berbagai morfologi dengan memvariasikan parameter reaksi. Kombinasi seng (Zn) dan HMTA dengan memvariasikan substrat pertumbuhan, suhu reaksi, konsentrasi dan rasio molar, pH dan penambahan agen chelating atau reduktor akan diperoleh berbagai struktur seperti nanoflowers, nanorods, nanoplates, nanowalls, nanotubs, dan lainnya (Park et al., 2017).
2. Batasan Masalah
a. Pembuatan ZnO nanoflowers dengan metode hidrotermal.
b. Penggunaan HMTA sebagai surfaktan pembuatan ZnO nanoflowers.
c. Pengguanaan variasi waktu dalam sintesis ZnO nanoflowers 6, 12, dan 18 jam.
d. Penggunaan variasi komposisi GO dan ZnO nanoflowers dalam pembuatan komposit GO/ZnO (b/b) nanoflowers (1:1, 1:2 dan 2:1).
3. Rumusan Masalah
Berdasarkan dari latar belakang yang telah dipaparkan, maka permasalahan yang dikaji pada penulisan kali ini yaitu :
a. Bagaimana pengaruh surfaktan, dan pengaruh waktu hidrotermal terhadap pembentukan ZnO nanoflowers ?
b. Bagaimana pengaruh komposisi GO dan ZnO nanoflowers terhadap sifat struktur dan optis pada komposit GO/ZnO nanoflowers?
c. Bagaimana kinerja sensor gas berbasis komposit GO/ZnO nanoflowers terhadap gas H2S?
4. Tujuan Penelitian
a. Mengetahui pengaruh surfaktan dan pengaruh waktu terhadap pembentukan ZnO nanoflowers.
b. Mengetahui pengaruh komposisi GO dan ZnO nanoflowers terhadap sifat struktur dan optis pada komposit GO/ZnO nanoflowers.
c. Mengetahui kinerja sensor gas berbasis komposit GO/ZnO nanoflowers terhadap gas H2S.
5. Manfaat Penelitian
Memberikan informasi mengenai pengembangan material komposit GO/ZnO nanoflowers untuk aplikasi sensor gas H2S Harapanya hasil penelitian ini mampu memberikan kontribusi ilmiah teknologi mengenai sensor gas untuk mendukung program pencegahan polusi udara.
