PEMBUATAN ELEKTRODA KARBON BERBASIS BIOMASSA AKAR ILALANG DENGAN PENGAKTIFAN KIMIA GANDA
REPOSITORY
M. RIZKI AFLINALDI NIM. 1903110213
PROGRAM STUDI S-1 FISIKA JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS RIAU
PEKANBARU 2023
1 PEMBUATAN ELEKTRODA KARBON BERBASIS BIOMASSA AKAR ILALANG
DENGAN PENGAKTIFAN KIMIA GANDA
M. Rizki Aflinaldi1*, Rakhmawati Farma1
1Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Riau, Pekanbaru, Riau, 28293, Indonesia
*syahrul.m2165@student.unri.ac.id
Abstract
ZnO nanoparticles have been prepared through a biosynthetic method using microwave method with the addition of sulfur doping with percentage variations of 1 and 2%. Sulfur doping ZnO particles in the form of flakes from synthesis were characterized using UV-Vis spectroscopy and x-ray diffraction (XRD). The UV-Vis absorption spectrum shows absorption peaks in the UV region of 300-400 nm with bandgap energy ranging from 3.04-3.08 eV. XRD analysis exhibit the crystal size is in the range of 33 nm. The emerging plane peaks in the 30-80° angle range confirm wurtzite-shaped crystals with high purity of ZnO particles.
Abstrak
Nanopartikel ZnO telah dipreparasi melalui metode biosintesis menggunakan gelombang mikro dengan penambahan doping sulfur dengan variasi persentase 1 dan 2%. Partikel ZnO doping sulfur berbentuk serpihan hasil sintesis dikarakterisasi menggunakan spektroskopi UV- Vis dan difraksi sinar-x (XRD). Spektrum serapan UV-Vis memperlihatkan puncak serapan pada daerah UV 300-400 nm dengan energi celah pita berkisar antara 3,04-3,08 eV. Analisa XRD memperlihatkan ukuran kristal berada pada rentang 33 nm. Puncak bidang yang muncul pada rentang sudut 30-80° mengkonfirmasi kristal berbentuk heksagonal wurtzite dengan kemurnian partikel ZnO yang tinggi.
1. Pendahuluan
Perkembangan teknologi, industri, dan populasi mengakibatkan peningkatan secara signifikan dalam permintaan energi yang menjadi salah satu penyebab terjadinya krisis energi (Strauss et al., 2018). Indonesia termasuk negara berkembang yang mempunyai sumber energi sangat besar seperti sumber energi tak terbarukan dan sumber energi terbarukan. Energi tak terbarukan merupakan energi yang membutuhkan waktu jangka panjang untuk membuatnya dan jika dipakai terus menerus akan habis, sedangkan proses eksploitasinya dilakukan secara besar-besaran seperti bahan bakar fosil dan bahan bakar nuklir. Energi
terbarukan merupakan energi yang melimpah di alam semesta dan dapat diperoleh kembali dalam waktu yang relatif singkat, dan ketersediaannya tidak terbatas seperti matahari, angin, air, panas bumi, biomassa, sampah organik dan lain- lain (Li et al., 2018).
Sumber energi tak terbarukan jika di gunakan terus-menerus akan habis, perlu adanya pemanfaatan energi secara efisien yang dapat menggantikan dan mengurangi penggunaan energi fosil, yaitu sumber energi terbarukan karena melimpah di alam semesta dan dapat diperoleh kembali dalam waktu yang tidak ditentukan, sehingga tidak akan habis bahkan dengan penggunaan terus menerus. Sumber energi terbarukan seperti biomassa yang
2 merupakan sumber bahan bakar berupa
limbah dari sumber daya hayati yang meliputi tanaman rumput, kayu, limbah pertanian/perkebunan, limbah hutan, dan lainya (dalam bentuk ranting, daun kering, cabang mati, biji) (Sun et al., 2018).
Biomassa mengandung selulosa, hemiselulosa, lignin, dan unsur karbon, sehingga dapat dijadikan untuk karbon aktif. Pada penelitian ini elektroda karbon di buat dengan memanfaatkan limbah biomassa akar ilalang.
Ilalang merupakan jenis tumbuhan yang hidup dalam masa tahunan dan memiliki khasiat untuk dimanfaatkan sebagai tanaman obat-obatan. Ilalang merupakan salah satu tanaman yang dapat tumbuh dan berkembang dengan cepat di bawah sinar matahari, baik melalui biji maupun akar. Ilalang memiliki beberapa kandungan kimia diantaranya selulosa, hemiselulosa dan lignin yang masing- masing mempunyai presentase sebesar 40,22%, 18,40%, dan 31,29%, secara berturut-turut. Kandungan kimia tersebut menyebabkan ilalang berpotensi dijadikan sebagai material karbon (Sutiya, 2012).
Fokus pada penelitian ini adalah pembuatan material karbon berbasis akar ilalang dengan pengoptimalan proses aktivasi kimia. Pada penelitian ini pembuatan elektroda karbon berbahan dasar akar ilalang dengan pengaktifan kimia ganda ZnCl2 dengan konsentrasi 0,3 M dan NaCl dengan kosentrasi (0,1 M, 0,3 M, 0,5 M).
2. Metode Penelitian 2.1 Persiapan Sampel
Bahan dasar yang digunakan untuk pembuatan elektroda karbon yaitu biomassa akar ilalang. Akar ilalang dibersihkan, lalu di cuci bersih dan dipotong-potong menjadi kecil sekitar 5 cm, kemudian dilakukan penjemuran dibawah sinar matahari dengan tujuan mengurangi kadar air hingga massa konstan. Proses pengeringan berlangsung selama 3 sampai 4 hari hingga konstan
dilanjutkan ketahap pra-karbonisasi.
Prakarbonisasi bertujuan untuk mempermudah proses penghancuran biomassa menjadi bentuk serbuk. Biomassa akar ilalang sebanyak 30g dimasukkan ke dalam tabung stainless steel pada suhu 2000 C selama 2 jam hingga menjadi coklat kehitaman. Proses ball milling dilakukan untuk menghasilkan serbuk yang lebih halus dengan ukuran partikel yang lebih kecil. Proses ini dilakukan dengan menggunakan ball milling selama ± 20 jam. Sampel yang telah mengalami proses ball milling diayak menggunakan ayakan berukuran 53 𝜇𝑚 atau 270 mesh untuk menghasilkan serbuk yang homogen.
2.2 Aktivasi Kimia
Tahap pertama, aktivator ZnCl2 0,3 M terlebih dahulu dilarutkan menggunakan aquades sebanyak 150 ml di dalam gelas beker, kemudian diaduk dengan menggunakan magnetic stirrer di atas hot plate pada suhu 80℃ dengan laju putaran 450 rpm selama 1 jam. Selanjutnya, hal yang sama dilakukan menggunakan aktivator NaCl dengan variasi molaritas (0,1M, 0,3M, 0,5 M). Larutan ZnCl2 dan NaCl dicampurkan dengan serbuk biomassa akar ilalang sebanyak 30g selama 1 jam. Proses selanjutnya pendiaman larutan teraktivasi di atas hot plate hingga mencapai suhu ruang. Letakkan larutan teraktivasi ditempat yang aman, setelah benar-benar dingin tutup dengan alumunium foil dan diamkan selama 24 jam. Larutan yang sudah mengalami pendiaman selama 24 jam dikeringkan di dalam oven selama 2 hari dengan suhu 110℃, setelah kering, sampel tersebut dihaluskan menggunakan alu dan mortar kemuadian diayak kembali hingga menjadi serbuk dan dicetak menjadi pelet menggunakan hidrolick jack.
2.3 Proses Karbonisasi dan Aktivasi Fisika Karbonisasi dimulai dari (suhu kamar), untuk mencapai suhu tahan 320°C dilakukan dengan laju kenaikan suhu 1
°C/menit yang membutuhkan waktu selama 290 menit ( 4 jam 50 menit). Pada saat
3 sudah mencapai suhu tahan (320°C)
(Suyitno, 2009), suhu akan ditahan selama 1 jam. Setelah 1 jam suhu akan naik ke suhu karbonisasi yaitu 800°C selama 160 menit (2 jam 40 menit) dengan kenikan suhu 3°C/menit. Gas N2 diganti menjadi gas CO2
untuk melakukan proses aktivasi fisika dengan tingkat pemanasan10°C/menit hingga mencapai suhu aktivasi fisika yaitu 900°C kemudian ditahan kembali selama 1 jam, suhu kemudian dibiarkan turun hingga mencapai suhu kamar yaitu 30°C.
2.4 Uji Densitas
Uji densitas elektroda karbon dilakukan sebelum dan sesudah karbonisasi aktivasi fisika. Densitas juga berfungsi untuk menghitung kemampuan sel superkapasitor untuk dijadikan penyimpan muatan. Kemampuan dalam menyimpan muatan tergantung dengan tinggi rendahnya densitas, semakin tinggi densitas maka semakin kecil kemampuannya dalam menyimpan muatan dan semakin rendah densitas semakin besar kemampuanya dalam menyimpan muatan. Uji densitas dilakukan dengan cara mengetahui massa dan volume dari elektroda karbon.
Pengujian ini dilakukan dengan mengukur massa menggunakan timbangan digital dan
mengukur tebal serta diameter menggunakan jangka sorong dari elektroda karbon yang sudah dibuat.
3. Hasil dan Diskusi
3.1 Pembuatan Elektroda Karbon
Pembuatan elektroda karbon terbuat dari biomassa akar ilalang telah berhasil dibuat melalui beberapa proses seperti yang terlihat pada gambar 1. Pembuatan elektroda karbon diawali dengan biomassa akar ilalang melalui proses pengeringan di bawah sinar matahari. Pra- karbonisasi menggunakan oven pada suhu 200℃
selama 2 jam untuk menghasilkan serbuk karbon bersifat swa-merekat. Proses selanjutnya yaitu aktivasi kimia menggunakan variasi konsentrasi NaCl 0,1 M, 0,3 M, dan 0,5 M dan ZnCl2 0,3M.
Pencetakan pelet menggunakan hidrolik press dengan tekanan 7 ton ditahan selama 2 menit. Proses karbonisasi dan aktivasi fisika dilakukan secara integrasi, proses karbonisasi menggunakan suhu 800℃
selama 2 jam 40 menit pada atmosfer N2 dan dilanjutkan proses aktivasi fisika menggunakan suhu 900℃ selama 10 menit pada atmosfer CO2.
Gambar 1. Proses pembuatan elektroda karbon
4 3.2 Analisa Pengukuran Densitas
Gambar 2. Densitas rata-rata elektroda karbon
Gambar 4.1 menunjukkan densitas dari elektroda karbon AI sebelum dan sesudah proses karbonisasi-aktivasi fisika. Densitas sebelum proses karbonisasi-aktivasi fisika masing-masing sebesar 0,9637 gr/cm3, 0,9413 gr/cm3, dan 0,9301 gr/cm3, dimana terjadi penurunan densitas sesudah karbonisasi-aktivasi fisika sebesar 0,6472 gr/cm3, 0,5409 gr/cm3, dan 0,6729 gr/cm3. Penyusutan densitas masing-masing sampel AI-01, AI-03 dan AI-05 adalah sebesar 65,157%, 71,453%, dan 61,806%.
Fenomena tersebut dipengaruhi oleh aktivator yang diberikan, proses karbonisasi dan aktivasi fisika.
Aktivator kimia dapat bereaksi secara langsung dengan butiran-butiran karbon sehingga menghasilkan pori-pori yang lebih banyak (Huang & Anwer, 2020).
ZnCl2 berfungsi untuk membantu NaCl sebagai agen dehidrasi, menghambat pembentukan tar, mempercepat terjadinya reaksi polimerisasi dan memperlambat terjadinya reaksi volatile (Radika &
Astuti, 2020). Aktivasi fisika bereaksi dengan permukaan elektroda karbon sehingga pori elektroda karbon terbuka sehingga terjadi penurunan densitas, terbentuknya pori baru menghasilkan luas permukaan meningkat (Taer et al., 2016).
Gambar 3. Persentase susut densistas elektroda karbon
4. Kesimpulan
Pembuatan elektroda karbon berhasil dilakukan. Densitas sebelum proses karbonisasi-aktivasi fisika masing-masing sebesar 0,9637 gr/cm3, 0,9413 gr/cm3, dan 0,9301 gr/cm3, dimana terjadi penurunan densitas sesudah karbonisasi-aktivasi fisika sebesar 0,6472 gr/cm3, 0,5409 gr/cm3, dan 0,6729 gr/cm3. Penyusutan densitas masing-masing sampel AI-01, AI-03 dan AI-05 adalah sebesar 65,157%, 71,453%, dan 61,806%.
REFERENSI
Huang, X. and Anwer, S. (2020) ‘Nitrogen- Doped Porous Carbon Nanospheres Activated under Low ZnCl2 Aqueous System: An Electrode for Supercapacitor Applications’,
(September). doi:
10.1021/acs.langmuir.0c01670.
Li, S. et al. (2018) ‘An all-in-one material with excellent electrical double- layer capacitance and pseudocapacitance performances for supercapacitor’, Applied Surface Science, 453(May), pp. 63–
72. doi:
10.1016/j.apsusc.2018.05.088.
Radika, R. and Astuti, A. (2020) ‘Pengaruh Variasi Konsentrasi NaCl sebagai Aktivator Karbon Aktif Kulit Singkong untuk Menurunkan
5 Konsentrasi Logam Berat Air
Sungai Batang Ombilin’, Jurnal Fisika Unand, 9(2), pp. 163–168.
doi: 10.25077/jfu.9.2.163- 168.2020.
Strauss, V. et al. (2018) ‘A Simple Route to Porous Graphene from Carbon Nanodots for Supercapacitor Applications’, Advanced Materials, 30(8), pp. 1–10. doi:
10.1002/adma.201704449.
Sun, K. et al. (2018) ‘Hybrid symmetric supercapacitor assembled by renewable corn silks based porous carbon and redox-active electrolytes’, Materials Chemistry and Physics, 218(March), pp. 229–
238. doi:
10.1016/j.matchemphys.2018.07.0 52.
Sutiya, B. (2012) ‘KANDUNGAN KIMIA DAN SIFAT SERAT ALANG- ALANG (Imperata cylindrica) SEBAGAI GAMBARAN BAHAN BAKU PULP DAN KERTAS’, Bioscientiae, 9(1), p. 1. doi:
10.20527/b.v9i1.2583.
Taer, E. et al. (2016) ‘Pengaruh Jenis Aktivator Kimia Terhadap Densitas Dan Kapasitansi Spesifik Elektroda Karbon Aktif Dari Serbuk Gergaji Kayu Karet’, V, pp. SNF2016- MPS-79-SNF2016-MPS-84. doi:
10.21009/0305020215.
