2010 SK - 17

Prosiding Skripsi Semester Gasal 2009/2010

SK - 17

PEMBUATAN SENSOR GAS BERBAHAN POLIMER KONDUKTIF LAPISAN RANGKAP POLIPIROL, POLITIOFENA DAN POLI-3-METILTIOFENA UNTUK UJI MINYAK TANAH, BENSIN DAN BIOSOLAR Ika Atika Wati*, Suprapto1 Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Sepuluh Nopember ABSTRAK

Telah dilakukan penelitian sensor gas berbahan polimer konduktif yang dibuat dengan cara elektropolimerisasi dengan variasi lapisan dasar dan lapisan atas dari kombinasi monomer tiofena, 3-metiltiofena dan pirol. Voltametri siklis juga dapat menunjukkan perbedaan puncak oksidasi dari 3-metiltiofena, pirol, dan tiofena, dimana puncak oksidasinya sebesar 0,59 V; 0,39 V dan 0,64 V. Puncak oksidasi untuk lapisan rangkap dimana lapisan dasarnya poli-3-metiltiofena, politiofena dan lapisan atasnya adalah monomer pirol adalah 0,43 V dan 0,29 V. Sedangkan puncak oksidasi untuk lapisan rangkap tiga dimana tiofena diatas lapisan dasar poli-3metiltiofena dan polipirol serta 3-metiltiofena diatas lapisan dasar politiofena dan polipirol adalah 0,56V dan 0,45V. Hasil pengukuran resistansi menunjukkan bahwa elektroda dengan lapisan polipirol diatas poli-3metiltiofena, politiofena diatas lapisan dasar poli-3-metiltiofena dan polipirol serta polipirol diatas politiofena memberikan sensitivitas yang baik pada biosolar sedangkan pada lapisan poli-3-metiltiofena diatas lapisan dasar politiofena dan polipirol memberikan sensitivitas yang baik pada bensin. Semua hasil pengukuran dapat dilihat dari bentuk radar plot yang berbeda. Kata kunci: Elektropolimerisasi, Pirol, Tiofena, 3-Metiltiofena, Sensor Gas

ABSTRACT

The fabrication of gas sensor based on conducting polymer has be done by electropolymerization of pyrrole, thiophene, and 3-methylthiophene as base layer and top layer. Cyclic voltammetri showed that the oxidation potential of each monomer was different. The oxidation potential of 3-methylthiophene, pyrrole and thiophene were 0,59 V; 0,39 V and 0,64 V respectively. Oxidation potential for double layers with poly-3methylthiophene, polythiophene as base layer and pyrrole as top layer, was relatively different, the oxidation values were 0,43 V and 0,29 V. Even if, the oxidation potential for triple layers with thiophene over of poly3methylthiophene and polypyrrole also 3-methylthiophene over of polythiophene and polypyrrole were 0,56 V and 0,45 V. The measurement of resistance change between sensors that exposed to air and fossil fuel derivates showed that electrodes with polypyrrole over of poly-3-methylthiophene, polythiophene over of poly-3methylthiophene and polypyrrole also polypyrrole over of polythiophene give a good sensitivity to biodiesel and electrode with poly-3-methylthiophene over of polythiophene and polypyrrole give a good sensitivity to gasoline. Radar plot of resistance change when sensors were exposed to air and to fossil fuel give a different pattern. Key words: Electropolimerization, Pyrrole, Thiophene, 3-Methylthiophene, Gas Sensor

PENDAHULUAN Polimer konduktif adalah polimer organik yang dapat menghantarkan arus listrik. Bahan-bahan tersebut biasanya merupakan material semikonduktif dengan konduktivitas listrik seperti logam atau oksida logam. Polimer konduktif mempunyai bermacammacam struktur dengan harga yang relatif murah, mudah dibuat dan dapat diproses secara mekanik (Winokur, 1995). Nilai konduksi dalam polimer konduktif dapat ditingkatkan dengan cara pemberian Prosiding KIMIA FMIPA - ITS

dopan ke dalam polimer konduktif (Crayton & Walton, 1996). Ciri-ciri tersebut dapat digunakan untuk pembuatan peralatan elektronik, seperti dioda, kapasitor, transistor, sel surya, gas sensor dan lainlain. Namun demikian, aplikasi polimer konduktif yang paling luas adalah aplikasinya sebagai bahan aktif sensor gas. Sensor gas, dari segi bahannya, dapat dibuat dari logam, oksida logam, polimer komposit dan polimer konduktif. Untuk logam dan oksida logam

digunakan untuk memonitor gas hasil pembakaran, seperti CO, CO2 dan lain-lain, sedangkan polimer komposit dan polimer konduktif banyak digunakan untuk mendeteksi uap senyawa organik. Sensor gas bekerja dengan cara mengubah parameter kimia yang dideteksi menjadi sinyal elektrik. Dari segi parameter yang diukur terdapat beberapa jenis sensor gas yaitu sensor optik, sensor elektrokimia, sensor termal, dan sensor gravimetri. Karakteristik sensor ditentukan dari sejauh mana sensor tersebut memiliki kemampuan yang baik dalam mengenali zat yang ingin dideteksinya. Kemampuan mendeteksi zat tersebut ini meliputi: 1) Sensitifitas, yaitu ukuran seberapa sensitif sensor mengenali zat yang dideteksinya. Sensor yang baik akan mampu mendeteksi zat meskipun jumlah zat tersebut sangat sedikit dibandingkan gas disekelilingnya. 2) Selektifitas, yaitu sejauh mana sensor memiliki kemampuan menyeleksi gas atau cairan yang ingin dideteksinya. Sifat ini tidak kalah penting dengan sensitifitas mengingat gas atau cairan yang dideteksi tentunya akan bercampur dengan zat lain yang ada disekelilingnya. 3) Waktu respon dan waktu rekoveri, yaitu waktu yang dibutuhkan sensor untuk mengenali zat yang dideteksinya. Semakin cepat waktu respon dan waktu rekoveri maka semakin baik sensor tersebut. 4) Stabilitas dan daya tahan, yaitu sejauh mana sensor dapat secara konsisten memberikan besar sensitifitas yang sama untuk suatu gas, serta seberapa lama sensor tersebut dapat terus digunakan (Brian, 2004). Pada penelitian ini sensor gas berbahan polimer konduktif dibuat dengan cara elektropolimerisasi dengan variasi lapisan dasar dan lapisan atas dari kombinasi monomer tiofena, 3metiltiofena dan pirol. Variasi lapisan dasar dan lapisan atas ini diharapkan dapat menghasilkan sensor gas dengan sensitivitas dan selektifitas yang berbedabeda. Metode elektrokimia merupakan cara yang sederhana dalam proses polimerisasi monomer polimer konduktif, selain itu dengan metoda elektropolimerisasi, konduktivitas polimer dapat dikontrol. Elektroda interdigital yang umum digunakan untuk pembuatan sensor gas adalah plat emas karena logam tersebut mempunyai konduktivitas yang baik dan inert. Logam mulia ini cukup mahal sehingga akan dicari bahan alternatif yang relatif lebih ekonomis. Pembuatan elektroda dari PCB tembaga yang disepuh perak dan dilanjutkan dengan disepuh emas diharapkan dapat menjadi elektroda yang baik. Pada penelitian ini metode voltametri siklis digunakan untuk mengetahui puncak oksidasi dari monomer saat dielektropolimerisasi untuk membentuk polimer. Sifat elektrokimia yang diamati adalah potensial dan nilai puncak oksidasi dan puncak reduksi dari monomer. Sedangkan untuk morfologi, dapat diketahui adanya polimer yang terbentuk dari proses elektrokimia pada elektroda kerja yang diuji menggunakan mikroskop optik. Untuk melihat apakah polimer tersebut menempel atau tidak pada elektroda kerja maka bisa dibandingkan dengan dengan elektroda kerja yang Prosiding KIMIA FMIPA - ITS

belum dilapisi polimer. Resistansi pada elektroda kerja diukur untuk mengetahui seberapa besar perubahan resistansi pada udara yang dibandingkan dengan bahan uji (minyak tanah, bensin dan biosolar) (Pratt,1996). Dari paparan diatas didapat Tujuan dari penelitian ini adalah mengetahui sifat elektrokimia monomer dan polimer konduktif yang dielektropolimerisasi dari tiofena, pirol dan 3metiltiofena baik sebagai film tunggal maupun film rangkap. Mengetahui resistansi dari masing-masing elektroda kerja sehingga diketahui perbedaan antara resistansi di udara dan setelah dipaparkan minyak tanah, bensin dan biosolar. METODE PENELITIAN Peralatan dan bahan Peralatan Alat-alat yang dipergunakan dalam penelitian ini adalah potensiostat, sel elektroda yang terdiri dari elektroda kerja yaitu PCB yang dilapisi emas, elektroda pembanding yang digunakan adalah Ag/AgCl dan elektroda bantu yaitu Platina, mikroskop optik untuk melihat lapisan polimer yang terbentuk , multimeter untuk mengukur resistansi dari polimer konduktif dan peralatan gelas. . Bahan Bahan-bahan yang diperlukan pada penelitian ini adalah beberapa monomer dari tiofena, pirol, dan 3-metiltiofena. Asetonitril sebagai pelarut, tetrabutilammonium heksafluorophospat (TBAPF6) sebagai ion pendoping, dan aquades. Prosedur Kerja Pembuatan Elektroda Kerja Pertama-tama yang dilakukan adalah dengan cara membuat pola ineterdigital pada kertas transparan. Kemudian elektroda dengan pola interdigital diplotkan di atas PCB setelah pola interdigital pada kertas transparan menempel PCB. Kemudian PCB tadi dicuci dengan larutan CuCl2 sehingga yang terlihat hanya pola ineterdigital yang berwarna hitam setelah itu pola interdigital tersebut digosok hingga terlihat lapisan tembaganya. Lapisan tembaga tersebut kemudian dilapisi dengan perak. Setelah itu lapisan perak tadi dilapisi kembali dengan emas Gambar 1 dibawah ini merupakan gambar pola elektroda kerja interdigital emas. Sesuai Gambar 1 dibawah ini.

Gambar 1. Elektroda kerja interdigital emas Pembuatan Larutan

Bahan monomer yang digunakan untuk penelitian ini adalah tiofena, pirol dan 3-metiltiofena.. Monomer dan garam tetrabutilamonium heksafluorophospat dibuat kosentrasinya sebesar 0,1 M pada larutan asetonitril. Awalnya padatan dari monomer tiofena ditimbang sebanyak 0,421 g dan TBAPF6 ditimbang sebanyak 1,9384 g. Kemudian diencerkan dengan asetonitril sebanyak 50 mL pada labu ukur. Hal yang sama dilakukan untuk monomer pirol namun pirol yang digunakan sebanyak 0,395 g. Untuk monomer 3-metiltiofena digunakan sebanyak 0,491 g. Elektrpolimerisasi Elektropolimerisasi Lapisan Dasar Larutan asetonitril diambil 30 mL yang telah berisi monomer 3-metiltiofena dan garam tetrabutilamonium heksafluorophospat dengan konsentrasi masing-masing 0,1 M. Kemudian elektroda interdigital emas yang telah dihubungkan dengan potensiostat dicelupkan ke dalam larutan campuran tadi. Pengukuran dilakukan dengan metoda potensiodinamik yaitu dari -1 V sampai 2,5 V dengan laju scan 100 mV/detik yang dilakukan sebanyak kurang lebih 60 siklis. Pada elektroda kerja yang terlapisi polimer 3-metiltiofena dilapisi lagi dengan monomer pirol sebanyak 3 siklis. Kemudian dilihat ada tidaknya polimer pada elektroda kerja menggunakan mikroskop optik. Perlakuan ini dilakukan juga untuk monomer tiofena. 2.2.3.2 Elektropolimerisasi Lapisan Atas Elektropolimerisasi pada larutan monomer tiofena dan garam tetrabutilamonium heksafluorophospat dibuat kosentrasinya sebesar 0,1 M pada larutan asetonitril dimana monomer tiofena sebagai lapisan atas. Polimer konduktif yang terbentuk tadi diendapkan secara potensiodinamik pada elektroda interdigital emas yang telah dilapisi 3metiltiofena dan pirol yang dihubungkan dengan potensiostat dengan laju scan 100 mV/detik antara -1 V sampai 2,5 V. Kemudian polimer konduktif lapisan rangkap dilihat ada tidaknya polimer yang terbentuk dengan pada elektroda kerja menggunakan mikroskop optik. Langkah kerja ini dilakukan juga untuk untuk monomer 3-metiltiofena. 2.2.4 Uji Resistansi 2.2.4.1 Uji Resistansi dengan Udara Setelah didapatkan sensor yang bersifat konduktif yang berasal dari elektroda kerja yang dilapisi polimer konduktif (3-metiltiofena, tiofena dan pirol), maka dilakukan uji resistansi. Uji ini digunakan untuk mengetahui seberapa besar resistansi yang dimiliki oleh masing-masing elektroda kerja dengan lapisan polimer konduktif yang berbeda. Cara mengukur resistansi dalam penelitian ini adalah dengan menggunakan alat potensiostat dimana elektroda pembanding dan elektroda bantu digabung lalu disambungkan ke salah satu elektroda resistor, begitu juga dengan elektroda kerja disambungkan Prosiding KIMIA FMIPA - ITS

kedalam salah satu elektroda resistor. Lalu diukur resistansnya menggunalan teknik LSV ( linear siklik voltametri). Potensial yang digunakan adalah dari -2.5 V sampai +2.5 V dan menggunakan scan rate 100 mV/s. Dari masing-masing sensor didapatkan nilai resistansi yang berbeda di udara. 2.2.4.2 Uji Resistansi dengan Turunan Minyak Bumi Setelah didapatkan sensor yang bersifat konduktif yang berasal dari elektroda kerja yang dilapisi polimer konduktif (3-metiltiofena, tiofena dan pirol), maka dilakukan uji resistansi. Uji ini digunakan untuk mengetahui seberapa besar resistansi yang dimiliki oleh masing-masing elektroda kerja dengan lapisan polimer konduktif yang berbeda. Sampel yang digunakan dalam uji resistansi ini adalah minyak tanah, bensin dan biosolar. Cara mengukur resistansi dalam penelitian ini adalah dengan menggunakan alat potensiostat dimana elektroda pembanding dan elektroda bantu digabung lalu disambungkan ke salah satu elektroda, begitu juga dengan elektroda kerja disambungkan kedalam salah satu elektroda. Lalu diukur resistansnya menggunalan teknik LSV ( linear siklik voltametri). Potensial yang digunakan adalah dari -2.5 V sampai +2.5 V dan menggunakan scan rate 100 mV/s. Sampel (minyak tanah, bensin dan biosolar) yang digunakan sebanyak 1 ml yang disuntikkan dalam wadah berukuran 500 ml, dimasukkan dalam wadah kotak yang terbuat dari kaca lalu sensor diletakkan didalam tutup dan harus mengarah ke sampel agar uap dari senyawa dapat terdeteksi oleh sensor. Dari masing-masing sensor didapatkan nilai resistansi yang berbeda. Hasil dan pembahasan Pembuatan Elektroda Kerja Elektroda kerja yang digunakan dalam penelitian ini dibuat dari PCB yang mempunyai pola interdigital dengan ukuran elektroda 50µm dengan jarak antar elektroda 150µm. Pola interdigital digunakan sebagai substrat untuk bentuk resistor. Pertama, pola interdigital diplot diatas permukaan PCB, setelah pola menempel pada permukaan PCB, PCB dicuci menggunakan CuCl2 untuk menghilangkan lapisan tembaga, sehingga yang tersisa pada PCB hanya pola interdigitalnya saja. Pola interdigital yang ada pada PCB kemudian dipotong kecil-kecil sesuai bentuk pola. Pola yang sudah jadi kemudian dicuci dengan detergen untuk menghilangkan kotoran yang menempel setelah itu dikeringkan dengan tisu. Pelapisan emas menggunakan larutan KAu(CN)4 dan dilakukan dilakukan pada suhu 600, setelah itu didapatkan elektroda emas. Elektroda yang sudah jadi dites menggunakan multimeter untuk memastikan bahwa antar interdigital tidak saling menyambung. Gambar 2 menunjukkan elektroda interdigital emas hasil etching.

Pada gambar 2 menunjukkan gambar elektroda interdigital Au (resistor), dimana pada gambar tersebut memiliki empat resistor paralel yang tidak saling kontak. Resistor paralel ini merupakan tempat terjadinya pengendapan film dari larutan polimer konduktif pada saat proses elektropolimerisasi. Resistor paralel yang sudah tertutupi oleh film nantinya yang akan digunakan sebagai sensor gas. . Elektropolimerisasi Untuk mengetahui puncak oksidasi dan puncak reduksi dari monomer dilakukan uji dengan metode voltametri siklis. Berdasarkan puncak oksidasi dan puncak reduksi maka diketahui berapa besarnya potensial yang diperlukan oleh monomer untuk terpolimerisasi pada elektroda kerja pada saat larutan monomer diberi potensial pada puncak oksidasinya sehingga membentuk polimer. Proses elektropolimerisasi dalam penelitian ini menggunakan elektroda interdigital emas sebagai elektroda kerja, Ag/AgCl sebagai elektroda pembanding dan kawat platina sebagai elektroda bantu. Elektropolimerisasi berlangsung dalam campuran monomer (masingmasing: pirol, 3-metiltiofena, dan tiofena), dopan ion (tetrabutilamoniumheksafluorofosfat (TBAPF6)) dan pelarut asetonitril. TBAPF6 berperan sebagai atom atau molekul doping yang menghasilkan cacat dalan rantai polimer, cacat ini bermuatan positif, negatif dan netral sehingga dapat menghantarkan listrik. Sebelum mengetahui puncak oksidasi dan reduksi dari suatu monomer, perlu dilakukan suatu perbandingan dengan cara elektropolimerisasi elektroda kerja emas pada 30 mL larutan garam 0,1 M tanpa monomer untuk mendapatkan baseline dari voltamogram. Hasil dari elektropolimerisasi garam pada elektroda emas dapat dilihat pada Gambar 3. 0.005

0.004

arus(I)

0.003

0.002

0.001

0.000

-0.001 -1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

p otensial)V )

Gambar 3. Voltamogram larutan TBAPF6 dalam asetonitril tanpa monomer Prosiding KIMIA FMIPA - ITS

Elektropolimerisasi Lapisan Dasar Elektropolimerisasi Lapisan Dasar Pirol diatas Poli-3-Metiltiofena Lapisan dasar yang digunakan dalam penelitian ini dilakukan dengan elektropolimerisasi 3metiltiofena menggunakan pelarut dan garam. Scan rate yang digunakan adalah 100 mV/s dengan interval -1 V sampai +2,5 V. Hasil dari elektropolimerisasi berupa film warna hitam yang menempel pada elektroda kerja. Film yang didapatkan setelah sebanyak 60 siklis dalam proses elektropolimerisasi. Polimerisasi tercapai ketika potensial mencapai potensial oksidasi monomer. Gambar 4 adalah voltamogram 3-metiltiofena pada larutan asetonitril/TBAPF6. 0,0025 0,0020 0,0015 0,0010 A/I

Gambar 2. Elektroda interdigital Au

Gambar 3 menunjukkan voltamogram elektroda emas dengan garam tanpa monomer pada laju scan 100 mV/detik dan potensial dari -1V sampai +2.5V. Puncak oksidasinya adalah 1.633V dan puncak reduksi terlihat namun tidak signifikan. Dengan demikian puncak pada daerah 1.633 V bukan dari oksidasi monomer tapi dari elektrolit yang digunakan. Pengertian tentang puncak oksidasi (puncak anodik) untuk elektropolimerisasi monomer adalah suatu potensial yang menyebabkan terbentuknya radikal kation yang terjadi secara elektrokimia dimana radikal kation ini akan akan menyerang radikal kation yang lain atau oligomer yang terbentuk secara kimia membentuk oligomer dengan rantai yang lebih panjang.

0,0005 0,0000 -0,0005 -0,0010

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

E/V

Gambar 4.Voltamogram 3-metiltiofena/asetonitril dengan garam TBAPF6 Puncak oksidasi dari monomer 3-metiltiofena diatas adalah 0.59 V. Alasan mengapa dilakukan penentuan puncak oksidasi adalah untuk mengetahui potensial yang diperlukan agar polimer terbentuk pada elektroda kerja dari proses elektropolimerisasi monomer untuk membentuk polimer. Tujuan dari penentuan puncak oksidasi dan puncak reduksi dari 3-metiltiofena adalah untuk mengatur konduktivitas dari poli-3-metiltiofena. Jika ingin menaikkan konduktivitas dari poli-3metiltiofena yaitu dengan cara mengoksidasi poli-3metiltiofena diatas puncak oksidasi dari poli-3metiltiofena sehingga jumlah kation pada elektroda kerja akan bertambah sehingga dengan penambahan kation ini akan menaikkan konduktivitas dari poli-3-

metiltiofena. Sedangkan untuk menurunkan konduktivitas dari poli-3-metiltiofena yaitu dengan cara mereduksi poli-3-metiltiofena dibawah puncak reduksinya sehingga jumlah kation yang berada pada elektroda kerjanya berkurang dan hal inilah yang menyebabkan konduktivitas dari poli-3-metiltiofena menurun. Penentuan lapisan dasar dalam penelitian menggunakan poli-3-metiltiofena/asetonitril lalu dilanjutkan dengan pelapisan lagi menggunakan pirol/asetonitril. Scan rate yang digunakan 100 mV/s dengan interval -1 V sampai +2,5 V. Film yang dihasilkan dari proses elektropolimerisasi berupa film hitam. Film hasil elekropolimerisasi poli-3metiltiofena berbeda dengan film hasil elektropolimerisasi dengan polipirol, dengan poli-3metiltiofena berupa film hitam tipis yang menempel dielektroda kerja dan membutuhkan siklis yang banyak untuk mendapatkan film tersebut, berbeda dengan film hasil dari elektropolimerisai dari polipirol, film yang didapat sangat hitam dan tebal sehingga menutupi semua interdigital pada elektroda kerja dan dibutuhkan hanya 3 siklis untuk mendapatkan film seperti yang diinginkan. Pirol pada penelitian ini digunakan untuk menghasilkan film yang dapat menutup dan menyambung antargap karena jika hanya 3-metiltiofena saja, film yang terbentuk tidak mampu menyambung antargap hanya menutup gap saja. Gambar 5 adalah voltamogram dari pirol dan poli-3-metiltiofena yang dilapisi lagi dengan pirol 0,004

0.0014

0.39

0.0012

0,002

0.0010

0,001

0.0008

arus

0,000 -0,001

-0,003

(c)

Pada gambar 6 menunjukkan kalau resistor paralel sudah tertutupi semua oleh film poli-3-metiltiofena dan polipirol/asetonitril. Elektropolimerisasi Lapisan Dasar Pirol diatas Politiofena Elektropolimerisasi tiofena dalam penelitian ini dilakukan untuk membuat lapisan dasar pada elektroda kerja. Elektropolimerisasi ini dilakukan pada laju scan 100 mV/detik dan diperoleh puncak oksidasinya sebesar 0.64 V. Maksud dari dari penentuan puncak oksidasi tiofena adalah potensial minimum yang diperlukan untuk mengoksidasi tiofena agar terbentuk polimer konduktif yang diinginkan yaitu politiofena pada elektroda kerja dengan laju scan 100mV/detik. 0,0020

0.0006 0.0004

-0,002

(b)

Gambar 6. Gambar film polipirol diatas poli-3metiltiofena yang menempel pada elektroda (a), gambar elektroda interdigital sebelum dielektropolimerisasi (b), permukaan polipirol diatas poli-3-metiltiofena dengan perbesaran 900 kali (c)

0,0015

0.0002

-0.56

0.0000

-0,004 -1,2 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6

E/V

A/I

A/I

0,003

(a)

-0.0002 0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

0,0010

1.0

potensial

Gambar 5. Voltamogram pirol/TBAPF6 (a) dan pirol/TBAPF6 dalam asetonitril di atas lapisan dasar poli-3-metiltiofena (b)

0,0005 0,0000 -0,0005

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

E/V

Puncak oksidasi dan puncak reduksi dari film polipirol sangat jelas. Puncak oksidasinya adalah 0.39V sedangkan puncak oksidasi dari film poli-3metiltiofena yang dilapisi lagi menggunakan polipirol adalah 0.43V tetapi puncak reduksinya tidak terlalu signifikan. Permukaan lapisan dasar terkikis kembali, hal ini karena poli-3-metiltiofena akan tereduksi oleh potensial oksidasi monomernya menyebabkan overoksidasi berlangsung sehingga sulit ditentukan puncak oksidasi dan puncak reduksinya karena baseline sulit ditentukan. Untuk mengetahui permukaan film dari monomer 3-metiltiofena dan pirol maka diuji menggunakan mikroskop optik, hal ini ditunjukkan oleh gambar 6

Prosiding KIMIA FMIPA - ITS

Gambar 7. Voltamogram tiofena/asetonitril dengan garam TBAPF6 Berikutnya akan dibahas tentang elektropolimerisasi pada pirol. Dengan metode yang sama pada tiofena dilakukan juga elektropolimerisasi untuk mengetahui puncak oksidasi dari pirol dan diperoleh voltamogram dari pirol yang ditunjukkan pada gambar 8

0.0012

0.39

0,003

0.0010

A/I

0,002 0,001

0.0008

arus

0,000 -0,001 -0,002 -0,003

0.0004

-0.56

0.0002

-0,004 -1,2 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6

E/V

Gambar

0.0006

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

potensial

8. Voltamogram pirol/TBAPF6 (a) volatamogram pirol/TBAPF6 dalam asetonitril diatas lapisan dasar politiofena (b)

Dimana puncak oksidasi dari voltamogram pirol adalah 0.29 V maka monomer pirol akan membentuk suatu radikal kation yang berasal dari proses elektrokimia dan radikal kation yang berasal dari monomer pirol akan mengalami reaksi kopling untuk membentuk dimer dan dimer ini akan menyerang dimer lain sehingga membentuk oligomer. Dan dimer juga bisa menyerang oligomer yang sudah terbentuk sehingga membentuk oligomer dengan rantai yang lebih panjang. Elektropolimerisasi dilakukan pada laju scan rate 100 mV/s sebanyak 3 siklis. Elektropolimerisasi lapisan dasar pirol diatas politiofena bertujuan untuk mengubah nilai resistansi. Elektropolimerisasi pada monomer tiofena sebagai lapisan dengan lapisan dasar polipirol adalah untuk mengetahui potensial minimum yang diperlukan untuk membuat lapisan atas politiofena pada lapisan dasar polipirol. Polimer yang terbentuk pada elektroda kerja akan dilihat menggunakan mikroskop optik, dimana elektroda interdigital yang dilapisi emas akan terlapisi oleh politiofena dan polipirol yang ditunjukkan oleh gambar 9.

lapisan yang terletak diatas elektroda kerja yang sudah dielektropolimerisasi (lapisan dasar). Lapisan atas yang digunakan dalam penelitian ini adalah politiofena. Metode yang digunakan untuk untuk elektropolimerisasi pada lapisan atas adalah sama dengan metode untuk elektropolimerisasi pada lapisan dasar. Elektropolimerisasi pada lapisan atas bertujuan untuk mengubah nilai resistansi. Gambar 10 menunjukkan elektropolimerisasi dari tiofena 0.0010

0.0008

arus

0,004

0.0006

0.0004

0.0002

0.0000 0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

potensial

Gambar 10. Voltamogram tiofena diatas lapisan poli3-metiltiofena dan polipirol dengan garam TBAPF6 Puncak oksidasi dari lapisan atas politiofena adalah 0.56V. Untuk mengetahui permukaan film dari lapisan atas politiofena maka diuji dengan mikroskop optik yang ditunjukkan oleh gambar 11

(a) (b) Gambar 11. Gambar film politiofena diatas lapisan dasar poli-3-metiltiofena dan pirol pada elektroda kerja (a), morfologi permukaan dari film politiofena diatas lapisan dasar poli-3-metiltiofena dan pirol perbesaran 900 kali (b) Gambar

(a) (b) 9. Gambar film polipirol diatas politiofena/asetonitril yang menempel pada elektroda (a), morfologi dari permukaan polipirol diatas politiofena/asetonitril dengan perbesaran 900 kali (b)

Elektropolimerisasi Lapisan Atas Elektropolimerisasi Lapisan Atas Tiofena di atas Lapisan Dasar Polipirol dan Poli-3-Metiltiofena Elektropolimerisasi lapisan atas dalam penelitian ini dilakukan pada elektroda kerja yang dielektropolimerisasi menggunakan poli-3metiltiofena dan polipirol. Lapisan atas merupakan Prosiding KIMIA FMIPA - ITS

Elektropolimerisasi Lapisan Atas 3-Metiltiofena diatas Lapisan Politiofena dan Polipirol Setelah melakukan elektropolimerisasi tiofena dan pirol pada elektroda emas. Dengan metode yang sama untuk monomer 3-metiltiofena dilakukan juga elektropolimerisasi untuk mengetahui puncak oksidasi dari 3-metiltiofena dan dari elektropolimerisasi poli-3-metiltiofena diperoleh siklis voltamogram dari monomer 3-metiltiofena yang ditunjukkan pada Gambar 12

0.0010

arus

0.0008 0.0006 0.0004 0.0002 0.0000 -0.0002 0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

potensial

Gambar 12. Voltamogram 3-metiltiofena diatas permukaan politiofena dan polipirol /asetonitril dengan garam TBAPF6 Elektropolimerisasi pada 3-metiltiofena dilakukan pada laju scan 100 mV/s dan diperoleh puncak oksidasinya sebesar 0,45 V tetapi untuk puncak reduksinya terlihat namun tidak signifikan. Maksud dari penentuan puncak oksidasi tiofena pada 0,45V adalah potensial minimum yang diperlukan untuk mengoksidasi 3-metiltiofena agar terbentuk polimer konduktif yang diinginkan yaitu poli-3metiltiofena pada elektroda kerja dengan laju scan 100 mV/detik. Gambar 13 merupakan gambar permukaan dari politiofena-polipirol-poli-3-metiltiofena/ asetonitril yang dilihat dengan mikroskop optik.

Uji Resistansi Uji Resistansi di Udara Setelah didapatkan sensor yang bersifat konduktif yang berasal dari elektroda kerja yang dilapisi polimer konduktif (3-metiltiofena, tiofena dan pirol), maka dilakukan uji resistansi. Uji ini digunakan untuk mengetahui seberapa besar resistansi yang dimiliki oleh masing-masing elektroda kerja dengan lapisan polimer konduktif yang berbeda. Cara mengukur resistansi dalam penelitian ini adalah dengan menggunakan alat potensiostat dimana elektroda reference dan elektroda counter digabung lalu disambungkan ke salah satu elektroda resistor, begitu juga dengan elektroda kerja disambungkan kedalam salah satu elektroda resistor. Lalu diukur resistansnya menggunalan teknik LSV (linear siklis voltametri). Potensial yang digunakan adalah dari -2.5 V sampai +2.5 V dan menggunakan scan rate 100 mV/s. Gambar 14 menunjukkan resistansi dari masing-masing sensor gas dari senyawa yang berbedabeda. 0.0100

0.00056

0.0075

0.00054

0.0050

0.00052

0.0025

0.00050

arus(I)

0.0012

Arus (I)

0.0014

0.0000

0.00048

-0.0025

0.00046

-0.0050

0.00044 0.00042

-0.0075 -3

-2

-1

0 1 Potensial (V)

2

-3

3

-2

-1

0

1

2

3

potensial(V)

(a)

(b)

0.00052 0.0030 0.0025

Gambar

(b) 13. Gambar film poli-3metiltiofena diatas lapisan dasar politiofena dan polipirol yang menempel pada elektroda (a), Morfologi dari permukaan poli-3metiltiofena diatas lapisan dasar poli-3metiltiofena dan polipirol perbesaran 900 kali (b)

Tabel 1. Potensial oksidasi monomer Monomer TBAPF6 dalam asetonitril 3-metiltiofena Pirol Pirol diatas poli-3-metiltiofena Tiofena Pirol diatas politiofena Tiofena diatas poli-3-metiltiofena dan polipirol 3-metiltiofena diatas politiofena dan polipirol

Potensial Oksidasi (V) 1.63 0.59 0.39 0.43 0.64 0.29 0.56 0.45

0.0015 arus(V)

(a)

arus(A)

0.0020

0.00050

0.0005 0.0000 -0.0005 -0.0010

0.00048

-0.0015

-3

-2

-1

0

1

2

3

-0.0020

potensial(V)

-3

-2

-1

0

1

2

3

potensial(V)

( c) (d) Gambar 14. Resistansi sensor gas berbahan :

polipirol diatas poli-3metiltiofena (a), politiofena diatas poli-3-metiltiofena dan polipirol (b), polipirol diatas politiofena (c), poli-3-metiltiofena diatas politiofena dan polipirol (d) Tabel 2. Resistansi monomer yang ada di udara Bahan aktif sensor Polipirol diatas Poli-3-metiltiofena Politiofena diatas Poli-3metiltiofena dan polipirol Polipirol diatas Politiofena Poli-3-metiltiofena diatas Politiofena dan Polipirol


0.0010

Resistansi di udara (Ω) 636.94 76316.07 428036.4 2377.34

3.3.2 Uji Turunan Minyak Bumi Sensor kimia adalah alat yang mampu menangkap fenomena berupa zat kimia (baik gas maupun cairan) untuk kemudian diubah menjadi sinyal elektrik. Karakteristik sensor yang ideal ditentukan dari sejauh mana sensor tersebut memiliki kemampuan yang baik dalam mengenali zat yang ingin dideteksinya. Pada penelitian ini menggunakan turunan minyak bumi sebagai sampel, turunan minyak bumi yang digunakan untuk menguji resistansi pada gas sensor antara lain minyak tanah, bensin dan biosolar. Uji ini dilakukan menggunakan potensiostat dengan teknik Linear Siklis Voltametri (LSV), dimana potensial yang digunakan antara -2.5 V sampai +2.5 V dan menggunakan laju scan rate 100mV/s. Dari masing-masing sensor gas didapatkan nilai resistansi yang berbeda. Pada gambar 15 dibawah ini merupakan resistansi sensor yang berbahan polimer konduktif lapisan polipirol diatas poli-3-metiltiofena. A B C D

0.0100 0.0075

Arus (I)

0.0050 0.0025

konduktif polipirol diatas poli-3metiltiofena dapat digunakan sebagai sensor.

polimer

Alasan mengapa pada penelitian ini menggunakan sampel turunan minyak bumi karena sampel tersebut mudah menguap, sehingga uap dapat terdetekdi oleh sensor gas selain itu juga mudah didapat. Bensin merupakan cairan campuran yang berasal dari minyak bumi dan sebagian besar tersusun dari hidrokarbon serta digunakan sebagai bahan bakar. Sedangkan minyak tanah adalah cairan hidrokarbon yang tidak berwarna dan mudah terbakar diperoleh dengan cara didistilasi langsung dari minyak mentah. Tabel 3. Perubahan resistansi sensor berbahan polipirol diatas poli-3-metiltiofena pada udara, minyak tanah, biosolar dan bensin Bahan aktif sensor Polipirol diatas poli-3-metiltiofena /udara (R0) Polipirol diatas poli-3-metiltiofena /mitan (R) Polipirol diatas poli-3-metiltiofena /biosolar (R) Polipirol diatas poli-3-metiltiofena /bensin (R)

Resistansi (Ω) 636.94 470579.37

737.80

891615.25

1398.83

576451.90

904.02

0.0000 -0.0025 -0.0050 -0.0075 -3

-2

-1 Potensial 0 (V) 1

2

3

Gambar 15. Resistansi sensor yang diuji pada ; udara (A), bensin (B), minyak tanah (C) dan biosolar (D) B C D

0.00059 0.00058 0.00057

arus(V)

0.00056 0.00055 0.00054 0.00053 0.00052 0.00051 0.00050

-3

-2

-1

0

1

2

3

Dari tabel 3 menunjukkan bahwa adanya senyawa uap senyawa organik dapat meningkatkan resistansi sensor gas. Pada saat dikenai uap biosolar sensor gas menunjukan respon resistansi terbesar yaitu sekitar 891615.25 Ω. Berdasarkan nilai tersebut sensor gas dengan lapisan 3-metiltiofena-pirol memiliki sensitivitas yang tinggi terhadap biosolar. Minyak tanah dan bensin memberikan respon yang sedang pada sensor gas. Besarnya respon yang ditimbulkan sensor gas dipengaruhi oleh kecepatan partikel senyawa uji berinteraksi pada sensor gas. Pada gambar 17 dibawah ini menunjukkan perbedaan resistansi sensor berbahan polimer konduktif politiofena diatas poli-3-metiltiofena dan polipirol .

potensial(V)

Gambar 16. Resistansi sensor yang diuji pada bensin (B), minyak tanah (C) dan biosolar (D)

A B C D

0.00060 0.00058 0.00056


arus(I)

0.00054

Dari gambar 15 menunjukkan perbedaan resistansi sensor antara yang diuji menggunakan udara dan diuji dengan senyawa turunan minyak bumi (minyak tanah, bensin dan biosolar). Dari gambar 15 terlihat bahwa resistansi pada bensin, minyak tanah dan biosolar terlihat sama membentuk garis lurus tetapi sebenarnya mempunyai nilai resistansi yang berbeda yang ditunjukkan pada gambar 16. Pada gamabar 16 resistansi sensor yang diuji pada udara dihilangkan sehingga akan Nampak jelas perbedaannya. Resistansi pada udara sebesar 636.94 Ω, setelah diuji dengan bensin menjadi 576461.90 Ω, dengan minyak tanah sebesar 470579.37 Ω dan Biosolar sebesar 891615.25 Ω. Hal ini membuktikan bahwa elektroda kerja interdigital yang berbahan

0.00052 0.00050 0.00048 0.00046 0.00044 0.00042 0.00040

-3

-2

-1

0

R-R0/R0

1

2

3

potensial(V)

Gambar 17. Resistansi sensor yang diuji pada ; udara (A), bensin (B), minyak tanah (C) dan bio solar (D) Dari gambar 17 diatas menunjukkan perubahan resistansi yang sangat jelas antara sensor yang ada pada udara, yang diuji menggunakan bensin, minyak tanah dan biosolar. Resistansi pada udara sebesar 76316.07 Ω, setelah diuji dengan bensin

menjadi 334155.35 Ω, dengan minyak tanah sebesar 305312.74 Ω dan biosolar sebesar 460.89 Ω. Pada saat dikenai uap biosolar sensor gas menunjukkan respon resistansi terbesar yaitu sekitar 460893.21 Ω. Berdasarkan nilai tersebut sensor gas dengan lapisan politiofena diatas poli-3-metiltiofena dan polipirol memiliki sensitivitas yang tinggi terhadap biosolar, yang ditunjukkan pada tabel 4. Tabel 4. Perubahan Resistansi Sensor Berbahan Politiofena diatas Poli-3-Metiltiofena dan Polipirol pada Udara, Minyak Tanah, Biosolar dan Bensin Resistansi (Ω)

Bahan aktif Sensor Politiofena diatas poli-3metiltiofena dan Polipirol (R0) Politiofena diatas poli-3metiltiofena dan Polipirol /Minyak tanah (R) Politiofena diatas poli-3metiltiofena dan Polipirol /Biosolar (R) Politiofena diatas poli-3metiltiofena dan Polipirol /Bensin (R)

R-R0/R0

76316.07 305312.74

3.00

460893.21

5.03

334155.35

3.37

Pada gambar 18 dibawah ini menunjukkan perbedaan resistansi sensor berbahan polimer konduktif (polipirol diatas politiofena) A B C D

0.00060 0.00058

/biosolar (R) Polipirol diatas politiofena /bensin (R)

532169.65

Pada saat dikenai uap biosolar sensor gas menunjukkan respon resistansi terbesar yaitu sekitar 2099327.58 Ω. Berdasarkan nilai tersebut sensor gas dengan lapisan politiofena-polipirol memiliki sensitivitas yang tinggi terhadap biosolar. Besarnya respon yang ditimbulkan sensor gas dipengaruhi oleh kecepatan partikel senyawa uji yang berinteraksi pada sensor gas. Pada lapisan polipirol diatas poli-3metiltiofena dan politiofena diatas lapisan poli-3metiltiofena dan polipirol juga menunjukkan bahwa sensor menunjukkan sensitivitas yang tinggi terhadap biosolar. Transfer elektron antara polimer konduktif organik dan uap senyawa organik menyebabkan muatan listrik dalam sensor gas, karena keelektronegatifan pada uap senyawa organik adalah bagian terpenting pada respon sensor gas. Pada gambar 19 menunjukkan perbedaan resistansi sensor berbahan polimer konduktif (poli3metiltiofena diatas lapisan dasar politiofena dan polipirol). Dari gambar 18 terlihat bahwa resistansi pada bensin, minyak tanah dan biosolar terlihat sama membentuk garis lurus tetapi sebenarnya mempunyai nilai resistansi yang berbeda yang ditunjukkan pada gambar 20 dimana menunjukkan perubahan resistansi yang sangat jelas antara sensor yang diuji menggunakan bensin, minyak tanah dan biosolar.

0.00056 arus(A)

0.24

A B C D

0.0030

0.00054

0.0025 0.0020

0.00052

0.0015

-3

-2

-1

0

1

2

arus(V)

0.00050 3

potensial(V )

0.0010 0.0005 0.0000 -0.0005 -0.0010

udara (A), bensin (B), minyak tanah (C) dan bio solar (D) Dari gambar 18 menunjukkan perubahan resistansi yang sangat jelas antara sensor yang ada pada udara, yang diuji menggunakan bensin, minyak tanah dan biosolar. Resistansi pada udara sebesar 428036.4 Ω, setelah diuji dengan bensin menjadi 532169.65 Ω, dengan minyak tanah sebesar 335399.39 Ω dan Biosolar sebesar 2099327.58 Ω.

-0.0015 -0.0020

-3

-2

-1

0

1

2

3

potensial(V)

Gambar 19. Resistansi sensor yang diuji pada ; udara (A), bensin (B), minyak tanah (C) dan biosolar (D) B C D

0.00059 0.00058 0.00057 0.00056 arus(V)

Gambar 18. Resistansi sensor yang diuji pada ;

0.00055 0.00054 0.00053 0.00052

Tabel 5. Perubahan Resistansi Sensor Berbahan Polipirol diatas Politiofena pada Minyak Tanah, Biosolar dan Bensin Bahan aktif sensor Polipirol diatas politiofena (R0) Polipirol diatas politiofena /minyak tanah (R) Polipirol diatas politiofena Prosiding KIMIA FMIPA - ITS

Resistansi (Ω)

0.00051 0.00050

-2

-1

0

1

2

3

potensial(V)

R-R0/R0

Gambar 20. Resistansi sensor yang diuji pada ; udara (A), bensin (B), minyak tanah (C) dan biosolar (D)

0.21 3.90

Resistansi pada udara sebesar 2377.34 Ω, setelah diuji dengan bensin menjadi 635158.56 Ω, dengan minyak

428036.4 335399.39 2099327.58

-3

tanah sebesar 543144.69 Ω dan Biosolar sebesar 366919.96 Ω. Pada saat dikenai uap bensin sensor gas menunjukkan respon resistansi terbesar yaitu sekitar 635158.56 Ω. Berdasarkan nilai tersebut sensor gas dengan lapisan Tiofena-pirol-3-metiltiofena memiliki sensitivitas yang tinggi terhadap bensin. Besarnya respon yang ditimbulkan sensor gas dipengaruhi oleh kecepatan partikel senyawa uji yang berinteraksi pada sensor gas. Tabel 6. Perubahan Resistansi Sensor Berbahan Poli3-Metiltiofena diatas Lapisan Politiofena dan Polipirol pada Minyak Tanah, Biosolar dan Bensin Sensor Tiofena-pirol-3 metiltiofena (R0) Tiofena-pirol-3metiltiofena/mitan (R) Tiofena-pirol-3metiltiofena/biosolar(R) Tiofena-pirol-3metiltiofena/bensin (R)

Resistansi (Ω)

R-R0/R0

2377.347 543144.69

227.46

366919.96

153.34

635158.56

266.17

Pengenalan Pola Hasil Pengukuran Hasil uji resistansi terhadap turunan minyak bumi dapat dapat digambarkan dalam radar plot seperti gambar 21. Radar plot pada gambar 21 memiliki bentuk yang berbeda. Dengan demikian sensor gas berbahan polimer konduktif lapisan rangkap dapat digunakan untuk membedakan masingmasing turunan minyak bumi dalam hal ini bensin, minyak tanah dan biosolar.Gambar 21 Radar plot dari resistansi sampel

(a)

(c)


(b)

(d)

Gambar 21.

Tipe radar plot pada elektroda resistor, dimana (a) pada udara, (b) pada minyak tanah, (c) pada biosolar dan (d) pada bensin.

Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian, diperoleh kesimpulan : 1) Metode voltametri siklis dapat menunjukkan perbedaan sifat elektrokimia dimana puncak oksidasi monomer dari 3-metiltiofen, pirol, dan tiofen relatif berbeda, dimana puncak oksidasinya sebesar 0,59 V; 0,39 V dan 0,64 V secara berurutan. Puncak oksidasi untuk lapisan rangkap dimana lapisan dasarnya pirol diatas poli-3metiltiofen dan pirol diatas politiofen adalah 0,43 V dan 0,29 V. Sedangkan puncak oksidasi untuk lapisan rangkap tiga dimana tiofena diatas lapisan dasar poli-3-metiltiofen dan polipirol serta 3metiltiofena diatas lapisan dasar politiofen dan polipirol adalah 0,56 V dan 0,45 V. 2) Terbentuknya film polimer konduktif pada elektroda kerja yang ditunjukkan oleh adanya film berwarna hitam yang menempel pada elektroda kerja dengan lapisan polimer konduktif yang berbeda. 3) Uji resistansi menggunakan turunan minyak bumi (bensin, minyak tanah dan biosolar) menunjukkan bahwa sensitivitas masing-masing polimer konduktif memiliki nilai yang berbeda. Pada lapisan polipirol diatas poli-3-metiltiofena, politiofena diatas lapisan dasar poli-3-metiltiofena dan polipirol serta polipirol diatas politiofena memiliki sensitivitas yang tinggi terhadap biosolar, sedangkan pada lapisan poli-3-metiltiofena diatas lapisan rangkap politiofena dan polipirol memiliki sensitivitas yang tinggi pada bensin. Pola radar plot yang diperoleh dari hasil pengukuran memiliki bentuk yang berbeda antara resistansi di udara, minyak tanah, bensin dan biosolar. Dengan demikian sensor gas berbahan polimer konduktif lapisan rangkap digunakan untuk membedakan bensin, minyak tanah dan biosolar. UCAPAN TERIMA KASIH 1. Suprapto, M.Si, Ph.D selaku Dosen Pembimbing atas semua diskusi, saran, dan bimbingan yang telah diberikan serta ilmu yang bermanfaat selama penyelesaian Tugas Akhir. 2. Drs. Lukman Atmaja, Ph.D. selaku Ketua Jurusan Program S1 Jurusan Kimia FMIPA ITS. 3. Dra. Yulfi Zetra, M.S selaku Koordinator Tugas Akhir Program S1 Jurusan Kimia FMIPA ITS. 4. Drs. Djoko Hartanto, M.Si selaku dosen wali.

5. 6.

7. 8.

Orang tua, Adik dan Keluarga besar atas segala doa, kepercayaan, dan dukungan yang tiada henti-hentinya. Rekan-rekan tugas akhir dan tugas akhir S1 Kimia ITS khususnya di Laboratorium Kimia Analitik serta semua analis Jurusan Kimia. Sahabat dan teman-teman khususnya Kimia 2005. Serta pihak-pihak lain yang telah membantu.

Daftar Pustaka Crayston, J.A. and Walton, J.C. 1996. Preparation and Development of Polyradical Conductors, Oxford University Press, Oxford, UK. Pratt, Colin, 1996, Conducting Polymer, John Wiley & Sons, New Jersey Suprapto, 2007, Investigation of Organic Conducting Polymers For Gas Sensor, A thesis submitted to The University of Manchester for the degree of Doctor of Philosophy in the Faculty of Engineering and Physical Sciences Wallace, Gordon ,G., 1997, Conductive Elektroactive Polymers, Technomic Publishing Company Inc, Australi Winokur, M.J. 1995. Model Calculations of Polaronic and Biopolaronic Defects in Li-Doped piConjugated Polymers of Thiophene and Phenyl. Polaron, UK.

.


2010 SK - 17

Recommend Documents