Pengembangan Sensor Gas Ethyl -Methilbutyrate (C 7 H 14 O 2 ) Berbasis Graphene

Research and Development on Nanotechnology in Indonesia, Vol.1, No.2, 2014, pp. 53-57

ISSN : 2356-3303

Pengembangan Sensor Gas Ethyl -Methilbutyrate (C7H14O2) Berbasis Graphene F. J. Nor1, a, S. A. Wella1, b, Suprijadi2, c 1

Departemen Sains Komputasi FMIPA ITB, Jl. Ganesha 10 Bandung, Indonesia 2 Departemen Fisika FMIPA ITB, Jl. Ganesha 10 Bandung, Indonesia Email : [email protected], [email protected], c [email protected] Received : 10 January 2014 Accepted : 15 February 2014

ABSTRAK Graphene terdiri dari susunan atom carbon yang menyerupai sarang lebah yang tethubung melalui ikatan sp2. Penggunaan graphene sebagai sensor gas telah banyak diteliti karena mempunyai pergerakan elektron yang cepat pada keadaan temperatur ruangan serta biaya pembuatan yang rendah. Pada paper ini dijelaskan perubahan keadaan elektronik dari graphene yang berinteraksi dengan gas C7H14O2menggunakan metode Density Functional Theory (DFT). Gas tersebut merupakan gas yang paling banyak ditemukan saat durian telah matang. Perubahan struktur dari gas C7H14O2 terjadi karena beriteraksi dengan graphene. Sedangkan DOS dari graphene sebelum dan sesudah berinteraksi dengan gas tersebut terjadi perubahan sebesar 1.605472 eV. Sehingga dengan adanya perubahan dari DOS maka penggunaan graphene sebagai material sensor tingkat kematangan durian dapat dilakukan. Kata kunci : Sensor gas, graphene, ethyl -methilbutyrate

53 | CAS – Center for Advanced Sciences

Nor et al., RDNI, Vol.1, No.2, 2014, pp. 53-57

PENDAHULUAN Sensor gas menggunakan konsep perubahan sifat elektronik dari suuatu bahan jika berinteraksi dengan gas tertentu. Penggunaan bahan nanomaterial sebagai sensor telah banyak diteliti untuk memperbaiki sensor yang telah dibuat dengan bahan semiconductor metal oxide (SMO). Sensor dengan bahan ini mempunyai sejumlah keunggulan seperti konsumsi daya yang rendah, mempunyai respons serta waktu pemulihan yang cepat [1]. Grapene (grambar 1) merupakan salah satu material berukuran nano yang yang banyak diteliti sebagai bahan pembuatan sensor gas. Sensor berbahan graphene berhasil mendeteksi keberadaan berbagai macam gas seperti NO2, CO dan uap air [2]. Durian merupakan salah satu buah favorit yang banyak tumbuh di Indonesia dengan ciri khas yang berbeda-beda pula. Baunya yang sangat khas ternyata masih belum bisa dijadikan patokan untuk menentukan buah tersebut telah matang atau belum. Berdasarkan riset yang telah dilakukan ciri-ciri yang dapat dijadikan acuan bahwa durian telah matang adalah terdapat gas ethyl methilbutyrate (C7H14O2) dalam jumlah yang banyak di sekitar buah tersebut [3s]. Strktur atom dari C7H14O2 dapat dilihat pada gambar 1. Agar dapat mengetahui keberadaan gas tersebut maka dibutuhkan sensor yang dapat mendetek-sinya. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahuipotensi penggunaan grapheme sebagai meterialsensor untuk deteksi gas C7H14O2 menggunakan metode abinitio.

Gambar 1: Struktur atom graphene (a) dan gas C7H14O2 (b)

METODOLOGI PENELITIAN Perhitungan dilakukan menggunakan metode Density Functional Theory (DFT). Berbeda dengan metode Hartree-Fock yang menghitung energi berdasarkan fungsi gelombang (Ψ), DFT berhasil menghitung energi berdasarkan kerapatan elektron. Perhitungan dilakukan menggunakan paket simulasi PHASE yang telah berhasil menghitung perubahan struktur dan sifat elektronik dari CNT(5,5) yang mempunyai cacat [4]. Gas C7H14O2 diposisikan di atas layer gra-phene dengan posisi secara vertical dengan jarak 0.5272 Åsedangkan horizontal sejauh 1.08132 Å. Agar mendapatkan posisi atom yang stabil dilaku-



kan perhitungan Self Consistence Field (SCF) dengan syarat konvergen sistem mempunyai energi 1e-8 Hartree dan besar gaya 1e-3 Hartree/Bohr dengan tingkat akurasi berdasarkan mesh k-point 1 x 2 x 1 untuk posisi gas secara vertical dan 2 x 1 x 1 untuk posisi gas horizontal. Pada perhitungan DOS, mesh akurasi ditingkatkan menjadi 10 x 1 x 10 sehingga didapatkan band gap yang lebih teliti.

HASIL DAN PEMBAHASAN Pergeseran struktur atom terjadi pada saat dilakukan perhitungan SCF. Namun perubahan secara signifikan dari struktur atom terjadi pada model gas C7H14O2 diposisikan secara vertical. Salah satu atom C dari graphene terangkat keatas akibat terbentuknya ikatan dengan atom C yang paling bawah dari gas. Terangkatnya atom C dari graphene membentuk sudut dengan atom lain dari graphene. Sudut yang terbentuk paling besar adalah 12.1438° dengan perubahan posisi pada sumbu-y sebesar 0.402209Å. Pergeseran posisi atom saat gas diposisikan vertical dapat dilihat pada gambar 2.

Gambar 2: Struktur atom graphene dan gas C7H14O2 dengan posisi vertical (a) Posisi Awal; (b) Posisi stabil; dan (c) Pergeseran posisi atom C pada grapheme Berbeda dengan gas yang dipasang dengan posisi vertical, saat diposisikan horizontal gas tertolak sehingga jarak dengan graphene menjadi lebih besar yaitu 2.4037 Å. Perubahan posisi ini dapat dilihat pada gambar3. Selain itu layer graphene juga mengalami perubahan yang semula mempunyai permukaan datar menjadi terdapat cekungan pada daerah di bawah gas C7H14O2. Pergeseran posisi paling besar dari atom C pada graphene adalah 0.477417 Å. Perhitungan DOS dari model posisi gas vertical telah didapatkan sedangkan perhitungan utnuk gas pada posisi horizontal belum selesai. Hasil perhitungan menunjukkan bawa terjadi perubahan band gap sebelum dan sesudah graphene berinteraksi dengan gas C7H14O2. Grafik DOS sebelum dan sesudah berinteraksi dengan gas dapat dilihat pada gambar 4.Pada saat graphene belum



berinteraksi dengan gas diperoleh band gap sebesar yangmenunjukkan graphene mempunyaisifat semi konduktor.

0.326537

eV

Gambar 3: Struktur atom graphene dan gas C7H14O2 dengan posisi horizontal (a) Posisi awal; (b) Posisi stabil;

Gambar 4: Hasil perhitungan DOS dari graphene dan gas C7H14O2 dengan posisi vertical (a) Graphene murni; (b) Graphene dan Gas Setelah berinteraksi dengan gas band gap berubah menjadi lebih besar yaitu 1.932009 eV. Perubahan band gap ini selanjutnya dapat dijadikan acuan dalam



penggunaan graphene sebagai material pembuatan sensor tingkat kematangan durian.

KESIMPULAN Berdasarkan hasil perhitungan SCF yang telah dilakukan, gas C7H14O2 dapat beriteraksi dengan layer graphene dan telah didapatkan kondisi yang stabil. Hasil perhitungan DOS didapatkan pada model dengan posisi gas vertical dengan perubahan band gap sebesar 1.605427 eV. Berdasarkan adanya perubahan tersebut, maka penggunaan graphene sebagai material sensor gas untuk deteksi tingkat kematangan durian dapat dilakukan.

DAFTAR PUSTAKA [1]N. Ramgir et all. Metal oxide nanowires for chemiresistive gas sensors: Issues, challenges and prospects. Colloids and Surfaces A: Physico-chemical and Engineering Aspects, 439:101–116, 2013. [2] S.V. Morozov et all. Detection of individual gas molecules absorbed on graphene. Nature Materials, 6:652–655, 2007. [3] P. Schieberle, J. X. Li and M. Steinhaus. Characterization of the major odor-active compounds in thai durian (durio zibethinus l. monthong) by aroma extract dilution analysis and headspace gas chromatographyolfactometry. J. Agric. Food Chem., 60:11253–11262, 2012. [4] Suprijadi and A. Setiadi. Structural sifting and elektronik properties of stones-wales defect in armchair edge(5,5) carbon nanotube. Advance Materials Research, 772:380–385, 2013.


Pengembangan Sensor Gas Ethyl -Methilbutyrate (C 7 H 14 O 2 ) Berbasis Graphene

Recommend Documents