6
lapisan (N) dengan melihat spektrum difraksinya. Persamaan yang digunakan dalam penentuan ciri fisika-kimia diatas adalah:
2d sin Lc 002 K / cos La 100 K / cos N Lc d Ket : d Lc La N K
= Jarak antar lapisan (nm) = Tinggi lapisan (nm) = Lebar lapisan (nm) = Jumlah lapisan = Panjang gelombang dari radiasi sinar Cu (0,15406 nm) = Intensitas ½ tinggi dan lebar (radian ) = Tetapan untuk lembar graphena (0,89) = Sudut difraksi
HASIL DAN PEMBAHASAN Daya Serap Iodin Karbon aktif adalah bahan dengan porositas tinggi yang terdiri dari lapisan graphane hidrofobik serta gugus-gugus fungsional permukaan hidrofilik, sehingga memungkinkan bahan ini sangat efektif untuk penyerapan. Struktur mikropori karbon aktif ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Struktur karbon aktif (H. Fritzst Oeckli 1990)
7
Secara umum, struktur karbon aktif terdiri dari lembaran aromatik seperti kertas kusut atau serutan kayu. Rongga antar lembaran aromatik ini dianggap sebagai mikropori. Daya serap iodin adalah parameter untuk mengetahui kemampuan karbon aktif dalam menyerap molekul-molekul dengan berat molekul kecil. Pada proses penyerapan ini, molekul-molekul iodin mengisi pori-pori karbon aktif. Daya serap iodin biasanya dijadikan indikator utama dalam menentukan kualitas karbon aktif. Hasil pengujian daya serap iodin menunjukkan bahwa daya serap iodin pada masing-masing sampel arang, baik karbon aktif sabut kelapa maupun karbon aktif bambu menunjukkan hasil terbaik, yaitu pada perlakuan perbandingan variasi KOH (3 : 1) dengan nilai 839,01 (mg/g) untuk karbon aktif sabut kelapa dan 851,29 (mg/g) untuk karbon aktif bambu (Tabel 1). Jika dibandingkan dengan kontrol (arang tanpa perlakuan penambahan KOH dan steam) didapatkan bahwa arang yang telah diaktivasi dengan KOH dan steam 25 mL/bar, menunjukkan nilai daya serap iodin yang cenderung lebih besar seiring dengan makin besarnya perbandingan variasi KOH dan mencapai nilai terbesar pada perbandingan (3 : 1), hal ini disebabkan karena meningkatnya rasio penambahan KOH distribusi ukuran pori juga meningkat (Aripin et al. 2010; Babel 2004 ; Kierzek 2004). Selama proses perendaman arang sabut kelapa dan bambu dengan bobot KOH yang kecil, sebagian besar KOH meresap ke bagian dalam arang. Oleh karena itu, pada saat aktivasi pori yang terbentuk pada permukaan arang relatif kecil. Perendaman arang sabut kelapa dan bambu dengan bobot KOH yang lebih besar menyebabkan sebagian KOH melapisi permukaan arang dan pada bagian dalam arang terisi penuh KOH (Tseng RL et al. 2005). Hal ini menyebabkan pori yang terbentuk pada permukaan maupun bagian dalam arang meningkat. Tabel 1. Hasil Uji Daya Jerap Iodin Jenis sampel Arang Sabut (kontrol) Variasi KOH, dengan steam 25 Sabut Kelapa 1:1 2:1 3:1
Uji Daya Jerap Iodin (mg/g) 703,87
Arang Bambu (kontrol) Variasi KOH, dengan steam 25 Bambu 1:1 2:1 3:1 Aktivasi dengan steam 50 Sabut 3:1 Bambu 3:1
699,22
726,75 726,75 839,01
765,29 765,29 851,29 761,87 839,01
8
Dalam penelitian ini, nilai daya serap iodin yang terbaik adalah pada perbandingan variasi KOH (3:1), diulang kembali menggunakan sampel arang yang baru dengan perbandingan KOH (3:1) dan steam 50 mL/bar. Dari hasil aktivasi dengan kondisi terbaik tersebut didapatkan nilai daya serap iodin pada masing-masing sampel yaitu 761,87 (mg/g) untuk karbon aktif sabut kelapa dan 839,01 (mg/g) untuk karbon aktif bambu. Ketika dibandingkan nilai daya serap iodin antara perbedaan perlakuan steam (25 mL/bar dan 50 mL/bar) pada arang yang diaktivasi KOH (3:1), didapatkan hasil bahwa daya serap iodin sampel karbon aktif sabut kelapa dan karbon aktif bambu dengan perlakuan steam 25 mL/bar memiliki nilai yang lebih besar dari perlakuan steam 50 mL/bar. Hal ini diduga, bahwa dengan peningkatan steam, semakin memperbesar ukuran pori dari mikropori menjadi mesopori dan makropori yang sulit untuk diukur dengan daya serap iodin sehingga menunjukkan nilai daya serap iodin yang lebih kecil.
Konduktivitas Konduktivitas bubuk karbon aktif sabut kelapa dan bambu dikaji untuk menentukan seberapa besar resistansi yang terdapat pada bubuk karbon aktif sabut kelapa dan bambu. Semakin tinggi nilai konduktivitas suatu bahan, menyebabkan nilai resistansinya semakin rendah. Konduktivitas yang tinggi menyebabkan transfer elektron semakin efektif selama proses charge/discharge berlangsung. Hasil pengukuran konduktivitas bubuk karbon aktif sabut kelapa dan bambu dapat dilihat pada Tabel 2 dibawah ini : Tabel 2. Hasil Pengukuran Konduktivitas Jenis sampel Arang Sabut (kontrol) Variasi KOH, dengan steam 25 Sabut Kelapa 1:1 2:1 3:1
Resistivitas (Ohm) 0,40
Konduktivitas (S/m) 44,03
0,25 0,25 0,20
82,41 77,33 108,95
Arang Bambu (kontrol) Variasi KOH, dengan steam 25 Bambu 1:1 2:1 3:1 Aktivasi dengan steam 50 Sabut 3:1 Bambu 3:1
0,38
43,63
0,02 0,01 0,01
750,05 1455,41 1521,05
0,26
125,78
0,01
1530,83
9
Hasil pengukuran konduktivitas menunjukkan bahwa dengan adanya perlakuan aktivasi pada arang sabut kelapa dan arang bambu pada berbagai variasi penambahan KOH dan steam, nilai konduktivitas dari kedua sampel arang cenderung makin besar seiring dengan bertambahnya nilai perbandingan variasi KOH dan steam yang mencapai nilai terbesar pada perbandingan (3:1) dengan steam 50 mL/bar yaitu sebesar 125,78 (S/m) untuk karbon aktif sabut kelapa dan 1530,83 (S/m) untuk karbon aktif bambu. Nilai-nilai konduktivitas tersebut terlihat lebih besar dari nilai konduktivitas sampel arang kontrol (tanpa perlakuan penambahan KOH dan steam) (Tabel 2). Faktor yang membuat konduktivitas arang teraktivasi KOH lebih besar dari arang kontrol karena adanya perbedaan resistansi (hambatan) antara arang kontrol dengan arang yang teraktivasi KOH, dimana arang kontrol memiliki resistansi yang lebih besar dibandingkan dengan arang yang teraktivasi KOH (Tabel 2). Hal ini sejalan dengan teori yang menyatakan bahwa nilai konduktivitas suatu bahan akan berbanding terbalik dengan resistansinya.
Karakteristik Morfologi Karbon aktif Morfologi karbon aktif sabut kelapa dan bambu, dapat diamati dengan Scanning Electron Microscopy (SEM). SEM dapat memberikan gambaran terinci mengenai morfologi permukaan, yaitu spesifik pada partikel karbon dan pori pada permukaan karbon aktif. Gambar 3 menunjukkan hasil SEM pada karbon aktif sabut kelapa dan bambu dengan perlakuan steam 25 mL/bar dan 50 mL/bar dengan perbesaran hingga 1000 kali. Perlakuan aktivasi mengakibatkan terbentuknya pori pada permukaan karbon aktif baik karbon aktif sabut kelapa maupun bambu. Perlakuan steam 25 mL/bar dan 50 mL/bar pada proses aktivasi masing-masing sampel karbon aktif menyebabkan terbentuknya perbedaan struktur maupun ukuran diameter pori pada permukaan karbon aktif. Morfologi permukaan karbona aktif sabut kelapa dan bambu dapat dilihat pada Gambar 3 dibawah ini :
(a). Bambu Steam 25
(b). Bambu Steam 50
10
(c). Sabut Steam 25
(d). Sabut Steam 50
Gambar 3. Citra SEM karbon aktif sabut kelapa dan bambu dengan Steam 25 mL/bar dan 50 mL/bar Dari Gambar 3 tampak bahwa struktur pori pada permukaan karbon aktif bambu (b) dan sabut kelapa (d) dengan steam 50 mL/bar memiliki struktur pori dengan distribusi yang lebih seragam, teratur dan halus dibandingkan karbon aktif bambu (a) dan sabut kelapa (c) dengan steam 25 mL/bar. Ukuran diameter pori pada permukaan masing-masing sampel dapat dilihat pada Tabel 3 : Tabel 3. Hasil Pengukuran Diameter Pori Jenis sampel Arang sabut (kontrol) Arang bambu (kontrol) Bambu steam 25 mL/bar Bambu steam 50 mL/bar Sabut steam 25 mL/bar Sabut steam 50 mL/bar
Ukuran diameter pori ( m ) 17,3 33,3 16,24 14,77 14,55 7,88
Berdasarkan Tabel 3 dapat dilihat bahwa ukuran diameter pori pada permukaan masing-masing sampel semakin kecil dengan peningkatan perlakuan steam pada proses aktivasi. Hal ini diduga dapat disebabkan karena perlakuan steam yang lebih besar hingga 2 kali lipat menyebabkan tekanan yang besar pada permukaan karbon aktif sehingga ukuran pori pada permukaan menjadi semakin kecil.
Karakteristik Struktur Karbon aktif Hasil penelitian derajat kristalinitas karbon aktif sabut kelapa dan bambu dapat dilihat pada Tabel 4 :
11
Tabel 4. Derajat Kristalinitas dan Jarak Antar Lapisan Aromatik
Sampel Kontrol Steam 25 Steam 50
Derajar kristalinitas (%) Bambu Sabut 40 34,6 43,1 35,1 46,8 39,2
d (nm)
Bambu 0,3 0,3 0,3
Sabut 0,3 0,3 0,3
Tabel 4 menunjukkan bahwa derajat kristalinitas yang dimiliki oleh karbon aktif bambu lebih besar dibandingkan sabut kelapa dan cenderung semakin bertambah dengan peningkatan steam, sementara jarak antar lapisan aromatik (d) relatif tetap. Hal ini diduga karena kandungan selulosa yang lebih dominan pada bambu dibandingkan sabut kelapa yang lebih dominan lignin. Selulosa merupakan polimer linier glukosa, sedangkan lignin merupakan polimer tiga dimensi alkohol aromatik. Struktur kompleks tiga dimensi pada lignin menyebabkan kristalinitas yang dimiliki lignin lebih rendah dibandingkan selulosa. Hal inilah yang menyebabkan derajat kristalinitas bambu lebih besar dibandingkan sabut kelapa. Gambar 4 menunjukkan pola difraksi sinar-X (XRD) karbon aktif sabut kelapa dan bambu. Pola difraksi yang ditunjukkan melalui difraktogram XRD pada Gambar 4, mengindikasikan bahwa sampel karbon aktif yang digunakan dalam penelitian ini berbentuk grafit, amorf, dan tersusun dari atom-atom karbon. Hal tersebut sejalan dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Pari et al. (2004) dengan menggunakan sampel karbon aktif dari serbuk sengon.
Gambar 4. Difraktogram XRD Karbon Aktif Sabut Kelapa dan Bambu pada Variasi Steam ((A) Bambu Kontrol; (B) Bambu Steam 25 mL/bar; (C) Bambu Steam 50 mL/bar; (D) Sabut Kontrol; (E) Sabut Steam 25 mL/bar; (F) Sabut Steam 50 mL/bar).
12
Setelah diketahui bentuk dan struktur sampel karbon aktif dengan mengidentifikasi pola difraksinya, maka dapat ditelusuri lebih lanjut mengenai tinggi lapisan (Lc), lebar lapisan (La) dan jumlah lapisan (N) sampel karbon aktif tersebut, yang dirangkum pada Tabel 2. Tabel 5. Tinggi (Lc), Lebar (La), dan Jumlah (N) Lapisan Aromatik dari Karbon Aktif Sampel Kontrol Steam 25 Steam 50
Lc (nm) Bambu Sabut 8,411 8,411
La (nm) Bambu Sabut 34,130 70,416
N Bambu 22,671
Sabut 22,671
3,561
8,411
54,362
73,355
9,598
22,671
2,753
7,254
104,82
77,240
7,420
19,553
Berdasarkan Tabel 5, Perlakuan steam 25 mL/bar dan 50 mL/bar menyebabkan tinggi lapisan (Lc) antar susunan aromatik pada masing-masing sampel baik bambu maupun sabut cenderung semakin menurun. Hal ini menunjukkan bahwa terjadi gasifikasi atau oksidasi parsial dalam bagian tertentu kristal karbon. Hasil dari gasifikasi ini yaitu terbentuknya jenjang antar struktur. Dengan demikian proses aktivasi menyebabkan terjadinya penataan kembali struktur karbon aktif. Seong-Ho You et al. (2004) mengusulkan model yang menggambarkan proses aktivasi KOH pada Gambar 5 dibawah ini :
Gambar 5. Model untuk aktivasi karbon nanofiber (Seong-Ho Yoon et al. 2004) Model di atas menjelaskan bahwa gasifikasi selektif graphane dengan –C-OK menyebabkan terbentuknya secara in-situ K2O dan K2CO3 selama proses aktivasi KOH, perluasan lapisan graphane serta rusaknya morfologi serat karbon dengan penataan kembali lapisan graphane. Selain itu, penurunan pada nilai L c menggambarkan ikatan atom antar karbon menyempit sehingga memperpendek jarak atom antar karbon yang berakibat memperkecil nilai Lc. Begitu juga dengan jumlah lapisan aromatik (N) yang cenderung semakin kecil dengan meningkatnya
13
perlakuan steam, sementara jarak antar lapisan aromatik (d) relatif tetap. Namun, lebar lapisan (La) mengalami peningkatan dengan meningkatnya perlakuan steam.
Kolektor Arus Bahan kolektor arus harus bersifat non-korosif dalam larutan elektrolit H2SO4. Pada penelitian ini, bahan yang digunakan sebagai kolektor arus adalah stailess steel 100 mesh (M.A Azan 2013). Stainless steel pada dasarnya adalah sebuah bahan metal yang memiliki ketahanan cukup baik dalam larutan elektrolit H2SO4. Pengujian siklik voltametri terhadap stainless steel dilakukan untuk memastikan kesesuaiannya sebagai kolektor arus dalam larutan elektrolit H2SO4 (Chijuan Hu 2008). Hasil pengujian dapat dilihat pada Gambar 6. 200 mV/s 100 mV/s 50 mV/s 10 mV/s
0,8 0,6
Arus (mA)
0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1,0 0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
Tegangan (V)
Gambar 6. Kurva siklik voltammogram Stainless Steel pada berbagai laju scan. Gambar 6 menunjukkan respon stainless steel terhadap laju scan yang diberikan. Pada Gambar 6 dapat dilihat bahwa stainless steel tidak bereaksi terhadap tegangan yang diberikan. Hal ini menunjukkan tidak adanya kapasitansi yang dihasilkan pada pengujian siklik voltammetri. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa stainless steel cocok digunakan sebagai kolektor arus pada elektroda karbon aktif sabut kelapa dan bambu.
Nilai Kapasitansi Superkapasitor atau ultrakapasitor adalah perangkat penyimpanan energi listrik yang memiliki kerapatan energi lebih besar dari kapasitor konvensional dan kerapatan daya yang lebih besar dari baterai serta memiliki siklus hidup yang cukup panjang. Superkapasitor apapun jenisnya selalu diukur dari seberapa besar
14
kemampuannya dalam menyimpan muatan listrik. Berdasarkan bahan elektroda yang digunakan, superkapasitor terbagi atas : a) Kapasitor Lapisan Ganda Elektrokimia (KLGE): kapasitansi muncul dari antarmuka antara elektroda dan elektrolit. Lapisan antarmuka antara elektroda dan elektrolit disebut lapisan ganda atau lapisan Helmholtz. b) Pseudokoapasitor : kapasitansi muncul dari reaksi Faradaik senyawa kimia. Ini menyebabkan kapasitansi yang muncul jauh lebih besar dari KLGE namun siklus hidup yang dimiliki lebih pendek karena adanya perubahan fase akibat reaksi kimia yang terjadi c) Kapasitor Asimetris : gabungan antara elektroda non-faradaik misalnya karbon dan elektorda faradaik misalnya PbO2. Pada penelitian ini, jenis superkapasitor yang dibuat adalah Kapasitor Lapisan Ganda Elektrokimia (KLGE). Lapisan ganda pada superkapasitor ini terdiri dari lapisan mikropori elektroda karbon aktif dan lapisan difusi ion elektrolit H2SO4. Lapisan ganda terjadi apabila dua elektroda direndam dalam elektrolit yang terpolarisasi. Polarisasi muatan pada kedua elektroda menyerupai dua buah kapasitor yang dihubungkan secara seri. Gambar 7 menunjukkan mekanisme penyimpanan muatan pada EDLC.
Gambar 7. Skema kapasitor lapisan ganda elektrokimia saat diberikan tegangan listrik (Zuleta 2005; Pandolfo et al. 2006) Dua buah elektroda dipisahkan dengan sebuah separator untuk mencegah terjadinya konduksi elektronik. Pada saat diberikan tegangan listrik, ion positif akan terakumulasi pada elektroda negatif, sedangkan ion negatif akan terakumulasi pada elektroda positif. Pengukuran nilai kapasitansi spesifik pada superkapasitor menggunakan teknik siklik voltametri. Siklik voltametri adalah teknik yang paling banyak
15
digunakan untuk pengukuran nilai kapasitansi superkapasitor. Gambar 8 menunjukkan kurva voltammogram sebuah superkapasitor dengan kapasitansi berdasarkan lapisan ganda elektrokimia tanpa reaksi kimia.
Gambar 8. Kurva siklik voltammogram ideal sebuah superkapasitor (Xu et al. 2006) Variasi laju scan untuk masing-masing sampel dilakukan untuk mendapatkan nilai kapasitansi tertinggi. Berdasarkan hasil pengukuran untuk masing-masing sampel diperoleh hasil seperti terlihat pada Gambar 9. Hasil pengukuran dengan metode siklik voltametri menunjukkan kurva yang hampir menyerupai empat persegi panjang. Hal ini sesuai dengan hasil yang dikemukakan oleh Rae et al. (2009) yang menyatakan bahwa bentuk kurva untuk superkapasitor yang berbahan dasar karbon adalah berupa empat persegi panjang.
(a). Bambu Steam 25 mL/bar
(b). Bambu Steam 50 mL/bar
16
(c). Sabut Kelapa Steam 25 mL/bar
(d). Sabut Kelapa Steam 50 mL/bar
Gambar 9. Hasil variasi laju scan superkapasitor berbasis sabut kelapa dan bambu dengan variasi steam Hasil variasi laju scan pada masing-masing sampel (Gambar 9) menunjukkan bahwa semakin rendah nilai laju scan luas daerah yang ditunjukkan semakin kecil, dimana luas daerah yang terkecil yaitu pada laju scan 10 mV/s. Hal ini karena arus yang dihasilkan pada laju scan 10 mV/s lebih rendah dibandingkan dengan laju scan 50 mV/s, 100 mV/s, dan 200 mV/s. Tingkat kemiringan kurva pada Gambar 6 menunjukkan resistansi internal pada tiap laju scan, dimana tingkat kemiringan yang tertinggi dapat dilihat pada laju scan 200 mV/s yang berarti bahwa resistansi internal tertinggi yaitu pada laju scan 200 mV/s. Resistansi ini dapat timbul dari elektroda, binder, jenis larutan elektrolit, dan separator yang digunakan Lufrano et al. (2004). Selain itu, Zheng (2004) dan Ganesh et al. (2006) melaporkan bahwa resistansi internal juga muncul dari resistansi kontak antara elektroda dan kolektor arus. Hal ini menyebabkan resistansi ohmik untuk pergerakan ion dalam elektrolit semakin besar, sehingga pembentukan lapisan ganda antara elektroda dan ion elektrolit menjadi terbatas yang menyebabkan nilai kapasitansi semakin kecil (Liu et al. 2005; Pandolfo et al. 2006). Kemiringan kurva siklik voltametri yang terendah yaitu pada laju scan 10 mV/s yang berarti resistansi internal terendah terdapat pada laju scan 10 mV/s untuk masing-masing sampel. Hal ini menunjukkan kemampuan paling tinggi superkapasitor dalam menyimpan muatan (Yang et al. 2005; Xing et al. 2006). Hasil perhitungan nilai kapasitansi untuk masing-masing sampel pada variasi laju scan dapat dilihat pada Gambar 10. Berdasarkan Gambar 10, tampak bahwa nilai kapasitansi spesifik yang dimiliki oleh superkapasitor dengan elektroda bambu baik pada steam 25 maupun steam 50 lebih tinggi dibandingkan superkapasitor dengan elektroda sabut kelapa dan semakin menurun dengan bertambahnya laju scan. Nilai kapasitansi spesifik tertinggi untuk superkapasitor dengan elektroda bambu pada steam 25 adalah 57,01 F/g, sedangkan untuk superkapasitor dengan elektroda sabut kelapa adalah 44,30 F/g. Nilai kapasitansi spesifik tertinggi untuk superkapasitor dengan
17
elektroda bambu pada steam 50 adalah 59,50 F/g, sedangkan untuk superkapasitor dengan elektroda sabut kelapa adalah 50,73 F/g. Tingginya nilai kapasitansi spesifik pada superkapasitor dengan elektroda bambu diduga terkait dengan konduktivitas yang dimiliki oleh bambu lebih tinggi dibandingkan dengan konduktivitas yang dimiliki oleh sabut kelapa (Tabel 2). Selain itu peningkatan steam diduga dapat memperbesar pori karbon aktif baik pada bambu maupun sabut kelapa yang menyebabkan distribusi ion elektrolit yang lebih banyak untuk pembentukan lapisan ganda antara elektroda dan ion sehingga menyebabkan nilai kapasitansi spesifik semakin meningkat (Qu dan Shi 1998; Wang et al. 2005).
Sabut steam 25 bambu steam 25
50
40
30
20
50
40
30
20
10
10
0
0
0
50
100
150
sabut steam 50 bambu steam 50
60
Kapasitansi Spesifik (F/g)
Kapasitansi Spesifik (F/g)
60
0
200
50
100
150
Laju Scan (mV/s)
Laju Scan (mV/s)
Gambar 10. Perbandingan nilai kapasitansi superkapasitor berbasis sabut kelapa dan bambu dengan variasi steam Hasil yang diperoleh coba dibandingkan dengan beberapa penelitian sebelumnya yang dapat dilihat pada Tabel 6. Tabel 6. Beberapa Penelitian tentang Superkapasitor dengan Elektroda Arang Karbon dan Karbon Aktif Nama
Tahun
Jenis Bahan
Kapasitansi (F/g)
Chan Kim
2006
Karbon aktif bambu
60
Ning Luan
2010
Karbon aktif bambu-MnO2
260
Qian Cheng
2011
Grafit
150
Ya-meng CAI
2011
Grafit
154
M. Rosi
2012
Xin Li
2012
Karbon aktif tempurung kelapa CNT- MnO2
40 150
200
