MIPA
LAPORAN PENELITIAN HIBAH BERSAING
JUDUL PENELITIAN SINTESIS DAN KARAKTERISASI ELEKTRODA POSITIF Li1+xMn2-xO4 DENGAN METODE PENGENDAPAN MATRIKS POLIMER UNTUK APLIKASI BATERAI LITIUM
DYAH PURWANINGSIH, M.Si Dr. HARI SUTRISNO DEWI YUANITA LESTARI, M.Sc
UNIVERSITAS NEGERI YOGYAKARTA OKTOBER 2012
b. Halaman Pengesahan 1. Judul Penelitian
: SINTESIS DAN KARAKTERISASI ELEKTRODA POSITIF Li1+xMn2-xO4 DENGAN METODE PENGENDAPAN MATRIKS POLIMER UNTUK APLIKASI BATERAI LITIUM
2. Ketua Peneliti a. Nama Lengkap b. Jenis Kelamin c. NIP d. Jabatan Struktural e. Jabatan fungsional f. Bidang Keahlian g. Fakultas/Jurusan h. Perguruan Tinggi i. Tim Peneliti No
: : : : : : : :
Dyah Purwaningsih, M.Si P 19780722 200312 2 001 Lektor Kimia Anorganik MIPA/Pendidikan Kimia Universitas Negeri Yogyakarta
Nama
Bidang Keahlian
1.
Dyah Purwaningsih, M.Si.
Kimia Anorganik
2.
Dr. Hari Sutrisno
Kimia Anorganik Material
3.
Dewi Yuanita Lestari, M.Sc.
Kimia Fisika
3. Pendanaan dan Jangka Waktu Penelitian a. Jangka waktu penelitian yang diusulkan b. Biaya total yang diusulkan c. Biaya yang disetujui tahun ke-1
Fakultas/Jurusan MIPA/ Pendidikan Kimia MIPA/ Pendidikan Kimia MIPA/ Pendidikan Kimia
Perguruan Tinggi UNY
UNY
UNY
: 2 tahun : Rp. 100.000.000,00 : Rp. 44.750.000,00 Yogyakarta, 10 Oktober 2012 Ketua Tim Peneliti,
Mengetahui, Dekan FMIPA UNY
Dyah Purwaningsih, M.Si NIP. 19780722 200312 2 001
Dr. Hartono NIP. 19620329 198702 1 002
Menyetujui, Ketua Lembaga Penelitian UNY
(Prof. Dr. Anik Gufron) NIP. 19621111 198803 1 001
i
SINTESIS DAN KARAKTERISASI ELEKTRODA POSITIF Li1+xMn2-xO4 DENGAN METODE PENGENDAPAN MATRIKS POLIMER UNTUK APLIKASI BATERAI LITIUM
Dyah Purwaningsih, Hari Sutrisno, Dewi Yuanita Lestari
RINGKASAN
Mangan dioksida (MnO2) dan turunannya merupakan salah satu bahan baterai yang banyak dipergunakan sebagai bahan elektroda positif untuk baterai primer dan baterai litium yang rechargeable. Senyawa turunan MnO2 yaitu Li1+xMn2-xO4 menjadi salah satu kandidat utama sebagai bahan elektroda positif untuk baterai litium karena jumlahnya yang melimpah, low cost dan ramah lingkungan. Tujuan dari penelitian ini adalah mengontrol dan merekayasa ukuran dan struktur Li1+xMn2-xO4 melalui pengembangan teknik sintesis dari metode chimie douce yaitu hidrotermal Penelitian pada tahun ke-1 ini mengembangkan sintesis Li1+xMn2-xO4 dengan metode pengendapan matriks polimer dengan teknik hidrotermal. Polimer yang digunakan dalam penelitian ini adalah etilen glikol. Variabel yang diteliti dalam penelitian ini adalah suhu sintesis, perbandingan mol prekursor, temperatur kalsinasi dan waktu sintesis. Karakterisasi Li1+xMn2-xO4 hasil sintesis dianalisis dengan XRD. Sementara itu, untuk karakterisasi struktur mikro dilakukan secara komputerisasi dengan menggunakan program U-fit. Dari hasil penelitian diperoleh bahwa suhu sintesis, perbandingan mol prekursor, temperature sintesis dan waktu kalsinasi dengan metode pengendapan matriks polimer teknik hidrotermal mempengaruhi ukuran, kristalinitas dan struktur material Li1+xMn2xO4 yang dihasilkan.
Kata kunci
: sintesis, Li1+xMn2-xO4, pengendapan matriks polimer, hidrotermal
ii
SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF POSITIVE ELECTRODE Li1+xMn2-xO4 POLYMER MATRIX METHOD DEPOSITION FOR A LITHIUM BATTERY APPLICATIONS
Dyah Purwaningsih, Hari Sutrisno, Dewi Yuanita Lestari
ABSTRACT
Manganese dioxide (MnO2) and its derivatives is one of the many battery materials used as a positive electrode material for lithium primary batteries and a rechargeable battery. The derived compounds Li1+xMn2-xO4 can be one of the major candidates as the positive electrode material for lithium batteries due to their numbers are abundant, low cost and environmentally friendly. The purpose of this research is to control and manipulate the size and structure of Li1+x Mn2-xO4 through the development of synthesis techniques Chimie douce that is hydrothermal method In the first year, synthesis Li1+xMn2-xO4 was developed with polymer matrix deposition method with hydrothermal techniques. The polymers used in this study is ethylene glycol. The variables studied in this research is the synthesis temperature, mole ratio of the precursor, calcination temperature and time synthesis. Characterization of Li1+xMn2-xO4 synthesis was analyzed by XRD. Meanwhile, for the characterization of the microstructure conducted computerized using U-fit program. The result showed that the synthesis temperature, mole ratio of the precursor, calcination temperature and time synthesis with polymer matrix deposition method with hydrothermal techniques influence the size, crystallinity and structure of materials Li1+xMn2-xO4
Key words : synthesis, Li1+xMn2-xO4, polymer matrix deposition, hydrothermal
iii
DAFTAR ISI HALAMAN PENGESAHAN A
i
LAPORAN HASIL PENELITIAN RINGKASAN DAN SUMMARY................................
ii
PRAKATA....................................................................
iii
DAFTAR ISI.................................................................
iv
DAFTAR TABEL.........................................................
v
DAFTAR GAMBAR.....................................................
vi
DAFTAR LAMPIRAN..................................................
vii
BAB I
1
PENDAHULUAN..........................................
BAB II KAJIAN PUSTAKA.................................
5
BAB III TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN...
13
BAB IV METODE PENELITIAN...............................
14
BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN......................
15
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN.....................
29
DAFTAR PUSTAKA...................................................
30
LAMPIRAN B
DRAFT ARTIKEL ILMIAH
C
SINOPSIS PENELITIAN LANJUTAN
iv
PRAKATA
Alhamdulillah segala puji bagi Allah SWT yang telah melimpahkan taufik, rahmat dan hidayah-Nya, sehingga penelitian dan penyusunan laporan penelitian yang berjudul “SINTESIS DAN KARAKTERISASI ELEKTRODA POSITIF Li1+xMn2-xO4 DENGAN METODE PENGENDAPAN MATRIKS POLIMER UNTUK APLIKASI BATERAI LITIUM” ini dengan baik. Penelitian ini bertujuan untuk Mengontrol dan merekayasa ukuran dan struktur Li1+xMn2-xO4 melalui pengembangan teknik sintesis dari metode chimie douce yaitu hidrotermal Peneliti sadar bahwa penelitian ini dapat terlaksana dengan baik, tidak lepas dari bantuan dan bimbingan semua pihak yang telah banyak membantu dalam proses penyelesaian penelitian ini. Oleh karena itu, dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih dan penghargaan sedalam-dalamnya kepada : 1. DIKTI melalui DIPA-UNY yang telah memberikan kesempatan dan dukungan kepada peneliti untuk melaksanakan penelitian Hibah Bersaing ini. 2. Dekan FMIPA Universitas Negeri Yogyakarta, yang telah memberikan ijin serta dukungan untuk melaksanakan penelitian ini. 3. Ketua Jurusan Pendidikan Kimia FMIPA Universitas Negeri Yogyakarta, yang telah memberikan fasilitas serta dorongan untuk melaksanakan penelitian ini 4. Badan Pertimbangan Penelitian LPPM Universitas Negeri Yogyakarta yang telah berkenan mengevaluasi penelitian ini 5. Bapak dan Ibu dosen di Jurusan Pendidikan Kimia FMIPA Universitas Negeri Yogyakarta yang banyak memberikan masukan dan saran untuk kebaikan penelitian ini Demikianlah kiranya, dan apabila terdapat kekeliruan, penulis selaku penyusun yang dho’if mohon dibenarkan untuk menjauhkan dari kesesatan. Akhir kata semoga laporan penelitian ini dapat memberikan manfaat sebagaimana mestinya.
Yogyakarta, Oktober 2012
Peneliti
v
DAFTAR TABEL
Tabel 1 Tabel 2
Tabel 3
Tabel 4 Tabel 5 Tabel 6 Tabel 7 Tabel 8
Tabel 9
Tabel 10 Tabel 11 Tabel 12
Pengontrolan suhu sintesis terhadap warna dan struktur padatan Bidang-bidang kristal (hkl) dari padatan yang dihasilkan pada suhu sintesis 150oC, 160 oC, 170 oC, 180 oC dan 190oC Parameter kisi LiMn2O4 dengan struktur kubus dari padatan yang dihasilkan pada suhu sintesis 150 oC, 160oC, 170oC, 180oC dan 190oC Pengontrolan perbandingan mol prekursor terhadap warna dan struktur Li1+xMn2-xO4 Bidang-bidang kristal (hkl) dari padatan yang dihasilkan Parameter kisi Li1+xMn2-xO4 dengan struktur kubus dari padatan yang dihasilkan Pengontrolan temperatur kalsinasi terhadap warna dan struktur LiMn2O4 Bidang-bidang kristal (hkl) dari padatan yang dihasilkan pada suhu kalsinasi 500 oC, 600 oC, 700 oC, 800 oC dan 900oC Parameter kisi LiMn2O4 dengan struktur kubus dari padatan yang dihasilkan pada temperatur kalsinasi 500oC, 600oC, 700oC, 800oC dan 900oC Pengontrolan waktu kalsinasi terhadap warna dan struktur LiMn2O4 Bidang-bidang kristal (hkl) dari padatan yang dihasilkan Parameter kisi LiMn2O4 dengan struktur kubus dari padatan yang dihasilkan pada waktu sintesis 4, 8 dan 10 jam
vi
Halaman 16 18
19
19 21 23 23 25
25
26 27 28
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1 Gambar 2 Gambar 3 Gambar 4 Gambar 5 Gambar 6 Gambar 7 Gambar 8
Gambar 9 Gambar 10
Gambar 11
Struktur Baterai Ion Litium Struktur β-MnO2 Struktur ideal R-MnO2 Struktur λ-MnO2 Struktur fase spinel LiMn2O4 Diagram fase Li-Mn-O Diagram fase λ-MnO2 - MnO - Li2MnO3 Pola Difraksi sinar X padatan yang dihasilkan pada suhu sintesis 150oC (a), 160oC (b), 170oC (c), 180oC (d) dan 190oC (e) Pola Difraksi sinar X padatan yang dihasilkan padatan variasi prekursor x = 0; 0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,1 Pola Difraksi sinar X padatan yang dihasilkan padatan pada variasi temperature kalsinasi 500oC, 600 oC, 700oC, 800oC dan 900oC Pola Difraksi sinar X padatan yang dihasilkan padatan pada variasi waktu sintesis 4, 8, 10 jam
vii
Halaman 5 7 7 8 9 10 11 18
21 24
27
C. SINOPSIS PENELITIAN LANJUTAN SINTESIS DAN KARAKTERISASI ELEKTRODA POSITIF Li1+xMn2-xO4 DENGAN METODE PENGENDAPAN MATRIKS POLIMER UNTUK APLIKASI BATERAI LITIUM
Dyah Purwaningsih, Hari Sutrisno, Dewi Yuanita Lestari
Dewasa ini baterai tidak dapat lepas dari kehidupan sehari-hari. Telpon seluler, kamera digital, laptop hingga mobil hibrid, semuanya memerlukan baterai sebagai sumber penggerak. Di anatara banyak jenis baterai, yang banyak mendapat perhatian baterai litium. Selain memiliki daya yang tinggi, baterai ini ringan dan dapat dipakai berkali-kali. Seiring pesatnya perkembangan teknologi, maka baterai litium yang dituntut mampu menghasilkan energi lebih tinggi menjadi sangat dibutuhkan. Mangan dioksida (MnO2) dan turunannya merupakan salah satu bahan baterai yang banyak dipergunakan sebagai bahan elektroda positif untuk baterai primer dan baterai litium yang rechargeable. Senyawa turunan MnO2 yaitu Li1+xMn2-xO4 menjadi salah satu kandidat utama sebagai bahan elektroda positif untuk baterai litium karena jumlahnya yang melimpah, low cost dan ramah lingkungan. Dari penelitian tahun ke-1 telah berhasil disintesis Li1+xMn2-xO4 melalui pengembangan teknik sintesis dari metode chimie douce yaitu metode pengendapan matriks polimer dengan teknik hidrotermal. Penelitian pada tahun ke-2 ini akan mengembangkan sintesis Li1+xMn2-xO4 dengan metode pengendapan matriks polimer dengan teknik refluks. Polimer yang digunakan dalam penelitian ini adalah etilen glikol. Variabel yang diteliti dalam penelitian ini adalah suhu sintesis, perbandingan mol prekursor, pH, temperatur kalsinasi dan waktu sintesis. Karakterisasi Li1+xMn2-xO4 hasil sintesis dianalisis dengan XRD, SEM, dan TEM. Sementara itu, untuk karakterisasi struktur mikro dilakukan secara ab initio yaitu optimasi secara struktur secara komputerisasi untuk system-sistem yang besar yang mengandung beribu-ribu atom. Hasil yang diharapkan pada penelitian tahun ke-2 adalah terbentuknya struktur spinel Li1+xMn2-xO4 dengan lorong 1x1 yang memiliki kemurnian tinggi dan dapat dipergunakan untuk akomodasi serta transportasi ion litium sehingga dapat dimanfaatkan sebagai bahan elektroda positif baterai litium berdaya dan energi tinggi sehingga potensial dikembangkan sebagai sumber energi terbarukan.
Kata kunci
: baterai litium, Li1+xMn2-xO4, teknik refluks
viii
BAB I PENDAHULUAN
A. Latar Belakang Masalah Dewasa ini baterai tidak dapat lepas dari kehidupan sehari-hari. Telpon seluler, kamera digital, laptop, hingga mobil hibrid, semuanya memerlukan baterai sebagai sumber penggerak, dengan demikian prospek baterai untuk menjadi sumber energi masa depan sangat strategis dan ekonomis. Di antara banyak jenis baterai, yang banyak mendapat perhatian adalah baterai litium. Selain memiliki daya yang tinggi, baterai ini ringan dan dapat dipakai berkali-kali (rechargeable). Seiring pesatnya perkembangan teknologi, maka baterai litium yang dituntut mampu menghasilkan energi lebih tinggi menjadi sangat dibutuhkan. Mangan dioksida (MnO2) merupakan bahan baterai yang banyak dipergunakan sebagai bahan katoda untuk baterai primer dan baterai litium yang rechargeable. Selain itu, MnO2 juga dianggap paling berpotensi untuk bahan katoda pada generasi selanjutnya dari baterai litium karena ketersediaannya yang melimpah, low-cost dan ramah lingkungan. Sifat elektrokimia MnO2 sangat ditentukan struktur kristal dan morfologi oksidanya. MnO2 terdapat dalam beberapa bentuk polimorfik yaitu α-, β-, γ- dan δ-MnO2. Selama ini dari keempat bentuk polimorfik tersebut, α-MnO2 dan β-MnO2 mendapat perhatian khusus sebagai bahan katoda untuk baterai litium karena adanya lorong 2x2 dalam kisi kristal αMnO2 (Yang et al. 2008) yang dianggap dapat memfasilitasi akomodomasi dan transportasi untuk memasukkan ion litium. Turunan dari MnO2 adalah Li1+xMn2-xO4. Senyawa ini dikenali karena memiliki rangka logam/oksigen dengan celah-celah tetrahedral berkesinambungan yang dapat dilewati ion litium. Kerangka Mn-O identik dengan fase λ-MnO2 dan terdiri dari susunan oktahedra yang ujung-ujungnya bertemu dan membentuk lorong MnO6 1x1 melalui struktur tegak lurus dalam tiga arah, yang ternyata lebih efektif dilewati ion litium dibandingkan α-MnO2 maupun β-MnO2 (Sarciaux, 1998; Komaba et al, 2000; Zheng et al, 2005; Cheng et al, 2005; Jiao and Bruce, 2007; ). Permasalahan yang ditemukan adalah bagaimana sintesis dan karakterisasi senyawa Li1+xMn2-xO4 secara efektif dan efisien melalui pengembangan teknik sintesis dari metode pengendapan matriks polimer. Hasil yang diharapkan adalah terbentuknya senyawa spinel Li1+xMn2-xO4 dengan lorong 1x1 yang dapat dipergunakan untuk akomodasi dan transportasi ion litium sehingga dapat dimanfaatkan sebagai bahan katoda baterai litium berdaya dan energi tinggi sehingga potensial dikembangkan sebagai sumber energi terbarukan.
1
B. Urgensi atau Keutamaan Penelitian Kebutuhan akan energi semakin meningkat seiring perkembangan teknologi dan pertumbuhan jumlah penduduk. Untuk memenuhinya, banyak negara bersikap ekspansif memburu dan mengeksplorasi sumber-sumber minyak baru. Selain itu, banyak juga negara industri yang mengembangkan energi nuklir untuk mencukupi makin meningkatnya kebutuhan energi. Namun dapat dipastikan bahwa sumber energi fosil merupakan sumber daya yang terbatas dan tak dapat diperbarui, sedangkan energi nuklir yang dipandang sebagai jalan pintas untuk mengantisipasi makin menipisnya sumber energi fosil terbukti sangat beresiko sebagaimana terlihat dalam berbagai insiden: kasus Chernobyl (Uni Sovyet), kasus gempa dan tsunami di Miyagi (Jepang), serta kasus-kasus kebocoran reaktor nuklir di Eropa. Oleh karena itu, pengembangan sumber-sumber energi baru dan terbarukan menjadi mutlak diperlukan (Fergus, 2010). Di antara sumber energi baru dan terbarukan yang telah banyak dikembangkan adalah baterai litium (Jeong, 2010). Pengembangan teknologi baterai yang paling pesat terutama diperuntukkan bagi baterai untuk kendaraan elektrik dan hal ini telah menjadi fondasi yang menentukan desain, karakteristik, kinerja, dan biaya dalam proses pengembangan teknologi otomotif. Pesatnya perkembangan di balik baterai litium telah memungkinkan adanya capaian yang dinamis sekaligus prospektif dalam kapasitas dan variasi kendaraan. Selain itu, pengembangan baterai litium semakin pesat didorong oleh peralatan elektronik yang statis menjadi portable. Pada masa pertumbuhannya ini, teknologi baterai litium telah mendominasi kalangan industri dan supplier berkat keunggulannya dalam hal daya volumetrik dan energinya.. Dapat diprediksi bahwa ke depan, baterai litium berpotensi memiliki nilai energi di atas 3.000W/kg dan menjadi solusi sistem energi yang ringan tetapi bertenaga. Pada simposium terakhir (Ritchie and Howard, 2005), telah banyak diperkirakan akan digunakannya campuran oksida kobalt/nikel litium untuk menggantikan oksida litium kobalt sebagai bahan katoda standar untuk baterai litium. Penelitian aktif terus dilakukan, misalnya pada oksida kobalt/nikel/ mangan litium (Amine et al, 2004). Penggunaan oksida nikel/ kobalt /aluminium-litium sebagai bahan katoda baterai inlitium-ion untuk kendaraan listrik hibrid telah dilaporkan (Raman et al, 2004). Sebuah sistem terkait adalah layer Lix(MnNi)O2 dengan x>1. Spesies ini tidak mengalami deoksigenasi ketika diisi, sehingga memiliki resiko kebakaran dan risiko ledakan yang rendah, serta menghasilkan kapasitas sangat besar pada rentang 2,5 - 4,6 V. Output energi >1 Wh g-1, dengan potensi limit point 2
elektrolit cairan ionik dan operasi >40oC untuk meningkatkan kinerja katoda baterai litium tetapi masih dibutuhkan riset yang lebih mendalam (Howard, 2004). Spinel terdoping Al multifase menawarkan kinerja tingkat tinggi yang belum pernah terjadi sebelumnya, sangat cocok untuk baterai kendaraan hibrida, tapi elektrolit non-asam masih dibutuhkan untuk siklus yang lebih panjang (Howard, 2003). Sintesis senyawa Li1+xMn2-xO4 dipengaruhi oleh berbagai hal seperti jenis prekursor, metode sintesis, temperatur kalsinasi, lama (waktu kalsinasi), komposisi mol antara prekursor dan bahan pengendap. Jenis prekursor yang baik akan mempengaruhi hasil kristal yang terbentuk (Bach, 2005). Metode yang digunakan bertujuan untuk mendapatkan senyawa Li1+xMn2-xO4 dengan fase geometri yang paling stabil sehingga dapat diaplikasikan sebagai bahan baterai yang dapat digunakan sumber energi alternatif di masa depan. Untuk mendapatkan kristal murni Li1+xMn2-xO4 dilakukan kalsinasi pada temperatur tertentu sehingga ada perbedaan struktur kristal Li1+xMn2-xO4 yang terbentuk. Lama (waktu) kalsinasi juga mempengaruhi kristal yang terbentuk. Dalam stoikiometri, komposisi mol antara prekursor merupakan hal yang penting yang harus diperhatikan karena akan mempengaruhi hasil sintesis. Selama ini metode sintesis yang dipergunakan untuk memperoleh senyawa Li1+xMn2-xO4 dilakukan dengan metode hidrotermal (Larcher, 1997; Wang and Li, 2001). Dari hasil yang diperoleh ternyata belum memberikan hasil dengan kemurnian yang tinggi. Ada beberapa metode untuk mempertahankan fase spinelnya, antara lain dengan metode sol-gel, metode kondensasi gas, maupun metode pirolisis semprot. Akan tetapi berbagai metode dan proses yang diketahui tersebut memiliki berbagai kekurangan, antara lain mahal sehingga tidak aplikatif secara komersial (Yang, 2008). Pada penelitian ini akan dicoba metode sintesis yang lain yaitu metode pengendapan matriks polimer. Metode pengendapan matriks polimer dapat dilakukan dengan atau tanpa menggunakan basa. Polimer yang digunakan dalam penelitian ini adalah etilen glikol. Pada metode pembentukan matriks polimer ini, partikel dari senyawa Li1+xMn2-xO4 didispersikan secara merata pada lapisan-lapisan matriks sehingga ukuran pori-pori, lorong antar partikel dan luas permukaan partikel yang tersusun menjadi homogen. Senyawa polimer dipilih karena di samping senyawa ini cukup murah, juga dalam jumlah yang relatif sedikit (± 10 ml) saja sudah cukup untuk membentuk matriks yang dapat mendispersikan atom oksigen dalam partikel Li1+xMn2-xO4 secara lebih teratur. Pada sintesis Li1+xMn2-xO4 dengan menggunakan basa, maka perlu ditambahkan suatu basa yaitu ammonium hidroksida (NH4OH) agar diperoleh endapan dari campuran yang 3
homogen. Senyawa MnO2 diketahui berubah-ubah fase geometrinya berdasarkan temperatur. Tindakan kalsinasi terhadap senyawa Li1+xMn2-xO4 dalam matriks polimer diharapkan dapat mempertahankan fase spinel hingga saat senyawa ini kembali berada dalam temperatur kamar, fase geometrinya tidak tertransformasi oleh pengaruh temperatur. Variasi temperatur kalsinasi pada 400 oC, 500 oC, 600 oC, 700oC, 800oC, dan 900 oC diharapkan dapat digunakan untuk menentukan senyawa nanokristalin Li1+xMn2-xO4 yang mempunyai kemurnian dan kristalinitas yang paling tinggi. Karakterisasi Li1+xMn2-xO4 hasil sintesis dapat dianalisis dengan FTIR, SEM dan XRD. Penentuan struktur kristal menggunakan difraksi powder sangat menarik bagi para ilmuwan karena berpotensi besar untuk meningkatkan desain, sintesis, dan karakterisasi dari material nano dan bioteknologi. Sementara itu, untuk karakterisasi struktur mikro dilakukan secara ab initio yaitu optimasi secara struktur secara komputerisasi, untuk sistem-sistem yang besar yang mengandung beribu-ribu atom (Zejian et al, 2006).
4
BAB II KAJIAN PUSTAKA
A. Baterai Ion Litium Susunan struktur dari baterai ion litium dapat dilihat di Gambar 1. Baterai ion lithium terdiri atas anoda, separator, elektrolit, dan katoda. Pada katoda dan anoda umumnya terdiri atas 2 bagian, yaitu bagian material aktif (tempat masuk-keluarnya ion litihum) dan bagian pengumpul elektron (collector current). Proses penghasilan listrik pada baterai ion litium sebagai berikut: Jika anoda dan katoda dihubungkan, maka elektron mengalir dari anoda menuju katoda, bersamaan dengan itu listrik pun mengalir. Pada bagian dalam baterai, terjadi proses pelepasan ion litium pada anoda, kemudian ion tersebut berpindah menuju katoda melalui elektrolit. Pada katoda bilangan oksidasi kobalt berubah dari 4 menjadi 3 karena masuknya elektron dan ion litium dari anoda. Proses recharging atau pengisian ulang dari baterai litium merupakan kebalikan dari proses ini. Dari berbagai jenis logam, litium adalah logam yang sangat menjanjikan untuk menjadi anoda. Litium memiliki nilai potensial standar paling negatif yaitu -3.0 V, paling ringan dengan berat atom 6.94 g, sehingga bila dipakai untuk anoda dapat menghasilkan kapasitas energi yang tinggi (Armstrong, 2005).
Gambar 1. Struktur Baterai Ion Litium (Chemistry Today 2009, 463, pg 21, dengan perubahan) B. MnO2 dan turunannya (Li1+xMn2-xO4) Di antara logam transisi yang umum, mangan adalah salah satu yang memiliki struktur kristal oksida, oksi-hidroksida dan hidroksida yang berbeda dalam jumlah terbesar. Untuk menjelaskan struktur mangan yang kompleks ini melibatkan dua faktor utama 5
terkait dengan struktur elektronik ion Mnn+ (efek Jahn-Teller) dan terkait dengan banyaknya reaksi redoks yang terlibat dalam sistem Mn-O-H2O. Hal ini menimbulkan berbagai material dengan berbagai macam komposisi struktur dan valensi mangan (Bricker 1965). Mangan berada dalam bilangan oksidasi +2, +3, +4 +6 dan +7 dimana oksidasi yang paling stabil adalah antara 2 dan 4 (Li et al, 2010). Oksida MnO2 Meskipun memiliki jari-jari ionik kecil diperkirakan 0,53 Å (Shannon, 1976) untuk stabilitas situs tetrahedral, Mn4+ stabil pada fase oktahedral karena konfigurasi d 3 elektronik (Sherman, 1984). Semua struktur oksida MnO2 dapat dijelaskan oleh penempatan yang berbeda dari situs oktahedral Mn4+ dalam jaringan atom oksigen. Cara termudah untuk menggambarkan struktur ini adalah dengan mempertimbangkan perakitan MnO6 oktahedral. Kita dapat mengklasifikasikan oksida-oksida MnO2 menjadi dua kategori utama sesuai dengan kriteria dalam kristalografi dan komposisi kimia yaitu dengan mengatur stoikiometrik oksida MnO2 dan dari bentuk lorongnya. Stoikiometri dalam Fase MnO2 a. β-Mn02 (pyrolusite, Polianite) β-MnO2 adalah bentuk MnO2 terpadat dan paling stabil. β-MnO2
mengkristal
dalam bentuk tetragonal (a = 4,3983 Å dan c=2,873 Å) dengan Z = 2 dan grup ruang P42/mnm (Baur 1976). Struktur kristal β-MnO2 bertipe rutil. MnO6 oktahedral tepi membentuk rantai tunggal yang tak terhingga dan sejajar dengan sumbu c. Masing-masing saluran ini terhubung dengan empat rantai oktahedral sekelilingnya untuk membentuk lorong 1x1. Struktur ini dapat dijelaskan oleh susunan heksagonal oksigen yang rapat menjadi oktahedral yang sedikit terdistorsi di mana satu dari dua situs itu ditempati oleh Mn4 +.
6
Gambar 2. Struktur β-MnO2 b. R-Mn0 2 (Ramsdellite) Struktur dari diaspora (α-AIOOH). Hal ini dijelaskan oleh perakitan rantai ganda oktahedral di mana ketiga ujung oktahedral berikatan dengan oktahedral sekelilingnya. Rantai ganda ini berorientasi di sepanjang sumbu c dihubungkan oleh puncak-puncak yang memisahkan lorong 2x1.
Gambar 3. Struktur ideal R-MnO2 ramsdellite
7
c. γ-Mn0 2 (Nsutite) Struktur fase γ-Mn02 dilintasi oleh lorong yang tak terbatas 2x1 dan 1x1 sepanjang sumbu c. Rumus kimia umum untuk γ-Mn0 2 adalah (Mn4 +1- x-yMn3 + y) O2-4x-y (OH)
4x + y
(Ruetschi ,1984). d. λ-MnO2 Oksida ini berstruktur spinel. Struktur ini mengkristal dalam kubik (Fd3m) dengan parameter kisi a = 8,029 Å dan Z = 16. Struktur ini diturunkan secara langsung dari struktur spinel dari Li1+xMn2-xO4 yang terdiri dari suatu susunan oktahedral membentuk lorong 1x1 sepanjang ke tiga arah kristalografi [110] sejenis
Gambar 4. Struktur λ-MnO2
Sistem Li1+xMn2-xO4 Aspek Struktur dan Elektrokimia Li1+xMn2-xO4 Jaringan stabilitas AB2O4 spinel berhubungan dengan penyisipan litium telah dibuktikan secara eksperimental pada
tahun 1990-an antara lain, Fe3O4, Mn3O4 dan
LiMn2O4 (Thackeray et al. 1983). Fase LiMn2O4 ini ditandai dengan oksigen logam / skeletal, yang dikenakan jaringan terus menerus dari celah tetrahedral yang dapat diakses 8
ion litium. Rangka Mn-O ini identik dengan fase λ-MnO2 dan terdiri dari suatu susunan oktahedral yang ujung-ujungnya membentuk lorong MnO6 1x1 melalui struktur dalam tiga arah tegak lurus.
Gambar 5. Struktur fase spinel LiMn2O4 Atom oksigen menempati posisi ke-32 kristalografi untuk membentuk kisi kubik rapat di mana ion Mn3+/Mn4+ dan Li+ masing-masing adalah situs oktahedral 16d dan tetrahedral 8a (Gambar 5). Dalam konfigurasi ini, tetrahedral LiO4 mengalami pertukaran masingmasing sisi mereka dengan situs oktahedral kosong 16c. Distribusi kationik dalam jaringan merupakan Litet.[Mn2]oct.O4. Ketika bahan ini digunakan sebagai katoda baterai litium, ion litium dapat dengan mudah diekstrak dalam strukturnya selama pengisian, kemudian akan dimasukkan kembali selama pelepasan. Tetapi penurunan signifikan atas kemampuan bahan ini dapat terjadi bila dipakai berulang-ulang. Beberapa penyebab telah dikemukakan untuk menjelaskan fenomena ini: •
Efek oksidasitor kuat dari fase λ-MnO2 terkait dengan elektrolit
•
Adanya disproporsionasi Mn3+ menjadi Mn4+ dan Mn2+
•
Modifikasi struktural yang disebabkan ion Mn3+ (efek Jahn-Teller)
9
Substitusi situs mangan 16d oleh unsur dengan valensi lebih rendah seperti litium akan dapat meminimalkan efek ini serta dapat meningkatkan kinerja dan cycling lebih baik (Tarascon et al. 1991, Gummow et al. 1994). Hal ini menyebabkan excess bahan litium dari formula umum Litet.[Mn2-xLix]oct.O4. Tingkat rata-rata oksidasi mangan dalam Litet.[Mn2-xLix]oct.O4 ini lebih besar dari 3,50 yang berimplikasi bahwa hanya sebagian dari litium dapat diekstraksi secara elektrokimia. Akibatnya, ekstraksi ion Li+ dalam struktur dikompensasi dengan oksidasi ion Mn3+ dalam Mn4+. Jumlah ion Mn3+ yang dapat disediakan adalah sebanyak kapasitas intrinsik dari bahan tersebut. Oleh karena itu, ada hubungan antara kapasitas dan maintenance bahan selama penggunaan dalam jangka panjang. Fase Li1+x.Mn2-xO4 ini membentuk larutan padat antara LiMn2O4 (x=0) dan Li4Mn5O12 (x=1/3) yang diwakili oleh segmen dalam diagram fase λ-MnO2 - MnO Li2MnO3 (Gambar 7) yang diambil dari diagram Li-Mn-O (Gambar 6). Pada diagram λMnO2 - MnO - Li2MnO3, reaksi interkalasi litium ditunjukkan dengan garis putus-putus. Segmen Mn3O4– Li4Mn5O12 bersesuaian dengan fase spinel stoikiometri sekaligus membentuk batas antara dua bidang interkalasi potensial (3 Volt dan 4 Volt) masingmasing sehubungan dengan penyisipan di situs oktahedral dan tetrahedral (Larcher, 1997).
Gambar 6. Diagram fase Li-Mn-O (menurut Thackeray et al. 1996)
10
Gambar 7. Diagram fase λ-MnO2 - MnO - Li2MnO3 (menurut Thackeray et al. 1996)
C. Sintesis Li1+xMn2-xO4 dengan Metode Pengendapan Matriks Polimer Sintesis Li1+xMn2-xO4 dengan metode pengendapan matriks polimer dapat dilakukan dengan atau tanpa menggunakan basa (Lakshmi et al, 1997 ; Larcher, 1997). Fase spinel Li1+xMn2-xO4 penting untuk distabilisasi guna mempertahankan konduktivitas oksigennya. Sebenarnya ada beberapa metode untuk mempertahankan fase spinelnya, antara lain dengan metode sol-gel, metode kondensasi gas, maupun metode pirolisis semprot. Akan tetapi berbagai metode dan proses yang diketahui tersebut memiliki berbagai kekurangan, antara lain mahal sehingga tidak aplikatif secara komersial (Yang, 2008). Metode pengendapan matriks polimer dengan basa dapat dilakukan dengan teknik refluks, yang didasarkan pada kesetimbangan uap cair, di mana titik didih zat cair berada dalam
waktu lama cukup efektif oleh karena pengumpulan suhu campuran reaksi.
Keuntungan teknik ini adalah bahwa proses dapat ditinggalkan untuk jangka waktu yang lama tanpa perlu menambahkan lebih banyak pelarut sehingga dapat menghemat penggunaan pelarut karena pelarut yang menguap akan terkondensasi kembali (Ropp, 1983). Teknik refluks banyak digunakan digunakan untuk menghasilkan kristal tunggal
11
dengan keuntungan temperatur dan tekanan dapat dikontrol, sehingga struktur dan morfologi nanotube dapat direkayasa. Polimer yang dipergunakan dalam penelitian ini adalah etilen glikol. Pada metode pembentukan matriks polimer ini, partikel dari senyawa Li1+xMn2-xO4 didispersikan secara merata pada lapisan-lapisan matriks sehingga ukuran pori-pori, lorong antar partikel yang tersusun menjadi homogen. Senyawa polimer dipilih karena disamping senyawa ini cukup murah, jumlah yang relative sedikit (±10 ml) sudah cukup untuk membentuk matriks yang dapat mendispersikan atom oksigen dalam partikel Li1+xMn2-xO4 secara lebih teratur.
12
BAB III TUJUAN DAN MANFAAT PENENELITIAN
A. Tujuan Penelitian Untuk menghasilkan baterai litium yang baik diperlukan pengetahuan dan teknik yang tepat serta metode sintesis yang efektif dan efisien. Berdasarkan hal tersebut, penelitian pada tahun pertama ini memiliki tujuan khusus: a. Mengontrol
dan merekayasa
ukuran
dan
struktur
Li1+xMn2-xO4
melalui
pengembangan teknik sintesis dari metode chimie douce yaitu hidrotermal
B. Manfaat Penelitian Hasil penelitian berikut diharapkan akan bermanfaat untuk: 1. Mendapatkan suatu material Li1+xMn2-xO4 dengan struktur dan morfologi yang terkontrol 2. Material Li1+xMn2-xO4 tersebut dapat diaplikasikan sebagai elektroda positif baterai litium
13
BAB IV METODE PENELITIAN
Metode penelitian ini terbagi dalam dua tahapan. Tahap pertama adalah mengontrol stoikhiometri atom Li dalam struktur nanokristal Li1+xMn2-xO4 dan mempelajari karakter optik struktur nanokristal Li1+xMn2-xO4 dan tahap kedua adalah mempelajari pengaruh atom Li terhadap karakteristik struktur mikro dari struktur nanokristal Li1+xMn2-xO4. 1. Sintesis dan karakterisasi Li1+xMn2-xO4 dengan metode hidrotermal Sintesis Li1+xMn2-xO4
dilakukan dengan menggunakan metode pengendapan
matriks polimer tanpa basa. Polimer yang dipergunakan adalah etilen glikol. Sintesis dilakukan dengan mencampur garam LiOH, Mn(CH3COO)2, etilen glikol dan aquabidest yang dicampurkan ke dalam gelas bekker supaya terbentuk Li1+xMn2-xO4 (x= 0; 0,04; 0,06; 0,08 dan 1,00). Campuran tersebut diaduk dengan menggunakan magnetic stirrer hingga larut sempurna. Endapan yang terbentuk dipisahkan dari larutan dengan sentrifus dan selanjutnya dicuci berulang-ulang dengan aquadest. Endapan yang telah bersih dikeringkan dalam oven pada 110 oC selama 1 jam. Endapan yang diperoleh kemudian dibagi ke dalam 6 buah krus. Krus tersebut dikalsinasi pada temperature 400 oC, 500oC, 600 oC, 700oC,800oC dan 900oC selama 4 jam dalam muffle. Endapan hasil kalsinasi kemudian dikarakterisasi dengan XRD. 2. Pengaruh atom Li terhadap karakteristik struktur mikro Li1+xMn2-xO4 Pengaruh atom Li terhadap karakteristik struktur mikro dari struktur nanokristal Li1+xMn2-xO4 secara abinitio dari data Difraksi Sinar-X Powder (David et al, 2002). Data yang diperoleh dari XRD kemudian dianalisis dengan menggunakan komputer dengan menggunakan yang terlebih dahulu teah diinstall dengan program U-Fit yang nantinya dipergunakan untuk mengolah data Difraksi Sinar X-Powder.
14
BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN
Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh suhu sintesis, waktu sintesis, suhu kalsinasi dan variasi prekursor dalam sintesis senyawa LiMn2O4 dengan metode sintesis basa berbasis matriks polimer terhadap karakteristik LiMn2O4 yang dihasilkan. Teknik yang dipergunakan dalam penelitian ini adalah teknik hidrotermal. Teknik hidrotermal ini dipilih karena kristal yang dihasilkan mempunyai tingkat kemurnian tinggi, stoikiometri dapat dikontrol, ukuran partikel dapat dibatasi, morfologi terkontrol, seragam dan kristalinitas tiggi. Karakteristik senyawa LiMn2O4 meliputi sifat kristalinitasnya yang dapat dilihat dari pola Difraksi sinar-X. Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan dengan menggunakan metode pengendapan basa berbasis matriks polimer, diperoleh hasil berupa padatan berwarna merah kecoklatan. Padatan hasil sintesis dengan metode ini selanjutnya dikarakterisasi menggunakan difraksi sinar-X Pengukuran difraksi sinar-X pada senyawa hasil sintesis dengan metode pengendapan basa berbasis matriks polimer dilakukan dengan menggunakan alat difraktometer sinar-X (XRD) pada daerah 10°≤2θ≤80° dengan tahap (step size) 0,0200 derajat, menggunakan sumber radiasi Kα yaitu Cu (1,54060 A), kecepatan pembacaan (scan speed) sebesar 5,00 derajat per menit, dan penyinaran dilakukan secara kontinyu tiap 0,24 detik. Proses penghalusan (smoothing) dilakukan untuk memperjelas pola difraksi sinar-X yang dihasilkan. Untuk mengetahui grup ruang dan parameter kisi dari senyawa LiMn2O4 digunakan program U-Fit. a. Pengaruh variasi suhu sintesis terhadap karakter fisik LiMn2O4 Prosedur yang dilakukan antara lain membuat 50 mL larutan LiOH 0,4 M dari kristal LiOH dengan cara menimbang sebanyak 0,2444 gram kristal LiOH kemudian memasukkan ke dalam labu takar 25 mL dan menambahkan akuades sampai tanda batas dan mengencerkan dengan cara memipet sebanyak 6,25 mL kemudian memasukkannya ke dalam labu takar 50 mL dan menambahkan akuades sampai tanda batas. Setelah itu membuat 50 mL larutan Mn(CH3 COO)2 0,1 M dari kristal Mn(CH3 COO)2. 4H2O dengan
15
cara menimbang sebanyak 1,2379 gram kristal LiOH kemudian memasukkan ke dalam labu takar 50 mL dan menambahkan akuades sampai tanda batas. Setelah membuat kedua larutan tersebut kemudian kedua larutan tersebut dimasukkan ke dalam bomb hydrothermal dan ditambahkan sebanyak 10 mL etilen glikol ke dalam bomb hydrothermal. Fungsi dari etilen glikol dalam penelitian ini adalah sebagai pelarut dan untuk memutus ikatan pada Mn(CH3COO)2 dan LiOH sehingga ion-ion logam dapat terpisah dengan baik. Larutan kemudian dipanaskan di dalam oven pada suhu 150 oC selama 6 jam. Kristal yang terbentuk lalu disaring dan didiamkan pada suhu kamar selama 24 jam. Setelah itu, padatan yang terbentuk dikalsinasi pada suhu 900 oC selama 6 jam. Kristal LiMn2O4 yang terbentuk kemudian dikarakterisasi dengan XRD. Langkah serupa juga dilakukan untuk suhu sintesis 160 oC, 170 oC, 180 oC dan 190oC. Reaksi mangan asetat dengan litium hidroksida dengan perbandingan mol 1:2 dengan metode hidrotermal dihasilkan LiMn2O4 berdasarkan reaksi berikut: Mn(CH3COO)2 → Mn2+ (aq) + CH3COO- (aq)………(1) LiOH
→ Li+ (aq) + OH- (aq)……………(2)
Mn2+ (aq) + Li+ (aq) + CH3CH2(OH)2 (aq) → Mn(OCH2CH3)2 (s) + LiOCH2CH3 (s) → LiMn2O4 (s)………………..(3)
Tabel 1. Pengontrolan suhu sintesis terhadap warna dan struktur padatan No.
Suhu sintesis (oC)
Warna
1.
150
Coklat muda
2.
160
Coklat
16
Foto
3.
170
Coklat tua
4.
180
Merah
5.
190
Merah kecoklatan
Hasil dari sintesis senyawa LiMn2O4 pada temperatur sintesis 150oC berupa kristal berwarna merah kecoklatan. Sintesis yang dilakukan pada temperatur sintesis 160 oC menghasilkan kristal seperti pada sintesis 150oC namun jumlah kristal yang terbentuk jumlahnya lebih sedikit dan kasar. Sedangkan sintesis yang dilakukan pada temperatur sintesis 170oC menghasilkan kristal berwarna coklat kemerahan dan jumlahnya sedikit. Sintesis yang dilakukan pada temperatur sintesis 180oC menghasilkan kristal berwarna hitam kecoklatan dan jumlah kristal yang terbentuk jumlahnya lebih sedikit dan kasar. Sintesis yang dilakukan pada temperatur sintesis 190oC menghasilkan kristal berwarna hitam dan jumlah kristal yang terbentuk jumlahnya lebih sedikit. Kristal yang terbentuk kemudian disaring, dan diperoleh filtrat yang bening dan cair seperti air kecuali pada sintesis selama 10 jam. Hasil sintesis selama 10 jam yang disaring menghasilkan filtrat yang keruh meski berulang kali disaring dan filtratnya kental. Hasil penyaringan kemudian dikalsinasi pada suhu 900 oC selama 6 jam.
17
Gambar 8 Pola Difraksi sinar X padatan yang dihasilkan pada suhu sintesis 150oC (a), 160 oC (b), 170oC (c), 180oC (d) dan 190 oC (e) Dari pola difraksi sinar X di atas, terlihat perbedaan yang signifikan antara sintesis yang dilakukan pada suhu antara 150oC sampai dengan suhu 190oC. Tetapi, dapat kita lihat bahwa pada suhu sintesis 190oC terdapat peak-peak yang relative jelas yang menunjukkan bahwa telah terbentuk senyawa LiMn2O4 (Tabel 2). Seiring dengan kenaikan temperature sintesis intensitas peak semakin tinggi. Hal ini menunjukkan kristalinitas yang semakin tinggi. Identifikasi bidang-bidang kristal (hkl) menunjukkan semua padatan mengandung LiMn2O4 dengan sitem Kristal kubik dengan grup P42 3 2 dengan kristal spinel dengan fase mayor, sedangkan fase minor berisi MnO2 ramsdellite dengan sistem kristal ortorombik grup ruang PNAM. Identifikasi hkl secara lengkap dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2 Bidang-bidang kristal (hkl) dari padatan yang dihasilkan pada suhu sintesis 150 oC, 160 oC, 170 oC, 180 oC dan 190oC Padatan LiMn2O4Yang Dihasilkan Pada Suhu Sintesis 160 oC
Padatan LiMn2O4 Yang Dihasilkan Pada Suhu Sintesis 170 oC
2θ
hkl
2θ
(1 1 1) (3 0 0) (4 4 1) (4 4 2) (6 1 1) (5 4 1)
18,641 36,121 43,941 48,083 50,782 66,980 76,338
18,562 32,400 64,618 67,643 69,985 74,022
9,5 84,1 19 6,3 5 11,1
60,3 100 27 6,3 19 4,8 6,3
Padatan LiMn2O4 Yang Dihasilkan Pada Suhu Sintesis 180 oC
hkl
2θ
(1 1 1) (3 1 1) (4 0 0) (3 3 1) (4 2 1) (5 3 1) (6 2 2)
18,660 32,401 36,140 37,824 64,523 74,099
18
35,8 74,6 100 9 10,4 9
Padatan LiMn2O4 Yang Dihasilkan Pada Suhu Sintesis 190 oC
hkl
2θ
(1 1 1) (3 0 0) (3 1 1) (2 2 2) (5 2 2) (5 4 1)
18,640 36,141 43,959 48,026 50,802 63,681 76,276
(h k l) 78 100 30,5 6,8 16,9 11,9 6,8
(1 1 1) (3 1 1) (4 0 0) (3 3 1) (4 2 1) (4 4 0) (6 2 2)
Tabel 3 Parameter kisi LiMn2O4 dengan struktur kubus dari padatan yang dihasilkan pada suhu sintesis 150oC, 160oC, 170oC, 180oC dan 190oC Parameter Kisi dan Volume Kristal Kubus a (Ầ) b (Ầ) c (Ầ) V
150 oC 8.302322 8.302322 8.302322 572.2670
160 oC 8,294842 8,294842 8,294842 570,7216
Suhu Sintesis 170 oC 8,265750 8,265750 8,265750 564,7737
180 oC 8, 308429 8, 308429 8, 308429 573,5267
190 oC 8,270206 8,270206 8,270206 565,6516
Setelah dibandingkan dengan struktur LiMn2O4 standar, maka pada suhu sintesis o
190 C telah terbentuk spinel dengan grup ruang P43 3 2 dengan a =b =c= 8,270206. (Tabel 3). Analisis parameter kisi dengan program kristalografi (U-fit) menunjukkan volume kisi yang cenderung semakin menurun seiring dengan kenaikan suhu sintesis. Ini menunjukkan kristalinitas yang makin tinggi dan defek kristal yang semakin rendah mengakibatkan susunan atom dalam kristal semakin kompak sehingga volume kisi kristal semakin kecil. b. Pengaruh Perbandingan Prekursor (Li:Mn) terhadap karakter fisik Li1+xMn2-xO4 Reaksi Mn(CH3COO)2 dan LiOH membentuk Li1+xMn2-xO4 dilakukan dengna dengan variasi x = 0; 0,02; 0,04; 0,06; 0,08 dan 0,1. Sintesis dilakukan pada suhu sintesis 150oC selama 4 jam dalam pelarut air dengan metode hidrotermal. Proses kalsinasi dilakukan pada suhu 900 oC sesuai dengan persamaan reaksi (1), (2) dan (3). Tabel 4 Pengontrolan perbandingan mol prekursor terhadap warna dan struktur Li1+xMn2-xO4 No.
Perbandingan mol Li1+xMn2xO4
Warna
1.
X=0
Coklat tua
19
Foto
2.
X=0,02
Coklat
3.
X=0,04
Coklat muda
4.
X = 0,06
Coklat muda
5.
X = 0,08
Oranye tua
6.
X = 0,1
Oranye
Berdasarkan hasil foto menunjukkan bahwa larutan yang dihasilkan semakin berkurang intensitas warnanya seiring dengan berkurangnya mol Mn yang ditambahkan.
20
Gambar 9 Pola Difraksi sinar X padatan yang dihasilkan padatan variasi prekursor x = 0; 0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,1 Pola difraksi sinar-X menunjukkan bahwa padatan yang dihasilkan dari perbandingan mol Li1+xMn2-xO4 (x = 0; 0,02; 0,04; 0,06; 0,08 dan 0,1) menunjukkan bahwa selain terdapat LiMn2O4 juga terdapat keberadaan pola difraksi fasa lain yaitu fasa lain yang diduga adalah fasa MnO2 dengan struktur orthorombik. Dari Tabel 5 terdapat puncak-puncak yang menunjukan adanya spinel dengan adanya bidang-bidang hkl pada (111) dan (311). Tetapi dengan adanya perubahan perbandingan stokiometri diduga terjadi perubahan system Li-Mn-O dari fase kubik spinel menjadi tetragonal terdistorsi spinel. Perubahan ini akibat dari efek distorsi Jahn-Taller yang disebabkan oleh ion Mn3+.
21
Tabel 5 Bidang-bidang kristal (hkl) dari padatan yang dihasilkan
(kubus) Padatan yang dihasilkan pada tiap variasi mol precursor X=0
X=0.02
X=0.04
X=0.06
X=0.08
X=0.1
2θ
I/1o
H
k l
2θ
I/1o
h k
l
2θ
I/1o
h k l
2θ
I/1o
h k
L
2θ
I/1o
h k
L
2θ
I/1o
h k
L
32.4
68.8
2
2 1
32.419
81. 9
2 2
1
18.642
15.9
1 1 1
36.161
100
3 1
1
32.439
70.5
2 2
1
32.442
9.6
3 0
0
36.160
100
3
1 1
36.161
100
3 1
1
32.421
60.3
3 0 0
50.801
19
4 2
1
36.179
100
3 1
1
45.180
9.6
3 2
2
50.822
23. 6
4 2
1
36.160
100
3 1 1
66.960
3.2
5 3
1
50.781
18
4 2
1
49.362
13.3
4 2
0
74.060
11. 1
5 4
1
55.963
6.6
5 0
0
65.720
18
4 3
3
64.621 74.099
20 8.8
4 5
4 1 4 1
74.043
9.7
6 2
1
64.618
20.6
4 4 1
69.715
4.8
6 1 1
69.718
6.6
6 1
0
69.080
3.6
6 1
0
74.021
7.9
5 4
74.063
6.6
6 2
1
74.037
3.6
5 4
1
1
22
Tabel 6 Parameter kisi Li1+xMn2-xO4 dengan struktur kubus dari padatan yang dihasilkan Parameter kisi&volum Kristal kubus a(Å) b(Å) c(Å) V
X=0
X=0.02
Mol precursor X=0.04 X=0.06
X=0.08
X=0.1
8.302322 8.302322 8.302322 572.2670
8.147837 8.147837 8.147837 540.9125
8.317899 8.317899 8.317899 575.4942
8.149380 8.149380 8.149380 541.2198
8.294649 8.294649 8.294649 570.6818
8.329743 8.329743 8.329743 577.9559
Bila dilihat dari pola difraksi sinar-X pada Gambar 9 terlihat bahwa terjadi pergeseran peak pada pola (E) bila dibandingkan pola-pola yang lain. Hal ini diduga karena tergantikannya ion Mn3+ dengan ion Li+. Akibatnya terjadi perubahan struktur. Analisis parameter lebih lanjut menunjukkan ketidakteraturan volume Kristal (Tabel 6). Hal ini kemungkinan terjadi karena pergantian posisi ion-ion Li+ yang menggantikan ion Mn3+ sebelumya mengubah struktur dan volume dari kisi padatan tersebut. c.Pengaruh variasi temperatur kalsinasi terhadap karakter fisik LiMn2O4 Reaksi Mn(CH3 COO)2 dan LiOH membentuk LiMn2O4 dilakukan dengan variasi suhu kalsinasi: 500 oC, 600oC, 700oC, 800 oC, dan 900 oC. Sintesis dilakukan pada suhu sintesis 150oC selama 4 jam dalam pelarut air dengan metode hidrotermal sesuai dengan persamaan reaksi (1), (2) dan (3). Tabel 7 Pengontrolan temperatur kalsinasi terhadap warna dan struktur LiMn2O4 No. Temperatur Kalsinasi (°C)
Warna
1.
500
Coklat
2.
600
Merah kecoklatan
23
Foto
3.
700
Merah kecoklatan
4.
800
Merah kecoklatan
5.
900
Merah kecoklatan
Berdasarkan hasil foto menunjukkan bahwa hasil dari sintesis senyawa LiMn2O4 berupa larutan dengan endapan berwarna kecoklatan. Kemudian endapan disaring dengan menggunakan kertas saring, dan hasil dari penyaringan tersebut dikeringkan dalam oven pada suhu 100 oC selama 1 jam. Setelah kering, kertas saring dan endapan tersebut dimasukkan ke dalam muffle furnace pada suhu bervariasi antara 500 oC sampai 900 oC selama 6 jam. Hasil dari kalsinasi pada suhu 500 oC berupa padatan berwarna merah kehitaman tetapi warna kemerahan yang terbentuk hanya sedikit. Seiring dengan kenaikan temperatur dihasilkan LiMn2O4 dengan kristalinitas semakin tinggi dan diperoleh endapan yang semakin banyak. Hal ini diperkuat dari data pola difraksi sinar-X sebagaimana pada Gambar 10.
Gambar 10 Pola Difraksi sinar X padatan yang dihasilkan padatan pada variasi temperature kalsinasi 500oC, 600oC, 700oC, 800 oC dan 900oC 24
Apabila melihat bidang-bidang hkl yang ada pada Tabel 8 yaitu (111), (311), (400), diduga telah terbentuk struktur spinel. Kemungkinan hal ini disebabkan oleh kelebihan Mn(CH3COO)2 pada saat sintesis berlangsung, sehingga reaksi pembentukan senyawa LiMn2O4 menjadi tidak sempurna dan terbentuk senyawa lain yaitu MnO2. Hal ini diperkuat dengan adanya bidang-bidang hkl MnO2 orthorombik Tabel 8 Bidang-bidang kristal (hkl) dari padatan yang dihasilkan pada suhu kalsinasi 500oC, 600 oC, 700 oC, 800 oC dan 900oC
Tabel 9 Parameter kisi LiMn2O4 dengan struktur kubus dari padatan yang dihasilkan pada temperatur kalsinasi 500oC, 600 oC, 700 oC, 800 oC dan 900oC Parameter Kisi dan Volum Kristal Kubus
Suhu Kalsinasi 500 oC
600 oC
700 oC
800oC
900oC
a (Ǻ)
8,187912
8,267488
8,230189
8,284771
8.302322
b (Ǻ)
8,187912
8,267488
8,230189
8,284771
8.302322
b (Ǻ)
8,187912
8,267488
8,230189
8,284771
8.302322
V (Ǻ)
548,9332
565,0940
557,4802
568,6455
572.2670
Analisis lebih lanjut dengan menggunakan program U-fit menunjukkan adanya kenaikan volume kisi Kristal seiring dengan kenaikan suhu kalsinasi. Kenaikan volume kristal ini d. Pengaruh variasi waktu sintesis terhadap karakter fisik LiMn2O4 Reaksi Mn(CH3COO)2 dan LiOH membentuk LiMn2O4 dilakukan dengan variasi waktu sintesis 4 jam, 8 jam dan 10 jam. Sintesis dilakukan pada suhu sintesis 150 oC
25
selama 6 jam dalam pelarut air dengan metode hidrotermal sesuai dengan persamaan reaksi (1), (2) dan (3). Tabel 10 Pengontrolan waktu kalsinasi terhadap warna dan struktur LiMn2O4 No.
Waktu sintesis (jam)
Warna
1.
4
Coklat
2.
8
Coklat kemerahan
3.
10
Coklat kemerahan
Foto
Hasil dari sintesis senyawa LiMn2O4 selama 4 jam berupa kristal berwarna coklat. Sintesis yang dilakukan selama 8 jam juga menghasilkan kristal seperti pada sintesis 4 jam namun jumlah kristal yang terbentuk lebih banyak, sedangkan sintesis yang dilakukan selama 10 jam juga menghasilkan kristal berwarna coklat kemerahan namun jumlahnya sedikit. Kristal yang terbentuk kemudian disaring, dan diperoleh filtrat yang bening dan cair seperti air kecuali pada sintesis selama 10 jam. Hasil sintesis selama 10 jam yang disaring menghasilkan filtrat yang keruh meski berulang kali disaring dan filtratnya kental. Hal ini mungkin pada waktu 10 jam, LiOH telah habis beraksi dengan Mn(CH3COO)2 dan kelebihan pereaksi Mn(CH3COO)2 bereaksi dengan OH- membentuk MnO2. Hasil penyaringan kemudian dikalsinasi
pada suhu 900 oC selama 6 jam. Dengan melihat
fenomena di atas, terlihat bahwa pada waktu sintesis 4 jam merupakan waktu yang optimum pada pembentukan LiMn2O4. Pada waktu sintesis ini reaksi antara Mn(CH3COO)2 dan LiOH diperoleh kristal LiMn2 O4 dalam jumlah yang banyak.
26
Gambar 11 Pola Difraksi sinar X padatan yang dihasilkan padatan pada variasi waktu sintesis 4, 8, 10 jam Bila melihat gambar 11 terlihat bahwa pada waktu sintesis 4 jam telah terbentuk bidang hkl spinel yaitu (111), (311) dan (400). Hal ini berarti telah terbentuk spinel LiMn2O4. Selain bidang-bidang hkl untuk spinel, dimungkinkan juga ada fasa lain yang terbentuk yaitu fasa MnO2. Hal ini terlihat dari bidang-bidang hkl untuk ortorombik Tabel 11 Bidang-bidang kristal (hkl) dari padatan yang dihasilkan pada waktu sintesis 4, 8 dan 10 jam Padatan yang dihasilkan
Padatan yang dihasilkan
Padatan yang dihasilkan
pada waktu 4 jam
pada waktu 8 jam
pada waktu 10 jam
2θ
I/I0
hkl
2θ
I/I0
hkl
2θ
I/I0
hkl
17,700
68.8
111
18,700
10
1 1 1
18.641
28
1 1 1
36.160
100
311
36,141
100
3 1 1
32.400
61
2 1 1
43,900
20
400
43,983
13
4 0 0
36.140
100
3 1 1
43.903
12
4 0 0
27
Tabel 12 Parameter kisi LiMn2O4 dengan struktur kubus dari padatan yang dihasilkan pada waktu sintesis 4,8 dan 10 jam Waktu Sintesis
Parameter Kisi LiMn2O4 dengan struktur Kubus
4 jam
8 jam
10 jam
A
8.302322
8.264857
8.266417
B
8.302322
8.264857
8.266417
C
8.302322
8.264857
8.266417
V
572.2670
564.5548
564.8745
Berdasarkan Tabel 12 di atas, terjadi penurunan volume kisi kristal. Ini menunjukkan kristalinitas yang makin tinggi dan
defek kristal yang semakin rendah
mengakibatkan susunan atom dalam kristal semakin kompak sehingga volume kisi kristal semakin kecil
28
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan Berdasarkan pembahasan di atas dapat disimpulkan beberapa hal berikut : 1. Suhu sintesis, perbandingan mol prekursor, temperature sintesis dan waktu kalsinasi dengan metode hidrotermal mempengaruhi ukuran, kristalinitas dan struktur material Li1+xMn2-xO4 yang dihasilkan
B. Saran-Saran Beberapa saran yang diperlukan untuk penelitian ini : 1. Perlu analisis lebih bersifat mikro tentang struktur Li1+xMn2-xO4 seperti analisis SEM, TEM dan EDX 2. Perlu metode sintesis yang lain seperti teknik refluks supaya diperoleh Li1+xMn2-xO4 dengan ukuran, kristalinitas dan struktur material yang diharapkan.
29
DAFTAR PUSTAKA Armstrong, A.R. and Bruce, P.G. (1996) Synthesis of Layered LiMnO2 as an Electrode for Rechargeable Lithium Batteries. Nature, 351, 499-500, doi: 10.1038/381499a0 Armstrong, A.R., Armstrong., G., Canales, J., dan Bruce, P.G. (2005). TiO2-B Nanowires as Negative Electrodes for Rechargeable Lithium Batteries. Journal of Power Sources 146, 501-506 Bach., S., Pereira-Ramos, J.P., and Baffiert, N. (1995). Synthesis and Characterization of Lamellar MnO2 Obtained from Thermal Decomposition of NaMnO4 for Rechargeable Lithium Cells. Journal of Solid State Chemistry, 120, 70-73 Bricker O., (1965), The American Mineralogist, pp. 1296 Cheng, F., Zhao, J., Song, W., Li, C., Ma, H., Chen, J., and Shen, P. (2006) Facile Controlled Synthesis of MnO2 Nanostructures of Novel Shapes and Their Application in Batteries. Inorganic Chemistry Journal, Vol. 45, No.5 David, W.I.F., Shankland, K., Mc Cusker,I.K., Baerlocher, C.H., (2002). Structure Determination from Powder Diffraction Data. International Union of Crystallography, Oxford Science Publication Gummow R.J., de Kock A., and Thackeray M.M., (1994). Solid State Ionics, pp. 59 H.S Jeong et al.(2010), in press, J. Power Source doi:10.1016/j.jpowsour.2009.10.085 Jiao, F and Bruce, P.G. (2007). Mesoporous Crystalline β-MnO2- a Reversible Positive Electrode for Rechargeable Lithium Batteries., Adv. Mater, 19, 657-660 J. W Fergus. (2010) J. Power Source in press, doi:10.1016/j.jpowsour.2010.01.076 J. W Fergus, J. Power source 195 (2010) 939-954. K. Amine, I. Belharouak, J. Liu, S.-H. Kang, A. Kahaian, D. Vissers, G. Henrikson. (2004) Advanced cathode materials for high power applications. Abstract 51, IMLB12 Meeting, 2004 Komaba, S., Kumagai, N., Chiba., S. (2000). Synthesis of Layered MnO2 by Calcination of KMnO4 for Rechargeable Lithium Batterai Cathode. Electrochimica Acta, 46, 3137 Lakshmi, B.B., Patrissi, C.J., dan Martin, C.R. (1997). Sol-Gel Template Synthesis of Semiconductor Oxide Micro- and Nanostructures. Chem. Mater., 9, 2544-2550 Larcher, D. (1997). Nouvelles voles de synthese et caracterisation de materiaux d’electrodes positives pour accumulateurs au lithium, These de Doctorat, L’Universite de Picardie Jules Verne, Perancis Li,P., Nan, C.,Wei, Z., Lu, J., Peng, Q dan Li, Y. (2010). Mn3O4 Nanocrystals: Facile Synthesis, Controlled Assembly, and Application. Chem. Matter. 22., 4232-4236 N. Raman, G. Chagnon, S. Hafner, K. Nechev, A. Romero, M. Saft, Development of High 30
Power Li-Ion Battery Technology for Hybrid Electric Vehicle (HEV) Applications,. (2004) in:Proceedings of the 41st Power Sources Conference, pp. 435–437. R.C. Ropp. 2003. Solid State Chemistry. Netherlands: Elsevier. Ritchie, A and Howard, W. (2005). Recent Development and Likely Advances in Lithiumion Batteries. Journal of Power Sources 162 (2006) 809–812 Ruetschi, P., (1984). J. Electrochemical Soc. Pp. 2737 Sarciaux. (1998) Les composes MnO2 γet LixMnO2 γ: influence des parameters structuraux et physic-chimiques sur l’insertion electrochimique du lithium. These de Doctorat. Universite de Nantes, Perancis Shanon, R.D. (1976). Acta Cryst., pp. 751 Sherman, D.M., (1984). The American Mineralogist, pp. 788 S.G. Stewart et al, J. Electrochem. Soc. 155 (9) (2008) A664–A671. Tarascon, J.M., Coowar F., Amatucci G.G., Shokoohi F., and Guyomard D., (1994). J. Power Sources, pp. 1421 Thackeray, M.M., David W.I.F., Bruce P.G., and Goodenough J.B., (1983) Mat. Res. Bull., pp. 461 Thackeray, M.M., Rossouw, M.H., Gummow, R.J., Liles, D.C., Pearce K., de Kock A., David W.I.F., and Hull S., (1993), Electrochimica Acta, pp. 1259 Thackeray, M.M., Mansuetto, M.F., Dees D.W., dan Vissers, D.R., Mat.Res.Bull., (1996), pp.133 Wang, X., Li, Y. (2002). Selected-Control Hydrothermal Synthesis of α- and β-MnO2 Single Crystal Nanowires. J. Am.Chem.Soc. Vol. 124, No. 12, 2880-2881 W.F. Howard Jr., S.W. Sheargold, P.M. Story, R.L. Peterson. (2003) Stabilized Spinel Battery Cathode Material and Methods. U.S. Patent 6,558,844. W.F. Howard Jr. (2004). Next-generation chemicals for lithium rechargeable batteries. Adv. Battery Technol. 40, 18–23. Yang, Y., Xiao L., Zhao Y., dan Wang F. (2008). Hydrothermal Synthesis and Electrochemical Characterization of α-MnO2 Nanorods as Cathode Material for Lithium Batteries. Int. J. Electrochem. Sci., 3, 67 – 74 Zejian Liu, Qi, Z., dan Qin, L., (2006). Reduction in the Electronic Band Gap of Titanium Oxide Nanotubes. Solid State Communications., 141,. Pp. 168-171 Zheng, D., Sun, S., Fan, W., Yu, H., Fan, C., Cao, G., Yin, Z., and Song, X. (2005). One Step Preparation of Single-Crystalline β-MnO2 Nanotubes. J. Phys. Chem.B, 109, 16439-16443 31
LAMPIRAN
32
BIODATA PELAKSANA
KETUA PENELITI A. Data Pribadi Nama Lengkap
: Dyah Purwaningsih, M.Si.
NIP
: 132304808/ 197807222003122001
Tempat dan tanggal lahir
: Yogyakarta, 22 Juli 1978
Pangkat/Jabatan/Golongan : Penata Muda/ III/b Pekerjaan dan Instansi
: Lektor/Universitas Negeri Yogyakarta
Bidang Ilmu
: Kimia Anorganik
B. Riwayat Pendidikan No
Perguruan Tinggi
Kota & Negara
Tahun Lulus
Bidang Studi
1.
UGM
Yogyakarta
2001
Sarjana Kimia
2.
UGM
Yogyakarta
2007
Magister Kimia
3.
University of Sydney
Australia
2008-2009
Short Course on Education
C. Pengalaman Riset No
Judul Riset
Tahun
1.
Isolasi dan identifikasi senyawa flavonoid dari daun kacang panjang (Vigna sinensis L. savi Ex. Hassk)
2001
2.
Tinjauan Nilai Gizi terhadap Tingkat Penerimaan Konsumen terhadap Bakso Sapi (Ketua, Penelitian Dosen Muda)
2005
3.
Interaksi Cr(III) dan Cr(VI) pada Gugus Etilendiamin yang Terimobilisasi pada Silika Melalui Proses Sol-Gel
2007
4.
Selektivitas Adsorpsi Multilogam Ag(I), Cu(II), Pb(II), Ni(II) dan Cr(III) pada Hibrida Etilendiamino-Silika dari Abu Sekam Padi Melalui Proses Sol-Gel (Ketua, Penelitian Fakultas, FMIPA UNY)
2008
5.
Pemanfaatan Abu Sekam Padi Untuk Sintesis Hibdrida Silika 2009 Ammonium Kuartener Sebagai Penukar Ion Logam Berat (Ketua, Penelitian Strategi Prioritas Nasional, DP2M-Dikti) Pengembangan Sel Surya Hybrid Berbasis Nanokristalin 2009
6.
7. 8.
TiO2- Konjugasi Polimer Organik sebagai Alternatif Sumber Energi Terbarukan(Anggota, Penelitian Strategi Prioritas Nasional) Pemanfaatan Abu Sekam Padi sebagai Campuran Semen untuk Beton Mutu Tinggi (Ketua, Penelitan Fakultas, FMIPA UNY) Pengembangan Fotovoltaik Generasi III: Sel Surya Lapisan
33
2010 2010
Tipis Titaniumdioksida-Nanotubes Tersensitifkan Quantum Dots (Anggota, Penelitian Strategi Prioritas Nasional) Studi Kandungan Pb dalam Gorengan yang Dijual di Pinggir Jalan (Anggota, Penelitian Fakultas, FMIPA UNY)
9.
2010
10.
Peningkatan Kualitas Minyak Goreng Bekas (Jelantah) Menggunakan Zeolit Alam dengan Metode Reaktor Sistem Batch (Anggota, Penelitian Fakultas, FMIPA UNY)
2011
11.
Nilai Gizi Modisco Disubstitusi (Anggota, Penelitian Fakultas, FMIPA UNY)
2011
D. Publikasi Ilmiah No
Karya Ilmiah
1.
Dyah Purwaningsih, Indyah SA, Peran Penting Ilmu Kimia dalam Perkembangan Industri Flavor dan Fragrance di Dunia, Prosiding Seminar Nasional Fakultas MIPA UNY, Agustus 2004
2.
Dyah Purwaningsih, Sukisman P, Buah Duwet (Syzgium cumini) sebagai Salah Satu Alternatif Sumber Antosianin Alami Pengganti Antioksidan Sintetik, Prosiding Seminar Nasional Kimia UNY, Oktober 2004
3.
Dyah Purwaningsih, Mengenal Flavor di Kehidupan Kita, WUNY, Agustus 2004
4.
Dyah Purwaningsih, Minyak Atsiri Sebagai Komponen Utama Bahan Pembuat Flavor dan Fragrance Untuk Industri Flavor dan Fragrance di Indonesia, WUNY, November 2004
5.
Dyah Purwaningsih, Proses Biosorbsi dengan Menggunakan Mikroorganisme sebagai Salah Satu Alternatif Bioremoval Logam Berat dalam Lingkungan Tercemar, Prosiding Seminar Nasional Fakultas MIPA UNY, Agustus 2005
6.
Dyah Purwaningsih, Kaitan Sarjana S1 Kimia dengan Industri Parfum dan Fragrance di Indonesia, Prosiding Seminar Nasional Kimia UNY, Oktober 2005
7.
Regina TP, Dyah Purwaningsih, Analisis Kadar Gizi dan Zat Aditif dalam Bakso Sapi dari Beberapa Produsen, Prosiding Seminar Nasional Fakultas MIPA, Agustus 2007
8.
Dyah Purwaningsih, Arsenik dalam Air Minum (Suatu Problem Global Dalam Lingkungan), WUNY, Agustus 2007
9.
Dyah Purwaningsih, Narsito, Nuryono, Studi Sorpsi-Desorpsi Cr(III) pada Gugus Etilendiamin yang Terimobilisasi Silika Melalui Proses SolGel, Prosiding Seminar Nasional Kimia UNY, November 2007
10.
Dyah Purwaningsih, Narsito, Nuryono, Pemanfaatan Hibrida Etilendiamino-Silika dari Abu Sekam Padi sebagai Adsorben Cr(VI), Prosiding Seminar Nasional Kimia UNY, November 2007
11.
Dyah Purwaningsih, Abu Sekam Padi dan Teknik Pemodifikasiannya Sebagai Adsorben Logam Berat di Lingkungan, Prosiding Seminar 34
Nasional Fakultas MIPA UNY, Mei 2008 12.
Dyah Purwaningsih, Characteristics Adsorption Multimetals of {Ag(I), Cu(II) and Cr(III)} and Ethylenediamine Group Immobilized On Silica from Rice Hull Ash, Proceeding Seminar Internasional ICYC USM Malaysia, Juni 2008
13.
Dyah Purwaningsih, Teknik Ekstraksi Fasa Padat (EFP) untuk Analisis Kimia Modern, Prosiding Seminar Nasional Kimia UNY, November 2008.
14.
Dyah Purwaningsih, Pujianto, Blended Learning Through ICT: New Perspectives from On-Campus and Distance Studies, Proceeding Seminar Internasional APEC-UNY, Februari 2009
15.
Dyah Purwaningsih, Adsorpsi Multi Logam Ag(I), Pb(II), Cr(III), Cu(II) dan Ni(II) pada Hibrida Etilendiamino-Silika dari Abu Sekam Padi, Prosiding Seminar Nasional MIPA UNY, Mei 2009
16.
Dyah Purwaningsih, Implementation of Cooperative Learning Type Jigsaw on Basic Inorganic Chemistry: What These Activities Mean to Students, Prosiding Seminar Internasional UNY, Mei 2009
17.
Dyah Purwaningsh, Pujianto, Blended Cooperative e-Learning Sebagai Sarana Pendidikan Penunjang “Learning Community”, Prosiding Seminar Nasional PHKI, UNY, Juli 2009.
18.
Pujianto, Dyah Purwaningsih, Pemanfaatan ICT sebagai Sumber Belajar Sains (Current Science Issue References) dalam Penerapan Problem Based Learning di Sekolah, Prosiding Seminar Nasional PHKI, UNY, Juli 2009.
19.
Dyah Purwaningsih, Hari Sutrisno, Kun Sri Budiasih, An Application of Digital Chemistry Telling (DCT) into the Basic Inorganic Chemistry Course to Improve Students’ Listening and Speaking Skill s: In Supports for the Vision Towards a World Class University (WCU), Prosiding Seminar Internasional FMIPA, UNY, Desember 2009
20.
Dyah Purwaningsih, Nuryono, Regina Tutik Padmaningrum, Cahyorini K, Synthesis and Characterization of Quaternary Ammonium Salt on Silica Gel Prepared from Rice Hull Ash, Prosiding Seminar Internasional Paccon 2010, Thailand, Januari 2010
21
Maryati, Indyah Sulistyo Arty, Dyah Purwaningsih. Upaya Peningkatan Kemampuan Membaca Teks Bahasa Inggris Melalui Model Pembelajaran PBL (Problem Based Learning), Prosiding Seminar Nasional Kimia, FMIPA UNY, Oktober 2010
22
Dyah Purwaningsih, Hari Sutrisno. Pengembangan Titanium Dioksida Untuk Aplikasi Sebagai Material Anti Buram. Prosiding Seminar Nasional FMIPA, UNY, Mei 2011 Yogyakarta, 10 Oktober 2012 Yang menyatakan, Dyah Purwaningsih, M.Si NIP. 19780722 200312 2001 35
BIODATA ANGGOTA PENELITI I. IDENTITAS DIRI 1.1. Nama Lengkap (dengan gelar)
Dr. Hari Sutrisno
L/P
1.2. Jabatan Fungsional
Lektor Kepala
1.3. NIP
132011628
1.4. Tempat dan Tanggal Lahir
Banyuwangi, 07 April 1967
1.5. Alamat Rumah
Dsn. Sorolaten, Rt. 01, Rw. 14, No. A-14a, Desa Sidokerto, Kec. Godean, Sleman, DI Yogyakarta
1.6. Nomor Telp
(0274) 6505492
1.7. Nomor HP
08122753549
1.8. Alamat Kantor
Jurdik Kimia, FMIPA-UNY, Kampus Karangmalang, DI Yogyakarta
1.9. Nomor Telepon / Faks
Telp. (0274) 586168 Psw.115 /Faks. (0274) 548203
1.10. Alamat e-mail
[email protected]
1.11. Lulusan yang telah dihasilkan S1 = 26 mhs ; S2 = -- mhs; S3 = -- mhs 1.12. Mata Kuliah yang diampu
(1). Kimia Anorganik I; (2). Kristalografi dan mineralogi; (3). Kimia Zat Padat
II. RIWAYAT PENDIDIKAN 2.1. Program
S1
2.2. Nama PT
UNY
S2
S3
Institut Teknologi Ecole Doctorale Bandung (ITB) Poly. STIM, Univ. de Nantes, France
Post-S3 (Post-Doc., 1 Th.) IMN Jean Rouxel, France
2.3. Bidang Ilmu
Pend. Kimia
Kimia
2.4. Th. Masuk
1986
1993
1998
2007
2.5. Th. Lulus
1991
1996
2001
2008
Sintesis dan Karakterisasi Senyawa Cordierit
2.6. Judul Skripsi/ Tesis/ Disertasi
Pengaruh metode eksperimen terhadap prestasi belajar kimia SMA
2.7. Nama Pemb./ Promotor
Prof. Dr. Sukardjo Prof. Dr. N. M. Surdia & & Drs. Dr. Bambang Sukobagyo
36
Chime Avance Etat Chime Avance Etat Solide Solide
Synthèse et Caractérisation de “TiO2” MicroMésostructuré a Diménsionalité Contrôlée (0D, 1D, 2D et 3D)
Ox-TiPhotoviltaique IIIéme génération (MIB) et Photobatterie
Dr. Luc BROHAN
Dr. Miraille RICHARD & Dr. Luc BROHAN
Ariwahjoedi
III. PENGALAMAN PENELITIAN (bukan skripsi, tesis maupun disertasi) No. Tahun
1.
2009
2.
2008
3.
2007
4.
2006
5.
2005
6.
2004
7.
2005
8.
2003
9
2003
Judul
Rekayasa struktur dan morfologi nanopartikel titanium oksida melalui proses kimia basa dan uji aktifitas degradasi terhadap molekul polutan organik serta aplikasi sebagai partikel penyaring pada AC (Air Conditioner) Mekanisme Transisi Fasa Alotropik Titanium Dioksida Melalui Kondensasi Ex-situ Hidrogen Titanat Tipe Struktur Lepidokrosit Layer Tetratitanat Terpilarkan Spesies Oligomer dari Kluster Polikation Zr(IV) dan Ti(IV) Layer Tetratitanat Terpilarkan Spesies Oligomer dari Kluster Polikation Krom(III) dan Aluminium(III) Mekanisme Reaksi Kimia Degradasi Polutan Organik di Lingkungan oleh Titanium Oksida dan Titanium Silikat Mesopori-Mesotruktur Sintesis Titanium Oksida dan Titanium Silikat Mesopori-Mesotruktur Zeolit Redoks Titanium Silikat Tipe MFI dengan Sumber Titanium dari Kristal [Ti8O12(H2O)24]Cl8.HCl.7H2O Optimasi dan Mekanisme Reaksi Pembentukan Kristal Material Mikropori-Redoks Titanium Silikat Tipe MFI Mekanisme Transisi Fasa Alotropik TiO2 dari Kondensasi H2Ti3O7 dan H2Ti4O9 Hasil Pertukaran Kationik Na2Ti3O7 dan K2Ti4O9
Pendanaan Sumber Jml (Juta Rp.) Hibah 100 Kompetensi
Fundamental Riset
38
Fundamental Riset Fundamental Riset
35
Hibah Bersaing
38
Hibah Bersaing Percepatan Perolehan Paten Penelitian Dasar
38
Research Grant DUELike
10
35
15
15
Sumber Pendanaan: PDM, SKW, Fundamental Riset, Hibah Bersaing, Hibah Pekerti, Hibah Pascasarjana, RAPID atau sumber lainnya
IV. PENGABDIAN PADA MASYARAKAT No.
Tahun
1
2004
Judul Pelatihan dan Workshop Pengajaran IPA di SMP berbasis Inquiry dan Disvovery bermakna
Pendanaan Sumber Jml (Juta Rp.) DIKS 5
Sumber Pendanaan: Penerapan IPTEKS, Vucer, Vucer Multi Tahun, UJI, Sibermas, atau sumber lainnya
37
N0.
Tahun
Judul Artikel Ilmiah
1.
2009
Pilarisasi Layer anion Tetratitanat oleh Spesies Pikation Zirkonium (IV)
2.
2008
3
2008
Low Temperature Synthesis of Nanocrystallized Titanium Oxides with Layered or Tridimensional Frameworks, from [Ti8O12(H2O)24]Cl8·HCl·7H2O Hydrolysis Photosensitive Titanium Oxo-polymers: Synthesis and Structural Characterization
4
2007
5
2006
6
2004
7
2004
8
2003
9
2004
10
2004
11
2005
12
2005
13
2005
14
2005
Oligomeric Chromium(III) Polication Species-pillared Layered tetratitanates Anion Interkalasi n-Butilamonium ke dalam Layer Tetratitanat melalui Metode Chimie Douce Transformasi Kationik [Ti8O16(H2O)20]2+ Mekanisme Transisi Fasa Alotropik TiO2 dari Kondensasi H2Ti3O7 dan H2Ti4O9 Hasil Pertukaran Kationik Na2Ti3O7 dan K2Ti4O9 Struktur Lapis Titanoniobat terpilarkan Polimer-{Ti(IV) Oksohidroksida} Mode Vibrasi Infra Merah dan Raman dari Rutil Dua Dimensi Hasil Hidrolisis Parsial Larutan Titanium Oksoklorida Pengkajian Lingkungan Koordinasi Lokal Titanium denagn XANES dan EXAFS
Volume/ Nomor Nama Jurnal Vol. 9, Indonesian Journal of No. 3 Chemistry (IJC), Kimia-UGM Vol.20 Chemistry of Material No.14 (America Chemical Societe)
Vol. 20 No. 4 Vo. 7, No. 1 Edisi Agustus Vol. 8, No. 1 Th. IX, No. 2
VoL. 8, No. 4 Vo. 3, No. 1
Edisi khusus, Th. IX Silikat dan Titanium Silikat MesoporiVol. 10, mesostruktur Berbasis Struktur Heksagonal No. 2 dan Kubik Optimasi dan Mekanisme Reaksi Th. X, Pembentukan Kristal Mikropori Redoks No. 2, Titanium Silikat Tipe MFI Synthesis of Silicate-1 Using Th. X, Na[N(CH3)4]7[Si8O20].54H2O Crystal as No. 2 Silicon Source Crystallization and Characterization of Vol.5, Chromium-Containing Silicalite-1 No.3,
38
Chemistry of Material (America Chemical Societe) Indonesian Journal of Chemistry (IJC), Kimia-UGM Jurnal Sain dan Teknologi, FMIPAUnila Jurnal Natural, FMIPA-Unibraw Jurnal Pend. Matematika dan Sain (JPMS), FMIPA-UNY Jurnal Matematika dan Sain (JMS), FMIPAITB Jurnal Pen. Kimiia Alchemy, KIMIAUNS Jurnal Pend. Matematika dan Sain (JPMS), FMIPA-UNY Jurnal Matematika dan Sain (JMS), FMIPAITB Jurnal Pen. Kimiia Alchemy, Kimia-UNS Jurnal Pend. Matematika dan Sain (JPMS), FMIPA-UNY Indonesian Journal of Chemistry (IJC), Kimia-UGM
VI. HKI PATEN No. 1.
2.
3.
Th.
Judul/Tema HKI
Jenis
2007 Titanium aquo-oxochloride and USPTO (United preparation method thereof State Patent & Trandemark Office) 2004 WIPO (Word Intelectual Property Organization) 2005 Titanium oxide-based sol-gel USPTO (United polymer State Patent & Trandemark Office) 2003 WIPO (Word Intelectual Property Organization) 2006 Metode preparasi silikat dan Patent (HKI) titanium silikat mesoporiIndonesia mesostruktur berbasis heksagonal dan kubik
No. Pendaftaran/ Sertifikat US 2007/0041890 A1
WO/2004/101436
US 2005/0163702 A1
WO/2003/064324
P00200600061 (Pemeriksaaan Intensif)
SEMUA DATA YANG SAYA ISIKAN DAN TERCANTUM DALAM BIODATA INI ADALAH BENAR DAN DAPAT DIPERTANGGUNG JAWABKAN SECARA HUKUM. DAN APABILA DIKEMUDIAN HARI TERNYATA DIJUMPAI KETIDAK SESUAIAN DENGAN KENYATAAN, SAYA SANGGUP MENERIMA RESIKONYA. Demikian biodata ini saya buat dengan sebenarnya untuk memenuhi persyaratan sebagai salah satu syarat pengajuan hibah penelitian kompetensi.
Yogyakarta, 10 September 2012 Peneliti,
(Dr. Hari Sutrisno) NIP. 19670407 199203 1 001
39
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
Identitas diri Nama Tempat,Tgl lahir NIP Pangkat/Golongan Jabatan Jenis kelamin Bidang keahlian Instansi
: : : : : : :
Alamat rumah
:
Dewi Yuanita Lestari, SSi., M.Sc. Yogyakarta, 1 Juni 1981 19810601 200501 2 002 Penata Muda Tingkat I / III/b Asisten ahli (100) Perempuan Kimia Fisika Jurdik Kimia FMIPA UNY Karangmalang Yogyakarta 55281 Telp (0274) 586168 Sambilegi baru kidul 5/57 no Yogyakarta 55282 Telp.(0274) 488012 HP 081227518882
174
Maguwoharjo
Riwayat Pendidikan No 1 2
Jenis Pendidikan S1 Kimia S2 Ilmu Kimia
Minat Kimia Fisika Kimia Fisika
Penyelenggara UGM, Yogyakarta UGM, Yogyakarta
Tahun 2003 2010
Pengalaman Penelitian No
1 2 3 4 5
Judul Pengaruh Temperatur Refluks Terhadap Preparasi dan Karakterisasi Katalis Cu/γ-Alumina Pembuatan Membran Cair Emulsi Tipe w/o/w untuk Pemisahan Cr(III) Pendekatan Hubungan Kuantitatif Struktur Kimia dan Aktivitas (HKSA) untuk Mendesain Senyawa Tabir Surya Baru Hidrogenasi Katalitik Metil Oleat menjadi Stearil alkohol Menggunakan Katalis Ni/Zeolit Alam
Tahun
sumber dana
Kedudukan
2003
SKRIPSI
2005
DIPA UNY
Anggota
2006
DIPA UNY
Ketua
2010
TESIS
HIBAH Mahasiswa S2 2007-2008 PASCASARJANAanggota tim peneliti DIKTI
Konversi Katalitik Minyak Sawit Menjadi Biogasoline
Publikasi Ilmiah No 1
2 3 4 5
Judul Pengaruh Temperatur Refluks Terhadap Preparasi dan Karakterisasi Katalis Cu/γ-Alumina Katalis Logam Pengemban
Tahun 2003 2005
Hidogenasi Katalitik Metil Oleat menggunakan Katalis Ni/Zeolit dan Reaktor Sistem Fixed Bed . Hidrogenasi Katalitik Metil Oleat menjadi Stearil alkohol Menggunakan Katalis Ni/Zeolit Alam
Kajian modifikasi dan karakterisasi zeolit alam dari berbagai negara
40
2008 2009 2010
Penerbit Prosiding Seminar Nasional Kimia, Jurusan Kimia FMIPA UGM 2003 Prosiding Seminar Nasional Kimia, Jurdik Kimia FMIPA UNY, 2005 Prosiding Pertemuan Ilmiah Tahunan PERMI Prosiding Seminar Nasional Kimia, Jurdik Kimia FMIPA UNY, 2009 Prosiding Seminar Nasional Kimia, Jurdik Kimia FMIPA UNY, 2010
Pengabdian Pada Masyarakat No 1 2
Judul
Tempat Desa Jatisarono Kulonprogo Desa Mranggen Yogyakarta
Diversifikasi Produk Olahan Ayam Tanaman obat untuk Kesehatan Gatal
Tahun, sumber dana 2005, DIPA UNY 2005, DIPA UNY
Pendidikan Tambahan/Pelatihan No
Jenis Pendidikan/Pelatihan
Lemlit UNY
Tahun 2005
Lemlit UNY
2006
Jurusan Kimia UGM
2007
Jurdik Kimia UNY
2008
Penyelenggara
Pelatihan Penyusunan Artikel Jurnal Seminar-Lokakarya “Metodologi Penelitian Positivistik, Naturalistik, dan Tindakan Kelas” Pelatihan Instrumen:GC, GC-MS, HPLC, IR, XRD, AAS Seminar Nasional “ Peran Kimia dan Pendidikan Kimia di Era Global Menuju Penelitian dan Pendidikan Berkualitas”
Demikian daftar riwayat hidup ini saya buat dengan sebenar-benarnya.
Yogyakarta, September 2012 Yang menyatakan
Dewi Yuanita Lestari, S.Si., M.Sc. NIP. 19810601 200501 2 002
41
C. SINOPSIS PENELITIAN LANJUTAN SINTESIS DAN KARAKTERISASI ELEKTRODA POSITIF Li1+xMn2-xO4 DENGAN METODE PENGENDAPAN MATRIKS POLIMER UNTUK APLIKASI BATERAI LITIUM
Dyah Purwaningsih, Hari Sutrisno, Dewi Yuanita Lestari
Dewasa ini baterai tidak dapat lepas dari kehidupan sehari-hari. Telpon seluler, kamera digital, laptop hingga mobil hibrid, semuanya memerlukan baterai sebagai sumber penggerak. Di anatara banyak jenis baterai, yang banyak mendapat perhatian baterai litium. Selain memiliki daya yang tinggi, baterai ini ringan dan dapat dipakai berkali-kali. Seiring pesatnya perkembangan teknologi, maka baterai litium yang dituntut mampu menghasilkan energi lebih tinggi menjadi sangat dibutuhkan. Mangan dioksida (MnO2) dan turunannya merupakan salah satu bahan baterai yang banyak dipergunakan sebagai bahan elektroda positif untuk baterai primer dan baterai litium yang rechargeable. Senyawa turunan MnO2 yaitu Li1+xMn2-xO4 menjadi salah satu kandidat utama sebagai bahan elektroda positif untuk baterai litium karena jumlahnya yang melimpah, low cost dan ramah lingkungan. Dari penelitian tahun ke-1 telah berhasil disintesis Li1+xMn2-xO4 melalui pengembangan teknik sintesis dari metode chimie douce yaitu metode pengendapan matriks polimer dengan teknik hidrotermal. Penelitian pada tahun ke-2 ini akan mengembangkan sintesis Li1+xMn2-xO4 dengan metode pengendapan matriks polimer dengan teknik refluks. Polimer yang digunakan dalam penelitian ini adalah etilen glikol. Variabel yang diteliti dalam penelitian ini adalah suhu sintesis, perbandingan mol prekursor, pH, temperatur kalsinasi dan waktu sintesis. Karakterisasi Li1+xMn2-xO4 hasil sintesis dianalisis dengan XRD, SEM, dan TEM. Sementara itu, untuk karakterisasi struktur mikro dilakukan secara ab initio yaitu optimasi secara struktur secara komputerisasi untuk system-sistem yang besar yang mengandung beribu-ribu atom. Hasil yang diharapkan pada penelitian tahun ke-2 adalah terbentuknya struktur spinel Li1+xMn2-xO4 dengan lorong 1x1 yang memiliki kemurnian tinggi dan dapat dipergunakan untuk akomodasi serta transportasi ion litium sehingga dapat dimanfaatkan sebagai bahan elektroda positif baterai litium berdaya dan energi tinggi sehingga potensial dikembangkan sebagai sumber energi terbarukan.
Kata kunci
: baterai litium, Li1+xMn2-xO4, teknik refluks
42
