Metode Sintesis Graphene dan Teknologi Penerapannya Yeti Rafitasari January 3, 2016 Perkembangan teknologi dewasa ini begitu pesat. Adanya tuntutan dari konsumen yang semakin membutuhkan perangkat elektronik yang efisien, ringan dan tentunya dengan performa tinggi, menuntut perkembangan ilmu material untuk menemukan sebuah material baru yang dapat memenuhi kebutuhan tersebut. Salah satu tuntutan material tersebut adalah material yang dapat diaplikasikan pada rancangan perangkat elektronik yang futuristik dan setipis mungkin. Kendala yang dialami oleh produsen perangkat elektronik sekarang adalah belum adanya sebuah material yang fleksibel dengan konduktivitas elektrik yang tinggi yang dapat diaplikasikan pada perangkat elektronik seperti pada layar LCD, baterai lithium-ion, transistor, superkapasitor, dll [1]. Graphene adalah material yang dapat menjawab kebutuhan hal tersebut. Permasalahan yang kemudian muncul adalah proses sintesis massal yang masih menjadi kendala. Material graphene merupakan material yang tersusun atas atom-atom karbon monolayer yang membentuk struktur heksagonal seperti sarang lebah dua dimensi. Graphene memiliki sifat-sifat yang khas antara lain Dirac Fermion, ballistic electron transport, efek Hall kuantum dan chiral tunneling[2]. Graphene juga memiliki luas permukaan yang spesifik (2630 m2 g −1 ), mobilitas elektrik sebesar 2 × 106 cm2 V −1 s−1 , konduktivitas termal sebesar 5000 W m−1 K −1 dan transitansi optik 97,7% [3]. Pada daerah energi 0,1 eV sampai dengan 0,6 eV graphene monolayer memiliki konduktansi universal ±6, 08 × 10−5 Ω−1 [4] dan memiliki nilai regangan yang bersifat reversible serta memiliki kekuatan tekanan terhadap pseudo-medan magnet masing-masing sebesar 20% dan 300 Tesla[5], sedangkan graphene multilayer memiliki mobilitas carrier pada suhu 3000 K sebesar 1500 cm2 V −1 s−1 dan pada suhu 40 K sebesar 6000 cm2 V −1 s−1 [6] (Lihat gambar 1). Berbagai metode sintesis telah dikembangkan untuk proses sintesis graphene diantaranya adalah (a) Mechanical exfoliation graphene menggunakan metode peel-of dengan Scotch-tape, (b) CVD lapisan Graphene, (c) Metode Hummer, (d) Sintesis Graphene dengan metode Reduksi Grafit Oksida (GO)[7]. Mechanical exfoliation graphene merupakan metode yang mudah digunakan akan tetapi hanya dapat menghasilkan graphene dalam jumlah sedikit, karena metodenya menggunakan pengelupasan secara mekanik pada grafit. 1
Gambar 1: Graphene Grafit yang berupa padatan, ditempeli dengan menggunakan selotip, kemudian selotip tersebut dilepas. Setelah dilepas selotip tersebut direkatkan kembali sampai pada akhirnya diperoleh graphene. Pengelupasan mekanik dapat menghasilkan lembaran graphene sampai 1 mm2 dengan sifat elektronik yang amat bagus. Lembaran ini dapat menghasilkan efek Hall kuantum dan mempunyai mobilitas bersuhu rendah sampai dengan 20.000cm2 /Vs. Metode CVD merupakan metode sintesis graphene dengan menggunakan substrat SiO2 sebagai media pertumbuhan graphene. Metode ini menggunakan peralatan penunjang dengan teknologi tinggi sehingga membutuhkan biaya relatif mahal. Namun metode ini dapat menghasilkan lebih banyak graphene dibandingkan menggunakan metode mechanical exfoliation. Metode Hummer untuk mensintesis graphene berhasil dilakukan pada tahun 2014 dengan melakukan variasi waktu ultrasonikasi dan waktu tahan proses hydrothermal dengan diperolehnya hasil graphene yang memiliki konduktifitas listrik terbaik (0,00021S/cm) dengan waktu ultrasonikasi 120 menit dan waktu tahan hydrothermal 12 jam[8].Pada tahun yang sama, graphene juga berhasil disintesis dengan metode Hummer dan reduksi Zn dengan melakukan variasi pada waktu ultrasonikasi dan temperatur Hidrotermal terhadap sifat kapasitif graphene. Hasil yang didapatkan adalah sifat kapasitansi tertinggi diperoleh pada waktu ultrasonikasi 90 menit dan temperatur hydrotermal 160 yaitu sebesar 491,36 F/gr[9]. Metode Reduksi Grafit Oksida (GO) inti metode ini adalah mengoksidasi grafit sehingga menjadi grafit oksida. Metode yang digunakan untuk mensintesis grafit oksida dalam penelitian ini adalah modifikasi Metode Hummer. Proses ini dilakukan dengan melarutkan 40 mg grafit oksida ke dalam 40 ml aquades hingga larutan menjadi homogen. Setelah larutan menjadi homogen, larutan diultrasonikasi dengan ultrasonic cleaner yang memiliki kemampuan memancarkan gelombang ultrasonik sebesar 50/60 Hz. Ultrasonikasi dilakukan dalam waktu 90 menit. Akibat gelombang ultrasonik, maka grafit oksida akan terkelupas menjadi graphene oksida (GO). Lalu ditambahkan 10 ml HCl 37% ke dalam larutan GO untuk membentuk suasana asam dan dihomogenkan dengan proses stirring. Selanjutnya ditambahkan serbuk Zn ke dalam larutan GO yang telah memiliki suasana asam dengan variasi 0,8 g, 1,6 g, dan 2
2,4 g. Zn kemudian bereaksi dengan GO sehingga menghasilkan gelembunggelembung gas karena terjadi reduksi gugus fungsi oksigen. Ketika gelembung sudah berhenti berekasi, HCl kembali ditambahkan untuk menghilangkan ZnO yang merupakan pengotor. Dari proses sintesis ini dihasilkan graphene oksida tereduksi (rGO). Setelah proses sintesis ini, larutan rGO dicuci berulang kali dengan aquades untuk menetralkan pH-nya. Setelah pH menjadi netral, larutan rGO di-hydrothermal untuk membentuk struktur graphene yang lebih stabil. Proses hydrothermal dilakukan selama 12 jam. Larutan rGO dimasukkan ke dalam wadah teflon, yang kemudian dimasukkan ke dalam autoclave dan dikencangkan dengan skrup agar benar-benar kedap udara. Air dalam larutan rGO akan mencapai kondisi kritis dan memiliki tekanan tinggi akibat temperatur yang tinggi sehingga dapat berperan sebagai agen kristalisasi fasa [10]. Proses sintesis graphene dengan menggunakan Metode Reduksi Grafit Oksida (GO) dianggap sebagai metode paling sesuai karena bersifat sederhana, sesuai untuk produksi skala besar, dan murah.
Gambar 2: Sintesis GO dari graphite Baru-baru ini tim peneliti dari Inggris dan Irlandia menemukan cara terbaru untuk mensintesis graphene yaitu dengan menuangkan bubuk graphite, seperti yang digunakan di dalam pensil, ke dalam blender. Setelah itu mereka menambahkan air dan cairan pembersih piring dan mencampurnya di dalam blender dengan kecepatan tinggi. Proses tersebut menghasilkan graphene, material paling tipis di dunia tetapi sangat kuat. Bahan graphene mempunyai potensi mentransformasikan elektronik dan teknologi-teknologi lain. Tenaga yang tercipta dari alat berputar dalam kecepatan tinggi di cairan, cukup kuat untuk memisahkan lapisan-lapisan graphene yang membentuk butiran graphene tanpa merusak struktur dua dimensi. Peneliti menyebut perkembangan ini sebagai langkah penting menuju penggunaan graphene di berbagai aplikasi komersial, termasuk pengolahan air, pembersihan tumpahan minyak dan bahkan untuk memproduksi kondom lebih tipis. Temuan tim peneliti dimuat di jurnal Nature. Sejauh ini masih sulit memproduksi graphene dalam skala industri. Semua sifat-sifat elektronik, optic,termal, dan magnetik yang menjadi kelebihan graphene diatas dapat digambarkan dengan jelas dengan mengkajinya mulai dari bagian fundamental yaitu struktur pita elektronik (energi dispersi) juga 3
rapat keadaan material graphene. Graphene yang memiliki sifat semimetal (pita valensi dan konduksi bertemu pada titik K yang simetri) dapat dimodifikasi struktur pitanya sehingga terjadi celah diantara pita konduksi dan valensinya diatas maupun dibawah aras tenaga Fermi. Berbagai model telah dicoba untuk menggambarkan struktur pita elektronik graphene secara analitik yang menggunakan model ikatan kuat, maupun numerik seperti Density Functional Theory juga Tight Binding dengan penyelesaian Time Dependent Schrodinger Equation. Graphene merupakan material unik yang menjadi harapan bagi perkembangan industri otomotif, medis, pesawat terbang, maupun industri elektronik seperti transistor efek medan, Transparent Conductive Film,elektroda baterai ramah lingkungan, komposit nano polimer,superkapasitor, dll. Bahkan,baru-baru ini, Samsung Electronics telah mengembangkan terobosan teknologi yang bisa menggandakan kapasitas baterai lithium-ion dengan lapisan graphene yang bebas silikon karbida. Pemerhati industri berharap teknologi baru ini bisa membawa perubahan yang signifikan untuk memperpanjang daya tahan baterai pada perangkat mobile dan mobil listrik. Tim peneliti Samsung mengembangkan teknologi dari pertumbuhan graphene secara langsung lewat silikon nanopartikel tanpa pembentukan silikon karbida. Lapisan graphene yang berlabuh ke permukaan silikon mengakomodasi perluasan volume silikon melalui proses pergeseran antara lapisan graphene yang berdekatan. Ketika dipasangkan dengan lithium kobalt oksida katoda komersial, lapisan graphene yang bebas silikon karbida memungkinkan sel penuh untuk mencapai kepadatan energi volumetrik hampir dua kali lebih tinggi daripada baterai lithium-ion komersial yang ada saat ini. ”Pengamatan ini menunjukkan bahwa lapisan dua dimensi dari struktur graphene dan integrasi bebas silikon karbida dengan silikon dapat berfungsi sebagai prototipe dalam memajukan silikon anoda menjadi teknologi komersial[11].
Gambar 3: Li-ion Battery
4
References [1] Nur,L., Susanti, D., Teknik, J., Industri, F. T., & Sepuluh, I. T. ” Pengaruh Variasi Kadar Zn Dan Temperatur Hydrotermal Terhadap Struktur Dan Nilai Konduktivitas Elektrik Material Graphene, 3(2)185–190. (2014) [2] Castro Neto, A.H., Guinea, F, Peres N. M. R, Novoselov, K. S. dan Geim, A. K., ” The Electronic Properties of Graphene, Rev. Mod.Phys, Volume 81. (2009) [3] Zhu, Y.,Murali, Weiwei Cai,S., Li, X., Suk, J.W., Potts,J.R., dan Ruoff, R.S. ” Graphene and Graphene Oxide: Synthesis, Properties and Applications,Adv. Mater., XX, 1–19 (2010) [4] Kuzmenko, A.B., van Heumen, E., Carbone, F., dan van der Marel, D., ” Universal Dynamical Conductance in Graphite, Phys. Rev. Lett 100, 117401 (2008) [5] Peres, N.M.R., ” The Transport Properties of Graphene: An Introduction,Rev. Mod.Phys. 82, 2673. (2010) [6] Novoselov, K.S., Geim, A.K., Morozov, S.V., Jiang, D., Zhang, Y., Dubonnos, S. V., Grigorieva, I. V., Firsov. A. A.,, ” Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films,Science 306, 666. (2004) [7] Junaidi, M., dan D.Susanti, ” Pengaruh Variasi Waktu Ultrasonikasi dan Waktu Tahan Hydrothermalterhadap Struktur dan Konduktivitas Listrik Material Graphene,3(1). (2014) [8] Pradesar,Y., dan D.Susanti, ” Pengaruh Waktu Ultrasonikasi dan Waktu Tahan Proses Hydrothermal Terhadap Struktur Dan Sifat Listrik Material Graphene,Tugas Akhir ITS:Surabaya (2014) [9] Nurdiansyah,H., dan D. Susanti, “ Pengaruh Temperatur Hidrotermal dan Waktu Ultrasonikasi Terhadap Nilai Kapasitansi Elektroda Electric Double Layer Capasitor (EDLC) dari Material Grafena, Tesis ITS: Surabaya (2014) [10] Faiz, R., dan D. Susanti, ” Analisis Pengaruh Massa Reduktor Zinc terhadap Sifat Kapasitif Superkapasitor Material Graphene,4(1), 95–100 (2015) [11] Son, I. H.,J. Hwan Park,S. Kwon, S. Park, M. H.R¨ ummeli, , Bachmatiuk, H.Chang, ” Silicon carbide-free graphene growth on silicon for lithium-ion battery with high volumetric energy density,Nature Communications,7393. http://doi.org/10.1038/ncomms8393 (2015)
5
