Skripsi
MODIFIKASI PERMUKAAN KARBON AKTIF TONGKOL JAGUNG (Zea mays) DENGAN HNO3, H2SO4, DAN H2O2 SEBAGAI BAHAN ELEKTRODA SUPERKAPASITOR
HARFIANTI AMIRUDDIN H 311 12 004
JURUSAN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS HASANUDDIN MAKASSAR 2016
Bukan karena rumah istana kita jadi bahagia, tapi karena kita bahagia rumah bagai istana. Bukan karena mudah kita yakin bisa, tapi karena kita yakin bisa semua menjadi mudah. Bukan saking nikmatnya kita jadi bersyukur, tapi karena kita bersyukur semua jadi terus nikmat bukan karena hari ini indah kita bisa tersenyum, tapi karena kita tersenyum hari ini jadi begitu indah. Kebahagiaan hadir karena kita memilih untuk bahagia
-Ahmad Rifa’i Rifan-
PRAKATA
Assalamu’alaikum wr.wb. Segala puji bagi Allah Subhaanahu wata’ala atas limpahan rahmat dan karunia-Nya, tiada henti memberikan nikmat yang begitu besar, khususnya nikmat iman dan Islam yang masih melekat pada diri pribadi. Tidak lupa kami kirimkan salawat dan salam kepada Rasulullah shallallahu ‘alaihi wasallam sebagai suri taudalan terbaik, atas perjuangan beliau sehingga kita masih bisa merasa nikmat berislam hingga pada detik ini. Tidak lupa pula, kepada keluarga beliau, sahabat, sahabiyah, tab’in, tabi’ut-tabi’in dan orang-orang yang tetap istiqamah di jalan dinul Islam ini hingga qadarnya berlaku pada diri mereka. Alhamdulillah, penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul Modifikasi Permukaan Karbon Aktif Tongkol Jagung (Zea mays) dengan HNO3, H2SO4, dan H2O2 sebagai Bahan Elektroda Superkapasitor sebagai salah satu syarat mendapatkan gelar sarjana sains Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Hasanuddin. Pada lembaran ini, penulis ingin menyampaikan terima kasih yang sedalamdalamnya kepada orangtua Amiruddin dan Hafsah yang selalu mendukung dalam mendapatkan pendidikan dan yang tiada henti memberikan doa terbaik. Ucapan syukur yang kedua untuk adik-adikku Hardianti Amiruddin, Sri Ramadani, Muh. Husni Mubarak, Nurul Yakin, Ahmad Shodikin Akram, dan Izza Samha Fakhira sebagai sumber motivasi. Ketiga, untuk semua keluarga yang senantiasa mengiringi do’a dan dukungannya. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada :
iii
1. Dr. Paulina Taba, M.Phil, dan Dr. Sci. Muhammad Zakir selaku pembimbing yang telah berkenan meluangkan waktu dan tenaganya dalam memberikan bimbingan dan petunjuk yang sangat berharga dari awal persiapan hingga selesainya penelitian ini. 2. Tim penguji hasil penelitian Prof. Dr. Alfian Noor, M.Sc (ketua), Dr. Abdul Karim, M.Si (sekretaris), Drs. Frederick Mandey, M.Sc (anggota),
Dr.
Syahruddin
Kasim,
S.Si,
M.Si
(anggota),
Dr. Paulina Taba, M.Phil (anggota), dan Dr. Sci. Muhammad Zakir (anggota) atas saran dan kritikan yang diberikan. 3. Seluruh staf dosen, dan pegawai Jurusan Kimia analis Laboratorium Kimia, Pak Irsan, Ibu Sarinah, Ibu Barlian, kak Fibi, kak Linda, kak Hanna, Pak Sugeng, Ibu Tini. 4. Sahabat-sahabat kimia 2012 Mesomeri : Rahmad, Pram, Ahmad, Renhard, Usman, Edar, Manti, Fadlia, Nia, Gisel, Fani, Egi, Widya, Wiwi, Mirna, Imelda, Yunita, Ilham, Arin, dan Fitri. Terima kasih atas kebersamaan dan pengalaman yang tak terlupakan. 5. Keluarga Besar Pengurus Mushalla Istiqamah FMIPA Unhas. Terima kasih
atas
dukungan
do’a,
nasihat
dan
semangat
dakwah,
dan
kebersamaannya di jalan dakwah. 6. Seluruh warga dan alumni KMK FMIPA Unhas. HMK tempat kita dibina, HMK tempat kita ditempa. 7. Kakak-kakak, adik-adik, serta alumni KM FMIPA Unhas. Salam Use Your Mind Be The Best.
iv
8. Teman-teman seperjuangan penelitian Kimia Fisika : Kibel, Yenni, Gisel, Widya, Afida, Ariya, Sita, Rifka, Salma, Ogel, Rara, Santi, Ulfa, Jefri. Terima kasih atas bantuan dan kebersamaannya selama di laboratorium. 9. Halaqah Tarbiyah Aabidat 5 : Kak Lutfah, Latifah, Iffah, Alya, Ifah, Ramlah, Mutmainnah, Ulfa, Dera, Kiki, Hafsah, Tuti, Aisyah, Akra, Annisa, Zahrah, Yana. Terima kasih atas bekal ilmu akhirat yang begitu berharga dan kebersamaan selama bermajelis ilmu. 10. KKN Gel. 90 Sinjai Selatan, Posko Desa Puncak : Kak Haidir (kordes), Sul, Ekhy, Novi, dan terkhusus untuk Bapak Anwar, Ibu Kartini, Jum, Sahrul, dan Kia, selaku keluarga di tempat KKN. 11. Sahabat-sahabat Ikatan Remaja Masjid Muhajirin (Ikramin), Ustad Aswar, Ustadzah Kiki, Lisna, Risal, Kak Nini, Nuhi, Dian, Rista, Aidil, kak Fathin, Fajrin, Ana Riri, Erni, Ica, Nabila, Fajril. Terima kasih atas dukungan dan doanya. 12. Sahabat-sahabat SMA 21 Makassar, Lisna, Uchy, Upik, Efhy, Noni, dan Mila. Penulis sadar bahwa skripsi ini masih memiliki banyak kekurangan. Oleh karena itu, kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan demi perbaikan selanjutnya. Akhirnya, penulis berharap hasil penelitian ini dapat bermanfaat dalam pengembangan wawasan bidang ilmu sains dan bidang ilmu kimia khususnya, Aamiin. Makassar, September 2016
Penulis
v
ABSTRAK
Sintesis dan karakterisasi karbon aktif tongkol jagung (Zea mays) termodifikasi HNO3, H2SO4, dan H2O2 sebagai bahan elektroda superkapasitor telah dilakukan. Karbon aktif tongkol jagung dibuat dengan beberapa tahapan, yakni karbonisasi, ekstraksi silika, aktivasi kimia dengan ZnCl2, dan modifikasi permukaan dengan HNO3, H2SO4, dan H2O2. Hasil analisis XRF menunjukkan kandungan senyawa silika pada karbon aktif sebelum ekstraksi sebesar 23,73% b/b dan hasil SEM menunjukkan pembentukan pori karbon pada hasil ekstraksi silika dan aktivasi. Luas permukaan karbon aktif yang diperoleh dengan metode BET yaitu 306,5483 m2/gram. Nilai kapasitansi spesifik dengan metode Cyclic Voltammetry yang diperoleh pada karbon aktif termodifikasi HNO3, H2SO4, dan H2O2 berturutturut sebesar 15,94; 9,88; dan 9,87 μF .
Kata kunci: Karbon aktif, modifikasi permukaan, karakterisasi, kapasitansi spesifik.
vi
ABSTRACT
Synthesis and characterization of activated carbon from corn cob (Zea mays) modified by HNO3, H2SO4 and H2O2 as a supercapacitor electrode material have been conducted. Activated carbon was made from corn cobs with several stages, namely carbonization, silica extraction, chemical activation with ZnCl2, and surface modification with HNO3, H2SO4 and H2O2. The results of XRF analysis showed that the amount of silica compound in activated carbon before extraction was 23,73 % and SEM results indicated carbon pores formation after the extraction of silica and activation. The surface area of activated carbon obtained by the BET method was 306,5483 m2/g. The specific capacitance value of activated carbon modified by HNO3, H2SO4, and H2O2 obtained by cyclic voltammetry method was 15,94; 9,88; and 9,87 μF , respectively.
Keywords: Activated carbon, surface modification, chararterization, specific capacitance.
vii
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL...................................................................................
i
HALAMAN PENGESAHAN.....................................................................
ii
PRAKATA..................................................................................................
iii
ABSTRAK ..................................................................................................
vi
ABSTRACT................................................................................................
vii
DAFTAR ISI...............................................................................................
viii
DAFTAR GAMBAR ..................................................................................
xi
DAFTAR TABEL.......................................................................................
xiii
DAFTAR LAMPIRAN...............................................................................
xiv
DAFTAR SIMBOL DAN SINGKATAN...................................................
xv
BAB I PENDAHULUAN..........................................................................
1
1.1 Latar Belakang ......................................................................................
1
1.2 Rumusan Masalah .................................................................................
4
1.3 Maksud dan Tujuan Penelitian..............................................................
4
1.3.1 Maksud Penelitian..............................................................................
4
1.3.2 Tujuan Penelitian ...............................................................................
4
1.4 Manfaat Penelitian ................................................................................
5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA...............................................................
6
2.1 Kapasitor Elektrokimia .........................................................................
6
2.2 Karbon Aktif .........................................................................................
9
2.2.1 Pembuatan Karbon Aktif....................................................................
9
viii
2.2.2 Karakterisasi Karbon Aktif ................................................................
10
2.2.3 Modifikasi Permukaan Karbon Aktif.................................................
14
2.3 Tongkol Jagung sebagai Sumber Karbon Aktif ....................................
18
2.4 Ekstraksi Silika ....................................................................................
20
2.5 Metode Voltammetri Siklik .................................................................
21
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ...............................................
23
3.1 Bahan Penelitian....................................................................................
23
3.2 Alat Penelitian.......................................................................................
23
3.3 Waktu dan Tempat Penelitian ...............................................................
23
3.4 Prosedur Penelitian................................................................................
24
3.4.1 Tempat dan Waktu Pengambilan Sampel ..........................................
24
3.4.2 Preparasi Sampel................................................................................
24
3.4.3 Karbonisasi.........................................................................................
24
3.4.4 Ekstraksi Silika ..................................................................................
24
3.4.5 Aktivasi ..............................................................................................
25
3.4.6 Modifikasi Permukaan .......................................................................
25
3.4.7 Karakterisasi Permukaan Karbon Aktif Secara Kimia ......................
25
3.4.8 Karakterisasi.......................................................................................
26
3.4.9 Pembuatan Elektroda Kerja................................................................
25
3.4.9.1 Pembuatan Elektroda Karbon .........................................................
27
3.9.4.2 Pengukuran Kapasitansi Spesifik....................................................
28
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ..................................................
29
4.1 Karbonisasi............................................................................................
29
4.2 Ekstraksi Silika .....................................................................................
30
ix
4.3 Analisis Morfologi Permukaan Karbon Aktif Tongkol Jagung............
32
4.4 Modifikasi Permukaan Karbon Aktif Tongkol Jagung.........................
34
4.5 Pengukuran Kapasitansi Spesifik..........................................................
37
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ....................................................
41
5.1 Kesimpulan ...........................................................................................
41
5.2 Saran......................................................................................................
41
DAFTAR PUSTAKA .................................................................................
42
LAMPIRAN................................................................................................
51
x
DAFTAR GAMBAR
Gambar
halaman
1. Kemampuan spesifik daya dan energi dari kapasitor konvensional, superkapasitor, baterai, dan sel bahan bakar ........................................
7
2. Rangkaian kapasitor elektrokimia lapisan ganda .................................
7
3. Karakterisasi pola XRD dari sampel karbon nanopori dengan suhu aktivasi 950 oC sampai 1150 oC .........................................................
11
4. Mikrograf SEM dari karbon aktif tongkol jagung................................
12
5. Skema permukaan kimia karbon aktif dengan beberapa tipe kelompok gugus oksigen ......................................................................
14
6. Skema pembentukan gugus fungsi oleh asam nitrat melalui thermal treatment ...............................................................................................
16
7. Material karbon tersulfonasi.................................................................
17
8. Tongkol Jagung ....................................................................................
19
9. Kurva perbandingan beda potensial dan waktu dan hasil kurva arus dan beda potensial dalam voltametri siklik ..........................................
21
10. Elektroda Pasta Karbon......................................................................
28
11. Diagram Sel Voltametri .....................................................................
28
12. Mekanisme reaksi pembentukan Na2SiO3 .........................................
31
13. (a) SEM hasil karbonisasi, (b) SEM hasil ekstraksi silika, dan (c) SEM hasil aktivasi ............................................................................
32
14. Perbandingan konsentrasi gugus fungsi karbon aktif sebelum dan setelah modifikasi HNO3, H2SO4, dan H2O2......................................
34
15. Spektrum FTIR karbon aktif ..............................................................
32
35
xi
16. Voltammogram elektroda pasta karbon aktif tongkol jagung............
37
17. Voltammogram karbon aktif termodifikasi HNO3 dengan laju scan yang berbeda .....................................................................................
39
xii
DAFTAR TABEL
Tabel
halaman
1. Modifikasi permukaan karbon aktif sebagai bahan elektroda superkapasitor ................................................................................................................ 17 2. Komponen tongkol jagung .....................................................................
19
3. Pengaruh suhu terhadap proses karbonisasi ...........................................
29
4. Kandungan senyawa oksida dalam arang tongkol jagung sebelum dan setelah ekstraksi......................................................................................
30
5. Hasil analisis BET karbon aktif tongkol jagung ...................................
33
6. Data cyclic voltammetry elektroda pasta karbon ....................................
38
7. Data cyclic voltammetry elektroda pasta karbon dengan variasi laju scan ................................................................................................................
40
xiii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran
halaman
1. Skema Prosedur Kerja ...........................................................................
51
2. Perhitungan Titrasi Boehm.....................................................................
55
3. Perhitungan Kapasitansi Spesifik ...........................................................
58
4. Dokumentasi Kegiatan Penelitian ..........................................................
59
xiv
DAFTAR SIMBOL DAN SINGKATAN
Simbol/Singkatan
Arti
C
Kapasitansi Spesifik
CV
Cyclic Voltammetry
EDL
Electric Double Layer
FTIR
Fourier Transform Infrared
SEM
Scanning Electron Microscopy
XRD
X-Ray Diffraction
XRF
X-Ray Fluoroscence
BET
Brunauer-Emmeth-Teller
KTJ
Karbon Tongkol Jagung
F/g
Farad/gram
SBET
Luas permukaan spesifik metode BET
Vpori
Volume pori
dpori
Diameter pori
mek/g
miliekivalen/gram
xv
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Dewasa ini, energi listrik telah menjadi kebutuhan pokok masyarakat dunia dan telah membawa pengaruh besar pada hampir seluruh sektor kehidupan. Kebutuhan energi di Indonesia yang masih bergantung pada bahan bakar fosil seperti minyak bumi, batubara, dan gas bumi sebagai sumber energi listrik telah berpengaruh pada dampak terhadap pencemaran udara dan akan berdampak terhadap mutu kehidupan dan kesehatan masyarakat (Slamet, 2002; Chahaya, 2005). Selain itu, bahan bakar fosil tidak dapat diperbaharui karena proses pembentukannya memerlukan waktu yang sangat panjang dibandingkan eksploitasinya (So, 2014). Kebutuhan energi di Indonesia terus mengalami peningkatan seiring dengan aktifitas ekonomi pada sektor industri, transportasi, komersial, dan rumah tangga (So, 2014). Kebutuhan energi yang semakin besar tersebut, mendorong hadirnya berbagai energi alternatif dalam memecahkan masalah krisis energi nasional. Perangkat penyimpan energi menjadi salah satu pertimbangan solusi energi alternatif. Penyimpanan energi listrik dapat dilakukan pada baterai, sel bahan bakar, dan kapasitor. Baterai dan sel bahan bakar memiliki kemampuan untuk menyimpan energi yang tinggi namun memiliki rapat daya yang kecil. Kapasitor memiliki rapat daya cukup besar namun menyimpan energi yang sangat kecil. Dari permasalahan tersebut,
kapasitor terobosan baru
yakni
superkapasitor
diciptakan untuk
memperoleh kapasitansi dengan densitas energi dan daya yang tinggi (Arepalli, dkk., 2005; Zhang, dkk., 2009).
1
Kemampuan rapat daya yang besar pada superkapasitor disebabkan oleh luas permukaan yang besar dari material elektroda (Liu, dkk., 2008). Salah satu bahan elektoda superkapastitor yang saat ini cukup popular digunakan adalah karbon aktif yang memiliki pori yang berukuran nanometer. Distribusi pori yang besar pada karbon aktif akan menghasilkan elektroda dengan luas permukaan yang besar (Nurdiati dan Astuti, 2015). Produksi material karbon aktif khususnya dari bahan alam atau biomassa menarik banyak penelitian material saat ini. Pembuatan dan pemanfaatan karbon aktif dari biomassa khususnya sebagai aplikasi elektroda elektrokimia telah diperkenalkan untuk kepentingan biomassa, bioenergi, dan pengembangan energi masa depan (Kalyani dan Anita, 2013). Karbon aktif dari biomassa dapat dibuat dari tongkol jagung, ampas tebu, tempurung kelapa, sabut kelapa sekam padi, serbuk gergaji, kayu keras, dan batu bara. Tongkol jagung merupakan salah satu limbah biomassa yang menarik diteliti sebagai bahan baku pembuatan karbon aktif karena merupakan bagian terbesar dari limbah jagung. Menurut Badan Pusat Statistik (2012) produksi jagung Indonesia pada tahun 2011 mencapai 16,3 juta ton yang berasal dari luas lahan panen 4 juta Ha dengan produktivitas rata-rata 4,1 ton tiap Ha. Tanaman jagung juga termasuk tanaman multifungsi sekaligus komoditi tanaman pangan kedua terpenting setelah padi. Berdasarkan urutan bahan makanan pokok di dunia, jagung menduduki urutan ketiga setelah gandum dan padi (Ilato dan Bahua, 2014). Sekitar 40-50% dari berat jagung merupakan tongkol jagung yang beratnya dipengaruhi oleh varietasnya (Richana, dkk., 2004; Wungkana, dkk., 2013). Selain itu, kandungan tongkol jagung sebagian besar tersusun atas lignoselulosa yaitu: Lignin (6%), selulosa (41%), dan hemiselulosa (36%), yang mengindikasikan bahwa tongkol jagung berpotensi sebagai bahan karbon aktif (Lorenz dan Kulp, 1991; Suryani, 2009). 2
Pembuatan karbon aktif terdiri atas dua tahap yaitu proses karbonisasi dan aktivasi. Karbonisasi merupakan proses pembakaran bahan baku pada suhu tinggi yang menyebabkan terjadinya dekomposisi senyawa organik yang menyusun strukur bahan baku (Ramdja, dkk., 2008) sedangkan proses aktivasi bertujuan untuk memperbesar porositas dan luas permukaan karbon aktif (Rahmawati, dkk., 2010). Umumnya karbon aktif mengandung silika yang diperoleh dari bahan bakunya, seperti tongkol jagung yang memiliki kandungan silika yang cukup tinggi yaitu 20,4% (Hartadi, dkk., 1981 dalam Sirappa, 2003). Silika tersebut perlu dihilangkan dari karbon aktif. Menurut Wei dkk. (2011), proses ekstraksi silika akan menghasilkan pori yang banyak sehingga luas permukaan dari karbon aktif meningkat. Andhika (2015) mengekstraksi silika dari karbon aktif sekam padi dan memperoleh pori yang lebih banyak pada permukaan karbon. Alif (2015) dan Labanni’ dkk. (2015) juga mengekstraksi silika dari karbon aktif ampas tebu dengan menggunakan larutan NaOH dan mendapatkan karbon bebas silika melalui variasi konsentrasi NaOH. Selain luas permukaan yang tinggi, modifikasi permukaan juga memiliki pengaruh terhadap karakteristik suatu material karbon, khususnya sebagai bahan elektroda superkapasitor (Qu dan Shi, 1998; Liu, dkk., 2008). Modifikasi permukaan karbon aktif bertujuan untuk menciptakan gugus fungsi pada permukaan karbon yang dilaporkan mempunyai pengaruh dalam meningkatkan nilai kapasitansi karbon aktif sebagai bahan elektroda (Tasima, dkk., 2007; Liu dkk., 2008). Ismanto dkk. (2010) melakukan modifikasi permukaan karbon aktif dari kulit singkong dengan menggunakan larutan HNO3, H2SO4, dan H2O2. Hasil penelitian tersebut menunjukkan bahwa nilai kapasitansi spesifik paling tinggi diperoleh dari karbon aktif yang permukaannya dimodifikasi dengan HNO3, 72,6 % yang lebih tinggi 3
dibandingkan karbon aktif tanpa modifikasi permukaan. Selain itu, Liu dkk. (2008) juga melaporkan bahwa nilai kapasitansi spesifik karbon aktif meningkat setelah permukaannya dimodifikasi dengan HNO3. Pada penelitian ini, modifikasi permukaan karbon aktif limbah tongkol jagung dilakukan dengan menggunakan HNO3, H2SO4, dan H2O2. Karbon aktif termodifikasi selanjutnya akan diukur nilai kapasitansi spesifiknya dengan metode siklik voltametri. 1.2 Rumusan Masalah Rumusan masalah pada penelitian ini yaitu : 1.
berapa luas permukaan karbon tongkol jagung sebelum dan stelah ekstraksi silika, serta setelah aktivasi dengan aktivator ZnCl2 ?
2.
bagaimana pengaruh modifikasi permukaan dengan menggunakan HNO3, H2SO4, dan H2O2 karbon aktif tongkol jagung terhadap perubahan gugus fungsi?
3.
berapa nilai kapasitansi spesifik karbon aktif tongkol jagung dengan menggunakan metode Cyclic Voltammetry ?
1.3 Maksud dan Tujuan Penelitian 1.3.1
Maksud Penelitian Maksud penelitian ini adalah untuk mengetahui nilai kapasitansi karbon
tongkol jagung hasil modifikasi dengan HNO3, H2SO4, dan H2O2 menggunakan metode Cyclic Voltammetry.
1.3.2
Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah untuk:
1. menentukan luas permukaan karbon aktif tongkol jagung sebelum dan sesudah ekstraksi silika, serta setelah aktivasi dengan aktivator ZnCl2. 4
2. menentukan pengaruh modifikasi permukaan dengan menggunakan HNO3, H2SO4, dan H2O2 karbon aktif tongkol jagung terhadap perubahan gugus fungsi. 3. menentukan nilai kapasitansi spesifik karbon aktif tongkol jagung dengan menggunakan metode CV (Cyclic Voltammetry).
1.4 Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi tentang pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi terhadap pembuatan karbon aktif tongkol jagung sebagai bahan penyimpanan energi elektrokimia dan memberikan data karakteristik karbon aktif tongkol jagung sebagai bahan penyimpan energi elektrokimia.
5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Kapasitor Elektrokimia Sistem penyimpan energi elektrokimia terdiri atas baterai, sel bahan bakar, dan kapasitor elektrokimia. Pada baterai dan sel bahan bakar, sumber energi listrik berasal dari konversi energi kimia yang memanfaatkan reaksi oksidasi reduksi (redoks) pada rangkaian sel. Berbeda dengan baterai dan sel bahan bakar, energi kapasitor elektrokimia tidak diperoleh dari proses reaksi redoks (Winter dan Brodd, 2004). Kapasitor elektrokimia merupakan perangkat penyimpanan energi yang memiliki kemampuan berdasarkan proses pengisian dari suatu larutan elektrolit yang melewati muatan elektrostatik oleh elektroda yang terpolarisasi (Frackowiak, dkk., 2006). Kapasitor elektrokimia memanfaatkan lapisan ganda untuk menyimpan energi dan tidak ada transfer muatan antara elektroda dan elektrolit. Jika tegangan diberikan, muatan terakumulasi pada permukaan elektroda. Ion-ion pada larutan elektrolit mengalir melalui dielektrik ke dalam pori-pori elektroda (Conway, 1999). Superkapasitor hadir sebagai terobosan baru yang diciptakan untuk melengkapi kekurangan baterai, sel bahan bakar, dan kapasitor konvensional yaitu kemampuannya untuk menghasilkan rapat daya dan rapat energi yang tinggi. Baterai memiliki rapat energi yang tinggi tetapi memiliki rapat daya yang rendah. Sel bahan bakar memiliki rapat energi lebih tinggi dibanding baterai tetapi rapat daya sel bahan bakar lebih kecil dibanding baterai. Sedangkan kapasitor konvensional pada umumnya memiliki rapat daya yang sangat tinggi namun memiliki rapat energi yang rendah (Arepalli, dkk., 2005). Gambar 1 memberikan perbandingan rapat daya dan rapat energi dari keempat perangkat penyimpan energi.
6
Gambar 1.
Kemampuan spesifik daya dan energi dari kapasitor konvensional, superkapasitor, baterai, dan sel bahan bakar (Pandolfo dan Hollenkamp, 2006).
Superkapasitor disusun mirip seperti baterai yang terdiri atas dua elektroda yang dibenamkan pada suatu larutan elektrolit dan dilengkapi alat pemisah ion (dielektrik). Gambar 2 memberikan skema diagram superkapasitor dengan beberapa fitur fisiknya.
Gambar 2.
Hal
Rangkaian sederhana Hollenkamp, 2006). mendasar
yang
kapasitor
membedakan
elektrokimia
superkapasitor
(Pandolfo
dengan
dan
kapasitor
konvensional adalah pada strukturnya. Kapasitor konvensional menggunakan logam sebagai bahan elektroda yang dipisahkan dari bahan dielektrik, sedangkan pada 7
superkapasitor, elektroda yang dipakai berbasis material karbon dan ketebalan bahan dielektrik dibuat jauh lebih tipis sehingga menurunkan jarak antara elektroda. Efek kapasitansi superkapasitor muncul akibat dua lapisan substrat karbon yang terpisah pada jarak yang sangat kecil yaitu skala nanometer. Luas permukaan elektroda dapat diperbesar karena jarak antarpelat pada superkapasitor berada pada skala nanometer, sehingga didapat suatu kapasitansi yang besar untuk ukuran divais yang sama dengan kapasitor konvensional (Nugroho, 2011). Kapasitansi superkapasitor dapat didefinisikan sebagai perbandingan muatan (Q) yang diaplikasikan pada tegangan tertentu (V) (persamaan 1) (Hashim, dkk., 2012). C
Q V
(1)
nilai kapasitansi, C juga sebanding dengan luas permukaan elektroda dan berbanding terbalik dengan jarak antar elektroda seperti yang dinyatakan secara matematis pada persamaan 2. C εoε r
A d
(2)
di mana ε o ε r konstanta, ε o adalah permivitas bahan dan ε r adalah konstanta dielektrik, A adalah luas permukaan, dan d adalah jarak antar elektroda. Dengan demikian, kapasitansi discharge (pengosongan muatan) tiap unit sel dapat dihitung berdasarkan persamaan 3. C
2(I Δt) m ΔV
(3)
di mana C adalah kapasitansi spesifik, I adalah arus discharge, m adalah massa elektroda, dan ΔV dan Δt berturut-turut adalah tegangan dan waktu discharge.
8
2.2 Karbon Aktif Karbon aktif merupakan salah satu jenis karbon amorf yang tersusun pararel berbentuk cincin heksagonal menyerupai struktur grafit. Sifat fisika dari karbon aktif terutama ditentukan oleh ukuran pori dan luas permukaannya. Karbon aktif mempunyai luas permukaan yang cukup tinggi, yaitu berkisar antara 500-1500 m2g-1 dan volume pori berkisar antara 0,7-1,8 cm3g-1 (Cencen dan Aktas, 2012; Cotton dan Wilkinson, 1989). Bahan dasar yang biasa digunakan sebagai karbon aktif adalah material organik dengan kandungan karbon yang tinggi. Penelitian tentang bahan karbon aktif yang murah dan tersedia banyak seperti tempurung kelapa, sekam padi, kayu, ampas tebu, dan tempurung kemiri telah banyak dilakukan untuk berbagai aplikasi (Juliandini dan Trihadiningrum, 2008). Karena memiliki luas permukaan yang cukup besar, karbon aktif sering digunakan untuk aplikasi yang membutuhkan luas kontak yang besar (Utomo, 2014). 2.2.1 Pembuatan Karbon Aktif Proses pembuatan karbon aktif dilakukan dengan dua tahap. Tahap pertama, proses karbonisasi bahan baku dilakukan untuk menghasilkan arang dan tahap kedua merupakan proses aktivasi untuk menghilangkan hidrokarbon yang melapisi permukaan arang sehingga porositas arang meningkat (Lempang, 2014). a. Karbonisasi Karbonisasi merupakan proses pembakaran tidak sempurna dari bahan organik dengan jumlah oksigen yang sangat terbatas, sehingga menghasilkan arang. Proses pembakaran ini menyebabkan penguraian senyawa organik yang menyusun struktur bahan baku seperti hemiselulosa, selulosa, dan lignin (Faisal, dkk., 2014). Porositas awal pada tahap ini masih relatif rendah dan akan ditingkatkan pada tahap
9
selanjutnya.
Parameter
karbonisasi
memberikan
kontribusi
tinggi
dalam
pengembangan struktur pori karbon aktif, khususnya pada pelepasan zat-zat volatil dari matriks karbon (Daud, dkk., 2000; Nor, dkk., 2013). Sebagai contoh, Tseng (2005) membuat karbon aktif dari tongkol jagung pada suhu karbonisasi 450 oC dengan kecepatan 5 oC/menit dari suhu kamar dengan aliran gas N2 di dalam oven pada kecepatan 3 dm3/menit selama 1,5 jam. b. Aktivasi Proses aktivasi merupakan proses penting dalam pembuatan karbon aktif. Aktivasi karbon bertujuan untuk memperbesar dan menghilangkan pengotor pada pori-pori karbon (Rahayu dan Adhitiyawarman, 2014). Aktivasi dapat dilakukan melalui dua metode yaitu aktivasi fisika dan aktivasi kimia. Pada aktivasi fisika, karbon diaktivasi pada suhu yang cukup tinggi dengan menggunakan uap atau gas seperti karbondioksida sebagai reagen aktivasi (Chang, dkk., 2000). Pada aktivasi kimia, karbon diaktivasi melalui perendaman reagen bahan kimia sebelum dipanaskan. Pada suhu tinggi bahan pengaktif akan masuk di antara sela-sela lapisan heksagonal dan selanjutnya membuka permukaan yang tertutup (Lempang, 2014). Berbagai aktivator kimia telah digunakan dalam pembuatan karbon aktif dari tongkol jagung, seperti kalium hidroksida (Bagheri dan Abedi, 2011; Cao, dkk., 2006), asam fosfat (Njoku dan Hameed, 2011), seng klorida (Prasetyo dan Nasrudin, 2013), dan natrium hidroksida (Sulistyawati, 2008). 2.2.2 Karakterisasi Karbon Aktif Karakterisasi karbon aktif umumnya menggunakan difraksi sinar-X (XRD), X-ray Fluoresensi (XRF), dan Scanning Microscopy Electron (SEM). Di samping itu, Fourier Transform Infra Red (FTIR) biasanya menjadi penunjang untuk analisis karbon aktif. 10
Difraksi sinar X digunakan untuk mengidentifikasi fasa kristalin dalam material dengan cara menentukan parameter struktur kisi melalui pemanfaatan radiasi gelombang elektromagnetik sinar-X (Purbo, dkk., 2009). Janes dkk. (2007) mengkarakterisasi karbon nanopori menggunakan XRD untuk mengidentifikasi perubahan struktur pada karbon nanopori dengan variasi suhu aktivasi. Pola XRD karbon nanopori pada suhu aktivasi 1050 oC dan 1150 oC seperti pada Gambar 3 menunjukkan difraksi dengan sudut yang mendekati nilai 2θ 43,5o yang mengarah pada bentuk dasar grafit yang mengindikasikan strukur amorf pada karbon nanopori.
Gambar 3. Karakteristik pola XRD dari sampel karbon nanopori dengan suhu aktivasi 950 oC sampai 1150 oC (Janes, dkk., 2007). Pemeriksaan dengan SEM pada dasarnya merupakan pemeriksaan dan data analisis permukaan. Gambar permukaan yang diperoleh merupakan topografi dari penangkapan elektron sekunder yang dipancarkan oleh spesimen (Masrukan, dkk., 1999). Njoku dan Hameed (2011) melakukan karakterisasi karbon aktif tongkol jagung yang teraktivasi asam fosfat. Mikrograf SEM (Gambar 4) menunjukkkan struktur pori yang cukup besar yang mendukung data luas permukaan dan porositas karbon aktif tongkol jagung.
11
Gambar 4. Mikrograf SEM dari karbon aktif tongkol jagung (Njoku dan Hameed, 2011) Spektroskopi X-ray Flourocence dilakukan untuk menganalisis unsur yang membentuk suatu material. Prinsip kerja metode analisis XRF berdasarkan terjadinya tumbukan atom-atom pada permukaan sampel oleh sinar X dari sumber sinar. Hasil analisis kualitatif ditunjukkan oleh puncak spektrum yang mewakili jenis unsur sesuai dengan karakterisitik energi sinar X, sedangkan analisis kuantitatif diperoleh dengan cara membandingkan intensitas sampel dengan standar (Kriswarini, dkk., 2010; Jenkins, 1999). Hasan dkk. (2014) menggunakan XRF untuk mengidentifikasi kandungan silika sebelum dan sesudah ekstraksi silika karbon aktif sekam padi. Analisis spektrofotometer IR digunakan untuk mengidentifikasi gugus-gugus fungsi yang terdapat pada permukaan karbon aktif. Analisis ini didasarkan pada perbedaan penyerapan radiasi inframerah. Absorpsi inframerah oleh suatu material dapat terjadi jika dipenuhi dua syarat, yaitu kesesuaian antara frekuensi radiasi inframerah dengan fungsional vibrasi dari gugus fungsional dalam senyawa dan perubahan momen dipol selama bervibrasi (Chatwal, 1985). Pengukuran adsorpsi biasanya dilakukan untuk menentukan luas permukaan spesifik dari material berpori. Luas permukaan merupakan salah satu parameter untuk menentukan kualitas suatu material berpori. Ding dkk. (2013) melakukan analisis adsorpsi-desorpsi isoterm gas nitrogen melalui metode BET pada sampel 12
karbon aktif tongkol jagung yang dibuat dengan variasi suhu aktivasi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa suhu aktivasi 700 oC dan 800 oC berturut-turut mengikuti isoterm tipe I dan II berdasarkan klasifikasi IUPAC dengan luas permukaan spesifik 2322 m2/g dan 3611 m2/g. Pengukuran luas permukaan dengan model BET ini biasanya menggunakan nitrogen sebagai adsorbat. Pengukuran ini didasarkan pada data adsorpsi isotermis pada suhu 77 K. Adsorpsi isotermis dengan prinsip BET merupakan jenis adsorpsi fisis. Metode BET pertama kali ditemukan oleh Brenauer, Emmeth, dan Teller pada tahun 1938, yang merupakan pengembangan dari teori Langmuir. Teori Langmuir digunakan untuk adsorpsi monolayer kemudian menjadi teori BET yang menyatakan bahwa adsorpsi dapat terjadi di atas lapisan adsorbat monolayer sehingga teori dan model BET ini dapat digunakan untuk adsorpsi multilayer (Shofa, 2012). Metode BET didasarkan pada penentuan volume molekul teradsorpsi secara fisika setebal satu lapis molekul monolayer pada permukaan adsorben, mengikuti persamaan 4. (C 1)P P 1 Vm Po P Vm C V o 1 P
(4)
di mana, C adalah konstanta BET, Po adalah tekanan uap jenuh gas yang diadsorpsi pada suhu eksperimen (kPa), P adalah tekanan total gas saat adsorpsi (kPa), Vm adalah volume gas yang diadsorpsi untuk monolayer (cm3), dan V adalah volume gas yang diadsorpsi pada tekanan P (cm3). Persamaan di atas berlaku untuk P/Po bernilai antara 0,05-0,35 dan Vm dapat ditentukan. Persamaan (4) dapat diplot secara linear, yaitu antara 1/V((P/Po)-1) dengan P/Po, sehingga didapat persamaan dengan slope
13
(C-1)/VmC dan intersept 1/VmC. Luas permukaan adsorben dihitung berdasarkan persamaan 5. S
Vm NA cs 2240 w
(5)
di mana, N adalah bilangan Avogadro, Acs adalah luas penampang satu molekul adsorbat (m2), w adalah berat sampel (gram), dan S adalah luas permukaan adsorben (m2/gram).
2.2.3 Modifikasi Permukaan Karbon Aktif Selain mengandung karbon, karbon aktif mengandung sejumlah kecil heteroatom. Karakteristik kimia pada permukaan karbon aktif sebagian besar ditentukan oleh derajat keheterogenan dari permukaan karbon aktif, seperti oksigen, nitrogen, hidrogen, sulfur, dan fosfor. Gugus fungsi pada permukaan karbon aktif dan delokalisasi elektron dari struktur karbon menentukan karakter asam atau basa dari permukaan karbon aktif (Shafeeyan, dkk., 2010; Shofa; 2012). Karakter asam pada permukaan karbon aktif sangat erat kaitannya dengan gugus-gugus fungsi yang mengandung oksigen. Gugus-gugus fungsi seperti asam karboksilat, karboksilat anhidrat, lakton, dan fenol (hidroksil) telah diusulkan berkontribusi pada sifat asam permukaan karbon aktif (Leon y Leon dan Radovic, 1994; Pandolfo dan Hollenkamp, 2006). Gugus fungsi yang mengandung oksigen dapat terbentuk saat permukaan dioksidasi. Metode aktivasi merupakan cara yang paling umum digunakan untuk menciptakan gugus-gugus fungsi yang mengandung oksigen melalui treatment pada fase gas atau dengan larutan oksidator (Shafeeyan, dkk., 2010). Sifat basa dari permukaan karbon aktif berhubungan dengan: Resonansi elektron π dari karbon cincin aromatik dan gugus fungsi pada permukaan yang bersifat basa (seperti gugus fungsi yang mengandung nitrogen) yang memiliki 14
kemampuan menarik proton. Selain itu, juga telah diusulkan bahwa gugus fungsi yang mengandung oksigen seperti kromen, keton, dan piron memberikan kontribusi terhadap sifat basa permukaan bidang dasar karbon aktif. Namun, karakter basa dari karbon aktif umumnya hadir dari delokalisasi elektron π pada lapisan grafit. Hal ini menunjukkan bahwa elektron π pada lapisan grafit dapat bertindak sebagai basa Lewis (Shafeeyan, dkk., 2010; Setyadi, dkk., 2005). Leon y Leon dkk. (1992) telah mempelajari permukaan karakter basa dari dua jenis permukaan karbon aktif dan telah menunjukkan bahwa sisi permukaan karbon aktif bebas oksigen dapat meyerap proton dalam larutan. Sisi permukaan tersebut terletak pada ikatan π yang kaya elektron pada bidang dasar dari kristalit karbon. Oleh karena itu, sifat basa dengan tipe Lewis dihubungkan dengan struktur karbon itu sendiri. Montez-Moran dkk. (2004) juga telah membahas mengenai karakter basa dari permukaan karbon aktif. Alasan utama sifat basa dari struktur seperti piron adalah stabilisasi dari bentuk protonasi melalui konyugasi ikatan π sepanjang kerangka sp2.
Gambar 5. Skema permukaan kimia karbon aktif dengan beberapa tipe gugus oksigen (Fuente, dkk., 2003; Montez Moran, dkk., 2004). Gugus fungsi dapat terbentuk pada permukaan karbon aktif dengan beberapa cara. Pereira dkk. (2003) memodifikasi permukaan karbon aktif dengan cara
15
mengoksidasi fasa gas dengan pemberian gas O2 dan N2O pada suhu tinggi. Ismanto dkk. (2010) juga memodifikasi permukaan karbon aktif melalui treatment menggunakan larutan oksidator HNO3, H2SO4, dan H2O2. Selain itu, Faria dkk. (2004) memodifikasi permukaan karbon aktif menggunakan metode perlakuan termal dengan cara pemanasan karbon aktif pada suhu 700 oC yang dialiri gas hidrogen. Modifkasi permukaan dengan treatment dengan larutan asam umumnya digunakan untuk mengoksidasi permukaan pori karbon, meningkatkan karakter asam, menghilangkan unsur-unsur mineral, dan meningkatkan sifat hidrofilik dari permukaan karbon aktif. Shim dkk. (2001) telah memodifkasi karbon aktif fiber dengan asam nitrat dan natrium hidroksida. Luas permukaan karbon aktif fiber menurun setelah dioksidasi dengan asam nitrat 1 M, tetapi konsentrasi asam total meningkat tiga kali lebih besar dibandingkan dengan karbon aktif fiber tanpa treatment. Gugus asam karboksilat dan kuinon muncul setelah modifkasi dengan asam nitrat. Gambaran pembentukan gugus fungsi oleh asam nitrat melalui perlakuan termal ditunjukkan pada Gambar 6. OH C
+
O
5 HNO 3
OH C O
O
+ 2HNO 2 + H 2O
+ 2HNO 3
NO 2
+ + HNO 3
H2O
Gambar 6. Skema pembentukan gugus fungsi oleh asam nitrat melalui thermal treatment (Shen, dkk., 2008). 16
Lee (2013) juga telah mensintesis material karbon tersulfonasi dan dimanfaatkan sebagai katalis untuk proses esterifikasi. Skema karbon material tersulfonasi ditunjukkan seperti pada Gambar 7.
Gambar 7. Material karbon tersulfonasi (Lee, 2013). Beberapa peneliti melakukan modifikasi permukaan karbon aktif karena memberikan pengaruh yang cukup besar pada peningkatan nilai kapasitansi spesifik sebagai bahan elektroda. Tabel 1 memberikan studi literatur penelitian tentang beberapa modifikasi permukaan karbon aktif dengan nilai kapasitansi spesifik yang dihasilkan. Tabel 1. Modifikasi permukaan karbon aktif sebagai bahan elektroda superkapasitor Sumber Karbon
Modifikasi Permukaan
Kulit singkong
Larutan HNO3, Larutan H2SO4, Larutan H2O2
Nilai kapasitansi spesifik (F/g) 264,08 210,98 240,67
Batang kayu
Larutan HNO3
115
Jiang dkk. (2013)
120-150
Hsieh dan Teng (2002)
170-190
Cheng dan Teng (2003)
Karbon aktif sintesis Gas O2 dari poliaktonitril Karbon aktif sintesis Larutan HNO3 dari poliaktonitril
Referensi
Ismanto dkk. (2010)
17
2.3 Tongkol Jagung sebagai Sumber Karbon Aktif Tanaman jagung merupakan salah satu jenis tanaman pangan biji-bijian dari keluarga rumput-rumputan. Tanaman jagung termasuk tanaman multifungsi sekaligus komoditi tanaman pangan kedua terpenting setelah padi. Berdasarkan urutan bahan makanan pokok di dunia, jagung menduduki urutan ketiga setelah gandum dan padi. Tanaman jagung memiliki banyak kegunaan dan hampir seluruh bagian tanaman dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan seperti batang dan daun dimanfaatkan sebagai pakan ternak, pupuk kompos, dan kayu bakar, sedangkan buahnya banyak dimanfaatkan sebagai makanan yang dibuat dengan berbagai macam olahan (Ilato dan Bahua, 2014). Produksi jagung Indonesia pada tahun 2011 mencapai 16,3 juta ton yang berasal dari luas lahan panen 4 juta Ha dengan produktivitas rata-rata 4,1 ton Ha. Produksi jagung tersebar pada lima daerah utama penghasil jagung yaitu Jawa Timur, Jawa Tengah, Lampung, Sulawesi Selatan, dan Sumatera Utara (Badan Pusat Statistik, 2012). Menurut Berita Resmi Statistik Provinsi Sulawesi Selatan (2014), produksi jagung pada tahun 2014 diperkirakan sebanyak 1,53 juta ton pipilan kering. Namun, produksi yang cukup besar tersebut tidak diimbangi dengan perhatian khusus pada limbah tanaman jagung, terutama tongkol jagung. Tongkol jagung merupakan bagian terbesar dari limbah jagung. Sekitar 40-50% dari berat jagung merupakan tongkol jagung yang beratnya dipengaruhi oleh varietasnya (Richana, dkk., 2004; Suryani, 2009). Pemanfaatan tongkol jagung masih sangat terbatas. Limbah tongkol jagung pada umumnya hanya dimanfaatkan sebagai bahan makanan ternak atau sebagai bahan bakar (Wungkana, dkk., 2013).
18
Gambar 8. Tongkol jagung (Fachry, dkk., 2013) Tongkol jagung sebagian besar tersusun atas lignoselulosa yang terdiri atas lignin, selulosa, dan hemiselulosa serta senyawa lain yang umum terdapat pada tumbuhan seperti pada Tabel 2. Senyawa-senyawa tersebut mengindikasikan bahwa tongkol jagung memiliki kandungan karbon yang cukup tinggi sehingga berpotensi untuk dijadikan sebagai karbon aktif (Suryani, 2009). Tabel 2. Komponen tongkol jagung (Lorenz dan Kulp, 1991). Komponen Air Abu Hemiselulosa Selulosa Lignin Pektin Pati
% 9.6 1.5 36.0 41.0 6.0 3.0 0.014
Berkaitan dengan luas permukaan yang tinggi, maka karbon aktif tongkol jagung menunjukkan aplikasi yang potensial dalam bidang adsorpsi, dan beberapa aplikasi lainnya. Karbon aktif dari tongkol jagung dalam bidang adsorpsi misalnya, Bagheri dan Abedi (2011) membuat karbon aktif tongkol jagung dengan luas permukaan spesifik 900-1300 m2g-1 dan dimanfaatkan untuk mengadsorpsi metana. Njoku dan Hameed (2011) juga membuat karbon aktif dari tongkol jagung dengan luas permukaan spesifik 1273,91 m2g-1. Karbon aktif tersebut diaplikasikan untuk
19
mengadsorpsi asam 2,4-diklorofenoksiasetat. Prasetyo dan Nasrudin (2013) juga memanfaatkan tongkol jagung sebagai karbon aktif untuk mengadsorpsi LAS (Linier Alkil Benzena Sulfonat) dengan luas permukaan spesifik 157,34 m 2g-1. 2.4 Ekstraksi Silika Silika telah banyak diaplikasikan dalam berbagai keperluan, khususnya dalam bidang industri, produksi obat-obatan, detergen, dan peralatan elektronik. Silika juga telah dimanfaatkan sebagai katalis dalam beberapa proses reaksi senyawa organologam dan anorganik (Proctor, dkk., 1995; Kalapathy, dkk., 2002). Saat ini, ekstraksi silika dari limbah pertanian mulai digeluti, mengingat kandungan silika yang cukup tinggi pada beberapa tanaman. Rachmaniah (2005) telah mengekstraksi silika dari sabut kelapa sawit. Hasil penelitian menunjukkan kandungan silika tertinggi pada sabut kelapa sawit setelah proses leaching dan pembakaran yaitu 76,9% pada suhu 750 oC dan konsentrasi larutan HCl 2 N. Hasan dkk. (2014) juga melakukan ekstraksi silika pada karbon aktif limbah sekam padi dan dimanfaatkan sebagai adsorben Hg. Hasil penelitian tersebut melaporkan bahwa proses ekstraksi karbon sekam padi pada konsentrasi NaOH 10 M menurunkan kandungan silika sebesar 68,24 %. Limbah jagung terutama tongkol jagung juga dilaporkan memiliki kandungan silika yang cukup tinggi yaitu 20,4 % (Hartadi, dkk., 1981 dalam Sirappa, 2003). Proses ekstraksi silika akan menciptakan pori yang banyak sehingga dapat meningkatkan luas permukaan dari karbon (Wei, dkk., 2011). Andhika (2015) dan Wei dkk. (2011) mengekstraksi silika karbon aktif sekam padi dan didapatkan ruang yang lebih banyak pada permukaan karbon. Alif (2015) dan Labanni’ dkk. (2015) juga mengekstraksi silika karbon aktif ampas tebu
20
menggunakan larutan NaOH seperti pada persamaan reaksi 6 dan mendapatkan karbon bebas silika melalui variasi konsentrasi NaOH. SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O
(6)
2.5 Metode Voltammetri Siklik Metode voltammetri siklik merupakan metode untuk elektroanalisis pengukuran analit yang berdasarkan pengukuran arus sebagai fungsi potensial. Hasil pengukuran berupa kurva berbentuk voltamogram yang menunjukkan hubungan antara potensial dengan arus (Mulyani, dkk., 2012). Pada teknik voltammetri ini, potensial diberikan dalam suatu siklus antara dua nilai beda potensial, pada awal potensial meningkat hingga maksimum, kemudian turun secara linier dengan nilai kemiringan yang sama hingga kembali ke potensial awal seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9 (Scholz, 2010; Atkins dan Paula, 2009).
Gambar 9. (a) Kurva perbandingan beda potensial dan waktu dan (b) hasil kurva arus dan beda potensial dalam voltammetri siklik (Atkins dan Paula, 2009). Sel voltammetri umumnya terdiri atas tiga elektroda, yaitu elektroda kerja, elektroda pembanding, dan elektroda pembantu. Elektroda kerja berfungsi sebagai tempat terjadinya reaksi redoks dari analit yang bergantung pada potensial yang diberikan. Elektroda pembanding merupakan elektroda yang nilai potensialnya dibuat tetap selama pengukuran dan nilainya tidak bergantung pada jenis dan 21
komposisi larutan yang digunakan. Elektroda pembantu berperan dalam melengkapi sirkuit dengan mengalirkan arus pada elektroda ini. Potensial luar diberikan antara elektroda kerja dan elektroda pembanding. Bila terjadi reaksi oksidasi maupun reduksi pada elektroda kerja, arus yang dihasilkan dilewatkan ke elektroda pembantu, sehingga reaksi yang terjadi pada elektroda pembantu akan berlawanan dengan reaksi yang terjadi pada elektroda kerja (Skoog, 2013). Penentuan kapasitansi karbon aktif sebagai bahan elektroda superkapasitor tidak jarang ditentukan melalui teknik voltammetri siklik. Li dkk. (2011) menentukan daya konduktansi karbon aktif kulit biji bunga matahari menggunakan CV (Cyclic Voltammetry). Voltammogram menunjukkan kurva berbentuk persegi yang mengindikasikan kapasitas sampel memberikan karakter yang baik dan memperoleh nilai kapasitansi spesifik paling tinggi yaitu 311 F g-1. Balathanigaimani dkk. (2008) juga menentukan nilai kapasitansi karbon aktif biji jagung dengan CV. Hasil penelitian menunjukkan nilai kapasitansi spesifik paling tinggi yaitu 257 F g -1. Selain itu, Shentilkumar dkk. (2011) menggunakan CV untuk mengkarakterisasi sifat kapasitansi karbon aktif dari saripati sorgum sebagai bahan elektoda. Hasil penelitian tersebut menunjukkan nilai kapasitansi spesifik antara 220-320 F g-1.
22
BAB III METODE PENELITIAN
3.1 Bahan Penelitian Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini yaitu tongkol jagung, NaOH (Merck), akuades, HNO3, H2SO4, H2O2, padatan ZnCl2, kawat tembaga, kawat platina, elektroda Ag/AgCl, elektroda Pt, natrium bikarbonat, natrium karbonat, natrium hidroksida, asam klorida, kertas saring Whatman nomor 42 diameter 90, aluminium foil, kertas pH universal, dan kertas saring biasa. 3.2 Alat Penelitian Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini yaitu tanur (Muffle Furnace tipe 6000), cawan porselin, pengaduk magnetik (Fisher tipe 115), ayakan ukuran 200 mesh, desikator, penangas air (hot plate), statif, corong Buchner, alat gelas laboratorium, termometer, lumpang, neraca analitik (Shimadzu AW220), XRF (ThermoFisherXRF), labu semprot plastik, pompa vakum (Vacuubrand tipe ME4C), oven (tipe SPNISOSFD), pengaduk magnetik (CERAMAG Midi), FTIR (Shimadzu, IR Prestige21), SEM (EVO MA 10), Surface Area and Porositymeter Micromeritics TriStar II, dan Cyclic Voltammetry (Aplikasi eDAQ ED410-159). 3.3 Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian ini dilakukan mulai bulan April sampai bulan September 2016 di Laboratorium Kimia Fisika, Laboratorium Kimia Analitik, Laboratorium Kimia Terpadu Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Hasanuddin, Labolatorium Pengembangan dan Penelitian FMIPA Unhas, Pusat Penelitian Kimia Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI), Tangerang,
23
dan Laboratorium Energi (LPPM) Institut Teknologi Sepuluh November Surabaya (ITS), Surabaya. 3.4 Prosedur Penelitian 3.4.1 Tempat dan Waktu Pengambilan Sampel Sampel tongkol jagung berasal dari sumber lokal yang diambil di perkebunan jagung warga di Kabupaten Soppeng pada bulan Maret 2016. 3.4.2 Preparasi Sampel Tongkol jagung dipotong menjadi bagian-bagian kecil kemudian dicuci dengan air mengalir untuk menghilangkan partikel-partikel kotor yang melekat pada permukaan tongkol jagung kemudian dikeringkan di bawah sinar matahari (Alfiany, dkk., 2013). 3.4.3 Karbonisasi Sebanyak 100 gram tongkol jagung yang kering dan bersih, dikarbonisasi dalam tanur selama 1 jam dengan variasi suhu 400 oC, 300 oC, dan 280 oC. Proses tersebut menghasilkan karbon tongkol jagung. Karbon yang diperoleh didinginkan dalam desikator, digerus, dan diayak dengan pengayak 100 mesh (Prasetyo dan Nasarudin, 2013). 3.4.4 Ekstraksi Silika Karbon yang telah dikarbonisasi diekstraksi silikanya untuk mendapatkan karbon yang bebas silika dengan larutan 2,5% b/v NaOH dalam etanol 50% v/v. Sebanyak 1 gram serbuk karbon ditambahkan dengan 60 mL larutan NaOH dan direfluks selama 1,5 jam. Campuran kemudian disaring dan prosedur refluks diulang. Hasil refluks disaring kembali dan residu yang dihasilkan, dicuci dengan akuades 24
hingga pH netral. Hasil ekstraksi silika kemudian dianalisis kandungan senyawa SiO2 dengan XRF (Taba, 2007).
3.4.5 Aktivasi Karbon tongkol jagung bebas silika dimasukkan ke dalam 5 buah gelas kimia masing-masing sebanyak 5 gram ditambahkan 25 mL larutan ZnCl2 8% b/v lalu didihkan selama 90 menit. Setelah itu, disaring menggunakan corong Buchner dan endapannya dipindahkan ke dalam cawan porselen lalu dipanaskan dalam tanur pada suhu 600 oC selama 1 jam. Karbon aktif tongkol jagung kemudian dicuci dengan akuades berulang-ulang hingga filtrat pH netral dan dikeringkan dalam oven pada suhu 120 oC hingga berat konstan diperoleh (Prasetyo dan Nasrudin, 2013). 3.4.6 Modifikasi Permukaan Karbon yang teraktivasi dicampur dengan larutan oksidator HNO3, H2SO4, dan H2O2 teknis, masing-masing dengan perbandingan massa 5:1 (mL zat kimia: gram karbon aktif) dipanaskan sampai suhu 65 oC kemudian dikocok dengan laju konstan (130 rpm) selama 24 jam. Setelah itu, dicuci dengan akuades berulang-ulang sampai pH netral. Kemudian dikeringkan dalam oven selama 24 jam pada suhu 110 oC (Ismanto, dkk., 2010). 3.4.7 Karakterisasi Permukaan Karbon Aktif Secara Kimia melalui Metode Titrasi Boehm Analisis gugus asam dilakukan dengan merendam 0,5 gram karbon aktif ke dalam masing-masing larutan NaHCO3 0,05 N, Na2CO3 0,05 N dan NaOH 0,05 N sebanyak 50 mL. Campuran didiamkan selama 24 jam dan disaring. Sebanyak 10 mL masing-masing filtrat dipipet dan dimasukkan ke dalam Erlenmeyer kemudian ditambahkan 12 mL larutan HCl dan 2-3 tetes indikator PP. Analit tersebut dititrasi
25
balik menggunakan NaOH 0,05 N. Analisis gugus basa dilakukan dengan merendam 0,5 gram karbon aktif dalam HCl 0,05 N sebanyak 50 mL. Campuran didiamkan selama 24 jam dan disaring. Filtrat yang dihasilkan, dipipet sebanyak 10 mL ke dalam Erlenmeyer kemudian ditambahkan 12 mL NaOH 0,05 N dan 2-3 tetes indikator metil merah. Campuran dititrasi balik dengan HCl 0,05 N (Ismanto, dkk., 2010; Harti, dkk., 2014; Grandistin, 2014). 3.4.8 Karakterisasi Karakterisasi fisik pada karbon aktif tongkol jagung dilakukan dengan analisis gugus fungsi menggunakan FTIR (Fourier Transform Infrared), XRF (X-Ray Fluorescence), penentuan luas permukaan dengan metode BET, dan analisis morfologi dengan SEM (Scanning Electron Microscopy). 3.4.8.1 Analisis FTIR Karakterisasi FTIR dilakukan dengan menggunakan FTIR model Shimadzu 820 IPC di Laboratorium Kimia Terpadu Jurusan Kimia FMIPA Unhas dengan preparasi sampel metode pelet KBr. Preparasi sampel dilakukan dengan 1-10 mg sampel dihaluskan dan dicampur dengan 100 mg KBr kemudian dicetak menjadi cakram tipis atau pelet lalu dianalisis (Labanni’ dkk., 2015). 3.4.8.2 Analisis XRF Karakterisasi XRF dilakukan menggunakan XRF tipe EDXRF Analyzer ARL Quant’X Thermo Scientific di Laboratorium Terpadu Science Building MIPA Unhas. Sebelum dianalisis, sampel terlebih dahulu dihaluskan sampai berukuran kurang lebih 400 mesh. Sampel karbon aktif kemudian ditempatkan di bawah sampel holder dan dipastikan bagian bawah sampel holder yang berupa plastik tipis tertutupi secara merata dengan sampel (Labanni’ dkk., 2015). 26
3.4.8.3 Analisis SEM Struktur morfologi dan porositas permukaan dari karbon aktif tongkol jagung ditentukan menggunakan Scanning Electron Microscope Tipe EVO MA 10 di Laboratorium Energi LPPM Institut Teknologi Sepuluh November, Surabaya. Sampel diletakkan dan ditempel di atas SEM specimen holder. Ruang sampel divakumkan hingga 10-6 torr kemudian dioperasikan dengan standar parameter operasi (Sujatno, 2015). 3.4.8.4 Analisis Luas Permukaan Karakterisasi luas permukaan karbon aktif tongkol jagung dilakukan dengan pengukuran menggunakan alat Surface Area and Porositymeter Micrometrics Tristar II 3020 di Laboratorium Pusat Penelitian Kimia Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI), Tangerang. Data hasil pengukuran diolah menggunakan metode BET.
3.4.9 Pembuatan Elektroda Kerja 3.4.9.1 Pembuatan Elektroda Karbon Badan elektroda dibuat dengan menghubungkan kawat tembaga dan platina menggunakan solder uap. Setelah itu dimasukkan ke dalam pipet dan direkatkan menggunakan parafilm. Karbon aktif dicampur dengan lilin parafin dengan perbandingan massa karbon/massa lilin parafin adalah 1 : 2 dan diaduk sampai homogen menggunakan spatula pada cawan petri. Setelah itu, pasta karbon dimasukkan ke dalam badan elektroda dengan cara ditekan menggunakan spatula agar memadat (Vytras dkk., 2009; Wachid dan Setiarso, 2014). Bentuk elektroda pasta karbon diperlihatkan pada Gambar 10.
27
Karbon aktif
Kawat Cu Pipet tulip
Kawat Pt
Gambar 10. Elektroda pasta karbon
3.4.9.2 Pengukuran Kapasitansi Spesifik Elektroda pasta karbon diukur kapasitansi spesifik penyimpanan energinya dengan menggunakan teknik cyclic voltammetry. Pengukuran ini menggunakan alat Potentiostats EA161 dengan tiga elektroda yaitu elektroda Pt, elektroda Ag/AgCl dan elektroda pasta karbon seperti yang diperlihatkan pada Gambar 11. Pengujian elektroda dilakukan dengan laju scan 250 mV/s menggunakan larutan elektrolit H2SO4 1 M sehingga diperoleh voltammogram tegangan dan arus, kemudian dihitung nilai kapasitansi spesifik penyimpanan energinya (Himmaty dan Endarko, 2013). elektroda pasta karbon elektroda Ag/AgCl
elektroda Pt
elektrolit H2SO4 1 M Gambar 11. Diagram sel voltammetri
28
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
Bab ini membahas sintesis dan karakterisasi karbon aktif tongkol jagung dan karbon aktif setelah modifikasi dengan HNO3, H2SO4, dan H2O2 yang dikarakterisasi melalui metode titrasi Boehm dan Fourier Transform Infrared (FTIR). Karbon aktif tongkol jagung sebelum dan setelah modifikasi diukur nilai kapasitansi spesifiknya dengan menggunakan metode voltammetri siklik untuk mengetahui potensinya sebagai bahan elektroda kapasitor elektrokimia.
4.1 Karbonisasi Proses karbonisasi tongkol jagung pada penelitian ini dilakukan dengan menggunakan furnace (tanur) dengan variasi suhu pembakaran. Tabel 3 menunjukkan pengaruh suhu terhadap proses karbonisasi. Tabel 3. Pengaruh suhu terhadap proses karbonisasi Suhu dan Waktu Karbonisasi
Hasil Analisa
280 oC selama 1 jam
arang
300 oC selama 1 jam
arang dengan sedikit abu
400 oC selama 1 jam
sedikit arang dan banyak abu
Data menunjukkan bahwa temperatur mempengaruhi arang yang dihasilkan. Berdasarkan rujukan penelitian yang dilakukan oleh Prasetyo dan Nasarudin (2013), proses karbonisasi bahan baku tongkol jagung terjadi pada suhu 400 oC selama 1 jam. Namun pengumpulan arang hasil karbonisasi pada penelitian ini dilakukan pada temperatur 280 oC selama 1 jam di dalam tanur. Pada temperatur 400 oC dan
29
300 oC, dihasilkan arang tetapi masih mengandung banyak abu. Kandungan abu yang dihasilkan selama proses karbonisasi dapat dipengaruhi oleh temperatur yang tinggi dan kondisi alat tanur yang digunakan dengan oksigen yang cukup sehingga pembakaran sempurna dapat terjadi. Secara visual pada temperatur 280 oC, arang yang dihasilkan berwarna hitam lebih pekat. Data tersebut, menunjukkan bahwa semakin tinggi temperatur karbonisasi, arang yang dihasilkan semakin sedikit. Hal ini disebabkan karena semakin besar suhu pembakaran selama proses karbonisasi, penguraian komponenkomponen yang terkandung di dalam bahan baku seperti air, tar, dan zat-zat volatil juga semakin besar (Latifan dan Susanti, 2012). 4.2 Ekstraksi Silika Arang tongkol jagung hasil analisis XRF menunjukkan keberadaan kandungan silika (SiO2) sebesar 23,73% b/b dari 15 senyawa oksida yang terkandung dalam arang tongkol jagung (Tabel 4). Menurut Wei dkk. (2011), proses ekstraksi silika akan memberi struktur awal sehingga lebih murni dan membentuk ruang yang lebih banyak di dalam karbon aktif. Tabel 4. Kandungan senyawa oksida dalam arang tongkol jagung sebelum dan setelah ekstraksi Senyawa oksida K2O
Sebelum ekstraksi (%b/b) 46
Setelah ekstraksi (%b/b) 2,18
SiO2
23,73
-
CaO
14,28
68,76
P2 O 5
6,74
23,09
Cl
4,35
-
Fe2O3
3,19
-
ZnO
1,01
4,84
TiO2
0,47
-
30
CuO
0,126
-
SrO
0,030
-
Nb2O5
0,024
0,50
In2O3
0,0149
0,230
SnO2
0,0119
0,190
Sb2O3
0,0099
0,213
TeO2
0,0099
-
Senyawa oksida yang dominan dalam arang tongkol jagung antara lain K 2O, SiO2, CaO, P2O5, Cl, Fe2O3, dan ZnO seperti yang diperlihatkan pada Tabel 4. Setelah proses ekstraksi silika dilakukan, hasil analisis dengan XRF menunjukkan senyawa silika sudah tidak ditemukan. Persentase senyawa CaO yang meningkat secara signifikan disebabkan karena proses ekstraksi menghilangkan beberapa senyawa oksida selain silika. Ekstraksi silika pada penelitian ini, dilakukan dengan menggunakan larutan NaOH seperti pada persamaan reaksi (7) dan mekanisme reaksi pembentukan Na2SiO3 disajikan pada Gambar 12. SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O OH O
Si
O
O
O
H
Si
O
(7) O
O
Si
+ H 2O
O
+ 2Na+ 2-
O
2Na+ O
Si
O
Gambar 12. Mekanisme reaksi pembentukan Na2SiO3 Elektronegativitas atom O yang tinggi pada SiO2 menyebabkan Si lebih elektropositif sehingga terbentuk intermediet [SiO2OH]- karena kehadiran NaOH. Selanjutnya dehidrogenasi akan terjadi. Ion hidroksil yang kedua akan berikatan 31
dengan hidrogen membentuk molekul air. Dua ion Na+ akan menyeimbangkan muatan negatif yang terbentuk dan berinteraksi dengan ion SiO32- sehingga terbentuk natrium silikat yang larut (Mujiyanti, dkk., 2010).
4.3 Analisis Morfologi Permukaan Karbon Aktif Karena proses karbonisasi hanya menghasilkan arang dengan luas permukaan yang kecil, maka arang tongkol jagung diaktivasi untuk mengangkat residu-residu yang masih menutupi permukaan pori sehingga dapat menghasilkan luas permukaan yang besar pada karbon aktif. Pada penelitian ini dilakukan aktivasi kimia dengan mengguanakan reagen ZnCl2 yang mempunyai sifat higroskopis sehingga mampu menyerap kandungan air pada arang tongkol jagung. Pembentukan karbon aktif dan pembentukan pori ditunjukkan oleh morfologi permukaan karbon aktif hasil Scanning Electron Microscope (SEM) dengan perbesaran 5000 kali, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 13.
a
b
c
Gambar 13. (a) SEM hasil karbonisasi, (b) SEM hasil ekstraksi silika, (c) SEM hasil aktivasi. Fitur SEM karbon aktif hasil karbonisasi (Gambar 13.a) tidak mempelihatkan rongga pada permukaan sampel. Setelah mengalami proses ekstraksi silika (Gambar 13.b) hasil SEM menunjukkan permukaan sampel berpori dan memiliki bentuk yang berongga. Hasil SEM pada sampel hasil aktivasi (Gambar 13.c) juga menunjukkan permukaan sampel yang berongga dan jumlah pori yang dihasilkan semakin banyak. Luas permukaan dan terbentuknya pori internal pada karbon aktif
32
dalam skala nanometer selanjutnya dikonfirmasi dari hasil pengukuran dengan metode Brunauer-Emmett-Teller isotherm (BET) yang diperlihatkan pada Tabel 5. Tabel 5. Hasil analisis BET karbon aktif tongkol jagung Sampel
S BET (m2/g)
Vpori (cm3/g)
d pori (nm)
Karbon bersilika
4,5418
0,001353
2,0942
Karbon bebas silika
5,9758
0,001159
2,0885
Karbon teraktivasi
306,5483
0,014437
2,0302
Karbon aktif komersial
299,3359
0,016520
2,0437
Hasil penentuan luas permukaan dengan metode BET menunjukkan bahwa arang tongkol jagung hasil karbonisasi memiliki luas permukaan yang cukup kecil, yakni sebesar 4,5418 m2/g. Setelah diekstraksi silikanya, luas permukaannya meningkat namun tidak signifikan, yakni hanya sebesar 5,9758 m2/g dan karbon aktif setelah aktivasi, luas permukaannya meningkat cukup besar, yakni 306,5483 m2/g. Adapun luas permukaan yang dihasilkan pada karbon aktif komersial yakni sebesar 299,3359 m2/g. Hal ini membuktikan bahwa proses ekstraksi silika dan aktivasi mempengaruhi luas permukaan karbon aktif tongkol jagung dan sudah memiliki kualitas yang relatif sama bahkan ditemukan luas permukaan yang lebih besar dari karbon aktif komersial. Peningkatan porositas karbon aktif ditunjukkan dengan meningkatnya volume pori secara signifikan setelah proses aktivasi, tetapi terjadi sedikit penurunan pada diameter rata-rata pori seperti yang diperlihatkan pada Tabel 5. Proses aktivasi menyebabkan peningkatan jumlah pori di dalam karbon yang diduga menyebabkan terjadinya penurunan diameter rata-rata pori dan peningkatan luas permukaan. Diameter rata-rata pori dari karbon aktif tongkol jagung diperoleh sebesar 2,0302 nm. Dari hasil analisis distribusi pori, diperoleh bahwa pori seluruh sampel karbon yang diperoleh mayoritas terdistribusi pada rentang mesopori.
33
4.4 Modifikasi Permukaan Karbon Aktif Modifikasi permukaan karbon aktif bertujuan untuk menciptakan gugus fungsi pada permukaan karbon yang dilaporkan mempunyai pengaruh dalam meningkatkan nilai kapasitansi karbon aktif sebagai bahan elektroda (Tasima, dkk., 2007; Liu, dkk., 2008). Modifikasi permukaan karbon aktif pada penelitian ini dilakukan dengan menggunakan HNO3, H2SO4, dan H2O2. Kehadiran gugus-gugus fungsi yang mengandung oksigen dari hasil modifikasi permukaan dikarakterisasi dengan menggunakan metode titrasi Boehm (back titration) dan ditunjang oleh analisis menggunakan FTIR. Konsentrasi gugus asam dan gugus basa dari karbon aktif sebelum dan setelah modifikasi ditentukan melalui metode titrasi Boehm seperti yang diperlihatkan pada Gambar 14. 4.5000 4.0000
Gugus Karboksil Gugus Fenol Gugus Basa
Gugus Lakton Gugus Asam Total
3.5000
mek/g
3.0000 2.5000 2.0000 1.5000 1.0000 0.5000 -
non treatment HNO HNO3 3
H H2SO4 2SO4
HH2O2 2O2
Gambar 14. Perbandingan konsentrasi gugus fungsi karbon aktif sebelum dan setelah modifikasi HNO3, H2SO4, dan H2O2 Karbon aktif hasil modifikasi dengan HNO3 menunjukkan peningkatan konsentrasi pada gugus karboksil, lakton, dan fenol, sedangkan gugus basa mengalami penurunan. Karbon aktif hasil modifikasi H2SO4 juga mengalami peningkatan gugus asam pada lakton dan gugus fenol namun tidak terjadi
34
peningkatan yang signifikan pada gugus karboksil, sedangkan konsentrasi gugus basa mengalami penurunan. Karbon aktif hasil modifikasi H2O2 mengalami peningkatan konsentrasi pada gugus asam namun tidak signifikan. Karakter asambasa dari permukaan karbon aktif ditunjukkan melalui data hasil titrasi Boehm. Konsentrasi total asam meningkat dan konsentrasi total basa menurun setelah modifikasi. Keadaan seperti ini juga telah diamati pada penelitian sebelumnya dan diindikasikan bahwa permukaan dasar dari karbon aktif mengikuti tipe Lewis dan berhubungan dengan ikatan π yang kaya elektron pada lapisan grafit karbon. Hal ini sesuai dengan kenyataan bahwa peningkatan gugus yang mengandung oksigen menyebabkan berkurangnya kepadatan elektron pada permukaan karbon aktif dan akibatnya dapat mengurangi sifat basa dari karbon aktif (Lopez-Ramon, dkk., 1999; Moreno-Castilla, dkk., 2000). Analisis menggunakan FTIR juga dilakukan untuk melihat gugus-gugus fungsi pada permukaan karbon aktif yang diperlihatkan pada Gambar 15.
3000
2000
1777 3418
%T
1176 1027
1695
1578
3417
4000
1000
3000
bilangan gelombang (cm )
2000 -1
bilangan gelombang (cm )
1000
3382
1367 1182 1027 1558
%T
1175 1035
1711 1589 1386 3000
3614
d)
3426
%T
1000
bilangan gelombang (cm )
c)
4000
2000 -1
-1
1789 1701
%T 4000
1713 1614 1524 1382 1337 1194 1031
b)
a)
4000
3000
2000
1000
-1
bilangan gelombang (cm )
Gambar 15. Spektrum FTIR karbon aktif (a) non treatment, (b) termodifikasi HNO3, (c) termodifikasi H2SO4, dan (d) termodifikasi H2O2.
35
Gambar 15(a) menunjukkan gugus fungsi karbon aktif sebelum modifikasi. Pita serapan yang lebar dan kuat pada daerah 3417 cm-1 mengindikasikan adanya O-H. Pita serapan daerah 1176 cm-1 mengindikasikan gugus C-O ulur. Serapan tersebut menunjukkan adanya gugus alkohol (fenol). Selain itu, terdapat pita serapan daerah 1695 cm-1 mengindikasikan adanya gugus C=O yang khas pada asam karboksilat. Adapun pita serapan daerah 1578 cm-1 menunjukkan adanya gugus C=C ulur aromatik. Gambar 15(b) merupakan gugus-gugus fungsi pada karbon aktif
hasil
modifikasi HNO3 yang menunjukkan adanya pita serapan yang lebar dan kuat pada daerah 3418 cm-1 dan mengindikasikan adanya gugus O-H. Pita serapan pada daerah 1194 cm-1 menunjukkan adanya C-O ulur. Pita serapan daerah 1713 cm-1 mengindikasikan adanya C=O dari asam karboksilat dan pita serapan 1777 cm-1 mengindikasikan adanya gugus C=O dari lakton (ester siklik) yang diperkuat oleh gugus C-O pada pita serapan 1337 cm-1. Selain itu, pita serapan daerah 1614 cm-1 menunjukkan C=O pada kuinon. Gambar 15(c) merupakan spektra FTIR pada karbon aktif hasil modifikasi H2SO4 yang menunjukkan adanya pita serapan lebar dan kuat pada daerah 3426 cm-1 mengindikasikan adanya gugus hidroksil (-OH). Pita serapan pada daerah 1175 cm-1 menunjukkan adanya C-O ulur. Pita serapan daerah 1711 cm-1 mengindikasikan adanya C=O dari asam karboksilat. Adapun pita serapan daerah 1589 cm-1 menunjukkan adanya gugus C=C ulur aromatik sedangkan pada daerah serapan 1386 cm-1 yang tajam dan kuat menunjukkan adanya gugus S=O. Gambar 15(d) merupakan spektra FTIR dari karbon aktif hasil modifikasi H2O2, pita serapan daerah 3614 cm-1 yang rendah dan tajam mengindikasikan adanya gugus O-H bebas. Pita serapan pada daerah 1175 cm-1 menunjukkan adanya C-O ulur. Pita serapan daerah 1701 cm-1 mengindikasikan adanya C=O dari asam 36
karboksilat dan serapan daerah 1789 cm-1 dari lakton yang diperkuat oleh daerah serapan 1367 cm-1 yang merupakan gugus C-O. Adapun daerah serapan 1558 cm-1 mengindikasikan adanya gugus C=C ulur aromatik. Secara kualitatif, analisis menggunakan
FTIR
mengidentifikasi
kehadiran
gugus-gugus
fungsi
yang
mengandung oksigen pada semua sampel hasil modifikasi (Figueiredo, dkk., 1999 ; Pavia, dkk., 2001). Dari hasil data titrasi Boehm dan FTIR menunjukkan karbon aktif hasil modifikasi HNO3 meningkatkan gugus fungsi yang mengandung oksigen lebih besar dibandingkan karbon aktif hasil modifikasi dengan H2SO4 dan H2O2. 4.5 Pengukuran Kapasitansi Spesifik Karakterisasi
pengukuran
kapasitansi
spesifik
dilakukan
dengan
menggunakan metode voltammetri siklik dan pengujian elektroda dilakukan dengan laju scan 250 mV/s. Gambar 16 menunjukkan voltammogram dari elektroda pasta karbon sebelum dan sesudah modifikasi.
-8
Arus (A)
1.5x10
non treatment H2O2 H2SO4 HNO3
Ic
0
-8
-1.5x10
Id -0.2
0
0.2
0.4
Tegangan (V)
Gambar 16. Voltammogram elektroda pasta karbon aktif tongkol jagung Voltammogram dari elektroda pasta karbon sebelum dan sesudah modifikasi menunjukkan bentuk kurva yang cukup identik walaupun sedikit berbeda pada kurva elektroda karbon tanpa modifikasi. Bentuk kurva yang diperoleh dari hasil pengukuran dengan metode voltametri siklik memberikan gambaran besarnya nilai
37
kapasitansi spesifik yang dihasilkan. Nilai kapasitansi spesifik dipengaruhi oleh arus charge, garis yang berada bidang atas kurva dan arus discharge, garis yang berada pada bidang bawah kurva seperti yang ditunjukkan pada Gambar 16. Nilai arus charge dan discharge dari elektroda digunakan untuk menghitung nilai kapasitansi spesifik menggunakan persamaan 8.
C
I I d c s v.m
(8)
di mana Cs adalah kapasitansi spesifik (F/g), Ic dan Id masing-masing adalah arus charge dan discharge (A), v adalah laju scan (V/s), dan m adalah massa karbon pada elektroda. Nilai kapasitansi spesifik dari elektroda pasta karbon aktif sebelum dan sesudah modifikasi ditunjukkan pada Tabel 6. Tabel 6. Data cyclic voltammetry elektroda pasta karbon Elektroda Pasta karbon
Laju scan (V/s)
Massa (g)
Ic ( nA )
Id ( nA )
Cs ( μ F/g)
non-treatment
0,25
0,0158
16,9
- 10,8
7,01
termodifikasi HNO3
0,25
0,0125
27,3
- 22,5
15,94
termodifikasi H2SO4
0,25
0,0166
23,5
- 17,5
9,88
termodifikasi H2O2
0,25
0,0162
23,0
- 17,0
9,87
Nilai kapasitansi spesifik paling tinggi yang dihasilkan oleh elektroda pasta karbon yaitu karbon aktif termodifikasi HNO3 dengan nilai kapasitansi spesifik sebesar 15,94 μF/g. Selain itu, karbon aktif termodifikasi H2SO4 dan H2O2 juga mengalami peningkatan dibandingkan sebelum modifkasi dengan nilai kapasitansi spesifik hanya sebesar 7,01 μF/g.
Hal ini menunjukkan bahwa modifikasi
permukaan karbon aktif dapat meningkatkan nilai kapasitansi spesifik. Nilai kapasitansi yang tinggi pada hasil modifkasi dengan HNO3 menghasilkan gugus fungsi yang mengandung atom N, yang memiliki kemampuan meningkatkan konduktivitas elektron yang disebabkan oleh pergeseran level energi Fermi ke pita 38
valensi dalam elektroda karbon. Hal tersebut akan membantu memfasilitasi transfer elektron (Chen, dkk., 2013). Keadaan ini menunjukkan bahwa luas permukaan spesifik bukan satu-satunya faktor yang mempengaruhi kapasitansi spesifik. Reaktivitas gugus-gugus yang mengandung oksigen umumnya disebabkan oleh perbedaan elektronegativitas antara oksigen dan karbon atau atom hidrogen. Oksigen memiliki afinitas yang lebih besar terhadap elektron yang membuat oksigen lebih elektronegatif dibandingkan dengan atom karbon (pada gugus karbonil dan kuinon) atau hidrogen (pada gugus hidroksil). Hal ini menyebabkan oksigen bermuatan parsial negatif dan kaya elektron, sedangkan atom-atom lain menjadi kurang elektron, menghasilkan muatan parsial positif. Perbedaan elektronegatifitas pada gugus fungsi yang mengandung oksigen meningkatkan polaritas ikatannya. Oleh karena itu, keberadaan gugus fungsi yang mengandung oksigen pada permukaan karbon aktif akan meningkatkan polaritas karbon aktif dan membuatnya lebih hidrofilik. Keadaan tersebut akan meningkatkan adsorpsi dari ion-ion larutan elektrolit pada permukaan karbon dan meningkatkan efektivitas dari luas permukaan karbon aktif pada superkapasitor (Centena dan Stoeckli, 2006 ; Liu, dkk., 2008). Pada penelitian ini juga dilakukan variasi laju scan untuk melihat pengaruh nilai kapasitansi spesifik suatu elektroda yang menggunakan karbon aktif termodifikasi HNO3 karena karbon aktif ini memiliki kapasitansi spesifik paling besar, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 17.
-8
I (A)
1.5x10
0
100 mV/s 250 mV/s
-8
-1.5x10
-0.2
0
0.2
0.4
E (V)
Gambar 17. Voltammogram karbon aktif termodifikasi HNO3 dengan laju scan yang berbeda 39
Variasi laju scan 100 dan 250 mV/s pada karbon aktif termodifikasi menunjukkan bentuk kurva yang identik dengan nilai kapasitansi spesifik yang berbeda seperti yang ditunjukkan pada Tabel 7. Tabel 7. Data cyclic voltammetry dengan variasi laju scan Elektroda Pasta karbon termodifikasi HNO3
Laju scan (V/s) 0,1 0,25
Massa (g) 0,0125
Ic
Id
( nA ) 17,9
( nA ) -10,4
27,3
- 22,5
Cs ( μ F/g) 22,64 15,94
Data tersebut menunjukkan bahwa laju scan yang rendah, menghasilkan nilai kapasitansi spesifik semakin tinggi. Pada laju scan yang rendah, ion-ion mempunyai waktu yang lama dapat berdifusi ke dalam pori berukuran meso. Ion dan elektron yang berasal dari pengumpul arus akan berdifusi secara merata ke permukaan elektroda sampai pori. Sebaliknya, pada laju scan yang tinggi ion berdifusi dengan cepat tetapi hanya sampai pada permukaan karbon aktif berukuran makro (Taer, dkk., 2005). Nilai kapasitansi spesifik yang dihasilkan masih sangat jauh dibandingkan dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Ismanto dkk. (2010) mengenai modifikasi karbon aktif sebagai kapasitor elektrokimia dengan nilai kapasitansi spesifik pada karbon aktif termodifikasi HNO3 sebesar 264,08 F/g. Hal ini dapat disebabkan karena beberapa faktor seperti kualitas pembuatan karbon aktif yang berbeda, metode pembuatan elektroda, dan jenis serta konsentrasi elektrolit yang digunakan.
40
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan Kesimpulan hasil penelitian yang telah dilakukan adalah sebagai berikut: 1. Luas permukaan karbon aktif tongkol jagung sebelum dan sesudah ekstraksi silika serta setelah aktivasi dengan aktivator ZnCl2 berturut-turut adalah 4,5418 m2/g, 5,9758 m2/g, dan 306,5483 m2/g. 2. Modifikasi permukaan karbon aktif tongkol jagung dapat meningkatkan gugus fungsi pada permukaan karbon aktif khususnya gugus fungsi yang mengandung oksigen. 3. Nilai kapasitansi spesifik karbon aktif tongkol jagung sebelum dan setelah modifikasi permukaan dengan HNO3, H2SO4, dan H2O2 berturut-turut adalah 7,01; 15,94; 9,88; dan 9,87 μF/g.
5.2 Saran Saran untuk penelitian selanjutnya mengenai karbon aktif sebagai bahan elektroda elektrokimia adalah sebagai berikut: 1. Perlu dilakukan uji proksimat terhadap karbon aktif biomassa untuk mengetahui kualitas pembuatan karbon aktif. 2. Perlu dilakukan studi lebih lanjut mengenai cara pembuatan elektroda karbon serta jenis dan pengaruh konsentrasi elektrolit dalam penentuan kapasitansi spesifik karbon aktif.
41
DAFTAR PUSTAKA
Agung, M.G.F., Hanafie, S.M.R., Mardina, P., 2013, Ekstraksi Silika dari Abu Sekam Padi dengan Pelarut KOH, Konversi, 2 (1), 28-31. Alfiany, H., Bahri, S., Nurakhirawati, 2013, Kajian Penggunaan Arang Aktif Tongkol Jagung sebagai Adsorben Logam Pb dengan Beberapa Aktivator Asam, J. Natural Sci., 2 (3), 75-86. Alif, A., 2015, Sintesis dan Karakterisasi Karbon Nanopori Ampas Tebu (Saccharum officinarum) dengan Aktivator NaOH melalui Iradiasi Ultrasonik sebagai Bahan Penyimpan Energi Elektrokimia, Skripsi tidak diterbitkan, Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Hasanuddin, Makassar. Andhika, R., 2015, Elektrodeposisi Logam Cu Pada Permukaan Karbon Aktif Sekam Padi Bebas Silika dengan Iradiasi Ultrasonik, Skripsi tidak diterbitkan, Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Hasanuddin, Makassar. Arepalli, S., Fireman, H., Huffman, C., Moloney, P., Nikolaev, P., Yowell, L., Higgins, C.D., Kim, K., Kohl, P.A., Turano, S.P., 2005, Carbon-nanotube Based Electrochemical Double Layer Capacitor Technologies for Space Flight Applications, J. Mater., 57, 26-31. Atkins, P., Paula, J., 2009, Elements of Physical Chemistry Fifth Edition, Oxford University Press, New York. Badan Pusat Statistik dan Direktorat Jendral Tanaman Pangan, 2012, Statistika Indonesia, Jakarta. Bagheri, N., Abedi, J., 2011, Adsorption of Methane on Corn Cobs Based Activated Carbon, Chem. Eng, Res. Design, 89, 2038-2043. Balathanigaimani, M.S., Shim, W., Lee, M., Kim, C., Lee, J., Moon, H., 2008, Highly Porous Electrodes from Novel Corn Grains-based Activated Carbons for Electrical Double Layer Capacitors, Electrochem. Commun., 10, 808-871. Beguin, F., dan Frackowiak, E., 2010, Carbons for Electrochemical Energy Storage and Conversion Systems, CRC Press, London. Berita Resmi Statistik, 2014, BPS Provinsi Sulawesi Selatan, No. 62/11/73 Th. V, Produksi Padi, Jagung, dan Kedelai di Provinsi Sulawesi Selatan (Angka Ramalan II 2014). Cao, Q., Xie, Y.K., Lv, Y.K., Bao, W.R., 2006, Process Effects on Activated Carbon with Large Specific Surface Area from Corn Cob, Bioresour. Technol., 97, 110-115. 42
Cencen, F., Aktas, O., 2012, Activated Carbon for Water and Wastewater Treatment, Integration of Adsorption and Biological Treatment, Wiley-VCH, Weinheim, Germany. Centeno, T.A., Stoeckli, F., 2006, The Role of Textural Characteristics and Oxygen Containing Surface Groups in The Supercapacitor Performances of Activated Carbon, Electrochimica Acta, 52, 560-566. Chahaya, I., 2005, Pengetahuan, Sikap, dan Tindakan Masyarakat dalam Upaya Menghemat Pemakaian Energi Listrik di Perumahan Nasional (Perumnas) Helvetia Kecamatan Medan Helvetia Kota Medan, Jurnal Komunikasi Penelitian, 17 (4), 60-65. Chang, C.F., Chang, C.Y., Tsai, W.T., 2000, Effect Burn-off and Activation Temperature on Preparation of Activated Carbon from Corn Cob Agrowaste by CO2 and Steam, J. Colloid Interface. Sci, 232, 45-49. Chatwal, G., 1985, Spectroscopy Atomic and Molecule, Himalaya Publishing House, Bombay. Chen, L.F., Zhang, X.D., Liang, H.W., Kong, M., Guan, Q.F., Chen, P., Yu, S.H., 2012, Synthesis of Nitrogen Doped of Porous Carbon Nanofibers as an Efficient Elelctrode Material of Supercapacitors, ACS nano, 6, 7092-7102. Cheng, P., Teng, H., 2003, Electrochemical Responses from Surface Oxides Present on HNO3 Treated Carbon, Carbon, 41, 2057-2063. Conway, B.E., 1999, Electrochemical Supercapacitors—Scientific Fundamentals and Technological Applications, Kluwer, New York. Cotton, F. A., dan Wilkinson, G., 1989, Kimia Anorganik Dasar, UI-Press, Jakarta. Daud, Wan, W.M.A., Wan, W.S., Zaki, M., 2000, The Effects of Carbonization Temperature on Pore Development in Palm Shell Gased Activated Carbon, Carbon, 38, 1925-1932. Ding, L., Zou, B., Liu, H., Li, Y., Wang, Z., Su, Y., Guo, Y., Wang, X., 2013, A
New Route for Conversion of Corncob to Porous Carbon by Hydrolysis and Activation, Chem. Eng. J., 225, 300-305. Grandistin, 2014, Karakterisasi dan Uji Adsorpsi Batubara Muda Termodifikasi Hidrogen Peroksida Menggunakan Metode Kontinyu Terhadap Metilen Biru, Skripsi diterbitkan, Universitas Pendidikan Indonesia, Bandung. Fachry, A.R., Astuti, P., Puspitasasi, T.G., 2013, Pembuatan Bioetanol dari Limbah Tongkol Jagung dengan Variasi Konsentrasi Asam Klorida dan Waktu Fermentasi, Jurnal Teknik Kimia, 1 (19), 60-69. 43
Faisal, M., Andynapratiwi, I., Putri, P.D.A., 2014, Pengaruh Komposisi Arang dan Perekat Terhadap Kualitas Biobriket dari Kayu Karet, Jurnal Teknik Kimia, 2 (20), 36-44. Faria, P.C.C., Orfao, J.J.M., Pereira, M.F.R., 2004, Adsorption of Anionic and Cationic Dyes on Activated Carbons with Different Surface Chemistries, Water Res., 38, 2043-2052. Feng-Chin, W., Ru-Ling, T., Chi-Chang, H., Chen-Ching, W., 2006, The Capacitive Characteristics of Activated Carbons-Comparisons of The Activation Methods on The Pore Structure and Effects of The Pore Structure and Electrolyte on The Capacitive Performance, J. Power Source., 159, 1532– 1542. Figueiredo, J.L., Pereira, M.F.R., Freitas, M.M.A., Orfao, J.J.M., 1999, Modification of The Surface Chemistry of Activated Carbons, Carbon, 37, 1379-1389. Frackowiak, E., Machnikowski, J., Beguin, F., 2006, Novel Carbonaeous Materials for Application in The Electrochemical Supercapacitors, New Carbon Based Materials for Electrochemical Energy Storage Systems, Nato Public Diplomacy Division, Spinger, 5-20. Fuente, E., Menendez. J.A., Diez, M.A., Suarez, D., Montes-Moran, M.A., 2003. Infrared Spectroscopy of Carbon Materials : A Quantum Chemical Study of Model Compounds, J.Phys. Chem. B., 107, 6350-6359. Harti, R., Allwar, Fitri, N., 2014, Karakteristisasi dan Modifikasi Karbon Aktif Tempurung Kelapa Sawit dengan Asam Nitrat untuk menjerap Logam Besi dan Tembaga dalam Minyak Nilam, Ind. J. Chem. Res., 2 (1), 1-10. Hartini, L. Yulianti, E., dan Mahmudah, R., 2014, Karakterisasi Karbon Aktif Teraktivasi NaCl dari Ampas Tebu, Alchemy, 3 (2), 145-153. Hasan, N.L., Zakir, M., Budi, P., 2014, Desilikasi Karbon Aktif Sekam Padi sebagai Adsorben Hg pada Limbah Pengolahan Emas di Kabupaten Buru Propinsi Maluku, Ind. Chim. Acta, 7 (2), 1-11. Hashim, M.A., Sa’adu, L., Dasuki, K.A., 2012, Supercapacitors Based on Activated Carbon and Polymer Electrolyte, Int. J. Sustainable Energy Environ Res., 1 (1), 1-6. Himmaty, I., Endarko, 2013, Pembuatan Elektroda dan Perancangan Sistem Capacitive Deionization untuk Mengurangi Kadar Garam pada Larutan Sodium Clorida (NaCl), Berkala Fisika, 16 (3), 67-74. Hsieh, C., Teng, H., 2002, Influence of Oxygen Treatment on Electric Double Layer Capacitance of Activated Carbon Fabrics, Carbon, 40, 667-674.
44
Ilato, R., Bahua, M.I., 2014, Analisis Rantai Komoditas Jagung serta Strategi Peningkatan Pendapatan Petani Jagung di Provinsi Gorontalo, Penelitian Prioritas Nasional Masterplan Percepatan dan Perluasan Pembangunan Ekonomi Indonesia 2012-2025, Universitas Negeri Gorontalo. Ismanto, A.E., Wang, S., Soetaredjo, F.E., Ismadji, S., 2010, Preparation of Capacitor’s Electrode from Cassava Peel Waste, Bioresour. Technol., 101, 3534-3540. Janes, A., Kurig, H., Lust, E., 2007, Characterization of Activated Nanoporous Carbon for Supercapacitor Electrode Materials, Carbon, 45, 1226-1233. Jenkins, R., 1999, X-Ray Fluorescence Spectrometry Second Edition, John Wiley and Sons, London. Jiang, J., Zhang, L., Wang, X., Holm, N., Rajagopalan, K., 2013, Highly Ordered Macroporous Woody Biochar with Ultra-high Carbon Content as Supercapacitor Electrodes, Electrochem. Acta, 113, 481-489. Juliandini, F., Trihadiningrum, Y., 2008, Uji Kemampuan Karbon Aktif dari Limbah Kayu dalam Kota untuk Penyisishan Fenol, Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi VII, D-2-1-D-2-12. Kalapathy, U., Proctor, A., Shultz, J., 2002, A Simple Method for Production of Pure Silica from Corncob, J. Bioresour. Technol.,73, 257-262. Kalyani, P. Anita, A., 2013, Biomass Carbon and Its Prospects in Electrochemical Energy Systems, Int. J. Hydrogen Energy, 38, 4034-4045. Kriswarini, R., Angraini, D., Djamaludin, A., 2010, Validasi Metode XRF (X-Ray Fluorescence) secara Tunggal dan Simultan untuk Analisis Unsur Mg, Mn, dan Fe dalam Paduan Aluminium, Seminar Nasional VI SDM Teknologi Nuklir, 273-278. Labanni, A., Zakir, M. dan Maming, 2015, Sintesis dan Karakterisasi Karbon Nanopori Ampas Tebu (Saccharum officinarum) dengan Aktivator ZnCl2 melalui Iradiasi Ultrasonik sebagai Bahan Penyimpan Energi Elektrokimia, Indo. Chim. Acta, 8 (1), 1-9. Latifan, R., dan Susanti, D., 2012, Aplikasi Karbon Aktif dari Tempurung Kluwak (Pangium Edule) dengan Variasi Temperatur Karbonisasi dan Aktivasi Fisika sebagai Elelctric Double Layer Capasitor (EDLC), Jurnal Teknik Material dan Metalurgi, 1 (1), 1-6. Lee, D., 2013, Preparation of a Sulfonated Carbonaceous Material from Lignosulfonate and Its Usefulness as an Esterification Catalyst, Molecules, 18, 8169-8180.
45
Lempang, M., 2014, Pembuatan dan Kegunaan Arang Aktif, Info Teknis EBONI, 11 (2), 65-80. Leon y Leon, C.A., Solar, J.M., Calemma, V., Radovic, L.R., 1992, Evidence for Protonation of Basal Plane Sites on Carbon, Carbon, 30 (5), 797-811. Leon y Leon, C.A., Radovid, L.R., 1994, Chemistry and Physics of Carbon, Macel Dekker, New York. Li, X., Xing, W., Zhuo, S., Zhuo, J., Li, F., Qiao, S., Lu,G., 2011, Preparation of Capacitor’s Electrode from Sunflower Seed Shell, Bioresour. Technol., 102, 1118-1123. Liu, Y., Hu, Z., Xu, K., Zheng, X., Gao, Q., 2008, Surface Modification and Performance of Activated Carbon Electrode Material, Acta Phys. Chim. Sinica, 24 (7), 1143-1148. Lopez-Ramon, Stoeckli, F., Moreno-Castilla, Carrasco,-Marin, F., 1999, On The Charaterization of Acidic and Basic Surface Sites on Carbons by Various Techniques, Carbon, 37, 1215-1221. Lorenz, K.J., Kulp, K., 1991, Handbook of Cereal Science and Technology, Marcel Dekker, New York. Masrukan, Wagiyo, Aditoiyanto, 1999, Pemeriksaan Mikrostruktur dan Analisis Unsur AlMgSil Menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM)-EDS, Prosiding Seminar Nasional Hamburan Neutron dan Sinar X Kedua, 79-82. Moreno-Castilla, C., Lopez-Ramon, M.V., Carasso-Marin, F., 2000, Changes in Surface Chemistry of Activated Carbons by Wet Oxidation, Carbon, 38, 19952001. Montez-Moran, M.A., Suarez, D., Menendez, J.A., Fuente, E., 2004, On The Nature of Basic Sites on Carbon Surfaces: An Overview, Carbon, 42, 1219-1225. Mujiayanti, D.R., Nuryono, Kunarti, E.S., 2010, Sintesis dan Karakterisasi Silika Gel dari Abu Sekam Padi yang Dimobilisasi dengan 3-(Trimetoksisil)-1Propantiol, Sains Ter. Kim., 4 (2), 150-167. Mulyani, R., Buchari, Noviandri, Ciptati, 2012, Studi Voltametri Siklik Sodium Dodecyl Benzen Sulfonat dalam Berbagai Elektroda dan Elektrolit Pendukung, Teknologi Pengelolaan Limbah, 15 (1), 51-56. Njoku, V.O., Hameed, B.H., 2011, Preparation and Characterization of Activated Carbon from Corncob by Chemical Activation with H3PO4 for 2,4diclorophenoxyacetic acid Adsorption, Chem. Eng. J., 173, 391-399.
46
Nor, N.M., Chung, L.L., Teong, L.K., Mohamed, A.R., 2013, Synthesis of Activated Carbon from Lignocellulosic Biomass and Its Application in Air Pollution Control-A Review, J. Env. Chem. Eng., 1, 658-666. Nugroho, M.R., 2011, Rancang Bangun Sistem Sumber Daya Tag Aktif RFID Berbasis Tenaga Surya dengan Superkapasitor sebagai Media Penyimpan Energi, Skripsi diterbitkan, Program Studi Teknik Elektro, Universitas Indonesia. Nurdiati, D., Astuti, 2015, Sintesis Komposit PAni/Karbon dari Tempurung Kemiri (Aleurites Moluccana) sebagai Elektroda Kapasitor, Jurnal Fisika Unand, 4 (1), 51-57. Pandolfo, A.G., Hollenkamp, A.F., 2006, Review Carbon Properties and Their Role in Supercapacitors, J. Power Sources, 157, 11-27. Pavia, D.L., Lampman, G.M., Kriz, G.S., 2001, Introduction to Spectroscopy Third Edition, Thomson Learning, Bellingham Washington. Pereira, M.F.R., Soares, S.F., Orfao, J.J.M., Figueiredo, J.L., 2003, Adsorption of Dyes on Activated Carbons : Influence of Surface Chemical Groups, Carbon, 41, 881-821. Prasetyo, Y., Nasrudin, H., 2013, Penentuan Konsentrasi ZnCl2 Pada Proses Pembuatan karbon Aktif Tongkol Jagung dan Penurunan Konsentrasi Surfaktan Linier Alkyl Benzene Suphonate (LAS), Unesa Journal of Chemistry, 2 (3), 231-235. Proctor, A., Clark, P.K., Parker, C.A., 1995, Rice Hull Ash Adsorbent Performance under Commercial Soy Oil Bleaching Conditions, J. Am. Oil Chem. Soc., 72, 459-462. Purbo, C., Rachman, F., Teguh, K.B., Sukma, R.N., Fadhilah, U.R., Kurniawati, Y., 2009, X-Ray Difraktometer (XRD), Tugas Kimia Fisika Semester Pendek, Universitas Sebelas Maret, Surakarta. Qu, D., Shi, H., 1998, Studies of Activated Carbons Used in Double Layer Capacitors, J. Power Sources, 74, 99-107. Rachmaniah, 2005, Isolasi Silika dari Sabut Kelapa Sawit, Skripsi diterbitkan, Departemen Kimia, Institut Pertanian Bogor, Bogor. Rahayu, A.N.R., Adhitiyawarman, 2014, Pemanfaatan Tongkol Jagung sebagai Adsorben Besi pada Air Tanah, JKK, 3 (3), 7-13. Rahmawati, Y.D., Prasetyo, I., dan Rochmadi, 2010, Pengaruh Penambahan Zat Pendehidrasi terhadap Struktur Mikropori Material Karbon yang Dibuat dari Pirolisis Resin Phenol-tert.buthyl phenol-formaldehid, Prosiding Seminar
47
Nasional Teknik Kimia “Kejuangan” Pengembangan Teknologi Kimia untuk Pengolahan Sumber Daya Alam Indonesia, J02.1-J02.9. Ramdja, A.F., Halim, M., Handi, J., 2008, Pembuatan Karbon Aktif dari Pelepah Kelapa (Cocus nucifera), J. Tek.Kim, 15 (2), 1-8. Richana, N., Lestina, P., Irawadi, T.T., 2004, Karakterisasi Lignoselulosa Xylan dari limbah Tanaman Pangan dan Pemanfaatannya untuk Pertumbuhan Bakteri, RXA III-5 Penghasil Xilanase, J. Penelitian Pertanian, 23, 171-176. Scholz, F., 2010, Electroanalytical Methods, Spinger-Verlag Belin and Heidelberg GmbH & Co. K, Berlin. Shafeeyan, M.S., daud, W.M.A.W, Houshmand, A., and Shamiri, A., 2010, A Review on Surface Modification of Activated Carbon for Carbondioxide Adsorpstion, J. Anal. Appl. Pyrol, 89, 143-151. Shim, J., Park, S., Ryu, S., 2001, Effect of Modification with HNO3 and NaOH on Metal Adsorption by Pitch-Based Activated Carbon Fibers, Carbon, 39, 16351642. Shofa, 2012, Pembuatan Karbon Aktif Berbahan Baku Ampas Tebu dengan Aktivasi Kalium Hidroksida, Skripsi dterbitkan, Program Studi Teknik Kimia Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok. Setyadhi, L., Wibowo, D., Ismadji, S., 2005, Modifikasi Sifat Kimia Permukaan Karbon Aktif dengan Asam Oksidator dan Non-oksidator Serta Aplikasinya terhadap Adsorpsi Metilen Biru, The 4th National Conference : Design and Application Technology 2005, 69-76. Shen, W., Li, Z., Liu, Y., 2008, Surface Chemical Functional Groups Modification of Porous Carbon, Recent Patern of Chemical Engineering, 1 (1), 27-40. Shentilkumar, S.T., Senthilkumar, B., Balaji, S., Sanjeeviraja, C., Selvan, R.K., 2011, Preparation of Activated Carbon from Sorghum Pith and Its Structural and Electrochemical Properties, Mater. Res. Bull., 46, 413-419. Sirappa, M.P., 2003, Prospek Pengembangan Sorgum di Indonesia sebagai Komoditas Alternatif untuk Pangan, Pakan, dan Industri, Jurnal Litbang Pertanian, 22 (4), 127. Skoog, D.A., Holler, FJ., West, D.M., Crouch, S.R., 2013, Fundamental of Analytical Chemistry Ninth Edition, Brooks Cole, USA. Slamet, J.S., 2002, Kesehatan Lingkungan, Gadjah Mada University Press, Yogyakarta. So, P.Y., 2014, Implementasi Kebijakan Konservasi Energi di Indonesia, E-Journal Graduate Unpar, 1 (1), 1-13. 48
Sulistyawati, S., 2008, Modifikasi Tongkol Jagung sebagai Adsorben Logam Berat Pb(II), Skripsi diterbitkan, Departemen Kimia, Institut Pertanian Bogor. Suryani, A.M., 2009, Pemanfaatan Tongkol Jagung untuk Pembuatan Arang Aktif sebagai Adsorben Pemurnian Minyak Goreng Bekas, Skripsi diterbitkan, Departemen Kimia, Institut Pertanian Bogor, Bogor. Taba, P., 2007, The Potency of Mesoporous Carbon (CMK-1) as Adsorbent of Dyes, Proceeding of ICCS 2007, 2-9. Taer, E., Zulkifli, Sugianto, Syech, R., Taslim, R., 2015, Analisa Siklis Voltametri Superkapasitor Menggunakan Elektroda Karbon Aktif dari Kayu Karet Berdasarkan Variasi Aktivator KOH, Prosiding Seminar Nasional Fisika, 4, 105-110. Tashima, D., Kurosawatsu, K., Sung, Y., Otsubo, M., Honda, C., 2007, Surface Modification of Nanoporous Materials for Electric Double Layer Capacitors Application, Mater. Chem. Phys., 103, 158-161. Tseng, R., Tseng, S., 2005, Pore Structure and Adsorption Performance of The KOH Activated Carbons Prepared from Corncob, J. Colloid Interface. Sci., 287, 428437. Utomo, S., 2014, Pengaruh Waktu Aktivasi dan Ukuran Partikel terhadap Daya Serap Karbon Aktif dari Kulit Singkong dengan Aktivator NaOH, Seminar Nasional Sains dan Teknologi 2014, 1-4. Vasu, E.D., 2008, Surface Modification of Activated Carbon for Enhancement of Nickel(II) Adsorption, E-J.Chem, 5 (4), 814-816. Vytras, K., Svancara, I., Metelka, R., 2009, Carbon Paste Electrodes in Electroanalytical Chemistry, J. Serb.Chem. Soc., 74 (10), 1021-1033. Wachid, M.R., Setiarso, P., 2014, Pembuatan Elektroda Pasta KarbonTermodifikasi Bentonit untuk Analisis Ion Logam Tembaga(II) secara Cyclic Voltammetry Stripping, Prosiding Seminar Nasional Kimia, Universitas Negeri Surabaya, Surabaya, 20 September. Wei, X., Xiao, L., Jin, Z., Ping, Z.S., 2011, Carbon Derived from Rice Husk for Electrochemical Capacitor Application, Mater. Res., 239-242, 2101-2106. Wibowo, N., Setiawan, J., Ismadji, S., 2004, Modifikasi Gugus Aktif Suatu Karbon Aktif dan Karakterisasinya, Jurnal Teknik Kimia Indonesia, 3 (1), 39-46. Winter, M., Brodd, R.J., 2004, What are Batteries, Fuel Cells, and Supercapacitors?, Chem. Rev., 104, 4245-4268.
49
Wungkana, I., Suryanto, E., Momuat, L., 2013, Aktivitas Antioksidan dan Tabir Surya Fraksi Fenolik dari Limbah Tongkol Jagung (Zea mays L.), Jurnal Ilmiah Farmasi Unsrat, 2 (4), 149-155. Zhang, Y., Feng, H., Wu, X., Wang. L., Zhang, A., Xia, T., Dong, H., Li, X., Zhang, L., 2009, Progress of Electrochemical Capacitor Electrode Materials : A Review, Int. J. Hydrogen Energy, 34, 4889-4899.
50
Lampiran 1. Skema Prosedur Kerja 1.
Skema Kerja Preparasi Sampel Tongkol Jagung
dipotong-potong menjadi bagian-bagian kecil dicuci dengan air mengalir sampai bersih dikeringkan di bawah sinar matahari Tongkol jagung bersih dan kering 2.
Skema Kerja Karbonisasi Tongkol jagung bersih dan kering dipanaskan ke dalam tanur dngan variasi suhu 400 oC, 300 oC, dan 280 oC selama 1 jam didinginkan dalam desikator digerus lalu diayak dengan pengayak 200 mesh Karbon tongkol jagung
3.
Skema Kerja Ekstraksi Silika Karbon tongkol jagung ditambahkan 60 mL larutan NaOH 2,5% dalam etanol 50% direfluks selama 1,5 jam disaring
Filtrat
Karbon direfluks kembali (dengan prosedur yang sama di atas) disaring endapannya dicuci dengan akuades hingga pH netral dikarakterisasi dengan XRF Karbon tongkol jagung bebas silika
51
4.
Skema Kerja Aktivasi Karbon tongkol jagung bebas silika ditambahkan masing-masing aktivator ZnCl2 8% dengan perbandingan volume ZnCl2 : massa karbon (5 :1) dididihkan selama 90 menit disaring menggunakan corong Buchner endapannya dipanaskan dalam tanur pada suhu 600 oC selama 1 jam dicuci dengan akuades panas secara berulang-ulang sampai pH netral dikeringkan dalam oven pada suhu 120 oC hingga diperoleh berat konstan
Karbon aktif teraktivasi 5.
Skema Kerja Modifikasi Permukaan Karbon teraktivasi dicampur dengan masing-masing larutan kimia HNO3, H2SO4, H2O2 teknis, dengan perbandingan 5 : 1 (mL zat kimia : g karbon aktif). distirer hingga suhunya mencapai 65 oC dikocok dengan laju konstan (130 rpm) selama 24 jam dicuci dengan akuades berulang-ulang sampai mendapatkan pH netral dikeringkan dalam oven selama 24 jam pada suhu 110 oC
Karbon termodifikasi
52
6. Skema Kerja Titrasi Boehm 0,5 gram karbon aktif dimasukkan ke dalam gelas kimia yang berisi masing-masing 50 mL natrium bikarbonat, natrium karbonat, natrium hidroksida dan asam hidroklorida 0,05 N didiamkan selama 24 jam dan disaring Residu
Filtrat dipipet 10 mL dari masing-masing larutan ke dalam sebuah erlenmeyer dititrasi balik dengan 0,05 N natrium hidoksida atau asam klorida (tergantung pada larutan awal analit) Hasil
7. Skema Kerja Pembuatan Elektroda Pasta Karbon Serbuk karbon aktif dicampur dengan lilin parafin dengan perbandingan massa karbon / massa lilin parafin 1: 2 dilelehkan dan diaduk sampai homogen (hingga terbentuk pasta) dimasukkan ke dalam badan elektroda (yang telah dibuat dengan menghubungkan kawat Cu dan Pt lalu dimasukkan ke dalam pipet tulip dan direkatkan dengan parafilm). ditekan menggunakan spatula sampai merata dan memadat Elektroda pasta karbon
53
8. Skema Kerja Pengukuran Kapasitansi Spesifik Elektroda pasta karbon
Elektroda Ag/AgCl
Elektroda Pt
dihubungkan dengan alat potensiostat dikontakkkan dengan larutan elektrolit H2SO4 1 M dilakukan pengujian dengan laju scan 250 mV/s diperoleh voltagram tegangan dan arus dihitung kapasitansi spesifiknya
HASIL
54
Lampiran 2. Perhitungan Titrasi Boehm
Karboksil
Lakton
Fenol
Total
Gugus Basa (mek/g)
0,5916
0,2618
0,3321
1,1855
3,8895
0,7425
0,6642
0,4830
1,8897
3,7368
0,5413
0,6642
0,4327
1,6382
3,5332
0,6419
0,2618
0,4327
1,3364
3,7368
Gugus Asam (mek/g) Sampel Karbon aktif non treatment Karbon aktif termodifikasi HNO3 Karbon aktif termodifikasi H2SO4 Karbon aktif termodifikasi H2O2
Contoh perhitungan titrasi Boehm Asumsi yang digunakan : 1.
NaHCO3 menetralkan gugus karboksil
2.
Na2CO3 menetralkan gugus karboksil dan lakton
3.
NaOH menetralkan gugus karboksil, lakton, dan fenol.
4.
HCl menetralkan gugus basa total
Volume Hasil Titrasi Boehm Karbon Aktif Tongkol Jagung
Sampel Karbon aktif nontreatment Karbon Aktif termodifikasi HNO3 Karbon Aktif termodifikasi H2SO4 Karbon Aktif termodifikasi H2O2
NaHCO3 (0,0509 N)
mL NaOH Na2CO3 (0,0505 N)
NaOH (0,0503 N)
mL HCl HCl (0,0509 N)
3,2
3,8
4,5
9,5
3,5
4,9
5,9
9,2
3,1
4,5
5,4
8,8
3,3
3,9
4,8
9,2
55
Titrasi Boehm Karbon aktif non-treatment Analisa Gugus Asam
(Vs N s (C HCl VHCl C NaOH Vt ) n
n
n
n
csf
csf
Vp Vs
w
(V
NaHCO 3
N NaHCO (C HCl VHCl C NaOH Vt ) 3
VV
p s
w
(10 mL
x 0,0509 N (0,0509 N x 12 mL 0,0503N x 3,2 mL)
csf
csf
0,5916 mek/g
50 mL 10 mL
0,5 gram
mek gugus karboksilat = 0,5916 mek/g
n
n
n
csf
(V
Na 2 CO 3
N Na
2 CO 3
(C HCl VHCl C NaOH Vt )
VV
p s
w
(10 mL
x 0,0505 N (0,0509 N x 12 mL 0,0503N x 3,8 mL)
csf
csf
0,8534 mek/g
50 mL 10 mL
0,5 gram
mek gugus karboksilat + mek gugus lakton = 0,8534 mek/g mek gugus lakton = 0,8534 mek/g - 0,5916 mek/q = 0,2618 mek/g
(VNaOH N NaOH (C HCl VHCl C NaOH Vt ) n
n
n
csf
Vp Vs
w
(10 mL
x 0,0503 N (0,0509 N x 12 mL 0,0503N x 4,5 mL)
csf
csf
1,1855 mek/g
50 mL 10 mL
0,5 gram
56
mek gugus karboksilat + mek gugus lakton + mek gugus fenol = 1,5376 mek/g mek gugus fenol
= 1,1855 mek/g – 0,5916 mek/g – 0,2618 mek/g = 0,3321 mek/g
Analisa Gugus Basa
(Vs N s (C NaOH VNaOH C HCl Vt ) n
n
n
csf
csf
csf
Vp Vs
w
(10 mL x
0,0509 N (0,0503 N x 12 mL 0,0509 Nx 9,5 mL)
50 mL 10 mL
0,5 gram
3,8895 mek/g
mek gugus basa = 3,8895 mek/g
57
Lampiran 3. Perhitungan Kapasitansi Spesifik
Elektroda Pasta karbon
Laju scan (V/s)
Massa (g)
Ic ( nA )
Id ( nA )
Cs ( μ F/g)
non-treatment
0,25
0,0158
16,9
- 10,8
7,01
termodifikasi HNO3
0,25
0,0125
27,3
- 22,5
15,94
termodifikasi H2SO4
0,25
0,0166
23,5
- 17,5
9,88
termodifikasi H2O2
0,25
0,0162
23,0
- 17,0
9,87
Contoh perhitungan kapasitansi spesifik Kapasitansi Spesifik Elektroda Pasta Karbon non-treatment Ic
= 16,9 x 10-9 A
v
= 250 mV/s = 0,25 V/s
Id
= -10,8 x 10-9 A
m
= 0,0158 gram
Cs
Ic Id v.m
Cs
16,9 x 10 -9 (10,8x 10 -9 ) A 0,25 V/s 0,0158 gram
C s 7,01 x 10 -6 F/g 7,01 μF/g
58
Lampiran 4. Dokumentasi Kegiatan Penelitian
Hasil Karbonisasi
Tongkol Jagung
Proses Ekstraksi Silika
Proses Aktivasi
59
Proses Modifikasi Permukaan
Proses Pembuatan Elektroda Pasta Karbon
60
