FABRIKASI KOMPOSIT GRAPHENE/TiO2/PAni SEBAGAI BAHAN ELEKTRODA BATERAI LITHIUM-ION (LI-ION)
SKRIPSI Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat sarjana (S-1)
OLEH : YULIANA F1B1 12 004
PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS HALU OLEO KENDARI 2016
i
ii
PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu Perguruan Tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Kendari,
Desember 2016
YULIANA
iii
“Getaran dari kekuatan mental adalah kekuatan yang paling halus, dan akibatnya paling berdaya dari segala yang ada.” (Charles Haanel) “Saat marah menyerang, hitunglah sampai angka 10 sebelum bicara. Jika sangat marah, hitunglah sampai angka 100 sebelum bertindak. Jangan pernah menghancurkan mimpi-mimpi anda dengan usaha yang hanya dilakukan setengah hati”. Keterbatasan anda adalah pikiran anda. Mimpi dianugrahkan agar anda bisa berfikir besar. Mulailah dari pikiran anda. Keberhasilan semata-mata bagaimana anda meletakkan dalam pikiran. Tidak ada yang salah pada lingkungan sekitar. Tidak pula salah pada waktu anda. Semua memberikan tempat dan kesempatan bagi anda untuk meraih keberhasilan. Tak ada yang salah pada katak yang merindukan bulan Tak ada yang salah pada kera yang ingin menjadi dewa Jangan hirauka ucapan orang lain. Bergaullah dengan orang-orang yang berkepribadian besar. perlakukanlah diri anda dengan penuh rasa hormat, maka orang lain akan mrnghormati anda sebagai orang besar “Pada dasarnya hukum tarik-menarik mengatakan bahwa kemiripan akan menarik kemiripan. Tetapi sebenarnya kita berbicara di tingkat pikiran.” (Bob Doyle)
Bagi saya, cara tersederhana untuk memahami hukum tarik-menarik adalah jika saya menganggap diri sebagai magnet, dan saya tahu bahwa sebuah magenet akan menarik sesuatu ke arahnya. Anda adalah magnet yang paling kuat di Semesta! Di dalam diri Anda terdapat sebuah magnet yang lebih kuat daripada segala sesuatu yang ada di dunia, dan daya magnetis yang tak terbayangkan ini dipancarkan melalui pikiran-pikiran Anda. (John Assaraf) {Reesopa temmangingngi malomo naletei pammasena dewata(Allah)}.
Karya ini kupersembahkan untuk Orang Tuaku, Engkau yang terkasih, Kakak-kakakku, Keluarga besarku, bangsa, Negara, dan Almamaterku Tercinta...
iv
KATA PENGANTAR
Puji syukur kepada Allah Yang Maha Kuasa, karena atas kasih dan karunianya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul: Fabrikasi Komposit Graphene/TiO2/PAni Sebagai Bahan Elektroda Baterai Lithium-Ion (Li-Ion) yang disusun untuk memenuhi sebagian persyaratan untuk memperoleh gelar sarjana S1 pada Program Studi Fisika Fakultas MIPA Universitas Halu Oleo Kendari. Proses penyusunan hasil penelitian ini telah melibatkan banyak bantuan dari berbagai pihak, oleh karena itu pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih sebesar-sebesarnya atas segala bantuan dan dukungannya kepada Bapak Dr. Eng. La Agusu, M.Si selaku pembimbing I dan Bapak Prof. Dr. H. Muh. Nurdin, M.Sc selaku pembimbing II untuk semua pengorbanan waktu, pikiran dan tenaga selama penulis menyusun skripsi ini. Terima kasih teristimewa penulis ucapkan kepada orang tua tercinta, Ayahanda Malla dan Ibunda Bunga (malaikat terhebatku) yang telah banyak memberikan cinta, berkorban dan merawat serta mendidik penulis dengan penuh kesabaran, kasih sayang dan doa yang tulus ikhlas serta menuntun penulis menuju jalan yang di Ridhoi-Nya. Semoga Allah SWT selalu melindungi dan melimpahkan rahmat-Nya kepada mereka. Terima kasih pula untuk saudaraku tersayang Daming, Widia, Hj.Semma, Tammase, Kami‟ dan terkhusus kepada Habaria yang selalu memberikan senyum penyemangat kepada penulis.
v
Terimakasih kepada Engkau, salah satu sumber semangat penulis yang telah banyak mengajarkan banyak hal. Tak lupa juga rasa terima kasih penulis ucapkan kepada seluruh keluarga besar penulis yang telah memberikan dukungan dan doa dalam terselesaikannya tugas akhir ini. Pada kesempatan ini pula penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Penulis juga menyampaikan terima kasih kepada : 1. Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Rianse, M.S., selaku Rektor Universitas Halu Oleo. 2. Bapak Dr. Zamrun F, S.Si, M.Si, M.Sc, selaku Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Halu Oleo. 3. Bapak Dr. Eng I Nyoman Sudiana, S.Pd., M.Si dan Ibu Ilmawati, S.Si., M.Si selaku Ketua dan Sekertaris Jurusan Fisika Fakultas MIPA Universitas Halu Oleo. 4. Ibu Dra. Lina Lestari, M.Si sebagai Penasehat Akademik yang selalu memberikan nasehat dan bimbingan dalam memprogramkan mata kuliah. 5. Tim penguji yaitu Bapak Al Jalali Muhammad, S.Pd., M.Sc dan Ibu Yumnawati, S.Pd., M.Sc yang telah memberikan kritik dan saran yang sangat bermanfaat serta dukungan dalam menyelesaikan studi. 6. Kepala Laboratorium Fisika, Kimia dan Biologi yang telah memberikan izin dan bantuan kepada penulis selama melaksanakan penelitian. 7. Bapak dan Ibu dosen Jurusan Fisika, serta seluruh staf di lingkungan FMIPA UHO atas segala fasilitas dan pelayanan yang diberikan selama penulis menuntut ilmu.
vi
8. Kepada bapak Prof. Dr. Ir. H. Muh. Akib Tuwo, MS dan keluarga besar, terimakasih atas segala kebaikannya, dukungan dan didikannya selama penulis menempuh pendidikan di SULTRA. 9. Kepada pahlawan-pahlawan kecilku yang sudah beranjak remaja yang jadi salah satu sumber semangat : Anas, Asmil, Alwin dan Alfin. 10. Kepada yang terlibat dalam perjalan hidupku: Jumardin Tepu(iparku), pak Nur, pak yul, Bu aji n Bapak aji, tante Nu‟, indah, lisman, harun. 11. Kepada My Significant other Rasap, terimakasih atas segala bantuan dan supportnya sebagai partner penelitian. 12. Kepada sahabat seperantauan seperjuanganku Ersita Nugrawati S.Ak. 13. Teman-teman karibku: Alfi, Risma, Uni, A.yuli, A.ida dan Idayanti. 14. Rekan-rekan penelitian : Herdianto S.Si, yustin biringallo, ka‟ mey, Rizal day, Firman, wiwin, hilda, dan acy. 15. Teman-teman seangkatan 012 : Mba endang, susiana S.Si, Mardiana Napirah S.Si, Alif, Nurlinda (cibi), erik, Juliana S.Si, arfad, Mijar, Barun, nur, halimasi, nurma, uli, Adit, ulfi, Angga(nganu), wina, Tias, Angga(ngades), Albertin, Lina, Tetty dan kepada Mba Rotul(badeto) yang selalu mensupport saat yang lain telah lalai serta semuanya yang tidak bisa disebutkan satu per satu. 16. Kakak senior: Ka‟syahrul, ka‟aslan, ka‟rudi, ka‟ ciar, ka‟ justina, dan ka‟umi. 17. Rekan-rekan mahasiswa fisika angkatan‟11, „12, ‟13, ‟14 yang namanya tidak dapat penulis tuliskan satu-persatu atas bantuannya selama ini. 18. Semua pihak yang membantu yang juga tidak dapat disebutkan satu persatu, terimakasih atas segala keikhlasannya.
vii
Akhirnya penulis menyampaikan penghargaan yang setinggi-tingginya kepada semua pihak. Apabila masih terdapat kesalahan dalam skripsi ini, sudilah kiranya mengingatkan, memberikan kritik dan saran yang sifatnya membangun. Semoga Allah SWT memberi limpahan rahmat-Nya kepada kita semua untuk mencintai ilmu yang bermanfaat dan amalan yang shalih serta memberikan ridho balasan yang sebaik-baiknya. Semoga Tugas Akhir ini dapat memberikan manfaat bagi kita semua baik penulis maupun pembaca, Amin.
Kendari, Desember 2016
YULIANA
viii
FABRIKASI KOMPOSIT GRAPHENE/TiO2/PAni SEBAGAI BAHAN ELEKTRODA BATERAI LITHIUM-ION (LI-ION) Oleh : YULIANA F1B1 12 004 ABSTRAK Fabrikasi komposit graphene/TiO2/PAni (GTP) sebagai bahan elektroda baterai Li-ion telah berhasil dilakukan. Tujuan penelitian ini adalah untuk memperoleh material graphene dengan metode reduksi graphene oksida (RGO) dan Sol-gel TiO2 dan mengetahui daya hantar elektrodanya setelah penambahan PAni serta mengetahui nilai arus dan potensial oksidasi-reduksi terbaik pada elektroda GTP. Hasil XRD menunjukkan terbentuknya graphene pada 2θ 23.040 dengan d-spacing 3,85 Å dan TiO2 dengan puncak tertinggi pada 2θ 250 dan 480 dengan fasa anatase. Analisis morfologi permukaan dengan SEM menunjukkan adanya lembaran graphene monolayer dan bilayer sedangkan TiO2 terlihat seperti butiran kecil. Hasil spektrofotometri FTIR juga menunjukkan adanya gugus fungsi C=C aromatik yang menginformasikan terbentuknya graphene dan gugus C=O pada TiO2 sebagai indikasi terbentuknya titanium dioksida. Elektroda kerja graphene/TiO2/PAni (GTP) terdiri dari komposisi 95%:5%:1; 75%:25%:1; 50%:50%:1. Konduktivitas listrik terbaik diperoleh pada perbandingan 75%:25% :1 yaitu 1,8701 S/cm. Hasil pengujian elektroda GTP dengan metode voltametri siklik diperoleh bahwa elektroda dengan persentase 75%:25%:1 dalam larutan elektrolit KCl 1 M merupakan hasil pengujian elektroda terbaik dengan nilai potensial oksidasi-reduksi masing-masing berkisar +0,25 V dan -0,6 V. Kata kunci: Graphene, TiO2, PAni, elektroda, konduktivitas listrik, voltametri siklik, baterai Li-ion
ix
FABRICATION COMPOSITE OF GRAPHENE/TIO2/PAni AS ELECTRODE MATERIALS LITHUM-ION (LI-ION) BATTERY By : YULIANA F1B1 12 004 ABSTRACT Fabrication of graphene/TiO2/PAni (GTP) composite as electrode material of Li-ion battery had been successfully done. This study aimed to get the graphene materials with method of Reduce graphene oxide (RGO)and, sol-gel TiO2, to know the conductivity of electrode after addition of PAni(polianilin) and the best value of current and potential oxidation-reduction on GTP electrode. Result of XRD shown that graphene was formed in 2θ 23.040 with d-spacing 3,85 Å and TiO2 with maximum peaks in 2θ 250 and 480 with anatase phase. Analisys of surface morfology with SEM shown that there is graphene sheet monolayer and bilayer. Whereas TiO2 was shown as small object. Result of spectrofotometry FTIR shown that there is group C=C aromatic that gave information that graphene formation dan job group of C=O in TiO2 as indication tithanium dioxide becoming. Working electrode graphene/TiO2/PAni (GTP) comprise with persentation 95%:5%:1; 75%:25%:1; 50%:50%:1. The best electrict conductivity that is gotten in persentation 75%:25% :1 is 1,8701 S/cm. Result test of electrode GTP with cyclic voltammetry method is that working electrode with persentation 75%:25%:1 in electrolite KCl 1 M as the best electrode test with potential oxidation-reduction respective of wheat +0,25 V and -0,6 V. Keyword: Graphene, TiO2, PAni, electrode, electrical conductivity, ciclyc voltammetry, Li-ion battery.
x
DAFTAR ISI
Halaman HALAMAN JUDUL ...........................................................................................i HALAMAN PERSETUJUAN ......................................................................... ii PERNYATAAN .................................................................................................. iii MOTTO ............................................................................................................. iv KATA PENGANTAR ........................................................................................ v ABSTRAK ......................................................................................................... ix ABSTRACT ....................................................................................................... x DAFTAR ISI ...................................................................................................... xi DAFTAR TABEL .............................................................................................. xiii DAFTAR GAMBAR ....................................................................................... xiv DAFTAR LAMPIRAN ..................................................................................... xvi DAFTAR ARTI LAMBANG DAN SINGKATAN.......................................... xvii I.
PENDAHULUAN ..................................................................................1 A. Latar Belakang ..................................................................................1 B. Rumusan Masalah ..............................................................................6 C. Tujuan Penelitian ................................................................................6 D. Manfaat Penelitian ..............................................................................6
II.
TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................7 A. Grafit ...................................................................................................7 B. Graphene ............................................................................................7 C. Titanium Dioksida (TiO2) ...................................................................11 D. Polianilin (PAni) .................................................................................12 E. Komposit ............................................................................................13 F. Baterai Li-ion (Lithium Ion Battery) ..................................................14 G. Elektroda.............................................................................................20 H. Dip-coating .........................................................................................21 I. Spray-Coating.....................................................................................23 J. Karakterisasi dan Pengujian Elektroda ...............................................24
III.
METODE PENELITIAN .....................................................................34 A. Waktu dan Tempat Penelitian .............................................................34 B. Jenis Penelitian ...................................................................................34 C. Alat dan Bahan ...................................................................................34
xi
D. Prosedur Kerja ....................................................................................36 E. Karakterisasi .......................................................................................40 F. Diagram Alir penelitian ......................................................................41 IV.
PEMBAHASAN ....................................................................................42 A. Sintesis Graphene dan Karakterisasinya.............................................42 1. Analisis Spektrofotometri FTIR (Fourier Transform Infrared) lapisan graphene ..........................................................................44 2. Analisis X-ray Diffraction (XRD) lapisan graphene ..................45 B. Sintesis TiO2 dan karakterisasinya.......................................................46 1. Analisis Spektrofotometri FTIR (Fourier Transform Infrared) TiO2 .............................................................................................47 2. Analisis X-ray Diffraction (XRD) TiO2 .......................................48 C. Pembuatan Elektroda Berbasis Komposit Graphene/ TiO2 yang dilapisi Pani dan Karakterisasinya.......................................................49 1. Analisis Spektrofotometri FTIR (Fourier Transform Infrared) Komposit graphene/TiO2 ............................................................50 2. Analisis X-ray Diffraction (XRD) komposit graphene/TiO2 .......52 3. Analisis Morfologi Permukaan dengan SEM (Scanning Electron Microscopy) ..................................................................53 4. Pengaruh Persentase TiO2 Terhadap Nilai Konduktivitas Listrik Komposit Graphene/TiO2 ................................................55 5. Pengaruh Penambahan Polianilin(PAni) Terhadap Nilai Konduktivitas Listrik Komposit Graphene/TiO2 ........................57 6. Analisis Elektroda Komposit Graphene/TiO2/PAni dengan Voltametri Siklik ..........................................................................58
V.
PENUTUP ..............................................................................................64 A. Kesimpulan .....................................................................................64 B. Saran ................................................................................................65
DAFTAR PUSTAKA.........................................................................................66 LAMPIRAN .......................................................................................................72
xii
DAFTAR TABEL
Tabel
Teks
Halaman
1.
Sifat fisik grafit
7
2.
Alat dan Bahan yang digunakan dalam penelitian
34
3.
Hasil pengukuran I-V lapisan komposit graphene/TiO2
55
4.
Komposisi Komposit Graphene/TiO2/PAni
57
5.
Hasil pengukuran I-V lapisan komposit graphene/TiO2/PAni
57
6.
Nilai potensial elektroda GTP dalam larutan elektrolit KCl 1 M
63
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar
Teks
Halaman
1.
Struktur Material graphene
8
2.
3.
Graphene sebagai material penyusun bentuk alotrop karbon lainnya yaitu: (a) fullerene, (b) karbon nanotube (CNT), (c) graphene, (d) grafit Dispersi graphene
8 9
4.
Struktur TiO2 fasa anatase dan rutile
12
5.
Konduktivitas PAni ketika didop dengan berbagai dopan
13
6.
Proses interkalasi pada Lithium-Ion Battery
16
7.
Skema material komposit Si-Graphene
18
8.
Tahapan proses dip-coating
22
9.
Ilustrasi spray-coating
23
10.
Ilustrasi cara kerja SEM
25
11.
Skema Instrumen Spektrofotometer Inframerah
26
12.
Skematik teknik XRD (X-Ray Diffraction)
29
13.
Skema metode four
32
14.
Graphene oksida terlarut dalam akuades
42
15.
Reaksi oksidasi grafit menjadi graphene oksida
43
16.
Reaksi reduksi graphene oksida dengan Zn
44
17. 18.
Hasil analisis spektrofotometri FTIR (Fourier Transform Infrared) pada lapisan graphene Spektrum XRD graphene
45 46
19.
Hasil sintesis TiO2 metode sol-gel
47
20.
Hasil analisis spektrofotometri FTIR (Fourier Transform Infrared) TiO2
47
point
probe
xiv
21.
Spektrum XRD seol-gel TiO2
49
22.
Lapisan komposit graphene/TiO2
50
23.
Hasil analisis spektrofotometri FTIR (Fourier Transform Infrared) pada lapisan graphene, TiO2, dan komposit graphene/TiO2 Spektrum XRD kompositgraphene/TiO2
51 52
Hasil analisis SEM (Scanning Electron Microscopy) lapisan komposit graphene/TiO2:(A) lapisan TiO2, (B) lapisan graphene dan (C) lapisan komposit graphene/TiO2.
53
Grafik nilai konduktivitas listrik lapisan komposit graphene/TiO2 yang diukur menggunakan metode probe-4: (1)Grafit; (2)Graphene; (3)GT 95%:5%; (4)GT 75%:25%; (5)GT 50%:50%.
56
Grafik nilai konduktivitas listrik lapisan komposit graphene/TiO2/PAni yang diukur menggunakan metode probe-4
58
28.
Sampel elektroda GTP pada logam Cu tape
61
29.
Voltamogram siklik elektroda GTP 75%:25%:1
62
24. 25.
26.
27.
xv
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran
Teks
Halaman
1.
Gambaran umum alur penelitian
72
2.
Diagram alir prosedur penelitian
73
3.
Diagram alir pembuatan larutan dan perhitungan
77
4.
Hasil karakterisasi XRD
79
5.
Hasil Analisis SEM Pada Komposit Graphene/TiO2
86
6.
Peritungan Konduktivitas Listrik
88
7.
Uji voltametri siklik
90
8.
Dokumentasi Penelitian
92
xvi
DAFTAR ARTI LAMBANG DAN SINGKATAN
Lambang dan Singkatan
Arti Lambang
Li-ion
Lithium-ion
mAh/g
miliAmpere hour per gram
I
Arus
Cm2
Centimeter kuadrat
R
Hambatan atau resistansi
SEM
Scanning Electron Microscope
FTIR
Fourier Transform Infrared
XRD
X-Ray diffraction
V
Tegangan
K
Kelvin
XRD
X-ray Diffraction
%
Persen
o
Derajat Celcius
θ
Theta
W
Whatt
β
Beta
s
Sekon
dkk
Dan kawan-kawan
ε
Epsilon
mL
Mililiter
m2
Meter kuadrat
λ
Panjang gelombang
TiO2
Titanium dioksida
PAni
Polianilin
RGO
Reduksi graphene oksida
C
xvii
Lambang/Singkat
Arti Lambang
g
Gram
ρ
Hambatan jenis atau Resistivitas
σ
Konduktivitas Listrik
π
phi
ln
Lon
K
Konstanta
Hz
Hertz
CVD
Cemichal Vapor Deposition
PGTNs kJ kJ.mol
PAni/Graphene/TiO2 nanotube arrays KiloJoule
-1
KiloJoule per mol
M
Massa Molekul Relatif
Å
Amstrong
T
Tebal
Nm
Nanometer
CNT
Carbon Nanotube
Ti
Titanium
C
Karbon
1D
1 dimensi
2D
2 dimensi
3D
3 dimensi
BET
Brunauer-Emmett-Teller
µm
Mikro meter
wt%
Persen berat
S/cm
Siemens per sentimeter
M2/g
Meter kuadrat per gram
GO
Graphene oxide
xviii
Lambang/Singkat
Arti Lambang
Zn
Zinc
CSA
Camphorsulfonic acid
DBSA
Dodecylbenzenesulfonic acid
NDSA
Napthalenedisulfonic acid
PTSA
Para-toluenesulfonic acid
M
Molaritas
Si
Silikon
O
Oksigen
Li
Lithium
mV/s
MiliVolt/sekon
A
Ampere
E0
Potensial Elektroda
pH
Derajat keasaman larutan
0
Derajat
<
Kurang dari
>
Lebih dari
xix
I. PENDAHULUAN A. Latar Belakang
Salah satu tema penelitian yang menarik adalah penelitian tentang media penyimpanan energi, termasuk baterai. Penemuan baterai sangat berguna dan mempengaruhi perkembangan teknologi. Walaupun ada banyak jenis baterai, konsep dasarnya tetaplah sama yaitu mengubah energi kimia yang tersimpan dalam baterai menjadi energi listrik. Jenis baterai yang saat ini berkembang pesat penggunaannya adalah baterai litium-ion (Li-ion). Permintaan baterai litium-ion dengan kemampuan menyimpan energi yang lebih lama dan juga siklus hidup yang meningkat semakin besar. Hal ini erat kaitannya dengan perkembangan industri elektronika dan telekomunikasi yang berkembang semakin cepat. Baterai Li-ion terdiri dari empat bagian utama yaitu elektroda negatif, elektroda positif, elektrolit, dan separator. Faktor utama yang mempengaruhi sifatnya adalah kualitas bahan elektroda (anoda/katoda). Sehingga, salah satu usaha untuk memperbaiki performa baterai adalah memperbaiki kualitas elektroda yang digunakan. Dengan demikian, pemilihan material elektroda dengan kapasitas listrik yang besar sangat diperlukan untuk menghasilkan sel baterai dengan tenaga yang memadai. Kriteria bahan elektroda baterai yang baik sebagai anoda antara lain memiliki kapasitas energi yang besar, memiliki kemampuan menyimpan dan melepas muatan/ion yang bagus, memiliki tingkat siklus pemakaian yang lama, mudah untuk diproses/dibuat, aman dalam pemakaian (tidak beracun), dan harganya murah (Rohman, 2012).
1
2
Pada umumnya, elektroda baterai yang digunakan pada Li-ion adalah grafit, sifat elektrokimia grafit menghalangi perpindahan ion litium dan ukuran partikel grafit yang besar yang berakibat pada jarak yang ditempuh ion litium untuk lepas dari grafit semakin jauh sehingga menurunkan energi yang dihasilkan (House et al., 2007). Kapasitas energi teoritik grafit hanya 372 mAh/g. Nilainya tergolong kecil untuk dapat memenuhi tuntutan kinerja Li-ion yang semakin tinggi (Rohman, 2012). Banyak cara untuk mengatasinya, antara lain dengan menggunakan bahan yang mempunyai kapasitas teoritik yang lebih besar. Graphene dengan kapasitas teoritik 1000-3000 mAh/g adalah salah satu kandidat bahan elektroda (Zhamu et al.,2012). Graphene adalah monolayer grafit, yang terdiri dari hibridisasi sp2 atom karbon yang memiliki struktur hexagonal dan tersusun dalam kisi kristal honeycomb (Geim dan Novoselov, 2007). Bahan karbon dua dimensi ini memiliki luas permukaan spesifik 2.600 m2/G (Stoller et al., 2008) dengan struktur sarang lebah yang berpotensi menghasilkan kapasitas penyimpanan litium yang lebih tinggi. Selanjutnya, mobilitas elektron yang tinggi (15.000 cm2/(V·s)), konduktivitas termal yang luar biasa (3000 W/(m·K)) (Bolotin et al., 2008), stabilitas kimia dan sifat mekanik yang baik menjadi target yang menarik untuk membentuk material komposit yang digunakan sebagai dasar elektroda. Namun, graphene murni tidak dapat menjadi pengganti langsung bahan elektroda komersial berbasis karbon dalam baterai litium ion saat ini karena memiliki efisiensi coulomb yang rendah, Platform charge-discharge tinggi dan stabilitas siklus yang rendah (Atabaki dan Kovacevic, 2013). Tetapi, jika
3
digunakan sebagai bahan elektroda komposit, graphene dapat memainkan peran yang sangat penting (Zhu et al., 2014). Kelemahan tersebut dapat diatasi dengan memodifikasi material graphene dengan material yang tidak reaktif terhadap sistem elektrolit dalam baterai Li-ion sehingga baterai lebih stabil terhadap panas, masa hidup lebih lama dan energi baterai lebih besar. Titanium dioksida (TiO2) merupakan oksida logam transisi yang secara kimia bersifat inert, tidak mahal serta stabil secara kimia (tidak mengalami fotokorosi dan korosi kimiawi) hampir dalam semua pelarut kecuali larutan yang sangat asam atau mengandung florida (Brown et al., 1992). Selain itu, TiO2 mudah didapatkan, bersifat semikonduktor dan non toksik. Nanostruktur TiO2 sering digunakan dalam aplikasi solar sel, merupakan material yang menarik untuk dijadikan elektroda (Kaudriachova et al., 2001). Kemampuan TiO2 untuk menginterkalasi ion-Li ke dalam struktur internal kisi kristal menunjukkan TiO2 mampu mengakomodasi ion-Li selama proses pemakaian baterai sehingga berpotensi sebagai material anoda baterai ion-Li (Rahmawati dkk., 2010). Meskipun demikian, TiO2 memiliki nilai kelistrikan yang rendah. Polianilin (PAni) adalah salah satu polimer konduktif yang serbaguna karena memiliki stabilitas termal dan kimiawi yang baik serta memliki sifat konduktivitas yang tinggi. Kombinasi polianilin (Pani) dengan bahan organik atau anorganik lain dapat menghasilkan bahan fungsional baru yang tidak hanya meningkatkan sifat mekanik tetapi juga sifat lain tergantung material yang ditambahkan (Phang, 2008). Dalam penelitian ini, polianilin diharapkan dapat
4
meningkatkan konduktivitas komposit. Studi tentang aplikasi polimer konduktif seperti polianilin (PAni) telah luas dikembangkan pada perangkat elektronik seperti baterai (Ghanbari et al., 2006). PAni banyak digunakan sebagai elektroda katalitik maupun komposit pada suatu material elektroda (Bejbouji et al., 2010). Berdasarkan sifat ketiga bahan tersebut diatas, maka sangat menarik untuk mengkombinasi material graphene yang disintesis dari grafit, TiO2 dan PAni yang diharapkan dapat meningkatkan kapasitas energi elektroda baterai Li-ion. Graphene dapat diproduksi dengan beberapa metode yang berbeda diantaranya, pengelupasan mikromekanik (Tang dan Hu, 2012), deposisi uap kimia (CVD) dan reduksi graphene oksida (RGO) (Li dkk., 2008). Graphene yang dihasilkan oleh pengelupasan mikromekanik dan deposisi uap kimia menunjukkan morfologi monolayer yang baik. Namun metode ini kompleks dan hanya dapat menghasilkan sejumlah kecil graphene, sehingga tidak cocok untuk produksi massal dan aplikasi. Metode yang paling cocok untuk produksi graphene skala besar saat ini adalah reduksi kimia dari graphene oksida. Jadi graphene yang digunakan sebagai bahan elektroda ion lithium sebagian besar adalah dengan reduksi graphene oksida (RGO). Reduksi kimia GO (Graphene Oxide) masih merupakan metode utama yang digunakan oleh para peneliti, karena kesederhanaan dan beban peralatan yang lebih rendah (Fan dkk., 2008). Metode kimiawi yang terkenal dalam proses sintesis graphene oksida sebelum direduksi adalah metode hummers. Metode ini melibatkan beberapa asam kuat seperti H2SO4, HNO3, HCl, dan KMnO4 dalam jumlah besar. Proses ini dalam skala industri tidak ramah terhadap lingkungan sebab menghasilkan limbah
5
asam kuat yang banyak. Untuk menghindari pengunaan asam yang terlalu banyak maka sebagian prosesnya biasanya diganti dengan eksfoliasi secara fisik menggunakan gelombang ultrasonik atau dengan pemanasan pada suhu tinggi. Pada penelitian ini modifikasi metode hummers menggunakan ultraonikasi dan microwave. Proses sintesis yang melibatkan gelombang ultrasonik dapat dilihat pada (Junaidi dan Susanti, 2014). Ide dasar penelitian ini merujuk pada Huang et al (2015). Mereka telah membuat elektroda komposit PAni/graphene/TiO2 nanotube arrays (PGTNs) untuk aplikasi superkapasitor yang difabrikasi dengan metode in-situ polimerisasi. Komposit yang dihasilkan mewarisi keunggulan dari setiap bahannya sehingga memenuhi persyaratan sebagai perangkat penyimpanan energi kinerja tinggi. Oleh karena itu, menarik untuk melakukan penelitian ini sebagai terobosan baru, dengan membuat komposit graphene/TiO2/PAni sebagai bahan elektroda. Hal Yang berbeda dari penelitian ini dengan Huang et al (2015) adalah akan dibuat lapisan dengan 2 metode utama yaitu teknik Penyemprotan pada substrat, dan dilanjutkan dengan metode dip-coating. Proses karakterisasi dilakukan dengan XRD, FTIR, dan SEM serta pengujian dengan voltametri sklik dan uji konduktvitas listrik bahan. Material yang dihasilkan dari penelitian ini diharapkan dapat diaplikasikan sebagai bahan elektroda baterai Li-ion dengan performa yang lebih baik sehingga bisa menjadi solusi permasalahan energi kedepannya.
6
B. Rumusan Masalah Masalah yang dikaji dalam penelitian ini yaitu: 1. Bagaimana mensintesis graphene dari grafit murni dengan menggunakan metode Hummers termodifikasi ? 2. Bagaimana menghasilkan nanopartikel TiO2 dan karakteristiknya ? 3. Bagaimana membuat elektroda berbasis graphene, TiO2 dan PAni serta bagaimana karakteristinya? C. Tujuan Penelitian Tujuan yang ingin dicapai melalui penelitian ini adalah: 1. Menggunakan metode Hummers termodifikasi pada proses sintesis graphene dari grafit murni 2. Mensintesis TiO2 dengan menggunakan metode sol-gel. 3. Membuat elektroda berbahan komposit graphene/TiO2 yang dilapisi polianilin 4. Melakukan
uji
konduktivitas
listrik
pada
elektroda
berbahan
graphene/TiO2/PAni dan melakukan uji elektroda dengan voltametri siklik. D. Manfaat Penelitian Manfaat yang diharapkan pada penelitian ini adalah : 1. Menambah wawasan keilmuan peneliti di bidang riset sintesis komposit graphene, TiO2, dan PAni. 2. Menemukan material baru yang dapat diaplikasikan sebagai material elektroda baterai Li-ion.
7
II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Grafit
Grafit merupakan bentuk kristalin karbon berbentuk serbuk dan berwarna hitam. Grafit alam terdapat dalam bentuk endapan dengan kemurnian, ukuran kristal dan kesempurnaan yang beragam. Beberapa sifar fisik grafit adalah sebagai berikut : Tabel 1. Sifat fisik grafit Rapat massa Panas Fusi Kapasitas panas (25OC) Konduktivitas termal (300K)
2,267 g.cm-3 100 kJ.mol-1 8,517 J.mol-1.K-1 119-165 W.m-1K-1
Struktur kristal grafit terdiri atas pelat-pelat karbon yang disebut lapisan grafena, yang tersususn secara sempurna pada sumbu tegak dan tersusun pada posisi tumpang tindih secara paralel menurut susunan ABAB... dimana A menunjukkan lapisan grafena bentuk pertama dan B lapisan bentuk kedua. Jarak antar lapisan grafena ini sebesar 3,35 Å dengan energi ikatan antar lapisan grafena sebesar 477 kJ.mol-1 (Daryus, 2012). B. Graphene 1. Morfologi Graphene Graphene merupakan meterial karbon dalam bentuk monolayer dasar atom dalam bentuk 2 dimensi yang membentuk pola hexagonal seperti sarang lebah dengan susunannya berupa lembaran dengan ketebalan sebesar satu atom karbon. Bentuk lembaran dapat dilihat pada Gambar 1. 7
8
Gambar 1. Struktur Material graphene (Netro, 2009) Jenis ikatan yang terdapat pada graphene adalah jenis ikatan dengan hibridisasi sp2 seperti ikatan yang dimiliki oleh benzene. Jarak antar atom karbon pada satu ikatan antar karbon pada graphene tersebut adalah 0,142 nanometer. Sedangkan untuk membuat suatu grafit, jarak antar lembar graphene-nya adalah 0,335 nanometer. Lembaran graphene yang digulung menjadi sebuah bol akan menjadi material fullerene (0D), graphene yang digulung mejadi semacam tabung akan menjadi material karbon nanotube (CNT) (1D), lembaran graphene itu sendiri (2D), graphene yang disusun menjadi berlapis-lapis maka membentuk material grafit (3D).
A
B
C
D
Gambar 2. Graphene sebagai material penyusun bentuk alotrop karbon lainnya yaitu: (a) fullerene, (b) karbon nanotube (CNT), (c) graphene, (d) grafit (Zhou et al., 2014)
9
2. Sifat Graphene
a. Sifat Elektronik Graphene
Sifat elektronik pada graphene dapat ditinjau melalui bagaimana sifat dari mobilitas pembawa muatannya, konduktivitas, band gap serta kurva dispersinya. Susunan atom graphene merupakan susunan heksagonal dua dimensi dari atom karbon. Oleh karena itu, graphene memiliki mobilitas elektron diprediksi pada suhu kamar pada tingkatan 106 cm2/Vs dan secara eksperimental dapat diketahui bahwa mobilitas elektonnya adalah 15.000 cm2/Vs (Prasetyo, 2012). Pada pojok-pojok zona Brillouin pertama, ditunjukkan pada Gambar 3, energi elektron pada pita konduksi tepat bertemu dengan pita valensi membentuk kerucut, sehingga band gapnya bernilai nol (Rohman, 2012). Pada tempat ini dinamakan titik Dirac, nilai energi berbanding lurus dengan momentum, sehingga massa efektif elektron adalah nol. Dengan massa efektif yang nol maka graphene mempunyai mobilitas yang tinggi serta konduktivitasnya.
Gambar 3. Dispersi graphene (Hidayah, 2015)
b. Sifat Permukaan Graphene Luas permukaan dari graphene diprediksi sekitar 2600 m2/g, sedangkan dari pengukuran dengan metode Brunauer-Emmett-Teller(BET) didapatkan hasil
10
bahwa material graphene mempunyai luas permukaan spesifik pada rentang 270-1550 m2/g. Dan dengan luas permukaan yang besar dan juga bentuk dua dimensi maka graphene mempunyai kemampuan menyerap yang sangat baik, sehingga berpeluang digunakan sebagai material penyimpan, misalnya hidrogen ataupun sebagai material sensor (Prasetyo, 2012). 3. Reduksi Graphene Oksida (GO)
Graphene oksida merupakan senyawa turunan dari graphene yang mengandung tidak hanya karbon, tetapi juga oksigen dan hidrogen. Tahapan sintesisnya adalah GO dilarutkan dalam air. Lembaran-lembaran GO langsung terpisah dari kristal asalnya. Kemudian, untuk mendapatkan graphene, GO diendapkan dan direduksi dengan hidrazin atau zat pereduksi lain. Graphene yang dihasilkan ternyata tidak rata dan memiliki konduktivitas yang rendah, yaitu 0,05 - 2 S/cm karena masih adanya atom impuritas yaitu sisa pereduksi dan pelarut yang menempel pada graphene. Tetapi bukan berarti metode ini tidak bisa diterapkan. Metode ini berguna jika graphene yang dihasilkan diaplikasikan untuk tinta, cat, dan elektroda dimana tidak membutuhkan tingkat konduktivitas terlalu tinggi. Selain itu, kelebihan metode ini yaitu hasil produksi dalam jumlah besar dan biaya produksi murah (Widiatmoko, 2009). Ilhami dan susanti (2014) telah mensintesis graphene dengan mereduksi GO dengan agen pereduksi Zn, konduktivitas tertinggi diperoleh pada variasi penambahan serbuk Zn sebesar 1.6 gram dengan temperatur hydrothermal 200oC yaitu sebesar 0.012526 S/cm.
11
C. Titanium Dioksida (TiO2) Titanium adalah sebuah unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki simbol Ti dan nomor atom 22 merupakan logam transisi yang ringan, kuat, tahan korosi (termasuk tahan terhadap air laut dan chlorine dengan warna putih metalik keperakan).
Sedangkan
TiO2
merupakan
nanomaterial
yang
bersifat
semikonduktor yang dapat menghantarkan listrik, sifat logam yang kuat, ringan dan memiliki kerapatan yang rendah. Nanopartikel TiO2 merupakan material semikonduktor tipe-n yang mempunyai ukuran partikel antara 10 sampai 50 nanometer. TiO2 berperan penting dalam pemanfaatan fotoenergi karena memiliki daya oksidatif dan stabilitas yang tinggi terhadap fotokorosi, murah, mudah didapat dan tidak beracun (Rahmawati, 2011). TiO2 mempunyai kemampuan untuk menyerap warna lebih banyak karena di dalamnya terdapat rongga dan ukurannya dalam nano, maka disebut nanoporous. Di alam umumnya TiO2 mempunyai tiga fasa yaitu rutile, anatase, dan brukit. Fasa rutile dari TiO2 adalah fasa yang umum dan merupakan fasa disintesis dari mineral ilmenite melalui proses Becher. Pada proses Becher, oksida besi yang terkandung dalam ilmenite dipisahkan dengan temperatur tinggi dan juga dengan bantuan gas sulfat atau klor sehingga menghasilkan TiO2 rutile dengan kemurnian 91-93%. Titania pada fase anatase umumnya stabil pada ukuran partikel kurang dari 11nm, fasa brookite stabil pada ukuran 11-35 nm, dan fasa rutile stabil pada ukuran diatas 35 nm (Septina dkk, 2007). Hanya rutil dan anatase yang cukup stabil keberadaannya. Selain itu, dapat digunakan sebagai fotokatalis, dengan
12
struktur terlihat pada Gambar 4. Perbedaan struktur kristal yang terlihat pada gambar tersebut mengakibatkan perbedaan tingkat energi struktur pada pita elektroniknya (Gunlazuardi, 2001).
Gambar 4. Struktur TiO2 fasa anatase dan rutile (Satoh et al., 2013) D. Polianilin (PAni)
Polianilin (PAni) merupakan salah satu bahan polimer konduktif yang paling banyak dikaji pada dua dekade terakhir karena memiliki sifat fisika dan kimia yang khas, tidak seperti material terkonjugasi lainnya. Polianilin memiliki sifat kimia doping melalui reaksi asam dan basa yang sederhana dan dapat balik yang memungkinkan untuk mengontrol solubilitas, konduktivitas listrik dan optiknya (Huang, 2006). Konduktivitas bahan polimer konduktif dapat ditingkatkan beberapa kali lipat dengan mendopingnya dengan agen-agen oksidatif, reduktif atau radikalradikal donor dan akseptor. Doping adalah proses dimana polimer yang berupa isolator atau semikonduktor diekspos dengan agen transfer muatan (dopant) dalam fasa gas atau larutan melalui oksidasi atau reduksi elektrokimia yang sesuai. Proses ini akan meningkatkan kemampuan polimer menghantarkan listrik akibat peningkatan konsentrasi pembawa muatan di dalam polimer (Ansari dkk, 2006).
13
Gambar 5.
Polianilin
murni
Konduktivitas PAni ketika didop dengan berbagai dopan (Hubber dkk., 2003). dalam
pkeadaan
tidak
terdoping,
merupakan
semikonduktor lemah (poor semiconductor) dengan konduktivitas sekitar 10-8S/m. Namun demikian, ketika didoping konduktivitasnya dapat meningkat jauh bergantung pada tingkat doping yang diberikan. Doping dengan asam tertentu dapat
meningkatkan
konduktivitas
karena
doping
membentuk
struktur
polaron/bipolaron yang akan meningkatkan muatan polianilin akibat relokalisasi yang meningkat. Hubber dkk (2003) telah membandingkan konduktivitas PAni untuk beberapa jenis dopan seperti pada Gambar 5. Dopan HCl dan para-toluene sulfonic acid (PTSA) memberikan konduktivitas tertinggi dibandingkan dengan yang lainnya. E. Komposit
Komposit memiliki definisi dasar yaitu submikro (nano), mikrostruktur, makrostruktur. Submikro (nano) adalah material matrik dapat didefinisikan sebagai fasa dalam komposit yang mempunyai bagian atau fraksi volume terbesar disusun dari dua atom atau lebih yang terletak pada molekul tunggal dan kisi
14
Kristal, contohnya senyawa, paduan (alloy) polimer, keramik. Mikrostruktur merupakan material yang disusun dari dua fase atau senyawa. Makrostruktur merupakan material yang disusun dari campuran dua atau lebih penyusun makro yang berbeda dalam bentuk dan komposisi yang tidak larut satu sama lain (Roylance, 2000). Karekteristik komposit ditentukan berdasarkan karekeristik material penyusun dan dapat ditentukan secara teoritis dengan pendekatan metode rule of mixture (ROM), sehingga akan berbanding secara proporsional. Bentuk (dimensi) dan struktur (ikatan) penyusun komposit juga akan mempengaruhi karekteristik komposit, begitu pula bila terjadi interaksi antar penyusun akan meningkatkan sifat dari komposit (Pramono, 2008) F. Baterai Li-Ion (Litium Ion Battery)
Baterai litium-ion merupakan salah satu jenis baterai sumber arus sekunder yang dapat diisi ulang. Baterai litium-ion ini memiliki daya yang tinggi serta bobot yang ringan dan dapat digunakan berkali-kali sehingga banyak oleh para produsen sebagai tenaga alat elektroniknya. Jenis baterai ini pertama kali pada tahun 1970 yang diperkenalkan oleh peneliti dari Exxon yang bernama M.S. Whittingham yang melakukan penelitian dengan judul “Electrical Energy Storage and Intercalation Chemistry”. Beliau menjelaskan mengenai proses interaksi pada baterai litium ion menggunakan titanium (II) sulfide sebagai katoda dan logam litium sebagai anoda. Proses interkalasi adalah proses perpindahan ion litium dari anoda ke katoda dan
15
sebaliknya pada baterai litium ion. Pada tahun 1980, logam litium pada anoda diganti dengan material lain yaitu grafit. Hal ini dilakukan oleh Rachid Yazami dan kawan-kawan di Grenoble Institute of Technology (INPG) dan French National Centre for Scientific Research (CNRS) (Krysten Oates, 2010). Pengganti material dari logam litium menjadi grafit memberikan pengaruh pada performa Lithium-ion battery serta memberikan efek Lithium-ion battery sehingga bisa diisi ulang (rechargeable batteries). Pada tahun 1981, Bell Laboratories mengembangkan elektroda pada anoda berbasis grafit yang telah dikembangkan sebelumnya. John Goodenough dan tim penelitinya melakukan penelitian dan mengembangkan pada katoda. Penelitian-penelitian ini terus dikembangkan pada saat itu untuk meninjau beberapa parameter penting sebelum baterai Li-ion itu sendiri dipasarkan. Parameter-parameter tersebut antara lain material pada elektroda mudah didapat secara komersil, harga yang murah, aman dipakai, memiliki kestabilan dan performa yang tinggi serta energi yang dihasilkan juga cukup tinggi (Rohman, 2012). Baterai Li-ion memakai prinsip reversible berdasarkan aliran ion lithium dalam baterai antara anoda dan katoda (Kosova dkk., 2005). Baterai Li-ion tersusun dari empat komponen penting yaitu anoda, katoda, elektrolit serta separator. Pada proses pemakaian listrik (discharging) elektron dari anoda mengalir ke katoda melalui kabel konektor sedangkan lithium yang berada pada sistem (di dalam baterai) lepas dari anoda karena kekurangan elektron untuk berpindah menuju katoda melalui elektrolit. Pada proses pengisian (charging), elektron dari katoda mengalir menuju anoda sedangkan ion lithium dalam sistem
16
berpindah dari katoda menuu anoda melalui elektrolit (Rohman, 2012). Sederhananya, ion lihium (Li+) dan elekron bergerak reversible anara katoda dan anoda pada saat charge dan dicharge (Azmy dan Lukman, 2014). Kedua proses ini dapat dilihat pada Gambar 6.
Gambar 6. Proses interkalasi pada Lithium-Ion Battery (Guo, 2010) Reaksi yang terjadi pada sistem baterai Li-ion tersebut merupakan reaksi reduksi dan oksidasi. Reaksi reduksi adalah reaksi penambahan elektron oleh suatu molekul atau atom sedangkan reaksi oksidasi adalah reaksi pelepasan elektron oleh suatu molekul atau atom. Sebagai contoh, misalakan kita memakai LiCoO2 sebagai katoda. LiC6 sebagai anoda dan LiPF6 sebagai elektrolit pada Lithium-Ion Battery. Secara umum, ion lithium yang bergerak dan berdiam di anoda pada saat charging, serta ion litium yang bergerak dan berdiam saat discharging mengikuti fenomena interkalasi (Gambar 6). Ion lithium bermigrasi dari katoda melalui elektrolit ke anoda demikian sebaliknya tanpa terjadi perubahan struktur kristal dari bahan anoda dan katoda. Proses interkalasi akan terjadi terus menerus saat charging dan discarging. Makin fleksibel kristal bahan katoda dan anoda saat tersisipi ion lithium dan saat ditinggalkan ion lithium, maka makin lama waktu hidup baterai. Bahan dan luas permukaan elektroda mampu
17
mempengaruhi jumlah beda potensial yang dihasilkan. Setiap bahan elekroda memiliki tingkat potensial elekroda (E0) yang berbeda-beda. Jika luas permukaan elekrtoda diperbesar maka akan semakin banyak elekron yang dapat dioksidasi dibandingkan dengan elektroda dengan luas permukaan yang kecil (Kartawidjaja dkk., 2008). Seperti halnya superkapasitor, bahwa permintaan baterai Li-ion dari tahun ke tahun selalu meningkat yang berkaitan dengan perkembangan dunia industri elektronika dan telekomunikasi yang berkembang semakin cepat. Misalnya telepon selular, komputer tablet ataupun mobil listrik. Dengan demikian, para peneliti berlomba-lomba untuk memperbaiki performa baterai Li-ion dengan menemukan berbagai material yang dapat diaplikasikan sebagai elektroda. Xin Zhao (2011) telah membuat anoda dari material campuran Sigraphene. Pada pembuatan material ini, tahap awal adalah mensintesis grapheneoxide(GO) terlebih dahulu dari grafit dengan menggunakan metode Hummers. GO yang dihasilkan kemudian dibentuk menjadi material lembaran graphene dimana lembaran ini terdapat cacat berupa kekosongan atom karbon dibeberapa clusternya. Dapat dilihat pada Gambar 7. lembaran-lembaran graphene yang berlubang/kosong dapat diisi dengan litium sampai 200 mAh/g dalam waktu kurang dari 2 menit. Para peneliti merancang campuran Si-graphene dengan kapasitas yang tinggi yang mampu beroperasi pada tingkat charge-discharge yang tinggi dengan menumbuhkan nanopartikel Si(20-50 nm) antara lembaran graphene. Untuk
self-supporting, elektroda
fleksibel
ditunjukkan
untuk
memberikan kapasitas reversibel 1100 mAh/g pada 8A/g, A/g, dapat diulang
18
sampai 99,9% antar siklus selama lebih dari 150 siklus.
Gambar 7. Skema material komposit Si-Graphene (Xin Zhao, 2011) Huang et al (2015) telah membuat nanokomposit PAni/graphene/TiO2 nanotube (PGTNs) yang difabrikasi dengan metode in-situ polimerisasi. Komposit tersebut mewarisi keunggulan dari setiap bahannya. Nanopartikel TiO2 mendukung untuk peningkatan jalur difusi transportasi ion, serta meningkatkan adhesi antara PAni dan substrat sehingga dapat meningkatkan siklus hidup baterai. Graphene memberikan pemuatan tinggi terhadap PAni karena luas permukaan yang besar, meningkatkan konduktivitas listrik komposit dan menghindari agregasi acak PAni pada permukaan atas nanokomposit PAni/graphene/TiO2 nanotube. Pada akhirnya menghasilkan sifat yang lebih baik. Studi elektrokimia menunjukkan bahwa bahan elektroda komposit PGTNs memiliki kapasitansi spesifik maksimum 933 F/g pada 0,75 A/g, yang jauh lebih tinggi dari PTN dan PAni
murni.
Selain
itu,
kepadatan
energi
maksimum
sebesar
93,3 Wh/kg dapat diperoleh dengan kepadatan 450 W/Kg. Oleh karna itu, elektroda PGTNs memenuhi persyaratan sebagai perangkat penyimpanan energi kinerja tinggi. Sarker et al (2014) juga telah membuat komposit polimer polianilin (PAni) ke dalam supercapacitors berbasis graphene. PAni dianggap sebagai salah
19
satu bahan elektroda yang paling menjanjikan karena fleksibilitas tinggi dan konduktivitas yang relatif tinggi. Variasi yang besar dari bahan komposit termasuk graphene dan PAni telah dikembangkan untuk aplikasi superkapasitor yaitu komposit graphene/PAni. Elektroda dibuat menggunakan film ultrathin PAni/RGO yang menunjukkan kapasitansi spesifik 529 F/cm3 (dengan kepadatan arus 3 A/cm3 ), dan mencapai nilai kapasitansi lebih tinggi diantara perangkat berbasis karbon. Selain itu, hambatan listrik dari elektroda PAni/RGO30/PET tetap dan hampir tidak berubah dalam 20% selama 200 siklus dengan radius tetap 2,2 m, yang menunjukkan peningkatan fleksibilitas. TiO2 dengan graphene yang telah disintesis oleh Cai et al (2012) menunjukkan bahwa kapasitas muatan spesifik komposit adalah 499 mAh/g pada kepadatan arus 100 mA/g. Kapasitas muatan spesifik ini turun menjadi 150 mAh/g dengan kepadatan arus tinggi 3000 mA/g. Nanopartikel ini menyediakan mean-free-path pendek untuk elektron dan ion lithium selama proses ekstraksi ion lithium, sehingga tingkat capabilitynya sangat baik . Dari keterangan diatas, dapat kita ketahui bahwa adanya material graphene ini dapat meningkatkan kapasitas energi yang ada pada anoda di baterai Li-ion. Material tersebut juga memberikan keuntungan yang lain yaitu tahan lama karena memiliki kekuatan material yang besar, harga yang murah serta memiliki tingkat kestabilan yang tinggi.
20
G. Elektroda
Elektroda adalah konduktor yang digunakan untuk bersentuhan dengan bagian atau media non-logam dari sebuah sirkuit (seperti semikonduktor, elektrolit atau vakum). Hal ini diungkapkan oleh ilmuan Michael Faraday dari bahasa Yunani yaitu elektron berarti amber, dan hodos berarti sebuah cara. Elektroda dalam sel elekrokimia dapat disebut sabagai anoda atau katoda, kata ini juga diungkapkan oleh Faraday. Adapun syarat-syarat elektroda yang baik yaitu memiliki konduktor listrik yang baik, potensial yang terbentuk disekitar elektoda harus rendah, tidak mudah bereaksi dengan metal yang lain, tidak membentuk campuran yang dapat mengganggu proses elektrolisa, mudah diperoleh atau disiapkan dengan murah, tahan korosi dalam zat pelarut, stabil, kuat dan tidak mudak terkikis serta harganya murah. Ada dua jenis elekroda yaitu anoda dan katoda : 1. Anoda Pada sel galvanik, anoda adalah tempat terjadinya oksidasi yang bermuatan negatif disebabkan oleh reaksi kimia yang spontan, elektron akan dilepas oleh
elektroda ini. Pada sel elektrolisis, sumber eksternal tegangan
didapat dari luar, sehingga anoda bermuatan positif apabila dihubungkan dengan katoda. Ion-ion bermuatan negatif akan engalir pada anoda untuk dioksidasi (Dogra, 1990). 2. Katoda Katoda merupakan elektroda tempat terjadinya reduksi sebagai zat kimia. Katoda bermuatan positif bila dihubugkan dngan anoda yang terjadi pada sel
21
galvanik.
Ion bermuatan positif mengalir ke elektroda ini untuk direduksi oleh
elektron-elektron yang datang dari anoda. Pada sel elektrolisis, katoda adalah elektroda yang bermuatan nagatif. Ion-ion bermuatan positif (kation) mengalir ke elektroda ini untuk direduksi. Dengan demikian, pada sel galvanik, elektron bergerak dari anoda ke katoda dalam sirkuit eksternal (Bird, 1993). 3. Potensial Elektroda Standar (E0) Potensial elektroda standar adalah potensial yang terkait dengan setengah reaksi yang ada (wadah eletroda). Potensial elektroda standar suatu elektroda adalah daya gerak listrik yang timbul karena pelepasan elektron dari reaksi reduksi. Oleh karena itu, potensial elektroda standar sering juga disebut potensial reduksi standar. Potensial ini relatif karena dibandingkan dengan elektroda hidogen sebagai standar. Nilai potensial elektroda standar dinyatakan dalam satuan Volt (V). Untuk elektroda hidrogn, E0-nya adaah 0,00 V. a.
Bila E0 > 0 cenderung mengalami reduksi (bersifat oksidaor)
b.
Bila E0 < 0 cenderung mengalami oksidasi (bersifat reduktor)
(Hiskia,1992). H. Dip Coating Teknik dip-coating merupakan salah satu proses penempelan suatu larutan sintesis pada substrat. Substrat yang akan ditempeli dimasukkan ke dalam larutan sintesis kemudian diangkat dengan kecepatan tertentu dengan temperatur terkontrol dan pada kondisi atmosfer. Pada dasarnya, proses teknik dip-coating terdiri dari pencelupan substrat ke dalam larutan sintesis, pembentukan lapisan
22
coating dengan pengangkatan substrat dari dalam larutan sintesis dan gelasi lapisan dengan penguapan pelarut. Jika sistem reaktif dipilih untuk pelapisan, seperti coating sol-gel menggunakan sistem alkoksida atau pre-hydrolized, yang disebut juga sol. Pada
kondisi dibawah atmosfer penguapan pelarut dan
destabilisasi sol oleh penguapan pelarut mengarahkan untuk proses gelasi dan pembentukan lapisan transparan untuk mendapat partikel berukuran kecil dari sol (Schmidt et al., 2000). Gambar 8 menunjukkan tahapan proses dip-coating yaitu : memasukkan substrat ke dalam larutan, pembentukan lapisan basah dengan menarik substrat dan pembentukan gel pada lapisan melalui penguapan pelarut.
Gambar 8. Tahapan proses dip-coating (Schmidt et al., 2000) Whang
et
al
(2001)
telah
melakukan
sintesis
komposit
lapis
tipis
TiO2-SiO2-PDMS secara dip-coating sol-gel, dimana aplikasi dengan metode penempelan ini memerlukan biaya rendah. Liang et al (2003) telah melakukan sintesis lapis tipis TiO2-SiO2 yang didepositkan secara dip coating sol gel pada substrat kaca keramik dengan prekursor Ti(OBu)4 dan TEOS dengan kecepatan pencelupan yang terkontrol.
23
I.
Spray-Coating
Teknik Spray-coating merupakan salah satu proses penempelan suatu larutan sintesis pada substrat yang menggunakan spray-gun. Larutan sintesis yang akan digunakan dimasukkan kedalam spray-gun dan substrat yang akan ditempeli diletakkan secara vertikal dari spray-gun kemudian disemprotkan secara kontinu dengan jarak dan tekanan tertentu. Pada dasarnya, proses teknik spray-coating terdiri dari penyemprotan larutan ke substrat, pembentukan lapisan coating dengan menguapkan zat pelarut pada suhu rata-rata. Jika sistem reaktif dipilih untuk pelapisan, seperti coating sol-gel menggunakan sistem alkoksida atau pre-hydrolized, yang disebut juga sol. Metode ini hampir sama dengan proses dip-coating, pada kondisi dibawah atmosfer penguapan pelarut dan destabilisasi sol oleh penguapan pelarut mengarahkan untuk proses gelasi dan pembentukan lapisan transparan untuk mendapat partikel berukuran kecil dari sol (Schmidt et al., 2000). Gambar 9 menunjukkan ilustrasi spray-coting (Susanto dkk., 2013).
30 cm
Gambar 9. Ilustrasi spray-coating
24
J. Karakterisasi dan Pengujian Elektroda
1.
Scanning Electron microscopy (SEM)
SEM sangat berguna untuk mendapatkan gambaran perbesaran dari berbagai jenis material. Perbedaan kontras warna yang terdeteksi mewakili topografi permukaan dan komposisi elemen yang berbeda. Alat tersebut menggunakan sinar elektron berenergi tinggi untuk melihat objeknya yang sangat kecil dalam bentuk stereo dengan skala pembesaran tinggi (Nuwaiir, 2009). Analisis SEM merupakan suatu metode analisis permukaan berupa mikroskop yang menggunakan elektron, bukan cahaya untuk menghasilkan citra. Pancaran elektron dihasilkan dari atas mikroskop oleh pemancar elektron. Elektron dipancarkan vertikal ke bawah melalui medan elektromagnetik yang memfokuskan pancaran menuju sampel. Detektor di dalam SEM mendeteksi elektron yang dipantulkan dan menentukan lokasi berkas yang dipantulkan dengan intensitas tertinggi. Arah tersebut memberi informasi profil permukaan benda seperti seberapa landai dan ke mana arah kemiringan atau dengan kata lain, citra diperoleh melalui pendeteksian elektron yang terpantulkan setelah pancaran elektron mencapai sampel. Analisis mikroskop (SEM) digunakan untuk melihat permukaan penampang melintang dan membujur spesimen secara mikroskopis, sehingga topografi, tonjolan, lekukan dan pori-pori pada permukaan dapat terlihat (Daulay, 2005). Sebelum dianalisis dengan SEM, sampel harus disiapkan terlebih dahulu. Hal-hal yang harus dipenuhi untuk menyiapkan sampel, yaitu menghilangkan
25
seluruh pelarut, air, atau bahan lain yang dapat menguap ketika di dalam vakum dan menipiskan sampel yang akan dianalisis (Nuwaiir, 2009). Foto yang dihasilkan SEM beresolusi tinggi dan dapat mencapai perbesaran yang besar karena menggunakan elektromagnet menggantikan lensa sehingga perbesaran dapat diatur dengan lebih baik. Hal ini disebabkan oleh panjang gelombang de Broglie yang dimiliki elektron lebih pendek daripada gelombang optik. Makin kecil panjang gelombang yang digunakan maka makin tinggi resolusi mikroskop (Abdullah dan Khairurrijal, 2009).
Gambar 10. Ilustrasi cara kerja SEM (Annafi, 2009) Prinsip kerja SEM yaitu gelombang elektron yang dipancarkan electron gun terkondensasi di lensa kondensor dan terfokus sebagai titik yang jelas oleh lensa objektif. Scanning coil yang diberi energi menyediakan medan magnetik bagi sinar elektron. Berkas sinar elektron yang mengenai cuplikan menghasilkan elektron sekunder dan kemudian dikumpulkan oleh detektor sekunder atau detektor backscatter. Gambar yang dihasilkan terdiri dari ribuan titik berbagai intensitas di permukaan Cathode Ray Tube (CRT) sebagai topografi gambar (Kroschwitz, 1990).
26
2.
Spektrofotometri FTIR (Fourier Transform Infrared)
Tujuan dari analisis FTIR adalah untuk mengetahui adanya gugus-gugus fungsi yang terdapat dalam suatu senyawa. Analisis sampel dengan menggunakan FTIR memiliki beberapa keuntungan, yaitu spektrum yang terdapat dalam sampel dapat dideteksi dalam waktu singkat, sensitifitasnya lebih baik, spektrum dari pelarut atau pengotor dapat dihilangkan dari spektrum sampel yang dianalisis dan sejumlah kecil sampel dapat menghasilkan spektrum dengan menambahkan informasi dari beberapa hasil scan untuk menghasilkan spektrum tunggal (Faust, 1998). Daerah spektrum elektromagnetik inframerah terletak pada panjang gelombang yang lebih panjang bila dibandingkan dengan daerah sinar tampak, yang terletak dari panjang gelombang 400 nm hingga 800 nm (1 nm = 10 -9 m), tetapi lebih pendek daripada panjang gelombang mikro yang mempunyai panjang gelombang lebih besar dari 1 nm (Sastrohamidjojo, 1992). Jika suatu molekul menyerap sinar inframerah, maka dalam molekul itu akan terjadi perubahan tingkat energi vibrasi dan perubahan energi rotasi. Skema instrument Spektrofotometer Inframerah ditunjukkan pada Gambar 11,
Gambar 11. Skema Instrumen Spektrofotometer Inframerah (Sastrohamidjojo, 1992)
27
3.
X-Ray Difraction (XRD)
Tujuan dari analisis XRD adalah untuk menentukan morfologi polimer, antara lain derajat kristanilitas polimer. Keuntungan utama penggunaan sinar-X dalam karakterisasi material adalah kemampuan penetrasinya, sebab sinar-X memiliki energi sangat tinggi akibat panjang gelombangnya yang pendek (Pratapa, 2004). Prinsip dasar dari XRD, jika seberkas sinar-X dijatuhkan pada sampel kristal, maka bidang kristal itu akan membiaskan sinar-X yang memiliki panjang gelombang sama dengan jarak antar kisi dalam kristal tersebut. Sinar yang dibiaskan akan ditangkap oleh detektor kemudian diterjemahkan sebagai sebuah puncak difraksi. Makin banyak bidang kristal yang terdapat dalam sampel, makin kuat intensitas pembiasan yang dihasilkannya. Tiap puncak yang muncul pada pola XRD mewakili satu bidang kristal yang memiliki orientasi tertentu dalam sumbu tiga dimensi. Puncak-puncak yang didapatkan dari data pengukuran ini kemudian dicocokkan dengan standar difraksi sinar-X untuk hampir semua jenis material (Masrukan, 2008). Prinsip kerja dari difraksi sinar-X adalah elektron menembak sampel padatan kristalin, kemudian mendifraksikan sinar ke segala arah dengan memenuhi Hukum Bragg. Detektor bergerak dengan kecepatan sudut yang konstan untuk mendeteksi berkas sinar-X yang didifraksikan oleh sampel. Sampel serbuk atau padatan kristalin memiliki bidang-bidang kisi yang tersusun secara acak dengan berbagai kemungkinan orientasi, begitu pula partikel-partikel kristal yang terdapat di dalamnya. Setiap kumpulan bidang kisi tersebut memiliki
28
beberapa sudut orientasi sudut tertentu, sehingga difraksi sinar-X memenuhi Hukum Bragg : n λ = 2 d sin θ dimana,
(1)
n : orde difraksi ( 1,2,3,…) λ : Panjang sinar-X d : Jarak kisi θ : Sudut difraksi
Bentuk keluaran dari difraktometer dapat berupa data analog atau digital. Rekaman data analog berupa grafik garis-garis yang terekam per menit sinkron, dengan detektor dalam sudut 2θ per menit, sehingga sumbu-x setara dengan sudut 2θ. Sedangkan rekaman digital menginformasikan intensitas sinar-X terhadap jumlah intensitas cahaya per detik. Pola difraktogram yang dihasilkan berupa deretan puncak-puncak difraksi dengan intensitas relatif bervariasi sepanjang nilai 2θ tertentu. Besarnya intensitas relatif dari deretan puncak-puncak tersebut bergantung pada jumlah atom atau ion yang ada, dan distribusinya di dalam sel satuan material tersebut. Pola difraksi setiap padatan kristalin sangat khas, yang bergantung pada kisi kristal, unit parameter dan panjang gelombang sinar-X yang digunakan. Dengan demikian, sangat kecil kemungkinan dihasilkan pola difraksi yang sama untuk suatu padatan kristalin yang berbeda (Warren, 1969). Ukuran kristal ditentukan dengan persamaan Scherrer diberikan sebagai berikut: 𝐷=
𝐾𝜆 𝐵1/2 cos 𝜃 𝐵
(2)
dimana, D adalah ukuran kristal, K adalah konstanta Scherrer, 𝜃𝐵 adalah sudut Bragg, 𝜆 adalah panjang gelombang sinar-X, dan 𝐵1/2 adalah lebar
29
penuh-setengah-maksimum
(full-width-half-max)
puncak
setelah
dikoreksi
terhadap pelebaran yang disebabkan oleh difraktometer. Gambar 12 menunjukkan skematik teknik instrument XRD (X-Ray Diffraction).
Gambar 12. Skematik teknik XRD (X-Ray Diffraction) (Masrukan, 2008) 4.
Metode Voltametri Siklik
Voltametri berasal dari kata Volt-Amperro-Metry. Kata Volt merujuk pada potensial, Amperro merujuk pada arus, dan Metry merujuk pada pengukuran, dapat diartikan sebagai pengukuran arus yang timbul dari hasil reaksi oleh pemberian potensial pada elektroda kerja. Timbulnya arus disebabkan karena terjadinya reaksi oksidasi-reduksi pada permukaan elektroda. Arus yang dihasilkan sebanding dengan konsentrasi analit dalam larutan. Voltametri dikembangkan dari teknik polarografi yang ditemukan oleh kimiawan Cekoslovakia, Jaroslav Heyrovsky pada awal tahun 1920. Pada polarografi digunakan elektroda tetes air raksa sebagai elektroda kerja, dengan pemberian potensial yang klasik (potensial yang diberikan naik atau turun dengan kecepatan konstan dan arus diukur selama pemberian potensial). Beberapa tipe voltametri yang lain diantaranya, chatodic stripping volammetry, anodic stripping volammetry, adsorpive stripping volammetry, dan volametri siklis (Apriliani, 2009).
30
Volametri siklis merupakan metode analisis elekrokimia yang didasarkan pada pengukuran nilai arus listrik sebagai fungsi aliran potensial yang diberikan secara bolak-balik pada sel elektrokimia (Gosser, 1993). Informasi yang dapat diperoleh dari metode ini yaitu interpretasi reversibilitas reaksi, studi mekanisme reaksi dan proses adsorpsi (Wang, 2000). Secara luas, voltametri siklis dapat digunakan untuk mempelajari kinetika dan dinamika reaksi yang sebelumnya seringkali dilakukan dengan metode spektroskopi. Selain itu, juga untuk mempelajari terbentuknya ion radikal yang terjadi secara elektrokimia dan mempelajari reaksi katalisis enzimatik (Hattu dkk, 2009). Proses dasar reaksi elektrokimia pada voltametri siklik dipengaruhi oleh struktur mikro, kekasaran, perintang bagian aktif permukaan elektroda akibat adsorbsi senyawa tertentu, serta adanya gugus alamiah pada permukaan elektroda (Wijaya, 2008). Sel voltametri terdiri dari elektroda kerja, elektroda pembantu, dan elektroda pembanding dimana ketiganya tercelup dalam sel voltametri yang berisi larian elektrolit. Elektroda kerja adalah tempat terjadinya raksi redoks. Menurut Apriliani (2009) elektroda kerja harus memenuhi syarat seperti memiliki respon arus yang reprodusibel, rentang potensial yang lebar, konduktivitas listrik yang baik, dan permukaan elektroda yang reprodusibel. Elektroda pembanding merupakan elektroda dengan harga potensial setengah sel yang diketahui, konstan dan tidak bereaksi teradap komposisi larutan yang sedang diselidiki. Elektroda pembanding memberikan potensial yang stabil terhadap elektroda kerja yang dibandingkan. Elektroda pemanding yang biasa digunakan adalah Ag/AgCl (Apriliani, 2009). Elektroda pembantu dikendalikan
31
oleh potensiostat untuk kesetimbangan arus difusi pada elektroda kerja dengan transfer elektron ke arah sebaliknya. Jika terjadi reduksi pada elektroda kerja maka oksidasi terjadi pada elektroda pembantu. Elektroda pembantu yang digunakan harus bersifat inert seperti kawat platina atau batang karbon yang berfungsi sebagai pembawa arus (Wang, 2000). Pengukuran menggunakan voltametri siklik, dimana potensiostat mengontro potensial yang melewati elektroda kerja untuk mengubah potensial secara perlahan kembali ke potensial awal. Potensial awal bergerak ke arah negatif menuju ke potensial akhir yang dicapai dan terbentuk 1/2 siklus yang menyatakan sebagai O direduksi menjadi R. Arus yang dihasilkan pada proses ini disebut arus katodik, kemudian scan akan kembali ke arah positif dan R akan dioksidasi kembali menjadi O. Arus yang dihasilkan disebut arus anodik (Reiger, 1994). Karakteristik voltametri siklik tergantung beberapa faktor yaitu laju reaksi trasfer elektron, kereaktifan spesi elektroaktif, dan scan rate voltase (Wijaya, 2008). 5.
Konduktivitas Listrik (σ)
Konduktivitas adalah kemampuan suatu bahan untuk mengalirkan arus listrik. Konduktivitas merupakan sifat suatu bahan tidak tergantung kepada temperatur dan contoh bahannya. Konduktivitas listrik memiliki hubungan dengan resitivitas suatu bahan. Hubungan antara keduanya adalah berbanding terbalik σ = 1 𝜌
, artinya bahan yang memiliki potensi untuk menghantarkan listrik dengan baik
(konduktivitas tinggi) memiliki resistivitas yang kecil dan sebaliknya. Nilai
32
konduktivitas
listrik
suatu
bahan
dapat
digunakan
untuk
mengetahui
kecenderungan bahan terhadap listrik (Chaudhuri dan Sarma, 2006). Untuk mengamati sifat listrik suatu bahan biasanya digunakan metode four point probe/FPP (probe empat titik) atau two-point probe. Pada penelitian ini, konduktivitas sampel diukur dengan menggunakan four point probe karena sampel berbentuk lapisan. Disebut probe empat titik, karena ada empat titik kontak yang disentuhkan pada permukaan sampel. Keempat titik kontak (probe) itu dibuat berderet dalam satu garis lurus dengan jarak antar probe diatur sedemikian rupa sehingga satu sama lain mempunyai jarak yang sama. Arus listrik yang konstan dialirkan sepanjang permukaan
sampel melalui dua probe terluar.
Jika sampel mempunyai resistansi, maka akan ada penurunan ketika
arus
mengalir
tegangan
sepanjang sampel tersebut. Perubahan tegangan
tersebut diukur melalui dua probe bagian dalam. Besaran listrik yang menunjukkan kualitas konduktivitas bahan, seperti tegangan output dan arus output dapat
ditentukan secara teliti
Gambar 13. Skema metode four
point
dengan metode four
point
probe.
probe (Ellingsong dan haben, 2011)
33
1. Resistivitas sampel bentuk bulk Pada awalnya diasumsikan (infinitesimal) dan
bahwa
ujung
sampel mempunyai dimensi
Untuk sampel bulk ini
mempunyai
ketentuan
harus lebih besar dibandingkan dengan jarak
probe sangat kecil
yang besar
(semi-infinit).
bahwa ketebalan sampel (t) antara probe (s). (3)
dengan konduktivitasnya diberikan oleh 1
𝜍=𝜌
(4)
Dimana: s = jarak antara probe (cm); ρ= resistivitas bahan (Ω.cm); dan σ= koduktivitas listrik (S/cm). 2. Resistivitas sampel bentuk thick sheet Berbeda dengan sampel bulk, untuk mempunyai ketentuan bahwa ketebalan
sampel berbentuk thick sheet ini sampel (t) harus lebih kecil
dibandingkan dengan jarak antar probe (s). Karena pada dua ujung probe paling luar merupakan superposisi dari arus maka R = V/2I. 𝜌=
𝜋𝑡
𝑉
𝐿𝑛 2
𝐼
(5)
dengan konduktivitasnya diberikan oleh 1
𝜍=𝜌
Dimana: t adalah ketebalan sampel (cm); ρ= resistivitas bahan (Ω.cm); dan σ= koduktivitas listrik (S/cm). (Wahyu, 2012).
(6)
34
III.
METODOLOGI PENELITIAN
A. Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Maret sampai Juli 2016. Yang bertempat di Laboratorium Kimia, Biologi dan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Halu Oleo. Preparasi dan sintesis sampel dilakukan di Laboratorium Kimia dan Biologi Forensik FMIPA UHO, Karaterisasi SEM dan analisis FTIR dilakukan di Laboratorium kimia analitik Institut Teknologi Sepuluh November (ITS), pembuatan elektroda dan pengukuran arus tegangan dilakukan di Laboratorium Fisika FMIPA UHO, Karaterisasi XRD dilakukan di UNHAS dan pengujian voltametri siklik dilakukan di Laboratorium Kimia Anorganik FMIPA UHO. B. Jenis Penelitian
Jenis penelitian ini adalah penelitian eksperimental dengan bidang kajian Fisika Material dan Energi. C. Alat dan Bahan
Alat dan bahan yang akan digunakan pada penelitian ini dapat dilihat pada tabel 2 berikut : Tabel 2. Alat dan Bahan yang digunakan dalam penelitian No. Alat dan Bahan Spesifikasi Fungsi Untuk menghaluskan grafit 1. Mortal batangan 2. Ayakan 250 Mesh Untuk menyaring grafit yang telah dihaluskan 34
35
No. 3. 4.
Alat dan Bahan Spatula Batang magnet
Spesifikasi 3 cm
-
Fungsi Untuk mengaduk larutan Sebagai pengaduk pada saat stirrer Sebagai wadah sampel Sebagai wadah sampel Sebagai wadah untuk sentrifuge Sebagai wadah untuk mencampur sampel Untuk mengambil cairan Sebagai tempat sampel kering Sebagai penutup wadah agar larutan tidak menguap Untuk membersihkan alat yang digunakan Untuk mengukur massa sampel Sebagai alat untuk mengaduk dan memanaskan Tempat mereaksikan bahan yang mudah bereaksi pada suhu normal. Tempat melakukan pencampuran bahan yang bersifat asam Sebagai alat sonikasi Untuk memanaskan dan mengeringkan sampel Untuk memanaskan sampel Untuk mempercepat pengendapan larutan Untuk membuat lapisan tipis Sebagai bahan dasar Untuk mengencerkan larutan dan membersihkan wadah Sebagai bahan reaksi kimia.
5. 6. 7.
Gelas ukur Gelas kimia Evendorf
Pyrex 500 ml (50, 200, 500) ml 50 ml
-
Elektroda bantu Elektroda pembanding
Erlenmeyer
Pyrex 25 ml, 50 ml
8. 9. 10.
Pipet ukur Botol vial
1 ml, 10 ml, 25 ml -
11.
Aluminium voil
12. 13.
Tissue Neraca digital
14.
Hot plat stirer
15.
Ice Bath
Thermo Scientifil Cimarec -
16.
Lemari Asam
ESCO Laboratory Fume Hood
17. 18.
Ultrasonikasi Oven
-
19. 20.
Microwave Sentrifuge
Sharp R-728 (W)-IN -
21.
Spray gun
22.
Grafit batang
EINHILL, 0.3 Mpa, 200 ml -
23.
Aquades, alkohol
24.
KMnO4, TTIP, Anilin, HNO3, H2SO4, HCl dan H2O2, NaNO3 Pt Ag/AgCl
25. 26.
36
No. 27. 28. 29.
Alat dan Bahan Potensiostat PC KCl
Spesifikasi 1M
Fungsi Pengatur tegangan Untuk running program Elektrolit
D. Prosedur Kerja
1. Preparasi Sampel Grafit Grafit Batangan dihaluskan dengan mortar kemudian di ayak dengan ukuran 250 mesh. kemudian dikemas dalam wadah plastik dan siap untuk disintesis. 2. Sintesis Graphene oksida a. Sintesis Graphite Oxide Grafit
oksida
disintesis
dengan
menggunakan
metode
hummer
termodifikasi. Proses sintesis dengan metode ini menggunakan serbuk grafit, KMnO4, NaNO3, dan H2SO4 sebagai bahan dasar. Proses sintesis dimulai dengan stiring 2 gram serbuk grafit dan 4 gram NaNO3 dengan 98 ml H2SO4 98% selama 4 jam dengan kecepatan tinggi di dalam ice bath. Setelah proses stiring berjalan selama 1 jam 8 gram KMnO4 dan 4 gram NaNO3 mulai ditambahkan sedikit demi sedikit dan bertahap.
Setelah proses Hummer selesai dilakukan, dilanjutkan
dengan proses pengadukan pada temperatur 35oC selama 24 jam. Kemudian 200 ml aquades ditambahkan secara bertahap kedalam larutan tersebut dan diaduk kurang lebih selama 1 jam atau sampai larutan tersebut homogen. Setelah larutan menjadi homogen ditambahkan 15 ml hidrogen peroksida (H2O2) secara bertahap sambil diaduk. Setelah itu larutan tadi dipisahkan antara fasa padat dan cairnya, dipercepat dengan menggunakan centrifuge 3000 rpm selama 1 jam. Fasa padat yang sudah terpisah dari liquid dicuci menggunakan 10 ml HCl 35% dan aquades
37
beberapa kali sampai pH larutan netral. Ketika pH larutan netral dan tidak ada lagi SO4- maka dilakukan proses drying pada grafit oksida pada temperatur 110oC selama 12 jam (Ilhami dan Susanti, 2014). b. Sinesis Graphene Oxide Proses sintesis graphene dimulai dengan melarutkan 40 mg grafit oksida dengan 40 ml aquades. Kemudian diaduk sampai homogen. Setelah itu grafit oksida yang sudah terlarut di ultrasonikasi dengan frekuensi 53 kHz selama 120 menit.
Kemudian dilanjutkan dengan proses reduksi dengan cara menambahkan
10 ml HCl 37% yang berfungsi untuk membuat larutan menjadi asam karena proses
reduksi
berlangsung
pada
suasana
asam
dengan
menggunakan
menambahkan 1,6 gram serbuk Zn sebagai pereduksi. Kemudian didiamkan selama 1 hari agar proses reaksi reduksi berlangsung maksimal. Di stirring selama 1 jam, lalu ditambahkan lagi 10 ml HCl 37% yang berfungsi untuk menghilangkan sisa-sisa zinc yang tidak bereksi pada larutan. Setelah itu dilakukan proses pencucian dengan aquades sampai pH netral. Dilanjutkan dengan proses hidrotermal menggunakan microwave selama 30 menit pada tahanan 70%. Setelah dimicrowave, GO yang terbentuk disimpan dalam bentuk cairan (Ilhami dan Susanti, 2014). 3. Sintesis Titanium Dioksida ( TiO2) Sol gel TiO2 dibuat menggunakan dua larutan yaitu: larutan I, akuades sebanyak 250 mL ditambahkan asam nitrat hingga pH mencapai 1,5, lalu disimpan pada suhu dingin. Larutan II, Titanium Tetra Isopropoksida (TTIP) sebanyak 1,25 mL lalu ditambahkan dengan 25 mL etanol absolut. Larutan I dan
38
larutan II dicampur kemudian diaduk menggunakan magnetic stirrer dengan kecepatan tinggi selama 30 menit. Kemudian diaduk perlahan pada suhu 4oC selama 12 jam yang disimpan pada suhu dingin. Kemudian dipanaskan pada suhu 5000 dan dilanjutkan dengan melarutkan dalam etanol (Lestari, 2009). 4. Pembuatan Elektroda a. Preparasi Graphene-Titanium oksida Untuk mempersiapkan dispersi Graphene-TiO2 (GT), larutan Graphene oksida dan larutan Titanium oksida dicampurkan dengan perbandingan 95%:5%; 75%:25%, dan 50% : 50% ke dalam botol yang sudah disiapkan. Kemudian distirrer magnetik selama 1 jam. Hal ini dimaksudkan untuk membuat larutan homogen. Karena apabila larutan belum homogen maka pada saat coating penyebaran Graphene-TiO2 tidak akan merata dan tidak sesuai dengan yang diharapkan (Chen et al., 2008). b. Spray-Coating Pembuatan elektroda melalui dua tahapan utama yaitu spray-coating dan dip-coating. Proses coating dengan metode Spray-coating
konsepnya dapat
dilihat pada Gambar 14. Langkah pertama larutan Graphene-TiO2 yang telah di stirrer dimasukkan ke dalam kaleng pada spray-gun. Setelah itu spray-gun disemprotkan dengan menggunakan kompresor. Larutan disemprotkan ke arah substrat secara vertikal secara kontinu dengan jarak antara ujung spray-gun dengan permukaan substrat kertas kurang lebih 20-30 cm dengan tekanan 30 psi(Lee et al., 2003). Setelah itu sampel dikeringkan.
39
Gambar 14. Skema penyemprotan atau spray-coating c. Preparasi PAni (polianilin) Guna mendapatkan polimer konduktif dari PAni maka harus dilakukan sintesis dan pendopingan pada monomer anilin. Sintesis PAni(HCl) diilakukan dengan cara kimiawi. Tahap sintesisnya diawali dengan larutan anilin 1 M yang di tambahkan dengan HCl 1 M kemudian diaduk selama 2 jam pada suhu kamar. Kemudian diaduk dengan stirrer magnetik. Kemudian ditambahkan dengan ammonium peroksidasulfat (NH4)2S2O8 2 M sebanyak 25 mL secara perlahan dalam larutan anilin hidroklorida sambil terus diaduk 24 jam pada suhu 0-5oC sampai membentuk endapan atau larutan polianilin mengental (Ozkazanc dkk, 2012). d. Dip-Coating Dilanjutkan dengan pencelupan sampel dalam PAni selama 30 sekon, kemudian di keringkan. Sampel GT dicelupkan kembali sampai didapatkan ketebalan lapisan yang diinginkan (Sarker et al., 2014). Produk yang dihasilkan uji konduktivitas listik dan diuji elektroda voltametri siklik.
40
E. Karakterisasi
1.
Analisis gugus fungsi dengan FTIR Karakterisasi dengan menggunakan FTIR dilakukan untuk mengetahui
gugus fungsional dari sampel komposit yang telah disintesis. 2.
Analisis morfologi permukaan dengan SEM Analisis menggunakan SEM (Scanning Electron Microscopy) dilakukan
untuk mengetahui morfologi permukaan dari komposit graphene/ TiO2 unuk mengidentifikasi adanya pembentukan pori dan penyebaran pada sampel dengan perbesaran gambar SEM 500-2500 kali. 3.
Analisis Konduktivitas dengan Four-point Probe Pengukuran konduktivitas listrik dapat diukur dengan menggunakan
metode four-point probe yang telah dimodifikasi dengan sumber arus tetap yang dirakit sendiri dan nano voltmeter AC/DC Current Source sebagai pengukur tegangan. Cara pengukuran konduktivitas dengan metode FPP, keempat titik kontak (probe) dibuat berderet dalam satu garis lurus dengan jarak antar probe diatur sedemikian rupa sehingga satu sama lain mempunyai jarak yang sama. Arus listrik
yang konstan dialirkan sepanjang
permukaan
sampel melalui dua
probe terluar. Perubahan tegangan tersebut diukur melalui dua probe bagian dalam. Konduktivitas diperoleh menggunakan rumus (5) dan (6) . 4.
Analisis dengan Voltametri Siklik Elektroda diuji dengan menggunakan metode voltametri siklik untuk
mengetahui potensial dan kuat arusnya. Pengujjian elektroda dilakukan dengan sistem tiga elektroda yaitu sampel elektroda sebagai elektroda kerja, Ag/AgCl
41
sebagai elektroda pembanding dan kawat platina sebagai elektroda bantu. Ketiga elektroda terebut dimasukkan ke dalam sel elektrokimia yang berisi larutan elektrolit kalium klorida 1 M kemudian dilakukan pengukuran pada rentang potensial dari -1 mV sampai 1,2 mV dengan scan rate 0,1 V/s; 0,2 V/s; 0,5 V/s; dan 1 V/s. F. Diagram Alir Penelitian
Preparasi Grafit
Preparasi TiO2
Sintesis Grafit oksida
Sintesis Graphene oksida
GO + TiO2
Pembuatan Elektroda Spray-Coating
Preparasi PAni
SEM, FTIR,XRD Dip-Coating Hasil
Uji Konduktivitas Listrik Uji Voltametri siklik
42
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
a. Sintesis Graphene dan Karakteristiknya Graphene telah disintesis dengan memodifikasi metode Hummers. Proses sintesis Graphene ada 2 tahap yaitu sintesis grafit oksida dari grafit dan sintesis Graphene oksida dari grafit oksida dengan mereduksi Graphene oksida menggunakan Zn. Proses eksfoliasi dengan gelombang ultrasonik selama 120 menit pada frekuensi 53 kHz, dilakukan persis sebelum Graphene oksida direduksi dengan Zn. Dan untuk lebih mengintensifkan proses eksfoliasi, maka setelah direduksi dengan Graphene dilanjutkan dengan pemanasan microwave pada daya 700 watt selama 30 menit. Gambar 14 menunjukkan Graphene hasil sintesis dalam bentuk larutan. Graphene yang dihasilkan dapat terdispersi dalam akuades dan bertahan selama 3 hari.
Gambar 14. Graphene oksida terlarut dalam akuades Reaksi oksidasi pada sintesis graphene dilakukan untuk menghasilkan grafit oksida kemudian direduksi menjadi graphene dengan menggunakan agen pereduksi Zn. Reaksi oksidasi berlangsung dalam suasana asam yang
42
43
menghasilkan campuran berwarna coklat tua. Adanya perubahan warna dari hijau tua pekat menjadi coklat tua yang terjadi akibat reaksi antara grafit, H2SO4, dan KMnO4 menunjukkan indikasi bahwa proses oksidasi grafit telah dimulai. Graphite Intercalation Compound (GIC) terbentuk dari grafit sehingga lebih mudah untuk dioksidasi. Selama proses ini, beberapa gugus fungsi seperti gugus fenol, gugus epoksi, gugus keton, gugus karboksil, dan gugus karbonil terbentuk pada karbon (Shao et al., 2012). Gugus fungsi ini menyebabkan material bersifat sangat hidrofilik dan mudah terkelupas menjadi grafit oksida. Proses oksidasi grafit menjadi graphene oksida ditunjukkan pada Gambar 15.
Grafit
Grafit Oksida
Graphene Oksida
Gambar 15. Reaksi oksidasi grafit menjadi graphene oksida (Taufantri dkk., 2016) Sementara itu, dalam proses reduksi menggunakan reduktor Zn dalam reaksi reduksi grafit oksida berfungsi untuk mengembalikan cacat struktural pada kisi karbon dengan mengembalikan konjugasi π dan untuk menghilangkan gugus fungsi. Gugus epoksi membentuk gugus hidroksi akibat reaksi Zn dengan HCl. Gugus hidroksi juga dihasilkan pada saat reduksi gugus karbonil. Adanya gugus hidroksi pada kondisi asam menyebabkan terlepasnya hidrogen dan menghasilkan olefin. Reduksi graphene oksida ditunjukkan pada Gambar 16.
44
Gambar 16. Reaksi oksidasi graphene oksida dengan Zn (Dey et al., 2012) 1. Analisis Spektrofotometri FTIR (Fourier Transform Infrared) lapisan Graphene Proses karakterisasi ini dilakukan untuk mengetahui adanya gugus fungsi yang terdapat dalam sampel yang telah dibuat. Pengujian ini dilakukan dengan rentang pajang gelombang dari 500 - 4000 cm-1. Pada spektrum serapan FT-IR Graphene pada Gambar 17, terlihat munculnya gugus O-H dengan vibrasi tekuk pada bilangan gelombang 3293,93 cm-1 dengan intesitas kuat yang diindikasikan sebagai gugus alkohol pada Graphene. Pita vibrasi lain adalah regangan (strectching) C-H pada bilangan gelombang 2915,73 cm-1 dan juga terlihat munculnya gugus C=C dengan vibrasi ulur pada bilangan gelombang 1463,74 cm-1 dengan intensitas kuat yang merupakan gugus C=C aromatik sebagai indikasi partikel Graphene terbentuk, berdasarkan penelitian sebelumnya (Ilhami dan Susanti, 2014) dan (Zhuvo, 2015)
45
melaporkan bahwa gugus C=C aromatik berkisar pada panjang gelombang 1538 cm-1. Perbedaan data yang didapatkan kemungkinan disebabkan oleh perbedaan pereaksi yang digunakan pada (Ilhami dan Susanti, 2014) Graphene yang disintesis dengan perlakuan proses hidrotermal pada temperatur 160 OC dan pereduksi Zn 2,4 gram, adapun pada penelitian ini proses hidrotermal dilakukan menggunakan microwave pada tahanan 70% dengan massa pereduksi Zn 1,6 gram. Gambar 17 menunjukkan hasil uji spektrofotometri FTIR pada lapisan Graphene.
O-H
C-H
C=C C-OH
Gambar 17. Hasil analisis spektrofotometri FTIR (Fourier Transform Infrared) pada lapisan Graphene 2. Analisis XRD lapisan Graphene Pada penelitian ini, analisis menggunakan difraksi sinar-X bertujuan untuk mengetahui apakah sintesis Graphene telah terbentuk. Berdasarkan grafik XRD, Graphene yang ditunjukan pada Gambar 18 terlihat bahwa berada pada kisaran 2θ 24.614 dengan d-spacing 3.61388. Hal ini sesuai dengan penelitian
46
(Taufantry: 2016), dimana pola XRD grafit oksida berada pada peak 2θ 11.2055 dengan d-spacing 7.8965 dan Graphene menunjukkan peak 2θ 23.9369 dengan d-spacing 3.7176. pergeseran tersebut mengindikasikan bahwa telah terbentuk lembaran Graphene. Perubahan jarak d-spacing ini menunjukkan bahwa proses reduksi grafit oksida telah berjalan dengan baik. Pergeseran sudut 2θ ke arah kanan terjadi pada saat transformasi grafit oksida menjadi grafena yang disebabkan oleh hilangnya gugus fenol, gugus epoksi, gugus keton, gugus karboksil, dan gugus karbonil pada grafit oksida karena proses reduksi. Peak 2θ 23.9369 juga memberikan informasi bahwa graphene oksida yang diperoleh adalah singgel layer berdasarkan (adhytiawan dan susanti, 2013) bahwa peak pada daerah peak 2θ: 23O-24O menyatakan adanya singgle layer graphene. Dengan menggunakan rumus Scherrer diperoleh ukuran kristal sebesar 6,9138 nm.
Gambar 18. Spektrum XRD Graphene
47
b. Sintesis TiO2 dan Karakteristiknya Nanopartikel TiO2 telah berhasil disintesis dengan metode sol-gel dari TTIP (Tithaniun Tetra Isopropoxisde). Hal ini dapat dibuktikan dengan data XRD pada Gambar 21. Proses sol-gel diakhiri dengan pemanasan pada suhu 5000C selama 120 menit. Hasil sintesis TiO2 dapat dilihat pada Gambar 19.
Gambar 19. Hasil sintesis TiO2 metode sol-gel 1. Analisis Spektrofotometri FTIR (Fourier Transform Infrared) TiO2
Gambar 20. Hasil analisis spektrofotometri FTIR (Fourier Transform Infrared) TiO2
48
Pada spektrofotometri FTIR TiO2 Gambar 20, menunjukkan munculnya serapan pada bilangan gelombang 3262,57 cm-1 diindikasikan keberadaan O-H stretching (vibrasi ulur) dengan signal kuat. Pada spektrum TiO2 tersebut juga terlihat muncul gugus C=O dengan vibrasi tekuk pada bilangan gelombang 1637,02 cm-1 dengan intensitas kuat yang diindikasikan sebagai gugus amida pada titanium dioksida. Keberadaan gugus O-H diduga berasal dari gugus titanil sebagai Ti-OH terminal dari fasa kristal TiO2 maupun dari air yang terserap pada permukaan. Ikatan C-H alkana berasal dari asam asetat dengan puncak pada daerah 2920,32 cm-1 dan 2850,66 cm-1 (Jagadale et al., 2008). 2. Analisis X-ray Diffraction (XRD) Pada penelitian ini, analisis menggunakan difraksi sinar-X bertujuan untuk mengetahui apakah sintesis TiO2 telah terbentuk. Berdasarkan data XRD Gambar 21, diperoleh hasil analisis XRD yang menunjukkan puncak difraktogram tinggi pada 2θ 25O dan 48O yang memberikan informasi bahwa sintesis TiO2 metode sol-gel telah berhasil dilakukan. Puncak difraktogram ini juga memberikan informasi jenis kristal yang diperoleh setelah pemanasan pada suhu 500OC adalah jenis anatase dan tidak diperoleh jenis lain dari TiO2 seperti rutile dan brookite (Niu et al, 2014). Proses sintesis TiO2 pada penelitian ini mempunyai kemurnian yang sangat tinggi sebab hanya TiO2 fasa anatase yang dihasilkan berdasarkan analisis aplikasi match! 3, sementara fasa rutile tidak muncul pada data XRD. Data ini juga diperkuat dengan ukuran kristal rata-rata TiO2 anatase yang diperoleh menggunakan rumus scherrer dengan K=0,89 adalah sebesar
49
9,25 nm. Hal ini sesuai dengan teori bahwa titania pada fase anatase umumnya stabil pada ukuran partikel kurang dari 11 nm (Septina dkk, 2007). Gambar 21 menunjukkan hasil karakterisasi TiO2 menggunakan XRD.
Gambar 21. Spektrum XRD Sol-Gel TiO2 c. Pembuatan Elektroda Berbasis Komposit Graphene/TiO2 Yang Dilapisi PAni dan Karakteristiknya Pembuatan elektroda kerja Graphene/TiO2 terlapisi polianilin (PAni) dalam penelitian ini menggunakan dua metode utama yaitu proses spray-coating terhadap larutan Graphene terdispersi dan sol-gel TiO2 yang dilanjutkan dengan proses pencelupan atau dip-coating pada larutan PAni. Bentuk sol-gel untuk pembuatan elektroda memberikan banyak keuntungan yaitu dalam hal kemurnian, homogenitas dan fleksibilitas, ekonomis, dan sederhana serta lebih akurat (Maulidiyah et al., 2015). Proses spray-coating berlangsung pada tekanan 30 psi dengan jarak 30 cm diatas hot plate suhu rata-rata 600C. Dalam penelitian ini
50
substrat yang digunakan adalah kertas yang dimaksudkan untuk dapat mempercepat pengeringan dan pemerataan sampel elektroda selain dengan pemanasan diatas hot plate, dimana kertas dapat dengan mudah menyerap air atau pelarut komposit GT. Gambar 22 menunjukkan deposisi komposit GT pada kertas dengan baik dimana permukaannya merata dengan baik. Proses homogenitas komposit juga dibantu dengan stirrer selama 30 menit sebelum dispray.
Gambar 22. Lapisan komposit Graphene/TiO2 1. Analisis Spektrofotometri FTIR Komposit Graphene/TiO2 Pada penelitian ini, analisis menggunakan difraksi sinar-X bertujuan untuk mengetahui apakah material Graphene mengalami perubahan puncak difraksi setelah penambahan material dielektrik TiO2, dengan melihat apakah terjadi pergeseran 2θ dengan membandingkan 2θ antara Graphene dan TiO2 Berdasarkan spektrum inframerah pada Gambar 23 terlihat bahwa uji spektroskopi FTIR bertujuan untuk melihat gugus fungsional sampel komposit Graphene/TiO2 yang telah difabrikasi dengan metode spray-coating. Bilangan gelombang yang muncul pada pengujian mengacu pada referensi hasil penelitian (Ozkazanc, 2012).
51
Gambar 23. Hasil analisis spektrofotometri FTIR (Fourier Transform Infrared) pada lapisan Graphene, TiO2, dan komposit Graphene/TiO2 Berdasarkan spektrum inframerah pada Gambar 23 terlihat bahwa komposit
Graphene/TiO2
dengan
persentase
masing-masing
50%:50%
menunjukkan adanya gugus O-H, C-H, C=C yang merupakan gugus fungsi TiO2 dan Graphene yang memiliki intensitas yang saling menguatkan. Gugus C-H pada Graphene yaitu dengan bilangan gelombang 2915,73 cm-1 yang memiliki intensitas lemah manjadi lebih kuat katika dicampurkan dengan TiO2 yang terlihat pada gambar 23. Pada spektrum serapan FT-IR komposit Graphene/TiO2 pada Gambar 23 terlihat adanya puncak – puncak utama 2907,65 cm-1 dengan intensitas sangat kuat dan 1622,59 cm-1 intensitas tidak begitu kuat.
52
2. Analisis XRD Komposit Graphene/TiO2 Pengukuran menggunakan instrumen X-ray diffraction dimaksudkan untuk mendapatkan informasi struktur kristal dari elektroda kerja Graphene/TiO2. Perbedaan puncak serapan antara kristal Graphene, TiO2, dan Komposit Graphene/TiO2 ditunjukkan pada gambar berikut, (001)
(001)
(001)
Gambar 24. Spektrum XRD Komposit Graphene/TiO2 Setelah penambahan bahan dielektrik seperti TiO2 terjadi perubahan 2θ dan d-spacing yang signifikan. Hal ini terlihat pada Gambar 24 dengan perubahan 2θ masing berkisar 22,64 dengan d-spacing 3,92. Perubahan tersebut mengindikasikan bahwa bahan dielektrik tersebut telah bereaksi secara baik dalam proses sintesis komposit membentuk produk yang ingin dihasilkan yaitu bahan dielektrik TiO2 dan Graphene tersebar dengan baik (Williams, 2008)..
53
3. Analisis Morfologi Permukaan dengan SEM (Scanning Electron Microscopy) Komposit Graphene/TiO2 SEM (Scanning Electron Microscopy) digunakan untuk mendapatkan gambaran perbesaran dari berbagai jenis material. Perbedaan kontras warna yang terdeteksi mewakili topografi permukaan dan komposisi elemen yang berbeda. Analsis SEM dilakukan untuk melihat permukaan penampang melintang dan membujur spesimen secara mikroskopis sehingga topografi, tonjolan, lekukan dan pori permukaan lapisan dapat terlihat.
Gambar 25. Hasil analisis SEM (Scanning Electron Microscopy) lapisan komposit Graphene/TiO2:(A) lapisan TiO2, (B) lapisan komposit Graphene/TiO2 dan (C) lapisan Graphene.
54
Pengamatan morfologi TiO2, Graphene dan komposit Graphene/TiO2 dilakukan dengan pengujian SEM, hasil analisis morfologi SEM (Scanning Electron Microscopy) lapisan komposit Graphene/TiO2 ditunjukkan pada Gambar 25. Analisis SEM dilakukan pada pebesaran 2500 kali. Instrumen yang digunakan adalah spektrofotometer SEM Merk FEI type Inspect-S50. Grafit merupakan tumpukan dari lembaran-lembaran tipis Graphene sehingga sebuah grafit akan terlihat membentuk flake yang tebal, sedangkan Graphene merupakan selapis lembaran tipis transparan dari grafit (25.C) (Adhytiawan dan susanti: 2013). Dari Graphene-TiO2
hasil
foto
SEM
pada
permukaan
lapisan
memberikan informasi gambaran struktur permukaan dari
partikel komposit Graphene-TiO2 yang merata dengan perbesaran 2500 kali yakni struktur dan posisi Graphene yang dideposisi dengan TiO2 ditunjukkan pada gambar (25.B). Graphene yang terbentuk seperti sebuah lapisan yang transparan, namun Graphene yang terbentuk ada yang monolayer dan juga masih ada yang bilayer yang ditunjukkan pada tanda panah merah kotak gambar (25.B). Sedangkan TiO2 terlihat seperti sebuah butiran-butiran kecil yang ditunjukkan pada gambar (25.A) dan tanda panah melingkar (25.B). Sementara itu, lembaran-lembaran halus pada komposit Graphene/TiO2 merupakan Graphene (Nugraha, 2015). Pada sampel elektroda Graphene/TiO2 dengan persentase perbandingan Graphene 50% : TiO2 50% terlihat pembentukan partikel-partikel butiran TiO2 yang menutupi permukaan Graphene, tidak terlihat pori-pori pada permukan komposit. Dimana dari gambar tersebut dapat diketahui penyebaran partikel penyusun nano TiO2 yang merata tersebar diatas permukaan Graphene.
55
4. Pengaruh Persentase TiO2 Terhadap Nilai Konduktivitas Listrik Komposit Graphene/TiO2 Konduktivitas listrik adalah ukuran dari kemampuan suatu bahan untuk menghantarkan arus listrik. Karakterisasi ini dilakukan untuk mengetahui dan menguji apakah lapisan yang telah dibuat memiliki nilai konduktivitas yang baik sehingga dapat digunakan sebagai bahan elektroda baterai Li-ion. Konduktivitas listrik diperoleh dari pengukuran menggunakan metode probe-4 dengan mengukur parameter arus(I) dan tegangan(V) sebagai data awal untuk menentukan nilai konduktivitas material. Hasil pengukuran arus(I) dan tegangan(V) menggunakan metode Probe-4 pada sampel komposit Graphene/TiO2 dapat dilihat pada tabel 3 berikut, Tabel 3. Hasil pengukuran I-V lapisan komposit Graphene/TiO2 ρ (Ohm) σ I rata-rata V rata-rata T rata-rata (S/cm) (A) (V) (cm) Grafit
0,000862
0,7988
0,0009
3,7781
0,2646
RGO
0,001322
0,4628
0,0005
0,7929
1,2611
(95%:5%)
0,001276
0,4834
0,0005
0,8581
1,1654
Graphene/TiO2 (75%:25%)
0,001384
0,5726
0,0005
0,9371
1,0671
Graphene/TiO2 (50%:50%)
0,000558
0,5858
0,0005
2,3778
0,4205
Graphene/TiO2
Konduktivitas Listrik (S/cm)
56
Grafik Nilai Konduktivitas Listrik Komposit Graphene/TiO2 1.400
1.2611
1.200
1.1654
1.0671
1.000 0.800 0.600 0.400
0.4205 0.2647
0.200 0.000 1
2
3
4
5
Gambar 26. Grafik nilai konduktivitas listrik lapisan komposit Graphene/TiO2 yang diukur menggunakan metode probe-4: (1)Grafit; (2)Graphene; (3)GT 95%:5%; (4)GT 75%:25%; (5)GT 50%:50%. Graphene dengan persentase penembahan TiO2 5% memiliki nilai konduktivitas (1,1654 S/cm) yang lebih baik dibandingkan dengan Graphene dengan persentase penambahan TiO2 25% dan 50% yaitu masing-masing 1,0671 S/cm dan 0,4205 S/cm. Seiring dengan besarnya persentase penambahan TiO2, konduktivitas listrik komposit semakin rendah. Hal ini disebabkan karena TiO2 mamiliki sifat kelistrikan yang rendah sehingga semakin banyak persentase TiO2, konduktivitas listriknya juga semakin menurun. Namun, sampai penambahan persentase TiO2 yang besarnya sama dengan persentasi Graphene yaitu Graphene 50% : TiO2 50% masih memiliki nilai konduktivitas yang lebih besar daripada grafit (0,2647 S/cm) sehingga disimpulkan bahwa komposit Graphene/TiO2 dapat digunakan sebagai bahan elektroda baterai Li-ion. Dimana TiO2 merupakan agen yang dapat mengakomodasi ion litium selama proses interkalasi.
57
5. Pengaruh Penambahan Polianilin(PAni) Terhadap Nilai Konduktivitas Listrik Komposit Graphene/TiO2 Komposit Graphene/TiO2 yang telah diuji koduktivitas, dicelupkan pada larutan polianilin dengan komposisi sebagai berikut: Tabel 4. Komposisi Komposit Graphene/TiO2/PAni Graphene TiO2 Polianilin(PAni) (%) (%) (gram) 95 5 0,1 75 25 0,1 50 50 0,1
Polianilin(PAni) disiapkan dengan melarutkan serbuk PAni yang telah disintesis kedalam 5 ml akuades selama 30 detik untuk menghasilkan lapisan yang tidak terlalu tebal, kemudian dikeringkan. Proses ini akan meningkatkan kemampuan polimer menghantarkan listrik akibat peningkatan konsentrasi pembawa muatan di dalam polimer (Ansari dkk, 2006). Kemudian Konduktivitas listrik komposit Graphene/TiO2/PAni diperoleh dari pengukuran menggunakan metode probe-4 dengan mengukur parameter arus(I) dan tegangan(V) sebagai data awal untuk menentukan nilai konduktivitas material. Hasil pengukuran arus(I) dan tegangan(V)
menggunakan
metode
Probe-4
pada
sampel
komposit
Graphene/TiO2/PAni dapat dilihat pada tabel 5 berikut, Tabel 5. Hasil pengukuran I-V lapisan komposit Graphene/TiO2/PAni σ (S/cm) I (A) V (V) T (mm) ρ (Ohm) Graphene/TiO2/PAni (95 : 5 : 1) 0,000576
0,26038
0,001
1,6028
0,6239
Graphene/TiO2/PAni (75 : 25 : 1) 0,001162
0,06858
0,002
0,5347
1,8701
Graphene/TiO2/PAni (50 : 50 : 1) 0,000458
0,2602
0,002
5,1473
0,1943
Konduktivitas Listrik (S/cm)
58
Grafik Nilai Konduktivitas Listrik Komposit Graphene/TiO2 1.8700
2.000 1.500
1.1654
1.000 0.6239
0.4205
0.500
0.1943
0.000
95%:5%:1 1
Gambar
Tanpa PAni Dengan PAni
1.0671
27.
75%:25%: 2
50%:50%: 3
1 1 Grafik nilai konduktivitas listrik lapisan komposit Graphene/TiO2/PAni yang diukur menggunakan metode probe-4
Berdasarkan Gambar 27, dapat dilihat pengaruh penambahan polianilin terhadap sifat konduktivitas komposit graphene/TiO2. Penambahan polianilin akan meningkatkan nilai konduktivitas listrik. Hal ini ditunjukkan dengan adanya peningkatan nilai konduktivitas dari sampel komposit 75%:25%:1, yaitu dari 1,0671 S/cm menjadi 1,87 S/cm. Penyebab meningkatnya nilai konduktivitas pada komposit graphene/TiO2 adalah karena kandungan graphene yang ada pada komposit yang menyebabkan elektron yang ada pada polianilin lebih mudah untuk melakukan lompatan elektron disepanjang rantai polimer tersebut (polianilin) (Ghani et al., 2010). Berbanding terbalik dari sampel komposit 50%:50%:1 yang mengalami penurunan nilai konduktivitas dengan penambahan polianilin 0,1 gram. Penurunan konduktivitas listrik elektroda kerja tersebut disebabkan karena banyak serat TiO2 yang menyelubungi serat karbon graphene dan TiO2 yang berikatan dengan matriks polianilin mengalami kejenuhan, sehingga sulit untuk melakukan lompatan elektron (Rizky dkk., 2014). Dimana TiO2 memiliki nilai kelistrikan yang rendah sehingga serat karbon graphene dan polianilin tidak dapat
59
melakukan fungsinya untuk menghantarkan arus listrik dengan baik karena terselimuti oleh TiO2, banyaknya butiran TiO2 yang melapisi graphene dapat dilihat pada gambar 25.b. Terhalangnya serat karbon graphene oleh TiO2 mengakibatkan pergerakan elektron akan terhambat dan arus yang mengalir di antara material akan terhalang. 6. Analisis Elektroda Komposit Graphene/TiO2/PAni dengan Voltametri Siklik Pengujian elektroda dilakukan dengan menggunakan metode voltametri siklik untuk mengetahui reversibilitas elektroda dengan terbentuknya puncak oksidasi dan reduksi. Pengujian dilakukan dengan sistem tiga elektroda yaitu elektroda pembanding Ag/AgCl, elektroda bantu kawat Pt dan elektroda komposit Graphene/TiO2/PAni
sebagai
elektroda
kerja.
Ketiga
elektroda
tersebut
dimasukkan kedalam sel elektrokimia dengan menggunakan larutan kalium klorida (KCl) sebagai larutan elektrolit yang berfungsi sebagai medium penghantar, dimana transfer muatan terjadi melalui pergerakan ion-ion elektrolit tersebut. Menurut Fitriani (2012) larutan elektrolit dapat berupa larutan seperti asam, basa atau garam yang mampu menghantarkan arus listrik dan tidak mengganggu reaksi kimia yang terjadi. Kalium klorida merupakan larutan elektrolit kuat yang dapat menghantarkan arus listrik dengan baik. Pada elektrolit kuat, senyawa atau molekul yang dilarutkan dalam air akan terionisasi sempurna sehingga akan menghasilkan larutan yang dapat menghantarkan listrik dengan baik (Fitriani, 2012). Oleh karna itu kalium klorida dapat digunakan untuk tahap
60
awal pengujian elektroda komposit Graphene/TiO2/PAni. Dalam penelitian ini, scan rate ploting voltamogram divariasikan yaitu
0,1 V/s; 0,2 V/s; 0,5 V/s dan 1
V/s untuk melihat respon elektroda terhadap larutan elektrolit dengan adanya puncak oksidasi-reduksi terbaik pada perubahan scan rate. Parameter penting dalam voltametri siklik adalah arus puncak katodik (Ipc), potensial puncak katodik (Epc), arus puncak anodik (Ipa) dan potensial puncak anodik (Epa). Tajamnya bentuk puncak pada voltamogram akan mempengaruhi kekuatan pengukuran tinggi arus. Puncak arus yang terbentuk pada voltamogram adalah representasi pergerakan elektron yang berkala dari reaksi yang terjadi di permukaan elektroda. Oleh karna itu, stabilnya nilai potensial tempat terjadinya arus, tinggi puncak arus, dan tajamnya bentuk puncak arus menjadi pertimbangan voltamogram yang optimal (Yulianto, 2007). Pengukuran elektroda dengan voltametri siklik dilakukan pada rentang potensial awal -1 mV, potensial balik 1 mV dan potensial akhir 1,2 mV dengan scan rate yang divariasikan. Rentang potensial tersebut digunakan untuk mengetahui daerah tempat
terbentuknya
puncak
oksidasi-reduksi
dari
elektroda
kerja
Graphene/TiO2/PAni. Scan rate pada voltametri siklik mempengaruhi nilai arus yang dihasilkan pada voltamogram. Hal ini disebabkan karena scan rate dapat mempengaruhi ketebalan lapisan difusi antar muka. Scan rate yang besar akan mengakibatkan tipisnya lapisan difusi, yaitu ke arah kanan (arus anodik) dan ke arah kiri (arus katodik). Arus anodik muncul sebagai respon reaksi oksidasi dan arus katodik sebagai reaksi respon reduksi (Rahayu dan Fredy, 20110). Dalam penngujian elektroda, Logam Cu digunakan sebagai penghubung
61
elektroda kerja karna tidak mudah teroksidasi dan mempunyai potensial reduksi yang cukup tinggi yaitu 0,34 V sehingga diperkirakan logam Cu dapat bertindak sebagai perangkap elektron (rahmawati dkk,2008). Sampel elektroda GTP ditunjukkan pada Gambar 28,
GTP
Cu Tape
Gambar 28. Sampel elektroda GTP pada logam Cu tape Hasil pengukuran elektroda GTP dengan persentase 75%:25%:1 dengan variasi scan rate dalam kalium klorida 1 M, diperoleh voltamogram siklik yang memiliki bentuk hampir sama untuk setiap scan rate yang berbeda. Dimana terbentuk puncak arus oksidasi dan reduksi yang cukup baik. Berdasarkan gambar 29, setiap penambahan laju imbasan (scan rate) hasil voltamogram elektroda juga semakin
melebar
dan
memiliki
bentuk
yang
hampir
sama.
Hal
ini
mengindikasikan bahwa semakin besar laju imbasannya puncak arus oksidasi dan puncak arus reduksinya juga meningkat. Hasil pengujian elektroda GTP dengan larutan elektrolit KCL 1 M menggunakan voltametri siklik pada komposisi 75%:25%:1 ditunjukkan pada Gambar 29.
62
Gambar 29. Voltamogram siklik elektroda GTP 75%:25%:1 Dilihat dari voltamogram hasil pengujian voltametri gambar 29, menunjukkan bentuk siklik yang cukup baik sebagai elektroda dimana memiliki puncak arus oksidasi dan reduksi yang hampir sama dengan persentasi 75%:25%:1 dan juga memiliki peningkatan yang relatif stabil untuk setiap perubahan scan ratenya. Puncak oksidasi tertinggi diperoleh pada scan rate 1 V/s dengan kisaran potensial 0,25 V dan puncak arus reduksinya pada potensial kisaran -0,6 V. Hal ini sesuai dengan teori bahwa Scan rate pada voltametri siklik mempengaruhi nilai arus yang dihasilkan pada voltamogram, karena scan rate dapat mempengaruhi ketebalan lapisan difusi antar muka. Scan rate yang besar akan mengakibatkan tipisnya lapisan difusi, yaitu ke arah kanan sebagai arus anodik dan ke arah kiri sebagai arus katodik (Rahayu dan Fredy, 20110). Selain itu, elektroda pembantu yang digunakan adalah platina (Pt) dimana elektroda padat ini memiliki kelebihan yaitu dapat digunakan pada daerah potensial yang lebih luas. Pt dapat digunakan pada +1,2 V – (-0,2) V (vs EKJ) dalam suasana
63
asam dan +0,7 V – 0,1 V dalam suasana basa (Mulyani R, dkk, 2012). Berdasarkan pengujian elektroda GTP dengan menggunakan voltametri siklik diperoleh potensial dari masing-masing elektroda yang ditunjukkan pada tabel 6 berikut, Tabel 6. Nilai potensial elektroda GTP dalam larutan elektrolit KCl 1 M Jenis Elektroda
GTP 75%:25%:1
Scan rate 0,1 V/s 0,2 V/s 0,5 V/s 1 V/s
Nilai Potensial (V) Oksidasi
Reduksi
0,05 0,1 0,18 0,25
-0,32 -0,35 -0,44 -0,6
Dari hasil pengujian elektroda GTP seperti yang terlihat pada Tabel 2 diatas menunjukkan bahwa elektroda GTP
dalam larutan elektrolit kalium
klorida menggunakan instrumen potensiostat dengan model DY2116 dengan scan rate yang divariasikan yaitu 0,1 V/s ; 0,2 V/s ; 0,5 V/s ; dan 1 V/s. Elektroda GTP terbaik diperoleh pada persentase 75%:25%:1 dengan nilai potensial oksidasi dan reduksi berkisar 0,25 V dan -0,6 V pada scan rate 1 V/s. Pada persentase ini, elektroda GTP memiliki puncak arus oksidasi dan reduksi yang lebih baik di setiap penambahan scan rate dibandingkan persentase yang lain. Oleh karna itu, komposit Graphene/TiO2/PAni pada persentase 75%:25%:1 dapat dijadikan sebagai kandidat bahan elektroda baterai Li-ion yang diharapkan dapat menggantikan fungsi kerja dari bahan grafit pada anoda. Tujuan menggantikan bahan grafit dengan GTP yaitu untuk meningkatkan kapasitansi teiritik dari Li-ion. Dimana kapasitansi teoritik grafit sebesar 372 mAhg-1 sedangkan kapasitansi teoritik Graphene sebasar 1000-3000 mAhg-1 (Zhamu et al.,2012).
64
V. PENUTUP A. Kesimpulan
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan dapat diambil beberapa kesimpluan sebagai berikut: 1.
Telah diperoleh graphene oksida dari grafit dengan metode Hummers termodifikasi dan sol-gel TiO2 fasa anatase yang dapat diamati dari morfologi SEM dimana graphene yang diperoleh ada yang bilayer dan ada yang monolayer.
2.
Elektroda komposit graphene/TiO2/PAni telah difabrikasi dengan metode spray-coating dan dip-coating, adapun hasil analisis konduktivitas listrik terbaik pada persentase graphene 75% : TiO2 25% yakni 1,87 S/cm yang merupakan komposit bersifat semikonduktor.
3.
Berdasarkan nilai konduktivitas listrik komposit graphene/TiO2, bahwa penambahan TiO2 sampai 50% pun masih lebih baik dari grafit sehingga komposit graphene/TiO2 dapat memperbaiki kapasitas dan stabilitas elektroda baterai li-ion.
4.
Elektroda GTP terbaik diperoleh pada persentase 75%:25%:1 dengan nilai potensial oksidasi dan reduksi berkisar 0,25 V dan -0,6 V pada scan rate 1 V/s.
64
65
B. Saran
1.
Sebaiknya melakukan karakterisasi lebih lanjut pada elektroda komposit graphene/TiO2/polianilin yaitu FTIR dan SEM.
2.
Komposit graphene/TiO2/polianilin sangat penting untuk diuji sampai pengukuran kapasitas listrik untuk mengetahui kemampuan menyimpan elektroda komposit graphene/TiO2/polianilin.
66
DAFTAR PUSTAKA
Adhytiawan, AA. dan Susanti D.(2013). Pengaruh Variasi waktu tahan hidrotermal terhadap sifat kapasitif superkapasitor material graphen. Jurnal Teknik Pomits.Vol.2.no.1:2337-3539. Annafi, M., 2009, Studi Biodegrasdasi Poliblend antara Polistirena-Kitosan Menggunakan Lumpur Aktif, Skiripsi. Jurusan Kimia ITB. Bandung. Ansari R. and Keivani M.B. 2006. Polyaniline Conducting Electroactive Polymers: Thermal and Environmental Stability Studies. Journal of Chemistry. 202-217.Abdullah, M., dan Khairurrijal, 2009, Karakterisasi Nanomaterial, Jurnal Nanosains dan Nanoteknologi, Vol. 2 (1): 1979-0880. Apriliani, R., 2009, Studi penggunaan Kurkumin sebagai Modifier elektroda pasta Karbon untuk Analisis Timbal (II) Secara Stripping Voltammetry, Skripsi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret, Surakarta. Atabaki, MM and Kovacevic, R. (2013). Electron Mater Lett 2:133-153. Bird, T., 1993, Kimia Fisik untuk Universitas. PT. Gramedia Pustaka Utama: Jakarta. Bolotin KI, Sikes KJ, Jiang Z, Klima M, Fudenberg G, Hone J, Kim P, Stormer HI. (2008). Solid State Commun. 146, 351-355. Brown, G N., Birks, J. W. and Koval, 1992, Development and Characterization of a Titanium-Dioxide Based Semiconductor Photoelectrochemical Detector, Anal. Chem, 64, 427-434. Chao Zhou et al., 2014. Graphene’s cousin: the present and future of graphane. DOI:10.1186/1556-276X-9-26. Chaudhuri dan D Sarma . 2006. BF3-Doped Polyaniline: A Novel Conducting Polymer. Journal of Phisics. 135-139. Dey RS, Hajra S, Sahu RK, Raj RC, Panigrahi MK. (2012). A rapid room temperature chemical route for the synthesis of graphene: metal- mediated reduction of graphene oxide. Chem. Comm. 48(12): 1787-1789. Dogra, S., 1990, Kimia Fisik dan Soal-Soal, Universitas indonesia: jakarta. Ellingson, R., and Heben, M. (2011). Sheet Resistance: Measurement and Significance. University of Toledo: PHYS 4580, PHYS 6/7280. 66
67
Fan, X., Peng, W., Li, Y., Li, X., Wang, SS., Zhang, S., Zhang, F. (2008). Adv Mater 20:4490-4493. Faust B., 1998. Modern Chemicals Techniques, Royal Society of Chemistry. London. Fitriani, L., 2012, Studi Reaksi Reduksi CO2 dengan Metode Elektrokimia Menggunakan Elektroda Cu, Skripsi, Universitas Indonesia, Depok. Geim AK, Novoselov KS: The Rise Of Graphene, nat mater 2007,6: 183. Ghanbari, K., Mousavi, M. F., Shamsipur, M. (2006). Preparation of polyaniline nanofibers and their use as a cathode of aqueous rechargeable batteries, Electrochimica Acta, 52, 1514 – 1522. Ghani, SA., Heah Chen Y. 2010. Development of Carbon white-Carbon Black-Polyaniline Composite As a Conductive Polymer. Journal Physical Science. Gosser, D.K., 1993, Cyclic Voltammetry Simulation and Analysis of Reaction mechsnisms, VCH Publisher Inc. Gunlazuardi, J., 2001. Fotokatalisis pada Permukaan TiO2: Aspek Fundamental dan Aplikasinya, Departemen Kimia F-MIPA, Universitas Indonesia, Jakarta, Makara, Jurnal Penelitian Universias indonesia. Guo,J.(2010).” Nanoparticle/Graphene Composites: Toward High-Performance Anode Materials for Lithium-ion Batteries”. Literature Seminar Hao, Q., 2003, Development of Conductrometric Polymer Sensor for Gasous Hydrogen Chloride, Disertasi, Faculty of Chemistry and Pharmacy, University of Regensburg. Jerman. Hattu, N., Buchari, Indra, N., dan Sadijah, A., 2009, Studi Voltametri Antihistamin Deksklorfeniramin Maleat Menggunakan Elektroda Pasta karbon, Prosiding Seminar Nasional penelitian, pendidikan dan penerapan MIPA, Yogyakarta. Hidayah, IN. (2015). Aplikasi Graphene Untuk Lithium Ion Battery. Surakarta: Universitas Sebelas Maret. House, V. E. and Ross, F., 2007, “Anode‟r‟ way” – Why the anode yields better result, Altair nanotechnologies, (Altairnano) Inc. Huang J ., 2006. Syntheses and Applications of Conducting Polymer Polyaniline Nanofibers. Pure Appl. Chem.15–27 Huang,H.,Gan,M.et al. 2015. Fabrication of polyaniline/graphene/titania nanotube arrays nanocomposite and their application in supercapasitors.
68
Journal of Alloys and Compounds 630, 214-221. Hubber, T., Saville, P., and Edwards, D., 2003. Investigations into the Polyaniline and Polypyrrole Families of Conducting Polymers for Application as Radar Absorbing Materials, DRDC Atlantic TM 2003-005, Defence R&D Canada. Ilhami,L.N. dan Susanti D.(2014).”Pengaruh Variasi Kadar Zn Dan Temperatur Hydrotermal Terhadap Struktur Dan Nilai Konduktivitas Elektrik Material Graphene”. Jurnal Teknik Pomits.Vol.3.no.2:2337-3539. Jagadale, T. C., Takale, S. P., Sonawabne, R. S, 2008, N-Doped TiO2 nanoparticle based visible ligh photocatalyst by by modiied peroxide sol-gel method, J. Phys. Chem. C, 112(37), 14595-14602. Junaidi, M dan susanti, D. (2014). Pengaruh variasi waktu ultrasonikasi dan waktu tahan hydrotermal terhadap struktur dan konduktivitas listrik material graphene. Jurnal Teknik Pomits.Vol.3.no.1. Kartawidjaja. M., Abdurrochman, A., Rumeksa, E., 2008, Prosiding seminar Nasional Sains dan Teknologi-II 2008, Lampung, Universitas Lampung: 105-115. Kosova, N.V., Osintsev, D.I., Uvarov, N.F., and Devyatkina. Et., 2005, Lithium Titanium Phosphate as Cathode, anode, and Electrolyte for Lithium Rechargeable Batteries, Chemistry for Subtainable Development, Vol. 13: 4271-4274. Koudriachova, M. V., Harrison, N. M. and de leeuw, S., 2001, Effect Of Diffusion On Lithium Intercalation In Tithanium Diokside, Physical review letters, volume 85, No. 7. Kroschwitz, J., 1990, Polymer Characterization and Analysis, John Wiley and Sons, Inc.,Canada. Lee, Changhoon., Choi, Hanshin., Lee, Changhee., Kim, Hyungjun. (2003). Photocatalytic Properties Of Nano-Structured Tio Plasma Sprayed Coating, Elsevier: Surface and Coatings Technology, 173 (2003) 192–200. Lestari, D. N., 2009, Study Pereparasi dan Karakterisasi N-Doped TiO2 dengan Motode sol-gel Menggunakan Prekursor Titanium Iso Propoksida (TTIP) dan Diethylamine, Skripsi, Universitas Indonesia, Jakarta. Li, D., Müller, MB., Gilje, S., Kaner, RB., Wallace, CG. (2008). Nat Nanotechnol. 3:101-105. Liang, K., and Shao, H., 2003, Study on the Cracking of SiO2-TiO2 Films Prepared by Sol-Gel Method, Department of Materials Science and
69
Engineering,Tsinghua University, Beijing. Masrukan, 2008, Analisis Kualitatif Dengan Menggunakan Teknik Difraksi Sinar-X Pada Penambahan Unsur Zr Terhadap Pembentukan Fasa Paduan U-Zr, Urania, Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir-BATAN Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang. Netro, Castro., A. H. et al., 2009, The electronic Properties of graphene, Rev. Modern Physics, Journal of The American Physical Society. Niu Herlin., Wang Q., Liang H., Chen Min., Mao C., Song J., Zhang., Gao Y., and Chen C, 2014, Visible-Ligh Active and Magmetically Recyclable Nanocomposites for the Degradation of Organic Dye, Materials, 7(5), 4034- 4044. Nugraha T. W., dan Susanti Diah., 2015, Analisis Pengaruh Susunan Komposit Laminat Graphene- TiO2 sebagai Lapisan Semikonduktor terhadap untuk Kerja Dye Sensitized Solar Cell (DSSC), Jurnal Teknik ITS, 4 (1), 66-71. Nuwaiir, 2009, Kajian Impedansi dan Kapasitansi Listrik pda Membran Telur Ayam Ras. Skripsi, Departemen Fisika F-MIPA IPB, Bogor. Oates, Krysten. 2010. Lithium-ion Batteries : Commercialization History and Current Market, Foresight Science and Technology. Ozkazanc, E., Zor, S., and Ozkazanc, H. (2012). Synthesis, Characterization, and AC Conductivity of Polyaniline/Selenium Composites. Journal of Macromolecular Science. Part B: Physics. 51:11, 2122-2132. Phang, S.W., Tadakoro, M., Watanabe, J. dan Kuramoto, N., 2008, Synthesis, Characterization and Microwave Absorption Property of Doped Polyaniline Nanocomposites Containing TiO2 Nanoparticles and Carbon Nanotubes, Syntetic Metals, No.158, 251-258. Prasetyo, Anton. (2012). Graphene. Bandung: Institut Teknologi Bandung. Pratapa, S., 2004, Prinsip-prinsip Difraksi Sinar-X Erlangga. Jakarta. Rahayu, A. M., dan Fredy, K., 2011, Modifikasi Elektroda Emas dengan Polirol/Emas Nanopartikel untuk Penentuan Kromium, Prosiding Tugas Akhir Semeter Genapp 2011/2012, Surabaya. Rahmawati, F., Wahyuningsih, S. Dan Handayani, N., 2008, Modifikasi Permukaan Lapis Tipis Semikonduktor TiO2 Bersubstrat Grafit dengan Elektrodeposisi Cu, Indo. J. Chem., Vol. 8 (3): 33-336. Rahmawati, Fitria., Nuryani, Wijayanti, Liviana., (2010), TiO2/Grafit dan Cu-TiO2/Grafit Sebagai Elektroda Bateai Ion-Litium, seminar nasional
70
basic science II, ISBN: 978-602-97522-0-5, Surakarta: Universits sebelas maret. Reiger, P,H., 1994, Electrochemistry, 2nd edition USA: Chapman and Hall, Inc. Rizky, Dharmawan., Satriaji, Sudigdo., Hamidah, Harahap. 2014. Karakterisasi Sensor Polimer Konduktif Polianilin Berpengisi Serbuk Ban Untuk Mendeteksi Konduktivitas Minyak. Medan: Teknik Kimia USU. Vol. 3, No. 2. Rohman, Fadli.2012.Aplikasi grafen untuk baterai Litium ion.Bandung: Institut Teknologi Bandung. Roylance, David. 2000. Introduction To Composite Materials. Department of Materials Science and Engineering Massachusetts Institute of Technology Cambridge, MA 02139. Santoso, I., Surahman, H., Krisnadi, Y,K., Tribidasari, I., dan Gunlazuardi, J., 2010, Optimasi Sistem Penetuan Chemical Oxygen (COD) Menggunakan Probe Berbasis Fotoelektrokatalisis TiO2 : Preparasi dan Karakterisasi Elektroda Lapis Tipis TiO2/SnO2- F, Universitas Indonesia, Jakarta. Sarker,A.K. and Hong,JD.2014. Flexible and transparent palastic electrodes composed of reduce graphene oxide/polyaniline films for supercapacitor applicaion. Vol.35, No.6,1799. Sastrohamidjojo H., 1992. Spektroskopi Inframerah., Liberty. Yogyakarta. Satoh, N., Nakashima, T., and Yamamoto K. (2013), Metastability Of Anatase: Size Dependent And Irreversible Anatase-Rutile Phase Transition In Atomic-Level Precise Titania. Scientific Reports, 3 : 1959. DOI: 10.1038/srep01959. Schmidt, H., and Mennig, M., 2000, Wet Coating Technologies for Glass, INM, Institu fur Neue Materialien, saarbrucken, Germany. Shao G, Lu Y, Wu F, Yang C, Zeng F, Wu Q. (2012). Graphene oxide: the mechanisms of oxidation and exfoliation. J. Mater. Sci. 47(10): 4400-4409. Stoller, M. D., Park, S. J., Zhu, Y. W., An, J. H., Ruoff, R. S. Graphene-Based Ultracapacitors. Nano Lett. 2008, 8, 3498– 3502. Tang, B and Hu, G. (2012). J Power Source. 220:95-98. Taufantri,. Yudha, Irdhawati., Ida, A.R., Asih, Astiti. 2016. Sintesis dan Karakterisasi Grafena dengan Metode Reduksi Grafit Oksida Menggunakan Pereduksi Zn. Jurnal Kimia VALENSI: Jurnal Penelitian dan Pengembangan Ilmu Kimia, 2(1), 17-23.
71
Wang, J., 2000, Analitycal Electrochemistry, 2nd Ed., Wiley-VCH: New York. Warren, 8.E., 1969. X-Ray Diffraction, Addittion-wesley pub: Messach$ssetfs. Whang, C.M., Yeo, C.S., and Kim, Y.H., 2001, ”Preparation and characterization of Sol-Gel derived SiO2-TiO2-PDMS Composite Films”, Bull. Korean Chem. Soc., 22, 12. Widiatmoko, Eko. (2009). Graphene : Sifat, Fabrikasi Dan Aplikasinya. Artikel Ilmiah. (http://102fm-itb.org/uploads/graphene.pdf). Wijaya, L., 2008, Modifikasi Elektroda Karbon dengan Nanopartikel Emas dan Aplikasinya sebagai Sensor Arsen (III), Universitas Indonesia, Jakarta. Williams G, Seger B, Kamat PV. TiO2-graphene nanocomposites. UV-assisted photocatalytic reduction of graphene oxide. ACS Nano. 2008;2:1487-1491. Yulianto, A., 2007, Fasa Oksida Besi untuk sintsis Serbuk Magnet Ferit, Jurnal sains Materi Indonesia. Vol.8 (3): 39-41. Zhamu A, Chen G, Liu C, Neff D, Fang Q, Yu Z, Xiong W, Wang Y, Wang X, and Jang B, (2012), Reviving Rechargeable Lithium Metal Batteries: Enabling Next-generation High-energy and High-power Cells, Electronic Supplementary Material (ESI) for Energy and Environmental Science This journal : The Royal Society of Chemistry 201. Zhao, Xin, et al., (2011). In-plane Vacancy-Enabled High-Power Si-Graphene Composite Electrode for Lithium-ion Batteries. Journal of Advanced Energy Materials. Zhou, Q., Zhang, M.C., Shuang, C. D., Li, Z. Q., Li, A. M, 2014, Preaparation of A Novel Magnetic Powder Resin for the Rapid Removal of Tetracycline in the Aquatic Environmen, China Chemistry Letters, 23, 745-748.
72
LAMPIRAN
Lampiran 1. Gambaran Umum Alur Penelitian
Preparasi Grafit
Preparasi TiO2
Sintesis Grafit oksida
Sintesis Graphene oksida GO + TiO2
Pembuatan Elektroda Spray-Coating
Preparasi PAni
XRD, SEM, FTIR Dip-Coating Uji Konduktivitas Listrik Uji Voltametri siklik
Hasil
72
73
Lampiran 2. Diagram Alir prosedur penelitian
a. Preparasi Grafit Grafit batangan -Dihaluskan -Diayak, 250 mesh
Serbuk Grafit siap disntesis
b. Sintesis Graphene Sintesis Grafit Oksida Grafit + NaNo3 + H2SO4 98% 2 gr 4 gr 98 ml - distirrer dalam ice bath, 1 jam - di tambahkan NaNo3 4 gr dan KMnO4 8 gr - stirrer Dilanjutkan, 3 jam -dipindahkan pada temperatur 350, 24 jam -ditambah 200 ml akuades dan distirrer 1 jam -ditambah 15 ml H2O2 - di cuci dengan HCl 10 ml dan aquades - disentrifuge, 3000 rpm 60 menit
Residu
Filtrat
- Pencucian diulang 5 kali - Di oven, 110 OC 12 jam - Di gerus Grafit Oksida -
74
Sintesis Graphene Oksida Grafit oksida + Aquades 40 mg 40 ml -
Disonikasi selama 120 menit di tambahkan HCl 37% di tambahkan Zn 1,6 gram Didiamkan selama 1 hari untuk proses reduksi - di cuci dengan HCl 10 ml dan aquades - Proses hidrotermal dengan Microwave, tahanan 70% 30 menit Graphene Oxide
c. Preparasi TiO2 Larutan I
Larutan II
Akuades 250 ml - Ditambahkan asam nitrat sampai PH 1,5 - Disimpan pada suhu dingin
TTIP 1,25 ml - Ditambahkan 25 mL etanol absolut
Larutan I + Larutan II - Diaduk dengan magnetic stirrer kecepatan tinggi, 30 menit - Diaduk perlahan pada suhu 4OC, 12 jam - Disimpan pada suhu dingin - Dipanaskan suhu 500O , 120 menit
Sol gel TiO2
69
75
d. Sintesis polianilin Larutan anilin 1 M
Larutan HCl 1 M
- Dipipet masing-masing 25 mL - Dimasukkan dalam Erlenmeyer - Disterrer 2 jam pada suhu ruang - Dipindahkan pada reaktor dengan suhu -5oC dan disterrer - Ditambahkan 25 mL larutan (NH4)2S2O8 1 M - Dibiarkan selama 1 jam - Disaring menggunakan kertas saring wathman
filtrat
residu - Diambil - Dicuci dengan etanol - Di keringkan dalam oven pada suhu 60oC - Diserbuk menggunakan mortal Serbuk polianilin
76
e. Pembuuatan Elektroda Grafen oksida + TiO2 (95%:5%; 75%25%; 50%:50%) - di magnetic stirrer, 1 jam. Larutan GT - di masukkan dalam tabung spray gun -di spray pada substrat kertas, tekanan 30 psi -dikeringkan Lapisan komposit GT - dicelupkan pada larutan PAni dengan metode dip-coating selama 30 detik -dikeringkan Komposit graphene/TiO2/PAni
77
Lampiran 3. Diagram Alir Pembuatan Larutan dan Perhitungan 1. Pembuatan larutan HCl 1 M dalam 100 mL Dik: Larutan stok HCl 12 M. M1V1= M2V2 V1
= 1 M x 100 mL 12 M = 8,33 mL
8,33 mL HCL di pipet - Di masukkan dalam labu takar 100 mL - Di encerkan dengan Aquabides hingga tanda tera Larutan HCl 1 M
2. Pembuatan larutan anilin 1 M dalam 100 mL Dik : % anilin = 99.5 Mr anilin = 93.3 g/mol Berat jenis = 1.02 kg M M M M1V1 10.87 V1 V1 V1
= % x berat jenis x 1000 Mr = 99.5 % x 1.02 kg x 1000 93.3 g/mol = 10.87 g/mol = M2V2 = 1 M x 100 mL = 100 10.87 = 9.2 mL
78
9.2 mL anilin di pipet - Di masukkan dalam labu takar 100 mL - Di encerkan dengan alkohol 70 % hingga tanda tera Larutan anilin 1 M
3. Pembuatan larutan ammonium peroxidisulfat 1 M dalam 100 mL Dik : Mr ammoniumperoxidisulfat = 228.19 g/mol 1 M = mol/ 0.1 L mol = 0.1 mol ammonium peroxidisulfat mol=g/Mr g = mol x Mr = 0.1 mol x 228.19 gmol = 22.82 gram 22.82 g (NH4)2S2O8 -
Dibersihkan dari serabutnya Dimasukkan dalam gelas kimia Ditambahkan aquabides 20 mL Diaduk hingga larut Dimasukkan ke dalam labu takar 100 mL Diencerkan hingga tanda tera
Larutan (NH4)2S2O8 1 M
79
Lampiran 4. Hasil karakterisasi XRD 1. Hasil plot grafik XRD Graphene
a.) Menentukan Ukuran Kristal
80
Dik: 2𝜃 = 23, 04 𝐾 = 0,89
𝜆 = 0,15406 nm Penyelesaian:
𝐷= 𝐷=
𝐾𝜆
(Scherrer)
𝐵 cos 𝜃
0,89∗0,15406 3,14 23,04 ) cos ( ) 180 2
1,16023 ∗(
= 6, 9138 𝑛𝑚 Tabel 1. Data difraksi sinar-X pada Graphene N 2-theta d-spacing Counts InT/100 ---------------------------------------------------------------------------------1 21.08 4.2111 687 17.4 2 23.04 3.8571 3536 89.8 3 25.66 3.4689 246 6.3 4 25.98 3.4269 214 5.4 5 7 8 9 10 11 12
26.84 34.04 35.80 36.32 37.88 39.64 43.54
3.3190 2.6317 2.5062 2.4715 2.3732 2.2718 2.0769
905 385 178 379 1133 833 433
23.0 9.8 4.5 9.6 28.8 21.2 11.0
13 14 15
44.12 47.86 48.88
2.0510 1.8991 1.8618
2088 620 536
53.0 15.8 13.6
16 17
57.58 64.50
1.5995 1.4436
471 1283
12.0 32.6
18 19
68.88 73.38
1.3621 1.2892
488 199
12.4 5.0
20 21
74.16 74.44
1.2776 1.2735
178 178
4.5 4.5
81
b.) Menentukan Indeks Miller Kristal dengan persamaan Bragg
𝑛𝜆 = 2 𝑑 sin 𝜃 𝑑ℎ𝑘𝑙 = = = =
𝜆 2 sin 𝜃 1,54433 2 sin (11,455) 1,54433 2∗0,196
1,54433 0,3972
= 3,85 ℎ2 +𝑘 2 + 𝑙2 = =
𝑎 𝑑 ℎ 𝑘𝑙 4,89 3,85
= 1, 27 2. Hasil plot grafik XRD TiO2
(0 0 1)
82
Tabel 2. Data difraksi sinar-X pada TiO2 Peak No.
2 tetha (deg)
1
22.654
3.922
24
0.9714
187
8.252
2
25.089
3.546
100
0.9591
786
8.396
3
30.46
2.932
3
0.84
27
9.698
4
33.795
2.650
4
0.85
34
9.664
5
36.54
2.457
6
0.58
44
14.271
6
37.7
2.384
21
1.44
163
5.767
7
42.85
2.108
7
0.94
53
8.982
8
47.856
1.899
32
1.12
248
7.677
9
49.26
1.848
6
0.72
49
12.009
10
53.92
1.699
20
1.28
158
6.889
11
54.78
1.674
22
1.34
175
6.606
12
55.84
1.645
8
0.9334
63
9.530
13
62.502
1.485
17
1.235
130
7.444
14
68.78
1.364
5
1.24
42
7.681
15
70.14
1.341
6
0.8534
45
11.253
16
73.98
1.280
3
0.64
25
15.375
17
74.94
1.266
9
1.0666
71
9.285
18
75.7
1.255
5
1.2934
40
7.696
d (A)
I/I1 (deg)
FWHM (deg)
Intensity (count)
D (nm)
83
3.
Hasil plot grafik XRD graphene/TiO2
4. Hasil plot grafik XRD Kertas
84
85
86
Lampiran 5. Hasil Karakterisasi Komposit graphene/TiO2 dengan SEM A. Foto SEM Graphene
Shahriary, 2010 B. Foto SEM TiO2
a.) Perbesaran 500 kali
c.)Perbesaran 2000 kali
b.)Perbesaran 1000 kali
d.)Perbesaran 2500 kali
87
C. Foto SEM Komposit Graphene/TiO2
a.)Perbesaran 500 kali
b.)Perbesaran 1000 kali
c.)Perbesaran 2000 kali
d.)Perbesaran 2500 kali
88
Lampiran 6. Perhitungan Konduktivitas Listrik -
Analisis nilai konduktivitas listrik Tabel 3. Hasil pengukuran konduktivitas listrik Sampel
Nilai 0.56
0.6674
I(A)
0.00049 0.00133 0.00078 0.00089 0.00089
0.000876
t(cm)
0.0112
V(Volt) grafit
V rgo
I
0.866
0.36
0.681
(5% : 95%)
TiO2/graphene (25% : 75%) TiO2/graphene (50% : 50%)
TiO2/G/PAni (5% : 95%:1) TiO2/G/PAni (25% : 75%:1)
TiO2/G/PAni (50% : 50%:1)
0.67
0.395
0.38
0.00149 0.00148
0.0015
0.56
0.0012 0.849
0.33
0.4628
0.0006 0.00154
0.001322
0.0105
t TiO2/graphene
Rata-rata
V
0.446
I
0.00126
0.452
0.504
0.0005 0.423
0.592
0.4834
0.0013 0.00123 0.00133 0.00126
0.001276
0.0105
t
0.674
0.5726
I
0.00154 0.00162 0.00162 0.00157 0.00121
0.001384
t
0.0105
V
0.352
0.0005
I
0.0005 0.00065 0.00054 0.00076 0.00034
0.000558
t
0.0105
0.0005 0.2038
I
0.00058 0.00057 0.00058 0.00057 0.00058
0.000576
t
0.011
V I
0.0545
0.0614
0.154
0.714
0.319
V
0.218
0.53
0.272
0.5858
0.114
0.686
0.171
0.556
V
0.443
0.2
0.0005
0.0579
0.214
0.001 0.0633
0.0466
0.06858
0.00117 0.00117 0.00111 0.00117
0.0019
0.001162
0.012
t
0.241
0.2602
I
0.00048 0.00044 0.00045 0.00043 0.00049
0.000458
t
0.012
V
0.256
0.223
0.299
0.002 0.282
0.002
89
Dik: 𝑉 = 0,6674 𝑉𝑜𝑙𝑡 𝐼 = 0,000876 𝐴𝑚𝑝𝑒𝑟𝑒 𝑡 = 𝑡 𝑠𝑎𝑚𝑝𝑒𝑙 − 𝑡 𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡 = 0,112 − 0,1 𝑚𝑚 = 0,012 𝑚𝑚 = 0,0012 𝑐𝑚 Penyelesaian: 𝑅= 𝜌= = =
𝑉 𝐼
=
0,6674 𝑉𝑜𝑙𝑡 0,000876 𝐴𝑚𝑝𝑒𝑟𝑒
= 761,8721 Ω
𝜋t V ( ) ln 2 I
3,14 0,0012 0,6931 0,00628 0,6931
761,8721
761,8721
= 0,003768 ∗ 761,8721 = 4,1418 Ω . 𝑐𝑚 1
𝜍 = 1,7256 = 0,2413
1 Ω .𝑐𝑚
Tabel 4. Nilai Konduktivitas Listrik Komposit Graphene/TiO2/PAni Sampel 𝝆 (𝛀 . 𝒄𝒎) 𝝈 (𝑺/𝒄𝒎) Grafit
4,1416
0,2414
rgo
0,7929
1,2611
TiO2/graphene (5% : 95%)
0,8581
1,1654
TiO2/graphene (25% : 75%)
0,9371
1,0671
TiO2/graphene (50% : 50%)
2,3778
0,4205
TiO2/G/PAni (5% : 95%:1)
1,6028
0,6239
TiO2/G/PAni (25% : 75%:1)
0,5347
1,8701
TiO2/G/PAni (50% : 50%:1)
5,1473
0,1943
90
Lampiran 7. Uji Voltametri Siklik Voltamogram komposit Graphene/TiO2/PAni variasi 75%:25%:1
Gambar 1. Voltamogram dengan scan rate 0,1 V/s
Gambar 2. Voltamogram dengan scan rate 0,2 V/s
91
Gambar 3. Voltamogram dengan scan rate 0,5 V/s
Gambar 4. Voltamogram dengan scan rate 1 V/s
92
Lampran 8. Dokumentasi Penelitian A. Preparasi Grafit
B. Sintesis Graphene
93
A. Sintesis TiO2
94 88
A. Pembuatan dan Pengujian Elektroda
95
Foto bersama pembimbing dan group penelitian
