J. Sains Tek., Desember 2004, Vol. 10, No. 3
Pembentukan Senyawa Interkalasi CuCl2-Grafit dengan Metode Lelehan Garam Kamisah D. Pandiangan Jurusan Kimia FMIPA, Universitas Lampung Jl. S. Brojonegoro No. 1 Bandar Lampung 35145 Abstrak The CuCl2-graphite intercalation has been performed by the NaCl molten salt method at temperature 575 oC for 15 hours by the use of chlorine gas to initiate the reaction. The intercalated compound was prepared by intercalating CuCl2 and NaCl with various composition of graphite. The result showed that the highest metal content of the intercalated compound, CuCl2-graphite, was 0.0361 g/g. This was obtained with the ratio of CuCl2 and NaCl, 80 : 20% and the weight of graphite was 2 g. The most acidic of them was obtained in the ratio of CuCl2 and NaCl 40 : 60% with the surface area of 12.902.10−3 m2/g. The highest conductivity was 0,6349 (Ω.m)−1 and was obtained from the intercalation in the ratio of CuCl2 : NaCl was 60 : 40. Keywords: intercalation, CuCl2, graphite
Pendahuluan Grafit yang sudah dikenal sebagai adsorben dan konduktor dapat dioptimalkan peranannya dengan menginterkalasikan logam transisi pada grafit. Interkalasi merupakan suatu metode dalam memodifikasi struktur dan komposisi kristal buatan dengan menyisipkan atom atau ion ke dalam struktur kristal induk. Struktur grafit yang “ring planar” sangat memungkinkan terjadinya interkalasi dengan penyisipan atom atau ion ke dalam kristal induk. Sifat logam transisi yang umumnya sebagai penghantar listrik akan dapat digunakan sebagai peningkat konduktifitas listrik pada struktur grafit jika dilakukan penyisipan atom atau ion logam ke dalam struktur kristal grafit. Metode interkalasi grafit yang sudah diuji coba antara lain adalah metode elektrolisis1, , kesetimbangan inti2, pencampuran dan lelehan garam3 dan larutan logam alkali4.
2004 FMIPA Universitas Lampung
Pembuatan senyawa interkalasi dengan metode lelehan garam memiliki beberapa keuntungan antara lain, bahan logam transisi mudah diperoleh dalam bentuk lelehan garamnya, relatif murah dan dapat berlangsung pada suhu rendah (suhu kamar). Pembentukan senyawa interkalasi memerlukan suatu prekursor untuk menginisiasi reaksi, pada sintesis senyawa interkalasi CuCl2-grafit sebagai prekursor digunakan gas klor. Senyawa interkalasi yang diperoleh dikarakterisasi untuk menentukan kandungan logamnya, keasaman, luas permukaan, struktur kristal, dan konduktifitas listriknya. Metode Penelitian Bahan dasar untuk penelitian adalah CuCl2.2H2O, NaCl, grafit teknis, HCl 8 M, Ca(OCl)2, HNO3 65%, HClO4 20%, H2O2 30%, metilen biru klorida (MBK), akuades dan kertas saring. Metode penelitian dibagi menjadi dua tahapan yaitu penyiapan senyawa interkalasi dan proses karakterisasinya.
183
K.D. Pandiangan, Pembentukan
Grafit teknis disiapkan dengan ukuran 80 mesh dan 100 mesh, sebagai sampel digunakan grafit yang lolos ayakan 80 mesh dan tertahan ayakan 100 mesh. Serbuk CuCl2 diperoleh dengan penyaringan CuCl2.2H2O dalam oven pada suhu 120oC selama 2 jam. Selanjutnya serbuk CuCl2 digabung dengan NaCl untuk menyiapkan campuran CuCl2-NaCl dengan perbandingan % berat CuCl2 : NaCl yaitu 80% : 20%, 60% : 40%, 50%: 50%, 40% : 60% dan 20% : 80%. Masing-masing campuran CuCl2-NaCl diinterkalasi ke dalam grafit dengan perbandingan berat (gram) (CuCl2-NaCl : grafit) sebagai berikut: 4,0 : 2,0; 3,6 : 2,4; 2,4 : 3,6; 2,0 : 4,0. Proses interkalasi dilakukan dalam reaktor yang dipanaskan pada suhu 250OC selama 2 jam, selanjutnya dialiri dengan gas klorin dan dipanaskan dalam tanur pada suhu 575oC selama 15 jam, kemudian dilakukan pencucian senyawa dan selanjutnya sampel dikeringkan sampai menjadi bentuk serbuk kering5.
Kandungan logam Cu (gr/gr)
Karakterisasi yang dilakukan terhadap masing-masing sampel meliputi penentuan kandungan logam Cu yang terinterkalasi dengan alat AAS, penentuan keasaman dengan metode gravimetri, luas permukaan dengan metode 0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 0
adsorbsi zat warna MBK, penentuan jenis struktur dan konduktifitas. Hasil dan Pembahasan Sintesis senyawa interkalasi dengan perbedaan komposisi antara CuCl2, NaCl, dan grafit teknis bertujuan untuk mengetahui komposisi yang tepat dari senyawa interkalasi yang terbentuk pada suhu dan waktu yang sama. Proses interkalasi yang dilakukan di dalam reaktor dengan pemvakuman untuk menghilangkan air dan udara yang terkandung di dalamnya dan dialirkan gas klorin yang bertujuan untuk memulai terjadinya reaksi interkalasi. Gas klorin yang digunakan pada penelitian ini dibuat dengan cara mereaksikan kaporit dengan asam klorida pekat, sesuai dengan persamaan berikut : Ca(OCl)2 (s) + 2 HCl (aq) Ca(OH)2 (aq) + 2 Cl2 (g) senyawa interkalasi yang dihasilkan berbentuk serbuk, dan selanjutnya dibersihkan dari pengotornya dan untuk dikarakterisasi. Data hasil pengukuran AAS, kandungan logam Cu dalam senyawa interkalasi dapat dilihat pada Gambar 1.
Int I Int II Int III Int IV Int V 2,0
2,4
3,6
Senyawa Interkalasi
Keterangan : Int-I = 80% CuCl2 : 20% NaCl Int-II = 60% CuCl2 : 40% NaCl Int-III = 50% CuCl2 : 50% NaCl Int-IV = 40% CuCl2 : 60% NaCl Int-V = 20% CuCl2 : 80% NaCl
4,0
Grafit (gram )
Gambar 1. Kandungan logam Cu pada senyawa interkalasi CuCl2-grafit
Dari Gambar 1 terlihat suatu kecenderungan bahwa semakin besar komposisi
184
CuCl2 dan NaCl yang diinterkalasikan pada grafit, maka kandungan logam Cu
2004 FMIPA Universitas Lampung
J. Sains Tek., Desember 2004, Vol. 10, No. 3
semakin besar juga. Hasil tertinggi diperoleh pada senyawa Int-I dengan berat grafit 2 gram yaitu sebesar 0,0361 g/g. n C + CuCl2 (ads) + ½Cl2
Hal ini dapat dijelaskan berdasarkan reaksi yang terjadi pada proses interkalasi: CnCuCl3 (ads)
selanjutnya CuCl2 netral masuk ke kisi grafit dan membentuk kelompok interkalat menjadi lebih besar : CnCuCl3 (int) + (m-1) CuCl2 Cn(CuCl2)mCl Reaksi di atas menghasilkan kelompok interkalat CnCuCl3 (int) dan Cn(CuCl2)m Cl yang berlangsung secara berkelanjutan sampai keadaan setimbang. Dengan
CnCuCl3 (int)
demikian, semakin banyak jumlah CuCl2 yang bereaksi dengan CnCuCl2 (int) ke grafit, maka akan menambah kelompok interkalat Cn(CuCl2)mCl yang terbentuk pada lapisan grafit. Ini berarti semakin banyak kelompok interkalat, kandungan logam Cu semakin meningkat juga. Pengukuran data keasaman masingmasing senyawa interkalasi dapat dilihat pada Gambar 2.
Keasaman (mol/gr)
0.0600 0.0500 Int-I
0.0400
Int-II
0.0300
Int-III Int-IV
0.0200
Keterangan : Int-I = 80% CuCl2 : 20% NaCl Int-II = 60% CuCl2 : 40% NaCl Int-III = 50% CuCl2 : 50% NaCl Int-IV = 40% CuCl2 : 60% NaCl Int-V = 20% CuCl2 : 80% NaCl
Int-V
0.0100 0.0000 2.00
2.40
3.60
4.00
Grafit (gram)
Gambar 2. Keasaman senyawa interkalasi CuCl2-grafit
Keasaman masing-masing senyawa interkalasi CuCl2-grafit lebih tinggi jika dibandingkan dengan nilai keasaman grafit yaitu sebesar 0,0002 mol.g. Tingkat keasaman terbaik senyawa interkalasi adalah pada senyawa Int-IV dengan berat grafit 2 gram yaitu sebesar 0,0531 mol/gr (Gambar 2.) Hal ini menunjukkan bahwa logam Cu yang terinterkalasi pada grafit akan menambah tingkat keasaman dan menyebabkan situs aktif serta sisi asamnya dapat melakukan ikatan kimia yang lebih kuat dengan ammonia dibandingkan dengan grafit tanpa perlakuan. Dengan meningkatnya sifat asam dan kandungan logam Cu, senyawa interkalasi diharapkan dapat berfungsi 2004 FMIPA Universitas Lampung
sebagai katalis yang mampu mengadsorpsi zat perekasi (yang bersifat basa) dalam jumlah yang lebih banyak sehingga meningkatkan laju reaksi. Logam transisi yang terinterkalasi pada grafit meningkatkan luas permukaan sampel, hal ini dapat ditunjukkan pada hasil karakterisasi senyawa Int-IV yaitu sampel dengan tingkat keasaman tertinggi. Data luas permukaan yang diukur dengan metode adsorpsi larutan metilen biru klorida (MBK) pada panjang gelombang maksimum 664 nm dan waktu kontak optimum 25 menit untuk grafit 8,427.10−3 m2/g dan untuk senyawa IntIV 12,902.10−3 m2/g. 185
K.D. Pandiangan, Pembentukan
Stuktur senyawa interkalasi ditentukan dengan menggunakan alat XRD dengan sumber radiasi Cu dan Kα 1,5418 Å serta menggunakan filter Ni. Sampel yang dikarakterisasi adalah senyawa Int-IV dan
Gambar 3. Difraktogram grafit standar
Senyawa Interkalasi
grafit sebagai standar dan pembanding. Sebelum dikarakterisasi sampel dibuat dalam bentuk pellet dengan menggunakan alat pengepres. Difraktogramnya dapat dilihat pada Gambar 3 di bawah ini:
Gambar 4. Difraktogram senyawa Int IV
Pada Gambar 3 ditunjukkan difraktogram grafit menghasilkan satu puncak yang tajam pada 2θ (26,8947o) dengan intensitas 6986,68 dan jarak antar lapisan 3,3150 Å. Hal ini sesuai dengan studi literatur bahwa difraktogram grafit mempunyai puncak yang tajam pada 2θ (25 - 30o). Gambar 4 menunjukkan difraktogram senyawa interkalasi menghasilkan puncak-puncak yang tajam, hal ini berarti bahwa senyawa interkalasi mempunyai struktur kristal. Puncak tertinggi pada 2θ (32,2269o) dengan intensitas 1575,09 dan jarak antar lapisan 2,7777 Å, disusul dengan puncak kedua, yaitu grafit, yang memiliki intensitas relatif 50 % dari puncak tertinggi pada 2θ (26,9406o) dengan intensitas 788,55 dan jarak antar lapisan 3,3095 Å. Dengan
membandingkan kedua difraktogram dapat dilihat bahwa grafit dapat mengemban interkalat CuCl2 dengan baik. Hal ini ditunjukkan dengan dihasilkannya suatu puncak tajam pada 2θ (25 - 30o) yang diduga sebagai senyawa interkalat, sedangkan untuk puncak yang menunjukkan grafit mengalami penurunan intensitas dibandingkan dengan puncak pada grafit. Dengan kata lain, ada senyawa CuCl2 yang terinterkalasi pada grafit dan terdapat sejumlah grafit yang tidak bereaksi dengan interkalat. Penentuan konduktifitas dilakukan pada semua senyawa interkalasi dan grafit sebagai pembanding, data pengukuran disajikan pada Tabel 1.
Tabel 1. Konduktifitas senyawa interkalasi CuCl2-grafit No. 1. 2. 3. 4.
Berat grafit (gram) 2,0 2,4 3,6 4,0
Int-I 0,1270 0,3175 0,2886 0,4535
Int-II 0,4535 0,3175 0,6349 0,3735
Konduktifitas senyawa interkalasi CuCl2grafit cenderung lebih besar dari pada grafit, konduktifitas tertinggi adalah Int-II 186
Konduktifitas (Ω.m)−1 Int-III Int-IV 0,3175 0,2268 0,2886 0,4233 0,4233 0,4233 0,4535 0,3968
Int-V 0,0847 0,2646 0,4233 0,4233
Grafit 0,3175
sebesar 0,6349 (Ω.m)−1. Hal ini dapat dijelaskan bahwa adanya penyisipan logam Cu dalam struktur grafit mampu mening 2004 FMIPA Universitas Lampung
J. Sains Tek., Desember 2004, Vol. 10, No. 3
katkan kondutifitas grafit, karena logam Cu mempunyai daya hantar listrik yang cukup baik sehingga dapat menunjang konduktifitas grafit yang mengembannya. Pada penelitian ini dihasilkan senyawa interkalasi CuCl2-grafit yang dapat digunakan sebagai konduktor dengan daya hantar listrik yang relatif tinggi. Kesimpulan Sintesis senyawa interkalasi CuCl2-grafit yang dilakukan dengan metode lelehan garam NaCl pada suhu 575oC dengan penginisiasi gas korin menghasilkan senyawa interkalasi dengan struktur kristal dengan kandungan logam tertinggi sebesar 0,0361 g/g diperoleh pada perbandingan CuCl2 dan NaCl ( 80% : 20% ) dengan berat grafit 2 gram . Berdasarkan tingkat keasaman senyawa interkalasi CuCl2-grafit tertinggi sebesar 0,0531 mol/gram diperoleh pada CuCl2:NaCl ( 40% : 60% ) dengan luas permukaan sebesar 12,902.10−3 m2/gr, sedangkan konduktivitas tertinggi sebesar 0,6349 (Ω.m)−1 diperoleh pada interkalasi CuCl2:NaCl ( 60% : 40% ).
Daftar Pustaka 1. Zang, H.Y, Shen, W.C., Wang, Z.D. and Zhang, F.1997. Formation of Iron Chlorida-Graphite Intercalation Compound in Propylene Carbonate by Electrolysis. J. Carbon. Vol. 35 No. 2, pp. 285-290. 2. Eickhoff, H. P. and Metz., W. 1987. The Formation of CdCl2-graphite from Melts with KCl : The Equilibrium of Nucleation. J. Carbon. Vol. 34 No. 12, pp. 642-644. 3. Mizutani, Y., Abe, Z., Ikeda, K., Ihara, E., Asano, M., Harada, T., Inabe, M. and Ogumi, Z.1997. Graphite Intercalation Compounds Prepared in Solution of Alkali Metals in 2-methyltetrahydrofuran and 2,5dimethyltetrafuran. J. Carbon. Vol. 35 No. 1, pp. 61-65. 4. Tilquin, J, Fournier, Y., Guay, J. 1997. Intercalation of CoCl2 into Graphite : Mixing Method Vs Molten Method. J. Carbon. Vol. 35 No. 2, pp. 299-306.
Ucapan Terima Kasih Penulis mengucapkan terima kasih kepada Dirjen DIKTI, selaku penyandang dana proyek Penelitian Dosen Muda dan pihak lain yang turut mendukung suksesnya pelaksanaan penelitian ini.
2004 FMIPA Universitas Lampung
5. Rusman. 1999. Interkalasi Cu pada Karbon Aktif dan Pemanfaatannya sebagai Katalis Dehidrasi Normalamilalkohol. Tesis. UGM. Yogyakarta.
187
