Proseding Seminar Nasional Fisika dan Aplikasinya Sabtu, 19 November 2016 Bale Sawala Kampus Universitas Padjadjaran, Jatinangor
PENGARUH PROSES REDUKSI TERMAL TERHADAP STRUKTUR OKSIDA GRAFENA MUHAMAD BAYU PERKASA*, YATI MARYATI, RHESTI NURLINA, NORMAN SYAKIR, FITRILAWATI Prodi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Padjadjaran Jl. Raya Bandung-Sumedang Km 21, Jatinangor 45363 Abstrak. Grafena adalah material karbon dua dimensi yang mempunyai sifat optik dan listrik yang menarik sehingga memiliki banyak potensi aplikasi. Grafena (graphenelike) dapat diperoleh dari Oksida Grafena (GO) melalui proses reduksi untuk menghilangkan kandungan oksigennya. GO dibuat dari grafit menggunakan metode Hummer melalui proses oksidasi menggunakan H2SO4, NaNO3, KMnO4, H2O2 dan H2O. Lembaran dua dimensi GO didapat melalui ekspoliasi bahan grafit oksida dengan menggunakan proses sonikasi. Lembaran GO tersebut selanjutnya didispersi didalam air. Lembaran GO dibuat dengan metode drop casting dari 4 mg/ml dispersi GO dalam air. Untuk menghasilkan lembaran grafena yang juga dikenal sebagai reduced graphene oxide (r-GO), lembaran GO tersebut dikenakan proses reduksi secara termal melalui pemanasan pada suhu 250 oC di dalam oven. Pada proses tersebut dilakukan variasi waktu pemanasan. Perubahan kandungan oksigen dari lembaran grafena tersebut diamati melalui pengukuran SEM, EDS dan FTIR. Hasil pengukuran SEM dan EDS terlihat adanya pengurangan kadar oksigen pada sampel GO setelah dilakukan proses reduksi termal. Dari hasil spektrum FTIR mengkonfirmasi proses reduksi pada suhu 250oC telah berhasil menghilangkan ikatan OH dan ikatan C-O pada gugus karboksilat (decarboxylation). Kata kunci : oksida grafena, reduksi termal, graphene-like Abstract. Graphene is a two dimensional carbon material that has interesting optical and electrical properties so it has many potential applications. Graphene (graphenelike) can be obtained from Graphene oxide (GO) through a reduction process to eliminate the oxygen content. GO is made from graphite using a Hummer method through the oxidation process using H2SO4, NaNO3, KMnO4, H2O2 dan H2O. GO two dimensional sheets obtained by exfoliation of graphite oxide material using sonication process. Then GO sheets were dispersed in water. GO sheets made by drop casting method of 4 mg/ml GO dispersion in water. To produce graphene sheet also known as the reduced graphene oxide (r-GO), GO sheets are subject to the reduction process thermally by heating at a temperature of 250 °C in an oven. In the process performed variations of heating time. Changes in oxygen content of the Graphene sheet was observed by measuring SEM, EDS and FTIR. SEM and EDS measurement results seen a reduction in oxygen levels in samples GO after thermal reduction process. From the results of FTIR spectra confirm the reduction process at a temperature of 250°C has succeeded in eliminating the OH bond and C-O bond in the carboxylic group (decarboxylation). Keywords : graphene oxide, thermal reduction, graphene-like *
email :
[email protected]
Kode Artikel: FM-01 ISSN: 2477-0477
Muhamad Bayu Perkasa dkk
1. Pendahuluan Karbon adalah salah satu elemen yang paling menarik dalam tabel periodik. Ia membentuk banyak alotrop, beberapa yang dikenal dari zaman kuno (intan dan grafit) dan beberapa yang ditemukan yaitu fullerenes C60 (1980), carbon nanotube (1990), dan graphene (2004)1,2. Sebagai salah satu membran lapisan atom, grafena memiliki transparansi tinggi (97,3%) dalam rentang panjang gelombang yang lebar dari sinar tampak sampai mendekati inframerah (IR)3. Grafena memiliki mobilitas pembawa yang tinggi yaitu ~200.000cm2/Vs. Grafena juga merupakan material paling kuat yang pernah diukur dan menunjukkan bahwa bahan nano atom sempurna dapat diuji mekanis untuk deformasi4. Modulus Young grafena sangat tinggi ~ 1 TPA5. Struktur dari grafena juga membuatnya memiliki konduktivitas termal hingga 5.300 Wm-1K-1 6. Kombinasi dari transparansi yang tinggi, tidak adanya celah energy gap dan sifat mekanik yang baik membuat grafena menjadi calon yang sangat menjanjikan untuk elektronik fleksibel, Optoelektronik dan Fotoelektronik7. Grafena dapat diaplikasikan sebagai elektroda, sensor, superkapasitor, divais fotoelektrik, dan field effet transistors (FETs). Oksida grafit dibuat menggunakan metode Hummer melalui proses oksidasi yang melibatkan asam kuat dan bahan oksidan8, diikuti oleh pengelupasan dengan proses sonikasi untuk mendapatkan GO. Struktur GO bersifat hidrofilik, dan pada bagian basal dan tepi-tepinya mengandung gugus-gugus fungsional oksigen yaitu gugus karboksil, alkoksil dan epoksil. Oleh karena itu, GO mengandung atom karbon hibrid sp2 - dan sp3-, dan bersifat isolator. Kandungan oksigen pada GO juga mengurangi sifat-sifat unggul yang lain dari grafena. Proses reduksi GO menjadi Reduced Graphene Oxide (r-GO) dapat menghilangkan kandungan oksigen pada GO dan memperkuat ikatan-π atau ikatan kovalen dan berstruktur HCP (Hexagonal Closed Pack). Metode reduksi yang digunakan pada penelitian ini adalah dengan reduksi termal9. Grafena saat ini menarik perhatian banyak peneliti karena merupakan kandidat yang menjanjikan untuk fabrikasi perangkat elektronik10. Konduktivitas bahan berbanding terbalik dengan transparansinya11, sehingga untuk mendapatkan konduktivitas yang baik dicoba untuk membuat GO menjadi lembaran film tebal tanpa substrat (free-standing graphene oxide paper) dan tidak transparan yang selanjutnya dilihat struktur dari lembaran oksida grafena tersebut. Oleh karena itu, perlu dipastikan bahwa oksida grafena tidak kembali menjadi grafit dan proses reduksi termal berhasil mereduksi kandungan oksigen pada GO. 2. Metode Penelitian Pembuatan larutan GO. Oksida grafit berupa serbuk ditimbang dalam neraca digital yang selanjutnya didispersikan kedalam aquades sehingga menjadi larutan GO dengan konsentrasi 4mg/ml. Larutan oksida grafena ini yang selanjutnya akan dideposisi untuk menjadi lapisan tipis pada substrat kaca. 170
Pengaruh Proses Reduksi Termal Terhadap Struktur Oksida Grafena
Persiapan substrat. Substrat kaca dicuci menggunakan tipol. Substrat yang sudah dibersihkan disimpan ke dalam standing jar yang terisi aseton hingga menutupi semua bagian substrat. Standing jar kemudian ditempatkan ke dalam ultrasonic cleaner untuk diultrasonikasi. Proses ini dilakukan dengan frekuensi 20 kHz selama 20 menit lalu diultrasonikasi ulang di dalam aquades. Kemudian substrat dikeringkan dengan mencelupkannya ke dalam larutan aseton yang sudah didihkan dengan suhu 200°C selama 5 menit. Pembuatan lembaran GO. Metode yang biasa digunakan adalah metode spincoating, namun pada penelitian ini digunakan metode yang lain yaitu metode drop-casting. Metode drop-casting digunakan untuk mendapatkan film tipis GO yang lebih tebal dibandingkan dengan hasil spin-coating. Larutan GO diteteskan di atas substrat kaca secara merata. Kemudian substrat tersebut dikeringkan di dalam oven vakum pada suhu ruang hingga larutan GO menjadi film diatas substrat. Konversi GO menjadi r-GO. Reduksi unsur oksigen pada GO dilakukan dengan cara termal. Pemanasan dikerjakan menggunakan tube-furnace pada suhu 250 oC yang kemudian dialirkan gas argon untuk menghindari kembalinya terjadi ikatan oksigen yang sudah direduksi. Penelitian ini menggunakan variasi waktu pada suhu yang tetap yaitu dipanaskan selama 30 menit (RGO-1), dan 1 jam (RGO-2). Karakterisasi. Pengaruh proses reduksi termal terhadap struktur lembaran oksida grafena diukur dengan SEM-EDS dan FTIR. 3. Hasil dan Pembahasan Hasil pengukuran EDS menunjukkan pengaruh proses reduksi termal pada oksida grafena.
Gambar 1. Hasil karakterisasi EDS pada GO
ambar 2. Hasil karakterisasi EDS pada RGO-1
171
Muhamad Bayu Perkasa dkk
Gambar 3. Hasil karakterisasi EDS pada RGO-2 Tabel 1. Komposisi unsur pada lembaran GO dan r-GO dalam atom (%) dan perbandingan atom C dan O nya Karbon (C) Oksigen (O) C/O GO RGO-1 RGO-2
62,34 76,60 78,06
36,70 22,31 20,95
1,70 3,43 3,73
Kefektifan metode reduksi termal dapat dilihat dari perbandingan atom karbon dan oksigen. Pada lembaran GO yang belum direduksi memiliki nilai C/O 1,70 sedangkan pada lembaran RGO-1 memiliki nilai C/O 3,43 dan pada lembaran RGO-2 memiliki nilai C/O 3,73. Hasil tersebut menunjukkan bahwa terjadi pengurangan unsur oksigen pada lembaran GO setelah direduksi termal. Unsur oksigen yang terlepas akibat pemanasan tidak berikatan kembali karena dibantu dengan adanya aliran gas argon saat proses pemanasan. Selanjutnya hasil pengukuran FTIR ditunjukkan oleh gambar 4.
Gambar 4. Spektrum FTIR lembaran GO, RGO-1, dan RGO-2.
172
Pengaruh Proses Reduksi Termal Terhadap Struktur Oksida Grafena
Gugus-gugus fungsional oksigen pada lembaran GO terlihat muncul sebagaimana karakteristik dari GO. Ikatan O – H terlihat pada bilangan gelombang 3.344 cm-1 yang menandakan adanya molekul air dan gugus fungsi hidroksil pada sampel. Pada lembaran GO juga terlihat ikatan C = O (karbonil/karboksil) pada bilangan gelombang 1725 cm-1; ikatan C = C (aromatik) pada bilangan gelombang 1625 cm-1; ikatan C – O (karboksil) pada bilangan gelombang 1388 cm-1; dan ikatan C – O (alkoksil) pada bilangan gelombang 1067 cm-1. Pada perbandingan puncakpuncak absorbsi spektrum FTIR tersebut, terlihat ikatan C – O (karboksil) dan gugus ikatan O – H (hidroksil) pada lembaran RGO-1 dan RGO-2 hilang. 4. Kesimpulan Sintesis lembaran GO tanpa substrat (free-standing) berhasil dibuat menggunakan metode drop-casting yang kemudian direduksi secara termal menggunakan tube furnace yang dialiri gas argon pada suhu 250oC dengan waktu pemanasan selama 30 menit dan 60 menit. Hasil pengukuran EDS membuktikan bahwa proses reduksi termal mempengaruhi perubahan struktur dan komposisi unsur oksigen yang terdapat pada lembaran GO, ditandai dengan berkurangnya unsur oksigen yang ditunjukkan oleh bertambahnya nilai perbandingan karbon dan oksigen (C/O) yang berbanding lurus dengan lamanya waktu pemanasan yang semula ratio C/O GO = 1,70; setelah reduksi termal ratio C/O meningkat menjadi RGO-1 = 3,43 dan ratio C/O RGO-2 = 3,73. Hasil pengukuran FTIR membuktikan bahwa GO yang dibuat menjadi film tebal adalah benar GO atau tidak kembali menjadi grafit. Hal tersebut ditunjukkan dengan munculnya gugus-gugus fungsional oksigen pada lembaran GO yaitu ikatan O = H, C = O, C = C, dan C – O. Spektrum FTIR juga menunjukkan perubahan struktur pada lembaran GO yang ditandai dengan menghilangnya ikatan C – O (karboksil) dan ikatan O – H (hidroksil) pada lembaran GO tereduksi (r-GO). Ucapan terima kasih Terima kasih kami sampaikan kepada Program Studi Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Padjadjaran yang telah memfasilitasi penelitian ini. Daftar Pustaka 1. 2. 3. 4.
5.
Katsnelson MI. Graphene: carbon in two dimensions. Mater Today. 2007;10(1-2):20-27. doi:10.1016/S1369-7021(06)71788-6. Castro Neto AH. The carbon new age. Mater Today. 2010;13(3):12-17. doi:10.1016/S1369-7021(10)70029-8. Zhang LL, Zhou R, Zhao XS. Carbon-based materials as supercapacitor electrodes. J Mater Chem. 2009;38(29):2520-2531. doi:10.1039/c000417k. Lee C, Wei X, Kysar JW, Hone J, =. Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene. Science (80- ). 2008;321(18 July 2008):385-388. doi:10.1126/science.1157996. Geim AK, Novoselov KS. The rise of graphene. Nat Mater. 2007;6(3):183173
Muhamad Bayu Perkasa dkk
191. doi:10.1038/nmat1849. 6. Balandin AA, Ghosh S, Bao W, et al. Superior thermal conductivity of singlelayer graphene. Nano Lett. 2008;8(3):902-907. doi:10.1021/nl0731872. 7. Bonaccorso F, Sun Z, Hasan T, Ferrari AC. Graphene Photonics and Optoelectronics. Nat Photonics. 2010;4(9):611-622. doi:10.1038/nphoton.2010.186. 8. Hummers WS, Offeman RE. Preparation of Graphitic Oxide. J Am Chem Soc. 1958;80(6):1339. doi:10.1021/ja01539a017. 9. Feng H, Cheng R, Zhao X, Duan X, Li J. A low-temperature method to produce highly reduced graphene oxide. Nat Commun. 2013;4:1539. doi:10.1038/ncomms2555. 10. Novoselov KS, Geim AK, Morozov SV, et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science (80- ). 2004;306:666-669. doi:10.1126/science.1102896. 11. Eigler S. A new parameter based on graphene for characterizing transparent, conductive materials. Carbon N Y. 2009;47(12):2936-2939. doi:10.1016/j.carbon.2009.06.047.
174
