451/Teknik Elektro
LAPORAN KEMAJUAN PENELITIAN (70%) INOVASI PERGURUAN TINGGI
PREPARASI MANGAN TRIOKSIDA (Mn2O3) NANOPORI DARI MANGAN KARANGNUNGGAL UNTUK BAHAN ELEKTRODA PENYIMPAN ENERGI BATERAI Prof. H. Aripin, Ph.D (Eng)/0016086704 Edvin Priatna, S.T., M.T/0414016902
UNIVERSITAS SILIWANGI JULI 2017
1
2
DAFTAR ISI
Hal: HALAMAN PENGESAHAN
2
DAFTAR ISI
2
RINGKASAN
3
BAB 1. PENDAHULUAN
4
1.1
Latar Belakang
4
1.2
Tujuan Khusus
5
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA
6
2.1
State of the art
6
2.2
Penerapan Hasil Penelitian
7
2.3
Uraian Kebaharuan Penelitian
7
BAB 3. METODE PENELITIAN
9
3.1
Preparasi Bijih Mangan Karangnunggal
9
3.2
Preparasi Serbuk Mangan
9
3.3
Preparasi Mangan Trioksida Mn2O3
9
3.4
Karakterisasi
9
BAB 4. HASIL YANG DICAPAI
10
4.1
Hasil FTIR
10
BAB 5. RENCANA TAHAPAN BERIKUTNYA
11
BAB 6. KESIMPULAN
12
DAFTAR PUSTAKA
13
3
RINGKASAN Kec. Karangnunggal, Kab. Tasikmalaya mempunyai pertambangan bijih mangan rakyat dengan produksi sekitar 350.000 ton/tahun. Saat ini pertambangan bijih mangan dilakukan secara konvensional dan hasil tambang dijual secara perorangan ke pengusaha dengan harga Rp. 1.500/kg. Rendahnya harga jual ini karena bijih mangan Karangnunggal dijual masih dalam bentuk bongkahan mentah bijih mangan dan belum mengalami pengolahan lebih lanjut setelah penambangan. Untuk meningkatkan nilai tambah bijih mangan Karangnunggal, maka mutu mangan Karangnunggal perlu ditingkatkan. Itu diketahui bahwa bijih mangan Karangnunggal mengandung sekitar 46,8% mangan oksida MnO2 untuk bijih mangan grade menengah dan 74,23% MnO2 untuk bijih mangan grade tinggi. Karena mengandung MnO2 tinggi, maka bijih mangan Karangnunggal memungkinkan dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku yang tepat untuk bahan elektroda penyimpan energi baterai. Pada penelitian ini, telah dilakukan preparasi sampel komposit bijih mangan dan TiO2. Hasil FTIR menunjukkan bahwa konsentrasi MnO2 berkurang ketika jumlah beban TiO2 bertambah dan juga serapan pada 3438 cm−1 semakin melebar ketika beban TiO2 berkurang. Komposit dengan TiO2 lebih besar mempunyai afinitas lebih kuat untuk molekul air dari beban TiO2 lebih kecil.
4
BAB 1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Kec. Karangnunggal, Kab. Tasikmalaya mempunyai pertambangan bijih mangan rakyat dengan produksi sekitar 350.000 ton/tahun (BPS Kab. Tasikmalaya, 2015). Eksplorasi potensi mangan tersebut masih dilakukan secara tradisional dan skala kecil. Sebagian besar produksi hasil tambang ini dijual ke pabrik logam secara perorangan dalam bentuk bongkahan mentah bijih mangan dengan harga Rp. 1.500/kg. Saat ini bijih mangan yang cukup melimpah belum secara maksimal dimanfaatkan untuk industri bahkan eksploitasinya terhenti karena harga bijih mangan sangat murah di tingkat penambang. Untuk meningkatkan nilai tambah bijih mangan Karangnunggal, maka mutu mangan Karangnunggal perlu ditingkatkan. Itu diketahui bahwa bijih mangan Karangnunggal mengandung sekitar 46,8% mangan oksida (MnO2) untuk bijih mangan grade menengah dan 74,23% MnO2 untuk bijih mangan grade tinggi (Aripin, 2016). Ketersediaan bijih mangan Karangnunggal dengan kandungan MnO2 tinggi memungkinkan dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku yang tepat untuk bahan elektroda penyimpan energi baterai. Disamping harga bijih mangan sangat murah, pemanfaatannya juga ramah lingkungan sebagai bahan elektroda untuk penyimpan energi baterai. Namun ada dua permasalahan untuk memperoleh MnO2 dari bijih mangan Karangnunggal sebagai bahan elektroda nanopori penyimpan energi elektrokimia baterai. Pertama, karena bukan hanya MnO2 saja yang terkandung di dalam bijih mangan tetapi ada komponen kimia lain seperti silikon oksida (SiO2), kalsium oksida (CaO), besi (III) oksida (Fe2O3), aluminium oksida (Al2O3), magnesium oksida (MgO), dan lain-lain, maka komponen lain tersebut perlu dihilangkan dari bijih mangan Karangnunggal. Kedua, MnO2 kemurnian tinggi yang diperoleh dari bijih mangan Karangnunggal tidak mempunyai struktur pembentukan reaktivitas elektrokimia sehingga itu perlu mereduksi MnO2 menjadi mangan trioksida (Mn2O3). Menurut literatur (Chabre dan Pannetier, 1995), struktur Mn2O3 mempunyai struktur pembentukan reaktivitas elektrokimia yang penting untuk penyimpanan energi baterai. Berdasarkan permasalahan di atas, maka melalui riset ini akan dilakukan penelitian tentang ”Preparasi Mangan Trioksida (Mn2O3) Nanopori dari Mangan Karangnunggal untuk Bahan Elektroda Penyimpan Energi Baterai”.
5
1.2 Tujuan Khusus Berdasarkan permasalahan di atas, maka tujuan khusus penelitian ini adalah: a. Menentukan kondisi pencucian optimum bijih mangan Karangnunggal menggunakan SO2 (temperatur, waktu, ukuran partikel, konsentrasi) guna menghasilkan MnO2 kemurnian tertinggi. b. Menentukan temperatur, daya dan waktu pemanasan optimum yang memberikan karakteristik Mn2O3 maksimum (luas permukaan spesifik, diameter pori, distribusi ukuran pori dan porositas).
6
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 State of the art a. Karakteristik Bijih Mangan Mangan adalah elemen paling melimpah urutan kesepuluh di kerak bumi. Warna bijih mangan adalah hitam kecoklatan. Bijih mangan ditemukan dalam bentuk oksida sebagai pyrolusite, ramsdellite (MnO2), hausmanite (Mn3O4) dan manganite MnO(OH).
Pyrolusite
adalah bijih mangan yang mengandung sekitar 63,2% Mn (Zhang dan Cheng, 2007). Jenis tipe mangan Karangnunggal yaitu tipe mangan non-oksida dan mangan oksida. Tipe mangan nonoksida tergolong bijih mangan grade tinggi (>40%) dan tipe mangan oksida tergolong bijih mangan grade rendah (<40%).
Tabel 1 menunjukkan komposisi kimia bijih mangan
Karangnunggal. Bijih mangan mempunyai densitas dalam kisaran 3,56 g/cm 3 – 4,26 g/cm2, sedangkan porositasnya antara 22,68 – 29,40% (Faria dkk, 2013). Luas permukaan BET dan diameter pori rata-rata berturut-turut adalah 32 m2/g dan 15,8 nm (Zhao dkk, 2015). Massa jenis mangan pada temperatur kamar adalah sekitara 7,21 g/cm 3, sedangkan massa jenis cair pada titik lebur sekitar 5,95 g/cm3. Titik lebur mangan adalah sekitar 1519oC, sedangkan titik didihnya adalah 2061oC.
Tabel 1. Komposisi kimia bijih mangan (Roberto de Oliveira dkk, 2011; Rout dkk, 2009) No
Komponen
Porsentase (%) Grade tinggi
Grade rendah
1
MnO2
67,3%
25,05%
2
Fe2O3
7,8%
5,03%
2
SiO2
9,1%
58,37%
3
Al2O3
12,8%
8,8%
2.2 Penerapan Hasil Penelitian Karakteristik bijih mangan dalam bentuk mangan trioksida Mn 2O3 dengan struktur nanopori mempunyai keuntungan teknologi menjadi media penyimpanan energi baterai untuk peralatan elektronik modern seperti digital kamera, ponsel, MP3 player dan mainan teknologi 7
tinggi. Kenyataan ini dibuktikan dalam penelitian sebelumnya bahwa mangan sebagai bahan anoda baterai lithium menunjukkan kapasitas reversibel 757 mAh/g (Jiang et. al., 2015). Ketika morfologinya berubah dari microsphere menjadi pori spongelike, kapasitasnya bertambah menjadi 869 mAh/g (Gao et. al., 2011). Melihat dari kenyataan ini dan membandingkan ukuran porositas dari elektroda penyimpan energi elektrokimia, itu diprediksi bahwa elektroda mangan trioksida Mn2O3 dengan struktur nanopori yang diusulkan dalam penelitian ini akan memberikan kapasitas penyimpanan energi dan daya lebih tinggi. Penggunaan mangan trioksida Mn2O3 nanopori sebagai bahan elektroda penyimpan energi elektrokimia baterai juga mempunyai keuntungan ekonomis dalam hal pengisian dan pengosongan energi baterai lebih cepat, tidak adanya bagian yang sekali pakai dan komponen berbahaya secara lingkungan, efisiensi tinggi hingga 90% dan beban termal rendah. Dengan keuntungan-keuntungan ekonomis tersebut, komersialisasi sistem baterai di pasar konsumen berkembang dengan cepat dan itu berakibat pada peningkatan permintaan mangan produksi dalam negeri.
2.3 Uraian Kebaharuan Penelitian Bahan baku mangan oksida untuk elektroda baterai disiapkan dari bijih mangan Karangnunggal mempunyai keunggulan dibandingkan dengan karbon aktif. Keunggulan tersebut adalah ukuran pori sampai 10 nm dengan luas permukaan spesifik besar sampai 216 m2/g dan mempunyai struktur Mn2O3 (Chabre dan Pannetier,, 1995) untuk pembentukan reaktivitas elektrokimia baterai. Dengan keunggulan ini memungkinkan banyak ion-ion elektrolit memasuki pori-pori elektroda dan difusi ion dilakukan dengan cepat sehingga meningkatkan penyimpanan energi. Banyak alternatif jenis elektrolit yang bisa digunakan untuk elektroda mangan Karangnunggal dengan ukuran pori ini untuk menghasilkan baterai berdaya dan berenergi tinggi, sehingga dari segi ekonomi bisa memilih elektrolit yang harganya murah untuk menekan biaya dalam pengembangan baterai lebih lanjut.
8
Bijih Mangan Karangnunggal (MK)
Pencucian MK dan pengeringan dalam oven
Karakterisasi dengan XRF, BET Surface, porositas, XRD, SEM, FTIR
Penggilingan dan pengayakan serbuk MK
Pencucian dengan SO2
Oksidasi termal, variasi daya, temperatur dan waktu
Serbuk Mn2O3 nanopori
Gambar 1. Diagram skematik preparasi Mn2O3 dari mangan Karangnunggal
9
BAB 3. METODE PENELITIAN Pelaksanaan penelitian ini akan mengikuti diagram alir seperti ditunjukkan pada gambar 1. Di bawah, secara terperinci tahapan-tahapan dijelaskan. 3.1 Preparasi Bijih Mangan Karangnunggal Bijih mangan diambil dari pertambangan rakyat di Karangnunggal, Tasikmalaya, Jawa Barat. Bijih mangan Karangnunggal (MK) dicuci dengan air dan kemudian dikeringkan dalam oven. 3.2 Preparasi Serbuk Mangan MK digiling menggunakan jar mill untuk melewati saringan 150 mesh. Serbuk mangan hasil penggilingan disimpan dalam dessicatior untuk digunakan sebagai bahan penelitian selanjutnya. 3.3
Preparasi Mangan Trioksida Mn2O3 Eksperimen pencucian reduksi mangan dari bijih mangan Karangnunggal dilakukan
dengan dua tahapan proses. Pertama, serbuk bijih mangan Karangnunggal dan sulfur dioksida SO2 dicampurkan di dalam gelas beaker untuk memperoleh larutan mangan sulfat. Selanjutnya, Mn(OH)2 diproduksi dengan menambahkan larutan alkali NaOH. Partikel-partikel Mn3O4 diproduksi oleh penyimpanan gel Mn(OH)2 pada suhu 25 °C selama 24 jam di udara. Akhirnya, Mn3O4 dilarutkan dengan asam asetat dan CH3COOH dan menghasilkan pembentukan oksihidroksida mangan α-MnO(OH) dan mangan asetat Mn(CH3COO)2 (Perez-Garibay dkk., 2016). Endapan padat dirubah menjadi mangan trioksida Mn 2O3 dengan oksidasi termal menggunakan pemanasan gelombang mikro dan listrik.
3.4 Karakterisasi Serbuk mangan yang dihasilkan dalam prosedur b, c, dan d dikarakterisasi komposisi kimia dengan X-ray Fluorecence (XRF), morfologi permukaan dengan SEM, gugus fungsional dengan FTIR, struktur pori (luas permukaan, volume pori total, diameter pori dan distribusi ukuran pori) menggunakan Surface Area Analyzer Nova-1000, dan fase kristal ditentukan dengan XRD.
10
BAB 4. HASIL YANG DICAPAI 4.1 Hasil FTIR Gambar 3.1 menunjukkan spektrum sampel komposit bijih mangan dan TiO 2 (Mn/TiO2) dengan variasi TiO2 dan di-sinter pada 1200oC. Pita lebar pada 3438 cm−1 untuk semua sampel dihubungkan dengan getaran peregangan molekul-molekul air permukaan yang terikat dengan hidrogen dan gugus-gugus hidroksil. Selain itu, pita pada 1645 dan 1386 cm−1 berhubungan dengan keberadaan gugus-gugus hidroksil sisa yang menyiratkan mode getar O-H dari jejak air yang teradsorpsi. Pita yang teridentifikasi pada 1020 cm–1 berhubungan dengan pyrolusite (MnO2). Pita yang berada pada 539 cm−1 dapat dianggap berasal dari getaran Mn-O dari bijih mangan. Analisis FTIR yang disajikan disini konsisten dengan hasil yang dilaporkan dalam literature (Yang dkk, 2004 dan Yang dkk, 2005). Pada Gambar 3.1, ada perubahan diamati pada spektrum FTIR pada 1020 cm–1 dan 3438 cm−1. Itu dapat dilihat bahwa konsentrasi MnO2 berkurang ketika jumlah beban TiO2 bertambah dan juga serapan pada 3438 cm−1 semakin melebar ketika beban TiO2 berkurang. Hasil menunjukkan bahwa komposit dengan TiO2 lebih besar mempunyai afinitas lebih kuat untuk molekul air dari beban TiO 2 lebih kecil. Semua sampel memberikan mode peregangan ikatan Ti-O-Ti dari TiO2 di bawah 800 cm−1.
Gambar 3.1 Spektrum FTIR untuk sampel komposit bijih mangan dan TiO2 (Mn/TiO2) dengan variasi TiO2 dan di-sinter pada 1200oC. 11
BAB 5. RENCANA TAHAPAN BERIKUTNYA
Rencana berikutnya adalah mengkarakterisasi sampel komposit bijih mangan dan TiO 2 yang dibakar pada 1200oC menggunakan: 1.
X-ray diffraction (XRD)
2.
Scanning Electron Microscope (SEM)
3.
Surface analyzer untuk mengukur porositas dan struktur pori.
12
BAB 6. KESIMPULAN Hasil dari penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Dalam sampel komposit bijih mangan dan TiO2 yang dibakar pada 1200oC selama 2 jam, itu menghasilkan pita-pita serapan pada 3438 cm−1 untuk getaran peregangan molekul-molekul air permukaan yang terikat dengan hidrogen dan gugus-gugus hidroksil, pada 1645 dan 1386 cm−1 untuk gugus-gugus hidroksil sisa, pada 1020 cm–1 untuk pyrolusite (MnO2) dan pada 539 cm−1 untuk getaran Mn-O dari bijih mangan.
13
DAFTAR PUSTAKA Aripin, I Made Joni, Edvin Priatna, Nundang Busaeri, I Nyoman Sudiana, Svilen Sabchevski. (2016). Reduction Behavior of Medium Grade Manganese ore from Karangnunggal during Sintering Process in Methane Gas, sedang di-review dalam jurnal Energy Procedia melalui 13th Eco-Energy and Materials Science and Engineering Symposium 2016,UdonThani, Thailand, on 1-4 December, 2016. BPS, Badan Pusat Statistik Kab. Tasikmalaya, 2015. Chabre, Y., dan J. Pannetier, (1995). Structural and electrochemical properties of the proton/MnO2 system. Prog. Solid State Chem., 23, pp. 125–130. Gao, J., M.A. Lowe, dan H.D. Abruna, (2011). Spongelike Nanosized Mn3O4 as a High-Capacity Anode Material for Rechargeable Lithium Batteries. Chemistry of Materials, 23 (13), pp. 3223 – 3227. Jiang, X., Y. Wang, L.D. Yang, dan Y. Ding, (2015). Dealloying to porous hybrid manganese oxides microspheres for high performance anodes in lithium ion batteries. Journal of Power Sources, 274, pp. 862 – 868. Perez-Garibay, P., A.P. Gonzalez-Garcia, J.C. Fuentes-Aceituno, J. C. Rendon-Angeles, dan S. Bello-Teodoro, (2016). Synthesis of Mn2O3 from Manganese Sulfated Leaching Solutions, Industrial and Engineering Chemistry Research, 55, pp 9468–9475. Yang, X.J., dkk., (2004). Structural Characterization of Self-Assembled MnO2 Nanosheets from Birnessite Manganese Oxide Single Crystals. Chem Mater, 16, p. 5581. Yang, R., Z. Wang, L Dai, L Chen, (2005). Synthesis and characterization of single-crystalline nanorods of α-MnO2 and γ-MnOOH, Mater Chem Phys., 93, p. 149.
14
