Upload
vuonghanh
View
241
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
1
Abstrak— Kristal graphene adalah sebuah lapisan 2D yang
terdiri dari hibridisasi sp2 atom karbon membentuk struktur
heksagonal. Sifatnya yang menakjubkan membuat graphene dapat
digunakan dalam aplikasi material nano-elektronik. Penelitian ini
bertujuan untuk menganalisis waktu ultrasonikasi dan waktu tahan
hydrothermal untuk mensintesis graphene. Grafit dioksidasi
menjadi grafit oksida melalui metode Hummer. Grafit oksida yang
diperoleh dilarutkan dalam aquades dan diultrasonikasi selama 60
menit, 90 menit, dan 120 menit sehingga diperoleh graphene oksida
(GO). GO kemudian direduksi dengan menambahkan Zn dan proses
hydrothermal selama 12 jam, 18 jam, dan 24 jam pada temperatur
200 oC. Karakterisasi material dilakukan dengan pengujian XRD,
SEM, FTIR, dan TGA/DSC. Pengujian FPP digunakan untuk
mengetahui konduktivitas elektrik graphene.
Morfologi graphene yang dihasilkan berupa lembaran-lembaran
tipis dengan beberapa kerutan pada permukaannya. Nilai
konduktivitas elektrik terbaik dihasilkan dari waktu ultrasonikasi
120 menit dan waktu tahan proses hydrothermal selama 12 jam
yaitu 0.00021 S/cm.
Kata Kunci— Grafit, Grafit oksida, Graphene oksida, Graphene,
Metode hydrothermal, Metode Hummer.
I. PENDAHULUAN
erkembangan teknologi yang sangat cepat menuntut
kemajuan ilmu pengetahuan yang cepat pula. Tuntutan
masyarakat yang menginginkan perangkat teknologi yang
semakin efisien menyebabkan munculnya inovasi-inovasi
dalam berbagai cabang ilmu pengetahuan, salah satunya dalam
bidang ilmu material. Para ilmuwan material diharapkan dapat
menghasilkan material yang kecil (nano), ringan, dan portable
tetapi memiliki sifat elektronik dan mekanik yang baik untuk
menunjang kemajauan teknologi tersebut.
Karbon adalah elemen unik dan memiliki banyak kegunaan
yang dapat dibentuk dalam berbagai struktur dalam ukuran
nano. Terdapat berbagai bentuk struktur dari hibridisasi karbon
sp2, antara lain buckminsterfullerene, nested giant fullerenes,
carbon nanotube, nanohorns, kristal grafit 3D, haeckelite,
kristal schwarzite 3D, dan graphene.
Graphene adalah salah satu material yang sangat menarik
untuk dipelajari saat ini. Graphene ditemukan oleh A. K. Geim
dan K. S. Novoselov pada tahun 2004. Para fisikawan,
kimiawan, dan ilmuwan material saat ini telah berfokus pada
aplikasi dari graphene untuk beberapa bidang penelitian dan
industri seperti fuel cell dan peralatan photovoltaic, konduktor
transparan, elektroda fleksibel, sensor gas dan bio, field effect
transistor, material baterai isi ulang, dan superkapasitor sesuai
dengan sifat physicochemical yang sangat baik antara lain
mobilitas elektron yang tinggi (~10.000 cm2/V•s), efek
Quantum Hall pada temperatur ruang, transparansi optik yang
baik (97,7%), luas permukaan spesifik yang besar
(2.630 m2/g), modulus Young yang tinggi (~1 TPa), dan
konduktivitas panas yang tinggi (~3000 W/m•K) [1].
Terdapat berbagai metode untuk mensintesis graphene.
Beberapa metode yang umum antara lain micromechanical dan
chemical exfoliation dari grafit, reduksi grafit oksida, epitaxial
growth di atas SiC, dan chemical vapor desposition (CVD) di
atas logam transisi [2].
Penelitian ini akan membahas mengenai sintesis graphene
dengan metode oksidasi grafit (Metode Hummer) dan reduksi
graphene oksida dan pengaruhnya terhadap struktur dan
konduktivitas material graphene. Proses reduksi GO
menggunakan pelarut Zn. Metode ini dianggap paling sesuai
karena bersifat sederhana, reliability-nya cukup tinggi, sesuai
untuk produksi skala besar dan beragam fungsi kimia.
II. METODOLOGI PENELITIAN
1. Sintesis Grafit Oksida
Inti dari proses sintesis grafit oksida adalah mengoksidasi
grafit sehingga menjadi grafit oksida. Metode yang
digunakan untuk mensintesis grafit oksida dalam penelitian
ini adalah modifikasi Metode Hummer. Metode ini
menggunakan berbagai reaksi kimia unrtuk mengoksidasi
grafit menjadi grafit oksida.
Proses sintesis dimulai dengan melarutkan 2 g grafit di
dalam 80ml H2SO4 98%. Proses pelarutan ini dalam kondisi
stirring di dalam ice bath untuk menjaga temperatur di bawah
25 oC selama 1 jam. Lalu ditambahkan 4 g NaNO3 dan 8 g
KMnO4 secara bertahap selama 3 jam. Setelah proses
penambahan ini maka larutan akan berubah warna, yang
sebelumnya berwarna hitam pekat menjadi hitam kehijauan.
Hasil dari reaksi tersebut adalah ion permanganat yang
merupakan oksidator kuat. Oksidator ini akan mengoksidasi
grafit sehingga dihasilkan grafit oksida.
Pengaruh Waktu Ultrasonikasi dan
Waktu Tahan Proses Hydrothermal
Terhadap Struktur dan Sifat Listrik
Material Graphene
Yusuf Pradesar dan Diah Susanti, Jurusan Teknik Material dan Metalurgi, Fakultas Teknologi Industri,
Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail: [email protected]
P
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
2
Prosesnya selanjutnya adalah proses homogenisasi
dengan stirring pada temperatur 35 oC selama 24 jam. Proses
ini akan membuat larutan mengental karena proses yang
melibatkan panas. Selain itu warna dari larutan akan menjadi
kecoklatan. Setalah di-stirring selama 24 jam, lalu
ditambahkan 200 ml aquades dan dilanjutkan stirring selama
1 jam. Lalu stirring dimatikan dan ditambahkan H2O2 ke
dalam larutan. Penambahan H2O2 menyebabkan warna
larutan menjadi kuning muda. Setelah 30 menit, larutan di-centrifuge untuk memisahkan antara endapan grafit oksida
dengan pengotornya. Endapan grafit oksida akan berwarna
kuning dan endapan pengotornya akan berwarna putih.
Setelah di-centrifuge, HCl ditambahkan ke grafit oksida
untuk menghilangkan pengotor logam yang terlarut. Lalu
dilakukan pencucian berkala pada grafit oksida untuk
menghilangkan ion-ion terlarut, seperti SO42-. Selain itu,
proses pencucian bertujuan untuk menetralkan pH. Selama
proses pencucian, warna larutan akan semakin gelap akibat
adanya pengelupasan dari grafit menjadi grafit oksida.
Larutan grafit diuji dengan BaCl2 untuk memastikan kandungan SO4
2- di dalam larutan dan uji pH untuk
memastikan tingkat keasaman larutan maka larutan grafit
oksida. Uji BaCl2 dilakukan dengan menambahkan larutan
BaCl2 ke dalam sampel larutan grafit oksida dan dinyatakan
berhasil jika tidak dihasilkan endapan putih BaSO4. Untuk
pengujian pH dilakukan dengan menggunakan indikator pH
dan dinyatakan berhasil jika pH larutan adalah 7. Setelah diuji,
maka grafit oksida dapat di drying untuk mengeringkan
larutan dengan menghilangkan kadungan air di dalamnya.
Larutan grafit oksida dimasukkan ke dalam crusible. Proses
drying dilakukan dengan furnace muffle menggunakan temperatur 110 oC dengan waktu tahan 12 jam.
2. Sintesis Graphene
Dalam penelitian ini sintesis graphene menggunakan
metode reduksi grafit oksida. 40 mg grafit oksida dilarutkan
dalam 40 ml aquades. Proses ini dilakukan hingga larutan
menjadi homogen. Setelah larutan menjadi homogen, larutan diultrasonikasi dengan ultrasonic cleaner yang memiliki
kemampuan memancarkan gelombang ultrasonik sebesar
50/60 Hz. Ultrasonikasi dilakukan dalam waktu 60, 90, dan
120 menit. Akibat gelombang ultrasonik, maka grafit oksida
akan terkelupas menjadi graphene oksida (GO). Lalu
ditambahkan 10 ml HCl 37% ke dalam larutan GO untuk
membentuk suasana asam. Ditambahkan 1,6 g serbuk Zn ke
dalam larutan GO yang telah memiliki suasana asam. Setelah
Zn bereaksi dengan GO sehingga menghasilkan
gelembung-gelembung gas, HCl kembali ditambahkan untuk
menghilangkan ZnO yang merupakan pengotor. Dari proses
sintesis ini dihasilkan graphene oksida tereduksi (rGO). Setelah proses sintesis ini, larutan rGO dicuci berulang
kali dengan aquades untuk menetralkan pH-nya. Setelah pH
menjadi netral, larutan rGO di-hydrothermal untuk
mereduksi gugus oksida rGO dan membentuk serbuk rGO
yang berukuran nano. Proses hydrothermal dilakukan selama
12, 18, dan 24 jam. Larutan rGO dimasukkan ke dalam wadah
teflon, yang kemudian dimasukkan ke dalam autoclave dan
dikencangkan dengan skrup agar benar-benar vakum. Air
dalam larutan rGO akan mencapai kondisi kritis dan memiliki
tekanan tinggi akibat temperatur yang tinggi sehingga dapat
berperan sebagai agen kristalisasi fasa.
III. HASIL DAN DISKUSI
Proses sintesis graphen dibagi menjadi dua tahap utama,
yaitu proses sintesi grafit oksida dan sintesis graphene. Pada
proses grafit oksida, grafit dioksidasi menggunakan oksidator
KMnO4. Reaksi yang terjadi selama proses oksidasi dapat
dinyatakan dengan persamaan 3.1 dan 3.2 [3]. Proses oksidasi
ini hanya dapat berlangsung ada kondisi asam, sehingga
digunakan H2SO4 sebagai pembuat suasana asam.
3.1
3.2
Proses sintesis graphene memerlukan graphene oksida
sebagai prekursor. Graphene oksida diperoleh dari proses
pengelupasan grafit oksida di dalam air dengan metode
ultrasonikasi. Pengelupasan ini diakibatkan oleh gelombang
ultrasonik yang memiliki daerah frekuensi gelombang lebih
dari 20.000 Hz. Pengelupasan dengan gelombang ultrasonik ini
terjadi secara mekanik.
Proses reduksi graphene oksida menggunakan Zinc sebagai
reduktor. Zinc ditambahkan ke dalam larutan graphene oksida
sehingga bereaksi dengan H2O. Mekanisme reaksi yang terjadi
selama proses reduksi dapat dilihat pada persamaan 3.3-3.5 [4].
Hasil dari reaksi ini adalah ion H+ yang menginisiasi proses
reduksi.
( ) 3.3
( ) 3.4
3.5
A. Hasil Pengujian XRD
Pengamatan struktur grafit, grafit oksida, dan rGO
dilakukan menggunakan X-Ray Diffraction (Philips
Analytical). Sampel grafit oksida berbentuk lembaran
sedangkan rGO (graphene) berbentuk serbuk. Pengamatan
difraksi sinar x dilakukan pada sudut 2θ = 5o – 90o dengan λ
Cu-Kα 1.54060 Å.
Gambar 1. XRD pattern pada grafit, grafit oksida dan rGO
Perbandingan hasil XRD dari grafit, grafit oksida, dan
rGO dapat dilihat pada Gambar 4.1 Grafit teridentifikasi pada
peak 2θ = 26.5897o (JCPDS-41-1487). Pada grafit oksida
peak 2θ = 26.5897o tidak tampak, tetapi terbentuk peak pada
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
3
2θ = 10.1381o. Hal ini menunjukkan bahwa grafit telah
teroksidasi seluruhnya menjadi grafit oksida. Grafit oksida
memiliki d-spacing = 8.72530 Å, lebih lebar daripada grafit
dengan d-spacing = 3.35245 Å. Hal ini menunjukkan adanya
gugus-gugus fungsi oksigen dalam lapisan grafit oksigen.
Sedangkan rGO teridentifikasi pada peak 2θ = 24.3002
dengan d-spacing = 3.66288 Å. Nilai d-spacing yang menjadi
lebih kecil menunjukkan bahwa grafit oksida telah tereduksi
menjadi graphene. Selain itu nilai d-spacing rGO yang lebih
besar daripada grafit mengindikasikan bahwa telah terjadi
pengelupasan lapisan grafit menjadi single layer graphene
[5].
Gambar 2. Perbandingan hasil pengujian XRD pada lama
waktu tahan proses hydrothermal
(A) 12 jam, (B) 18 jam dan (C) 24 jam
Untuk mengetahui pengaruh variasi waktu ultrasonikasi
terhadap komposisi kimia dan ukuran kristal, maka dilakukan
perbandingan data XRD seperti pada Gambar 2. Pada gambar
tersebut dapat dilihat bahwa dengan perubahan waktu
ultrasonikasi; 60 menit, 90 menit, dan 120 menit; nilai
d-spacing diperoleh antara 3.3 – 4 Å dengan posisi peak
2θ dari 23o – 26o. Hal ini membuktikan bahwa grafit oksida
telah tereduksi menjadi graphene. Namun dari hasil XRD di
atas juga terdapat peak dari grafit oksida (dengan 2θ antara
8o – 10o) dan peak dari grafit (dengan 2θ antara 26o – 27o).
Adanya peak grafit menandakan bahwa proses oksidasi dari
grafit menjadi grafit oksida tidak sempurna, dan adanya peak
grafit oksida menandakan bahwa proses reduksi grafit oksida
menjadi graphene juga tidak sempurna. Peak pada daerah
2θ = 23o – 24o menyatakan adanya single layer graphene,
sedangkan peak pada 2θ = 26o menyatakan adanya few layer
graphene. Few layer graphene memiliki sifat yang berbeda
dari material awalnya.
Tabel 1. Ukuran kristal graphene terhadap pengaruh variasi
waktu ultrasonikasi
Perhitungan ukuran kristal graphene dilakukan
menggunakan persamaan 3.6. Dari hasil perhitungan dapat
terlhat bahwa pada waktu tahan 12 jam, ukuran kristal
graphene cenderung mengalami penurunan. Namun pada
waktu tahan 18 dan 24 jam ukuran kristal cenderung
mengalami peningkatan. Perbedaan hasil ini dapat
disebabkan oleh proses reduksi yang tidak sempurna.
3.6
B. Hasil Pengujian SEM
Pengamatan morfologi graphene dilakukan dengan
pengujian SEM. Instrumen SEM yang digunakan adalah
Phenom G2 Pro. Morfologi yang diamati tidak hanya
graphene, tetapi juga morfologi grafit dan grafit oksida
sebagai perbandingan. Pengamatan morfologi terhadap
graphene dilakukan pada setiap variasi perlakuan.
A
B
C
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
4
Gambar 3. Morfologi (A) grafit, (B) grafit oksida, (C) rGO
dengan perbesaran 5000 kali
Gambar 4. Hasil SEM perbesaran 10.000 kali rGO untuk
waktu tahan proses hydrothermal selama 12 jam dengan
waktu ultrasonikasi (A) 60 menit, (B) 90 menit, dan
(C) 120 menit
Gambar 5. Hasil SEM perbesaran 10.000 kali rGO untuk
waktu tahan proses hydrothermal selama 18 jam dengan
waktu ultrasonikasi (A) 60 menit, (B) 90 menit, dan
(C) 120 menit
Gambar 6. Hasil SEM perbesaran 10.000 kali rGO untuk
waktu tahan proses hydrothermal selama 24 jam dengan
waktu ultrasonikasi (A) 60 menit, (B) 90 menit, dan
(C) 120 menit
Dari ketiga variasi waktu hydrothermal, dapat dilihat
bahwa waktu ultrasonikasi mempengaruhi morfologi dari
graphene. Semakin lama waktu ultrasonikasi maka morfologi
graphene semakin tipis. Hal ini disebabkan oleh proses
pengelupasan yang semakin baik.
A B
C
A B
C
A B
C
A B
C
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
5
C. Pengujian FTIR
Pengujian FTIR menggunakan Scientific Nicolet iS10
untuk mengamati perubahan ikatan yang terjadi selama
proses oksidasi dan reduksi. Instrumen ini memanfaatkan
gelombang inframerah untuk mengidentifikasi pola-pola
vibrasi dari setiap ikatan.
Gambar 7. Hasil FTIR GO dan rGO dengan waktu tahan
proses hydrotermal (aA) 12 jam, (B) 18 jam, dan (C) 24 jam
Gambar 6 memperlihatkan pola spektrum IR antara GO
dan rGO hasil proses hydrothermal. Pada GO terdapat
absorpsi yang kuat pada daerah 3357.02 cm-1 yang
diakibatkan oleh vibrasi O-H stretching, 1608.88 cm-1
yang
diakibatkan oleh C-C streching, 1332.47 cm-1 yang
diakibatkan oleh C-H stretching, dan 1046.03 cm-1 yang
diakibatkan oleh C-O-C stretching. Adanya O-H stretching
disesbakan oleh kandungan air di dalam GO yang bersifat
hidrofilik.
Pada pola spektrum IR pada rGO, tidak teridentifikasi
gugus C-O-C stretching. Hal ini disebabkan gugus O yang
berikatan dengan C telah tereduksi oleh Zn. Pada waktu
ultrasonikasi 60 dan 90 menit, gugus O-H stretching masih
ada. Ini menandakan masih adanya kandungan air yang
berikatan dengan rGO. Sedangkan pada waktu ultrasonikasi
120 menit gugus air sudah tidak ada lagi. Pada rGO dengan
waktu ultrasonikasi 120 menit dan waktu tahan 12 jam,
Gambar 3 (a), terdapat gugus O=C=O yaitu gugus yang
menandakan akan terbentuknya gas karbon dioksida.
Terbentuknya gas karbon dioksida ini akibat adanya
kandungan C yang tidak stabil sehingga cenderung untuk
menguap dengan membentuk gas karbon dioksida.
Adanya kandungan air di dalam sampel menyebabkan
hasil XRD sampel yang amorph. Semakin banyak air yang
terkandung maka kurva XRD akan semakin amorph. Selain
itu kandungan air di dalam sampel menyebabkan samper
menajdi rapuh, seperti yang terlihat pada pengujian SEM.
D. Hasil Pengujian TGA/DSC
Gambar 8. Hasil TGA/DSC sampel grafit oksida
Pengujian TGA pada grafit oksda betujuan untuk menentukan temperatur yang sesuai untuk proses
hydrothermal. Dari hasil TGA pada Gambar 4.12 diperoleh
bahwa terjadi dua kali penurunan massa yang curam, yaitu
pada sekitar temperatur 80 oC dan 200 oC. Peurunan massa
sekitar 15% pada 80 oC menunjukkan terjadinya pelepasan
zat-zat volatile, seperti air, yang berikatan secara fisikadari
dalam grafit oksida. Hal ini dibuktikan dengan adanya reaksi
endoterm dari grafit oksida. Selain itu dari hasil FTIR grafit
oksida didapatkan peak pada daerah O-H stretching yang
mengindikasikan adanya air di dalam grafit oksida.
Penurunan sekitar 20% pada temperatur kedua terjadi pada daerah 200 oC. Berbeda dengan penurunan yang sebelumnya,
pada penurunan ini reaksi yang terjadi adalah reaksi eksoterm.
Reaksi eksoterm menandakan adanya sejumlah energi yang
dilepaskan untuk mendekomposisi grafit oksida.
A
B
C
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
6
Gambar 9. Hasil pengujian TGA (A) weight loss dan
(B) heatflow rGO dengan waktu tahan 12 jam
Gambar 9. Hasil pengujian TGA (A) weight loss dan
(B) heatflow rGO dengan waktu tahan 18 jam
Gambar 11.Hasil pengujian TGA (A) weight loss dan
(B) heatflow rGO dengan waktu tahan 24 jam
Hasil TGA dari rGO menunjukkan bahwa semakin tinggi
temperatur maka baik massa maupun heatflow cenderung
menurun.
E. Hasil Pengujian FPP
Graphene merupakan material yang dikatakan memiliki
kemampuan menghantarkan listrik dengan baik, sehingga
sangat diperlukan untuk meneliti konduktivitas listriknya.
Dalam penelitian ini, pengujian konduktivitas listrik
dilakukan dengan metode Four Point Probe (FPP).
Tabel 2 Hasil pengujian konduktivitas listrik graphene
Dari Tabel 2 tampak bahwa semakin lama waktu tahan
proses hydrothermal maka konduktivias listrik material
graphene semakin buruk. Sedangkan semakin lama waktu
ultrasonikasi maka konduktivitas listrik semakin meningkat.
Penurunan konduktivitas ini disebabkan oleh struktur
graphene yang terbentuk. Struktur yang terbentuk dapat
berupa single layer graphene dan few layer graphene.
Konduktivitas listrik terbaik diperoleh pada waktu
A
B
A
B
A
B
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
7
ultrasonikasi 120 menit dan waktu tahan proses hydrothermal
selama 12 jam, dengan nilai konduktivitas listriknya
0.00021 S/cm.
IV. KESIMPULAN/RINGKASAN
Graphene dapat disinntesis dengan metode reduksi
graphene oxide dengan Zn dan hydrothermal. Pada penelitian
ini diperoleh graphene yang memiliki sifat terbaik dengan penggunanan reduktor Zn sebesar 1,6 g, waktu ultrasonikasi
selama 120 menit, temperatur hydrothermal 200 oC, dan waktu
tahan proses hydrothermal selama 12 jam. Sifat listrik, yang
dinyatakan dengan konduktivitas listrik, terbaik sebesar
0.00021 S/cm dihasilkan dari graphene dengan waktu
ultrasonikasi 120 menit dan waktu tahan proses hydrothermal
12 jam.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Sung Mook Choi et al. “Synthesis and characterization of graphene
-supported metal nanoparticles by impregnation method with heat
treatment in H2 atmosphere”. Synthetic Metals (2011) 161: 2405-2411.
[2] Sae Byeok Jo et al. “Large-area graphene synthesis and its application to
interface-engineered field effect transistors”. Solid State Communication
(2012) 152:1350-1358.
[3] Daniel R. Dreyer et al. “The Chemistry of Graphene Oxide”. Chemical
Society Review (2009) 39: 228-240.
[4] Geng Zhi-gang et al. “A Green and Mild Approach of Synthesis of
Highly-Conductive Graphene Film by Zn Reduction of Exfoliated
Graphite Oxide”.Chin. J. Chem. Phys (2012). Vol 25 No.4:494-500.
[5] Zhu Yanwu, et al.”Graphene and Graphene Oxide: Synthesis,
Properties, and Application”.Adv.Mater (2010) 22:3906-3924.