Grafit-Grafena Kelompok 6

 

PEMBUATAN BAHAN STRUKTUR GRAFIT DAN GRAFENA OKSIDA TEREDUKSI DARI KULIT SINGKONG Andre Gugustyan P, Ilsa Rosianna, Mahda Maulana B, Sayyidatun Nisa 011500400, 111700007, 011500413, 111700003 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir  –  Badan  Badan Tenaga Nuklir Nasional 

ABSTRAK Grafit terdiri atas banyak lembaran atom karbon yang ditumpuk secara bersama. Sedangkan Grafena merupakan lembaran tipis dari karbon yang memiliki ikatan sp 2 dengan sifat mekanik dan elektrik yang sangat  baik untuk berbagai berbagai peralatan, peralatan, termasuk termasuk peralatan peralatan mekanik mekanik dan listrik. listrik. Grafena memiliki memiliki konduktivitas konduktivitas elektrik elektrik dan termal yang tinggi, dengan nilai konduktivitas yang setara atau lebih baik dari logam lainnya. Grafena dapat juga diaplikasikan pada teknologi pengolahan polimer modern dan dapat memungkinkan pembuatan  bahan rekayasa yang melibatkan grafena. Grafena oksida dapat diproduksi melalui melalui pengolahan grafit menjadi lembaran tunggal. Proses pembuatan grafena oksida yaitu melalui proses penggarangan, karbonasi,  pembentukan  pembentuk an grafit oksida, pembuatan grafena oksida, dan dilakukan dilakukan pengujian kapasitansimeter.Bah kapasitansimeter.Bahan an  pembuatan grafit oksida yang digunakan yaitu kulit singkong yang mengandung mengandung karbon sekitar 59%. Oksida grafit telah berhasil disintesis dari serbuk grafit dengan pelarut asam sulfat (H 2SO4), natrium nitrat (NaNO(GO) 3), kalium permanganat (KMnO4), dan hidrogen peroksida (H 2O2). Kemudian pembuatan grafena oksida dari grafik oksida melalui proses sonifikasi agar terjadi eksfoliasi. Hasil sintesis berupa pasta dicuci dengan asam klorida (HCl) dan akuades berulang-ulang untuk mendapatkan grafena oksida yang relatif murni. murni.   Kata Kunci : Grafit, grafena, karbon

 AB  A B STR A CT

Graphite consists of many sheets of carbon atoms that are stacked together. Whereas graphene is a thin sheet of carbon that has sp2 bonds with excellent mechanical and electrical properties for various equipment, including mechanical and electrical equipment. Graphene has high electrical and thermal conductivity, with an equivalent or better conductivity value than other metals. Graphene can also be applied to modern polymer  processing technology technology and and may allow the the manufacture manufacture of engineering engineering materials materials involving involving graphene. graphene. Graphene oxide can be produced through the processing of graphite into single sheets. Graphene oxide making process is through the process of burning, carbonation, formation of graphite oxide, making of graphene oxide, and tested capacitansimeter. This manufacture of graphite oxide used is cassava skin and containing about 59% carbon. The graphite oxide (GO) has been synthesized from graphite powder with sulfuric acid (H2SO4),  sodium nitrate (NaNO3), potassium permanganate (KMnO4), and hydrogen peroxide (H2O2). Then the manufacture of graphene oxide from the oxide graph through the process of sonification to occur expholiation. The synthesis of the paste is washed with hydrochloric acid (HCl) and aquades repeatedly to obtain relatively  pure graphene graphene oxide.  Keyword: Graphite, Graphite, graphene, graphene, carbon carbon

 

  PENDAHULUAN

Grafena merupakan lapisan tipis dari karbon dengan sifat mekanik dan elektrik yang sangat baik untuk berbagai peralatan, termasuk peralatan mekanik dan elektrik (Geim and Novoselov, 2007). Grafena telah diketahui dapat memiliki modulus Young 1000 Gpa dan kekuatan regang 60 Gpa. Nilai ini lebih tinggi dari peralatan  plastik pada umumnya. Grafena telah diketahui memiliki konduktivitas elektrik dan termal yang tinggi, dengan nilai konduktivitas yang setara atau lebih baik dari logam lainnya. Grafena juga dapat diaplikasikan pada teknologi pengolahan  polimer modern, yang dapat memungkinkan memungkinkan  bagi pembuatan pembuatan bahan rekayasa rekayasa yang yang melibatkan melibatkan grafena. Grafena diproduksi di produksi secara khas melalui melal ui  pengolahan grafit secara mekanis dan kimia menjadi lembaran tunggal. Grafena dapat diproduksi secara mekanis metode satu langkah dimana adhesion melalui tape ditempelkan dan secara bertahap dilepaskan untuk menghasilkan lembaran grafena. Metode ini memiliki kelemahan, yakni pada aspek irreproduksibilitas irreprod uksibilitas (Baladin, 2008). Berbagai metode melibatkan oksidasi grafit menjadi grafena oksida juga telah dilakukan. Grafena oksida kemudian dieksfoliasi dieksfoli asi dari grafit, membentuk suspensi grafena oksida. Suspensi grafena oksida kemudian direduksi menjadi grafena. Tak T ak dapat dipungkiri di pungkiri bahwa prose prosess ini meninggalkan grafena oksida. Sisa grafena oksida mengganggu mengganggu sifat grafena itu sendiri sendiri yaitu konduktivitas dan kekuatan mekanis. Interkalasi dan eksfoliasi grafit untuk mendapatkan grafena beberapa tahun tahu n belakangan telah banyak diteliti. Cara yang umum untuk un tuk menginterkalasi grafit adalah melalui interkalasi asam dan metal alkali. Proses ini i ni dapat dianggap kurang ku rang ramah lingkungan. Penelitian terhadap baterai ion Li menunjukkan bahwa kation dari cairan elektrolit ionik dapat menginterkalasi elektroda grafit. Cairan ionik telah dapat diaplikasikan pada  proses interkalasi elektrokimia elektrokimia grafit menghasilkan grafena terfungsionalisasi terfungsi onalisasi (Liu, et al., 2008). Teknologi Liu dan kawan-kawan ini dapat menggantikan proses kimia yang tak ramah lingkungan.

Gambar 1. (a) sel material grafena ( b) Grafena Oksida (Stankovich, 2007) Grafit oksida diperoleh dari reaksi dengan oksidator kuat seperti seper ti HCl atau H2SO4. Grafit oksida tersusun dari beberapa lapisan grafena oksida dengan komposisi karbon, oksigen, dan hidrogen. Pada beberapa literatur, struktur kimia grafit oksida masih belum dapat ditentukan secara  pasti dan masih menjadi perdebatan. Hal ini terjadi karena kerumitan material akibat sifat armorfusnya. armorfusn ya. Dari pengamatan struktur kimia grafit oksida oleh Park et al (2009) (2 009) dijelaskan dij elaskan  bahwa grafit oksida memiliki memiliki ikatan dengan gugus hidroksil dan epoksi. Komponen lain yang terdapat dalam grafit oksida adalah gugus karbonil dengan jumlah relatif sedikit. Grafit oksida pertama kali dibuat oleh Brodie (1859) dengan menambahkan KClO3  ke dalam grafit yang dicampur dengan larutan HNO3. Hummers and Offeman (1958) kemudian melakukan modifikasi metode sintesis dengan mereaksikan grafit gr afit dan HCl dengan NaNO3 dan KMnO4. KMnO4 merupakan 11 oksidator kuat dan akan membentuk senyawa s enyawa Mn2O7 M n2O7 dengan sifat lebih reaktif. Produk Hummer adalah  bagian intinya berupa grafit sedangk sedangkan an bagian luarnya adalah grafit oksida, sehingga perlu dilakukan perlakuan sebelum melakukan proses Hummer untuk meningkatkan derajat oksidasi

Gambar 2. Skema Pembuatan Grafena

 

  Proses reduksi dilakukan dengan d engan mereduksi mered uksi grafena oksida melalui reaksi eksoterm. Salah satu metode reduksi termal adalah proses annealing. Mekanisme reaksi pengelupasan grafena oksida terjadi akibat adanya ekspansi gas CO dan CO2  yang terbentuk dari proses  pemanasan. Dengan proses pemanasan  pemanasan. pemanasan yang cepat akan mengakibatkan O2  berikatan dengan gugus fungsi dan atom C pada grafena oksida serta terdekomposisi menjadi gas yang timbul akibat tekanan tinggi, sehingga proses pengelupasan dapat terjadi. Teknik reduksi kimia menggunakan bahan kimia sebagai reduktor, reduktor , yaitu dengan menambahkan agen pereduksi kimia seperti hidrazin hidrazin hidrat. (Shao, (Shao, 2012)

ALAT DAN BAHAN

Pada percobaan ini alat yang digunakan antara lain Furnace Thermo Scientific, oven, ayakan dengan ukuran 200 mesh, wadah es, termometer, labu ukur, pipet volume, pipet tetes, pengaduk magnetik, hot plate, gelas ukur, gelas beaker, aluminium foil, erlenmeyer, botol semprot, corong, kertas saring Whatman 41, timbangan analitik, cawan porselen, teflon dan wadah stainless steel, sonikator, kapasitansi meter. Sedangkan bahan yang digunakan antara lain kulit singkong, natrium nitrat 99.3% (Merck), asam sulfat 98% (Merck), kalium permanganat (Merck), peroksida (Merck), asam klorida (Merck), hidrogen dan akuades.

METODOLOGI PENELITIAN

Pada percobaan ini yang pertama dilakukan adalah persiapan sampel kulit singkong dibersihkan dan dipotong-potong dengan ukuran rata-rata (3x4) cm, agar memiliki ukuran yang homogen dan dilakukan penjemuran dilakukan selama 12 jam dibawah sinar matahari. Kemudian dikeringkan dengan menggunakan oven selama 2  jam pada suhu 70 oc, setelah itu dipanaskan dengan menggunakan furnace dengan sebelumnya sampel dibungkus dengan menggunakan alumunium foil

 pada suhu 500oc selama 2 jam. Kemudian dilakukan pengayakan dengan ukuran 200 mesh. Selanjutnya dilakukan pembuatan grafit oksida, Serbuk grafit sebanyak 3,0 g dicampur dengan 70 ml H2SO4  dan 1,5 g KMNO4. Campuran diaduk dan ditambahkan KMNO4  sebanyak 9,0 g lalu ditempatkan dan diaduk dalam ice bath selama 2 jam awal pada kondisi suhu < 20 o  C Selanjutnya larutan dipanaskan pada suhu 35 oc dengan tetap diaduk selama 2 jam Kemudian ditambahkan H2O sebanyak 400 ml dan ditambahkan H2O2 30% sampai diperoleh suspense  berwarna kekuningan. kekuningan. Suspensi disaring dan didekantasi dengan akuades Dikeringkan hingga diperoleh serbuk grafit oksida padat. Setelah itu tahap selanjutnya adalah Pembuatan Grafena Oksida Grafit oksida dilarutkan akuades dan disonikasi selama 1 jam agar terjadi eksfoliasi Kemudian diendapkan dan dilanjutkan dengan disaring, dicuci HCl 5% lalu H2O, dan dikeringkan. dikeringkan. Kemudian dilakukan uji kapasitansi, Sampel (Grafit dan grafena oksida tereduksi) disiapkan dalam bentuk dipress Kedua sampel kemudian diukur nilai kapasitansinya dengan kapsitansimeter sampai menunjukkan angka yang stabil dengan menghubungkan probe alat.

PEMBAHASAN

Grafit merupakan bentuk Alotrop karbon yang memiliki sifat dimana unsur ini mampu  berada dalam dua atau lebih bentuk, pada setiap alotrop atom-atom unsur tersebut berikatan dengan cara yang berbeda sehingga membentuk modifikasi struktur yang berbeda pula. Grafena

merupakan lembaran tipis dari karbon yang memiliki ikatan sp2  dengan sifat mekanik dan elektrik yang sangat baik untuk berbagai  peralatan, termasuk peralatan mekanik dan listrik. Grafena memiliki konduktivitas elektrik dan termal yang tinggi, dengan nilai konduktivitas yang setara atau lebih baik dari logam lainnya. Grafena dapat juga diaplikasikan pada teknologi pengolahan  polimer modern dan dapat memungkinkan  pembuatan bahan rekayasa yang melibatkan

 

grafena. Grafena oksida dapat diproduksi melalui pengolahan grafit menjadi lembaran tunggal. Pada percobaan ini bahan yang digunakan pada pembuatan grafena oksida yang terbuat dari kulit singkung karena kulit singkong memiliki 59% karbon. Untuk mendapatkan karbon, kulit singkong dipanaskan dan dilakukan proses karbonisasi  pada suhu 500oC sehingga didapat karbon yang murni kemudian dilakukan homogenasi ukuran menjadi 200 mesh. Selanjutnya dilakukan pembuatan grafit oksida, Serbuk grafit sebanyak 3,0 g dicampur dengan 70 ml H 2SO4  Campuran diaduk dan ditambahkan KMNO 4  sebanyak 9,0 g lalu ditempatkan dan diaduk dalam ice bath selama 2 jam awal pada kondisi suhu < 20 o  C Selanjutnya larutan dipanaskan pada suhu 35 oc dengan tetap diaduk selama 2 jam. Proses ini merupakan proses leaching sehingga terjadi Sintesis grafit oksida yang terdiri atas d dua ua tahapan utama ut ama yaitu proses p roses oksidasi oksi dasi dan pro proses ses reduksi. Proses oksidasi melibatkan reaksi oksidasi grafit menjadi grafit oksida. Grafit oksida diperoleh dari reaksi dengan oksidator kuat seperti KMnO4. Grafit oksida tersusun dari beberapa lapisan grafena oksida dengan komposisi karbon, oksigen, dan hidrogen. Pada  beberapa literatur, struktur kimia grafit oksida masih belum dapat ditentukan secara pasti dan masih menjadi perdebatan. Hal ini terjadi karena

dipress Kedua sampel kemudian diukur nilai kapasitansinya dengan kapasitansimeter pda table.1

Tabel 1. Tabel Pengukuran Kapasitansi No 1 2 3 4 5 6 7

Pengukuran 1 2 3 4 5 6 7

Nilai Kapasitansi (F/g) 10 60 30 17 62 40 50

Dari data pengamatan tersebut hasil kapasitansi yang didapatkan sangat tidak stabil, hal ini dikarenakan dari proses eksfoliasi tidak berjalan sempurna sehingga proses  pembentukan  pembentuk an dan oksidasi dari grafena tidak terjadi dengan baik dan warna dari sampel masih  berwarna hitam yang seharusnya berwana coklat kehitaman.

KESIMPULAN

Pada percobaan pembuatan grafena dari kulit singkong ini didapatkan nilai kapasitansi yang tidak stabil dengan rentang 10 -60 F/g, hal ini diakibatkan dari proses eksfoliasi tidak

kerumitan materialstruktur akibat kimia sifat grafit armorfusnya. Dari pengamatan oksida dijelaskan bahwa grafit oksida memiliki ikatan dengan gugus hidroksil dan epoksi. Komponen lain yang terdapat dalam grafit oksida adalah gugus karbonil dengan jumlah relatif sedikit Kemudian ditambahkan H2O sebanyak 400 ml dan ditambahkan H2O2  30% sampai diperoleh suspense berwarna kekuningan. Akan tetapi dalam percobaan penambahan perosida dan natrium nitrat tidak dilakukan sehingga warna dari sampel masih berwarna hitam sehingga proses eksofoloasi tidak berjalan sempurna. Kemudian

 berjalan sempurna sehingga proses pembentukan pembentukan dan oksidasi dari grafena tidak terjadi dengan baik dan warna dari sampel masih berwarna hitam yang seharusnya berwana coklat kehitaman.

dilakukan uji kapasitansi, Sampel (Grafit dan grafena oksida tereduksi) disiapkan dalam bentuk

insoluble cancer drugs. J.Am. Chem.Soc. 130, 10876-10877

DAFTAR PUSTAKA

1)  Geim, A.K. and Novoselov, K.S. (2007) The Rise of Graphene. Nature Materials, 6, 183-191. 2)  Liu,Z., et al.,2008. PEGylated nanographene oxide for delivery of water-

 

3)  Stankovich, S., Dikin, D. A., Piner, R. D., Kohlhaas, K. A., Kleinhammes, A., Jia, Y., ... Ruoff, R. S. (2007). Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide. Carbon, 45(7), 1558-1565. OI: 10.1016/j.carbon.2007.02.034 4)  Park, H., Brown, P. R., Bulović, V., and Kong, J. (2011). Graphene as transparent conducting electrodes in organic  photovoltaics:  photovoltai cs: studies in graphene morphology, hole transporting layers, and counter electrodes. Nano Lett. 12, 133 –  140. doi:10.1021/nl2029859 doi:10.1021/nl2029859 5)  A.Baladin, et al., Superior Thermal Conductivity of Single-layer Graphene.  Nano Letters, vol.8, no.3,2008, pp. 902  –  907 6)  Hummers, W. S. & Offeman, R. E., Preparation of Graphitic Oxide. American Chemical Society, vol.80, no. 6, 1958,pp. 1339 7)  Shao, G. et al., Graphene Oxide: The Mechanisms of Oxidation and

Exfoliation. Journal of Materials Science, 47(10), 2012,pp.4400 – 4409 4409