BAB I PENDAHULUAN I.1

Transkripsi

1 BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang Matahari adalah sumber energi yang sangat besar dan tidak akan pernah habis. Energi sinar matahari yang dipancarkan ke bumi dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan misalnya pembangkit listrik dengan sistem solar cell, photovoltatic, DSSC (Dye Sensitized Solar Cell) dan lain lain. Selain itu sinar matahari juga memiliki peran penting dalam reaksi fotoredoks baik fotooksidasi maupun fotoreduksi dalam beberapa aplikasi seperti self cleaning, anti bacteria, dan lain lain. Sel surya adalah teknologi penyimpan sekaligus converter energi matahari menjadi energi listrik. Sel surya tersusun dari material semikonduktor yang dapat mengubah sinar (cahaya) matahari sebagai partikel (foton) menjadi tenaga listrik secara langsung menggunakan prinsip fotovoltaik. Semikonduktor yang menyusun sel surya menjadi faktor kunci dalam pengembangan sel surya. Oleh karena itu, teknologi semikonduktor sekarang ini banyak dikembangan untuk memunculkan inovasi dalam sel surya. Bahan bahan organik atau alamiah dalam bidang teknologi semakin banyak dikembangkan karena sifatnya yang ramah lingkugan ( mudah terdekomposisi di alam). Bahan organik yang dapat dimanfaatkan sebagai bahan semikonduktor adalah makromolekul terkonjugasi yang memiliki ikatan tunggal C-C dan ikatan rangkap C=C terkonjugasi yang memiliki sistem elektron π pada rantainya. Porfirin merupakan senyawa makrosiklik yang memiliki ikatan rangkap terkonjugasi dan terdiri dari empat pirola yang dihubungkan oleh ikatan π melalui gugus etilen ( =CH-) yang dimilikinya. Hal ini yang memungkinkan terjadinya proses serapan gelombang elektromagnetik untuk eksitasi elektron dari tingkat dasar ke tingkat tereksitasi. Panjang gelombang yang diserap mencirikan tipe radiasi elektromagnetik, seperti gelombang radio, ultraviolet, 1

2 2 inframerah, tampak dan sebagainya yang menjelaskan bahwa senyawa tersebut dapat menyerap salah satu dari radiasi elektromagnetik. Pofirin ini merupakan bahan organik yang memiliki kemiripan struktur dengan klorofil sehingga dapat menyerap panjang gelombang elektromagnetik yang dipancarkan matahari. Sistem susunan ikatan rangkap porfirin terkonjugasi menyebabkan porfirin mempunyai tingkat absorpsi yang baik terhadap sinar ultra violet (UV) (Aittala, 2010). Gambar 1.1. Struktur Porfirin Panjang gelombang yang diserap oleh senyawa porfirin terkait dengan beda energi Highest Occupied Molecular Orbital (HOMO) dan Lowest Unoccupied Molecular Orbital (LUMO). Perbedaan energi pada kedua tingkat orbita ini ini akan mempengaruhi energi yang dibutuhkan untuk eksitasi elektron dari tingkat HOMO ke LUMO. Perbedaan inilah yang disebut sebagai band gap. Para ilmuan telah melakukan berbagai studi tentang semikonduktor organik yang ditinjau dari aspek kinetik dan dinamiknya melalui metode eksperimen di laboratorium. Eksperimen yang di lakukan di laboratorium menggunakan perangkat analisis instrumen yang menghabiskan biaya yang sangat mahal, waktu yang lama dan tenaga profesional. Seiring dengan berkembangnya cabang ilmu kimia, kimia komputasi dapat digunakan untuk mempelajari proses transisi elektronik atau eksitasi elektronik pada suatu molekul, sehingga bisa mereduksi perhitungan spektra elektronik dari orbital dalam suatu senyawa.

3 3 Eksperimen menggunakan media komputer memainkan peranan yang penting dalam perkembangan sains. Hal ini mengubah secara substansial hubungan antara teori dan eksperimen. Simulasi menggunakan media komputer sering dilakukan dengan kondisi yang sangat mirip dengan eksperimen sehingga hasil dari perhitungan komputasi dapat dibandingkan secara langsung dengan eksperimen. Selain itu juga, dapat mengkaji bagian yang tidak dapat dijangkau secara eksperimen karena keterbatasan peralatan, waktu dan biaya. Kimia komputasi adalah cabang ilmu kimia menggunakan hasil kimia teori yang diterjemahkan ke dalam program komputer untuk menghitung sifat-sifat molekul serta perubahannya maupun melakukan simulasi terhadap sistemsistem besar dan menerapkan program tersebut pada sistem kimia nyata. Sifatsifat molekul yang dapat dihitung antara lain optimasi struktur, energi, selisih tingkat energi, muatan, momen dipol, kereaktifan, frekuensi getaran, besaran spektroskopi dan lain-lain. Penelitian terdahulu tentang semikonduktor telah dilakukan oleh Bintarti (2008) menggunakan senyawa phthalocyanine dengan perhitungan band gap menggunakan metode komputasi ab initio tingkat HF dengan basis sets STO 3G. Dalam penelitian ini juga dibahas tentang vibrasi molekular pada phthalocyanine yang disisipi oleh logam Cu. Selain itu penelitian teoritis tentang fotosensitivitas suatu senyawa pernah dilakukan menggunakan senyawa antibakteri fluorokuinolon berdasarkan karakteristik spektra elektronik dan selisih energi HOMO-LUMO (Tahir et al., 2005). Penelitian tentang struktur elekronik pada keadaan transisi dari polivinil sinamat yang mempunyai gugus yang bersifat fotosensitif (Tsuda dan Oikawa, 1976). Penelitian dengan pendekatan kimia komputasi ini penting untuk menentukan kaitan antara struktur porfirin tersubtitusi dengan aktifitasnya. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan kejelasan teoritis tentang aktivitas porfirin tersubtitusi dalam sensitivitasnya terhadap sinar UV. Porfirin telah banyak diteliti menggunakan metode komputasi, antara lain porfirin yang dikonjugasikan

4 4 dengan logam mulai dilakukan Rovira (1997) menggunakan logam Fe dengan metode Density Functional Theory (DFT). Fe-porfirin ini menghasilkan serapan pada gelombang UV, sehingga energi yang dibutuhkan sangat besar untuk melakukan eksitasi elektron. Penelitian selanjutnya porfirin yang dikonjugasikan dengan beberapa logam, seperti Zn, Mg, dan Ni telah dilakukan Pedersen (2004). Ketiga logam tersebut dikonjugasikan dengan porfirin pada posisi pusat menggunakan metode ab-initio. Zn-Porfirin dan Ni-Porfirin memiliki peluang menjadi detektor inframerah organik dan cahaya tampak karena memiliki celah energi yang kecil yaitu 0,63 ev. Kompleks logam-porfirin yang diteliti ini membutuhkan waktu yang lama untuk optimasi geometrinya, karena basis set yang digunakan adalah ab initio. Berdasarkan latar belakang di atas, maka penelitian ini mengkaji porfirin yang dikonjugasikan dengan logam tertentu agar serapan panjang gelombang terjadi pada daerah visible sehingga energi yang dibutuhkan eksitasi tidak besar. Selain itu penelitian ini menggunakan metode kimia komputasi DFT yang lebih cepat dan hasilnya tidak jauh berbeda dengan metode ab initio yang menggunakan korelasi elektron. I.2 Tujuan Tujuan penelitian ini adalah mempelajari secara teoritis struktur kompleks porfirin berdasarkan optimasi geometri yang dilakukan dengan metode DFT. Secara spesifik tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut: Menentukan metode kimia komputasi yang sesuai digunakan untuk optimasi kompleks logam-porfirin Menentukan struktur geometri yang stabil dari kompleks logam-porfirin berdasarkan kajian perbandingan energi interaksinya Menetukan kompleks logam porfirin yang sesuai untuk digunakan sebagai bahan semikonduktor berdasarkan selisih nilai energi HOMO-LUMO Menganalisis sifat fotosensitivitas UV-Vis terhadap senyawa kompleks

5 5 logam-porfirin hasil optimasi geometri berdasarkan perhitungan transisi elektronik Mengkaji serapan vibrasi kompleks logam-porfirin pada panjang gelombang infrared I.3 Manfaat Penelitian Dengan mempelajari energi interaksi, energi HOMO LUMO, transisi elektronik, dan tipe aktivitas serapan senyawa porfirin yang disisipi logam Cu, Ag, dan Au dapat memberikan informasi tentang sifat photonic akibat perubahan efek elektromunisensi. Selain itu juga akan membantu informasi penunjang untuk pembuatan aplikasi sensor inframerah dan bahan semikonduktor organik sebagai penyusun sel surya yang lebih ramah lingkungan dan lebih kompatibel dibandingkan dengan semikonduktor anorganik.