1.1 Latar Belakang 1 BAB I PENDAHULUAN Saat ini nanomaterial seperti nanotubes, nanowires, nanofibers, dan nanobelts banyak mendapatkan perhatian karena nanomaterial tersebut dapat diaplikasikan di berbagai bidang yaitu mekanik, elektronik, sensor, dan fotonik. Beberapa teknik digunakan untuk membuat struktur nano, salah satunya adalah electrospinning yang merupakan teknik yang dianggap mudah dan efektif untuk pembuatan nanofiber. Beberapa keuntungan metode electrospinning terletak pada peralatannya yang relatif sederhana dan biayanya yang cukup efisien. Teknik electrospinning melibatkan penggunaan tegangan tinggi yang diterapkan diantara needle dan kolektor (Yu et al., 2012). Karbon merupakan suatu material yang memiliki berbagai keunggulan dari segi sifat fisika dan kimia, sehingga banyak dikembangkan oleh para peneliti saat ini. Keunggulan yang dimiliki oleh karbon ini menjadikannya sebagai material dengan aplikasi yang luas. Performa dari karbon ini dipengaruhi oleh morfologi (seperti: karbon koloidal, nanotube, fullerenese, grafit, grafen, colloidal sphere, nanofiber, porous carbon, nanowire, dan karbon aktif) yang dimiliki akibat metode dan kondisi sintesis. Perbedaan morfologi ini akan berakibat pada luasnya aplikasi dari karbon tersebut, seperti: pendukung katalis, adsorben, penyimpan gas, teknologi pemisahan, elektroda baterai, template material berpori, sel bahan bakar, dan sel biologis. Selain itu, beberapa partikel karbon dengan morfologi tertentu akan memiliki aplikasi yang berbeda. Salah satunya adalah karbon berpori digunakan sebagai penukar ion, katalis, elektroda baterai, pengisi polimer, ultrafiltrasi, sensor, bahan bakar, adsorben, dan membran (Rahman et al., 2015). Carbon nanofiber yang aktif memiliki permukaan yang luas, dan dapat digunakan sebagai superkapasitor. Aktivasi karbon biasanya hanya menghasilkan porositas dalam orde subnanometer. Pada beberapa tahun terakhir, poros dari carbon nanofiber dapat digunakan sebagai aplikasi sel bahan bakar, sensor gas, superkapasitor, baterai, penyimpanan hidrogen, dan solar sel. Luas permukaan dan 1
2 konduktivitas yang baik, stabilitias kimia yang tinggi, sifat mekanik yang baik, dan struktur poros yang dapat dikontrol menyebabkan poros dari carbon nanofiber memiliki potensi yang sangat besar sebagai media penyimpanan energi. Beberapa teknik dapat digunakan untuk membuat carbon nanofiber seperti deposisi uap kimia dan treatment menggunakan suhu tinggi terhadap nanofiber ( dekomposisi termal/karbonisasi). Beberapa bahan dapat digunakan untuk menghasilkan carbon nanofiber, seperti polyacrylonitrile (PAN), pitch, polyimide, cellulose, phenolic resin, dan polyvinylidene fluoride (Karthikeyan & Biji, 2016). PAN larut dalam pelarut polar seperti dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethylacetamide (DMAc), dimethylsulfone, tetramethylsulfide, dan larutan air dari ethylene carbonate serta beberapa garam mineral (Nataraj et al., 2012). Berbagai jenis bahan karbon digunakan sebagai bahan elektroda superkapasitor, termasuk karbon aktif, karbon nanotube, karbon nanofiber, selulosa, dan grafit (Chang et al., 2016). Salah satu elektroda yang banyak digunakan pada superkapasitor adalah carbon nanofiber yang merupakan karbon aktif yang memiliki pori dalam skala nanometer. Distribusi pori yang besar pada carbon nanofiber menyebabkan elektroda ini memiliki luas permukaan yang besar. Kemampuan rapat daya yang besar pada superkapasitor disebabkan oleh luas permukaan yang besar dari material elektroda. Kapasitansi tergantung pada akses ion mengisi pori-pori internal sehingga ukuran ion dan ukuran pori harus optimal. Konstruksi superkapasitor mirip dengan kapasitor biasa yang terdiri dari sepasang elektroda yang diisi dengan elektrolit dan dipisahkan dengan material dielektrik (penyekat) (Jayalakshmi & Balasubramanian, 2008). PAN merupakan merupakan salah satu jenis polimer konduktif intrinsik yang memiliki ketahanan termal yang baik, konduktivitas yang yang cukup baik, sintesis yang sederhana dan sifat-sifatnya dapat disesuaikan dengan mudah untuk berbagai aplikasi (Cipriani et al., 2016). Salah satu aplikasi dari PAN yang digunakan dalam penelitian ini adalah untuk pembuatan karbon aktif superkapasitor. Pada penelitian ini digunakan PAN karena memiliki spinability yang baik, struktur karbon yang tinggi, dan ukuran dalam orde sub nanometer.
3 Sehingga bila ditambahkan material yang dapat terurai ketika dipanasi, mungkin jumlah porositasnya dapat ditingkatkan. Untuk itu pada penelitian ini dilakukan penambahan magnesium karbonat (MgCO3) yang diharapkan mampu meningkatkan jumlah pori pada carbon nanofiber karena MgCO3 memiliki titik didih yang lebih rendah daripada suhu aktivasi karbon. Untuk membuat carbon nanofiber yang potensial untuk superkapasitor diperlukan luas permukaan nanofiber yang besar (~500 m 2 /g) (Zhu et al., 2016) dan porositas dalam ukuran 2-4 nm (Tran & Karla, 2013). Hal ini bisa dilakukan dengan mengaktivasi carbon nanofiber yang berasal dari polimer. Salah satu polimer yang banyak mengandung karbon adalah PAN. Bila penambahan MgCO3 untuk meningkatkan porositas dapat dilakukan, maka potensi carbon nanofiber untuk digunakan sebagai elektroda superkapasitor semakin besar. 1.2 Rumusan Masalah Adapun rumusan masalah pada penelitian ini adalah : 1. Bagaimana pembuatan nanofiber PAN dengan MgCO3 menggunakan electrospinning 2. Bagaimana pengaruh penambahan MgCO3 terhadap nanofiber PAN 3. Bagaimana pengaruh karbonisasi terhadap nanofiber PAN/MgCO3 4. Bagaimana potensi carbon nanofiber PAN/MgCO3 sebagai elektroda superkapasitor 1.3 Batasan Masalah Penelitian ini dibatasi dengan kajian morfologi, struktur kristal, luas permukaan, dan distribusi diameter pori carbon nanofiber PAN/MgCO3 menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM), Transmission Electron Microscope (TEM), X-ray Diffraction (XRD), dan Brunner Emmett Teller (BET). 1.4 Batasan Eksperimen Adapun batasan eksperimen pada penelitian ini adalah : 1. Proses electrospinning dilakukan pada tegangan 15 kv dengan jarak tip ke kolektor 13 cm dan diameter jarum yang digunakan 0,5 mm selama 2-3 jam
4 2. Proses karbonisasi dilakukan pada suhu 700 o C menggunakan nitrogen selama 1 jam 3. Konsentrasi MgCO3 yang digunakan untuk membuat larutan maksimal 5 wt% 1.5 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut 1. Membuat nanofiber PAN dengan MgCO3 menggunakan electrospinning 2. Mengetahui pengaruh penambahan MgCO3 terhadap nanofiber PAN 3. Menyelidiki pengaruh karbonisasi terhadap nanofiber PAN/ MgCO3 4. Mengetahui potensi carbon nanofiber PAN/MgCO3 sebagai elektroda superkapasitor 1.6 Manfaat Penelitian Manfaat dari penelitian ini diharapkan dapat menjadi bahan acuan data dalam pembuatan carbon nanofiber PAN/ MgCO3 sebagai elektroda superkapasitor menggunakan metode electrospinning, agar dapat memberikan sumbangsih terhadap penelitian-penelitian selanjutnya demi kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi. 1.7 Sistematika Penulisan Penulisan skripsi ini dibagi menjadi 6 bab yaitu: Pendahuluan, Tinjauan Pustaka, Dasar Teori, Metode Penelitian, Hasil dan Pembahasan, Kesimpulan dan Saran, serta Lampiran. BAB I menjelaskan latar belakang dilakukannya penelitian tentang pembuatan carbon nanofiber PAN/ MgCO3 sebagai karbon aktif superkapasitor dengan metode electrospinning. Pada bab ini juga dijelaskan rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, dan sistematika dalam penulisan. BAB II berisi tinjauan pustaka yang memuat penelitian yang telah atau sedang dilakukan dan berkaitan dengan pembuatan carbon nanofiber PAN/ MgCO3 sebagai bahan superkapasitor dengan metode electrospinning dan
5 karbonisasi. MgCO3 ditambahkan pada nanofiber PAN sebagai upaya untuk meningkatkan porositas nanofiber. BAB III berisi teori yang menjelaskan hal hal yang berkaitan dengan nanofiber, polimer PAN, MgCO3, superkapasitor, proses electrospinning, proses karbonisasi serta karakterisasi menggunakan SEM, TEM, XRD, dan BET BAB IV menjelaskan tentang metode penelitian, alat-alat dan bahanbahan yang digunakan dalam penelitian, metode analisis yang digunakan serta karakterisasi yang dilakukan. BAB V menjelaskan hasil penelitian meliputi data yang diperoleh serta pembahasan data tersebut. BAB VI memuat kesimpulan dari hasil eksperimen dan saran bagi penelitian selanjutnya. Daftar pustaka berisi tentang seluruh pustaka yang diacu oleh penulis dan lampiran berisi data-data dan perhitungan yang diperoleh dalam penelitian