optimasi sintesis carbon nanotubes yang difabrikasi ... - JUSAMI

Optimasi Sintesis Carbon Nanotubes yang Difabrikasi dengan Menggunakan Metode Spray Pyrolysis (A. Subagio)Setelah suhu yang diinginkan tercapai, prosesselanjutnya adalah memasukkan campuran dari 0,6 gramferrocene dan 10 mL benzen dalam bentuk spray ke dalamtabung quartz. Komposisi antara ferrocene dan benzenini dibuat tetap dan selanjutnya parameter suhu sintesisdivarisasi dari mulai 700 C, 800 C, 900 C dan 1000 C.Proses sintesis dilakukan selama 30 menit untukmasing-masing variasi suhu proses.Tahap selanjutnya adalah mengoptimasikomposisi ferrocene terhadap benzen dengan variasiperbandingan 1,5/50 g/mL, 3/50 g/mL dan 4,5/50 g/mLpada suhu sintesis yang optimum. Berdasarkan dua hasiloptimasi ini maka tahap selanjutnya adalah mengoptimasiproses pencucian atau pemurnian material CNT denganmenggunakan larutan HNO 3dengan variasi konsentrasi25%, 45%, 65% dan 85%. Tahap ini dilakukan denganmemasukkan 0,1 g material CNT ke dalam HNO 3yangselanjutnya diaduk selama 30 menit dengan tujuan untukmemperbesar interaksi antara carbon nanotubes denganHNO 3. Kemudian dilakukan pendiaman supaya carbonnanotubes mengendap di dasar tabung. Hal inidimaksudkan untuk mempermudah dalam prosespenyaringan selanjutnya. Setelah disaring, kemudianhasil penyaringan yang berupa residu carbon nanotubesdicuci kembali dengan menggunakan aquadest dandipanaskan pada suhu 120 °C selama 1 jam. Pencuciankedua ini dimaksudkan untuk memisahkan sisa HNO 3dari proses pencucian sebelumnya sehingga akandidapatkan carbon nanotubes yang bebas dari pengotor.Analisis material CNT yang telah dihasilkandilakukan dengan menggunakan Scanning ElectronMicroscope (SEM) dan Energy Dispersive Spectrometer(EDS) tipe Jeol JSM 6360LA untuk mengetahui morfologidan kandungan unsur.HASIL DAN PEMBAHASANGambar 3 menunjukkan citra (SEM) material CNTyang disintesis pada komposisi campuran yang tetap,(a)yaitu 0,6 gr ferrocene dan 10 mL benzen dengan berbagaivariasi suhu sintesis. Pada suhu sintesis 700 °C masihdihasilkan ukuran tabung yang relatif besar sekitar200 nm hingga 300 nm. Kenaikan suhu sintesismenyebabkan ukuran diameter tabung menurun menjadisekitar 50 nm hingga 80 nm yang dijumpai pada saatsuhu sintesis di 800 °C dan 900 °C. Namun demikianpada suhu sintesis 800 °C masih terdapat tabungyang berukuran tidak sama. Pada kenaikan suhu sintesis1.000 °C juga ditemui adanya ketidakseragaman ukurantabung yang dihasilkan.Suhu sangat menentukan proses pyrolysis darisenyawa benzen menjadi unsur-unsur karbonpenyusunnya. Semakin tinggi suhu yang digunakan,maka proses pyrolysis akan berlangsung semakin cepatdan sempurna, sehingga karbon-karbon yang terbentukakan semakin banyak. Suhu sintesis yang rendah akanmenghasilkan nanotubes yang lebih pendek danberukuran relatif lebih besar jika dibandingkan denganpenggunaan suhu relatif tinggi. Selain itu suhu sintesisyang rendah tidak hanya menghasilkan nanotubes yangpendek akan tetapi juga akan membengkokkan tabungyang dihasilkan [12]. Beberapa peneliti telah melakukansintesis material CNT dengan metode spray pyrolysispada suhu antara 800 °C hingga 900 C dan menghasilkanmaterial CNT dengan ukuran tabung berkisar antara20 nm hingga 80 nm [10,13-15].Gambar 4 menunjukkan citra SEM materialCNT yang disintesis pada suhu 900 °C denganberbagai perbandingan komposisi ferrocene terhadapbenzene sebesar (a) 1,5/50 g/mL, (b) 3/50 g/mL dan(c) 4,5/50 g/mL. Secara keseluruhan pada ketigakomposisi yang diberikan telah menghasilkan materialCNT dengan ukuran tabung di bawah 100 nm. Namundemikian khusus untuk perbandingan komposisiferrocene terhadap benzen sebesar 1,5/50 g/mL(Gambar 4 (a)) masih dihasilkan ukuran tabung nano yangrelatif belum homogen. Pada komposisi 3/50 g/mL(Gambar 4 (b)) maupun 4,5/50 g/mL (Gambar 4 (c)) telah(b)(c)(d)Gambar 3. Citra SEM material carbon nanotubes yang disintesis pada suhu a)700 o C, b) 800 o C, c) 900 o C dan d) 1000 o C217

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials ScienceEdisi Khusus Desember 2008, hal : 215 - 220ISSN : 1411-1098(a)(b)(c)Gambar 4. Citra SEM material CNT yang dihasilkan dengan perbandingan komposisiferrocene terhadap benzen sebesar (a) 1,5/50 g/mL, (b) 3/50 g/mL dan (c) 4,5/50 g/mL.dihasilkan ukuran tabung nano dengan diameter relatiflebih homogen, walaupun pada komposisi 4,5/50 g/mL(Gambar 4 c) dihasilkan tabung nano yang relatif pendekpendekatau terputus. Dengan demikian kondisi optimumyang dihasilkan adalah pada komposisi 3/50 g/mL.Proses pemurnian dilakukan denganmenggunakan asam kuat (HNO 3) bertujuan untukmenghilangkan pengotor-pengotor yang berada padamaterial carbon nanotubes, di antaranya adalah logamFe, sisa ferrocene dan sisa benzen yang tidak terpirolisis.Pemurnian menggunakan asam merupakan metode yangcukup efektif dan efisien untuk menghilangkan pengotorpengotoryang menempel pada carbon nanotubes.Larutan HNO 3dipilih sebagai larutan pencuci karenasifatnya asam kuat, zat pengoksidasi kuat yang mudahterionisasi menjadi H + dan NO 3- , mudah menguap dantidak melarutkan atau merusak struktur carbonnanotubes yang dimurnikan. Pemurnian carbonnanotubes menggunakan metode asam dapatmengurangi Fe yang menempel pada ujung permukaanacarbon nanotube. Selain itu, pemurnian dengan asamjuga mampu mengurangi karbon-karbon yang tidakberbentuk nanotubes [16].Gambar 5 menunjukkan citra SEM material CNTsetelah dilakukan pemurnian dengan variasi konsentrasilarutan HNO 3masing-masing sebesar 25%, 45%, 65%dan 85%. Pada prinsipnya pencucian material CNTdengan larutan HNO 3tidak akan merubah ukuran tabungyang telah dihasilkan. Terlihat bahwa ukuran tabungrata-rata hampir sama untuk pencucian dengan berbagaivariasi konsentrasi HNO 3. Oleh karena itu pengaruhpencucian ini selanjutnya dicek dengan analisis EDSpada masing-masing material CNT tersebut.Gambar 6 menunjukkan hasil analisis EDS darimaterial CNT yang dicuci dengan larutan HNO 3dengankonsentrasi masing-masing 25%, 45%, 65% dan 85%.Hasil analisis masing-masing perlakuan ini selanjutnyadapat dibandingkan dengan melihat unsur-unsur yangterkandung di dalamnya seperti yang ditunjukkanpada Tabel 1.bcdGambar 5. Citra SEM material CNT setelah dilakukan pemurnian denganvariasi konsentrasi masing-masing sebesar a) 25%, b) 45%, c) 65% dan d) 85%218

Optimasi Sintesis Carbon Nanotubes yang Difabrikasi dengan Menggunakan Metode Spray Pyrolysis (A. Subagio)Tabel 1. Hasil karakterisasi EDS pemurnian material CNT denganberbagai konsentrasi larutan.Konsentrasi HNO 3Persentase AtomC O FeTanpa pencucian 83,39 8,09 8,5225 % 83,29 7,13 9,5845 % 90,12 3,99 5,8965 % 90,28 5,21 4,5185 % 85,16 7,48 7,36Dari hasil karakterisasi EDS tersebut terlihatbahwa pemurnian dengan HNO 3yang optimum adalahdengan menggunakan konsentrasi HNO 3sebesar 45%dan 65%, dimana penurunan kadar Fe relatif lebih banyakdibandingkan jika menggunakan konsentrasi HNO 3sebesar 25% dan 85%.Pemurnian dengan menggunakan larutan HNO 3encer (25%, 45% dan 65%) kemungkinan akan membuatlogam Fe teroksidasi menjadi Fe 2+ , sehingga ion logamFe 2+ tersebut akan mudah larut dalam larutan asamtersebut dan Fe yang menempel pada carbon nanotubesakan dapat dipisahkan, namun demikian untuk larutanHNO 325% belum dapat melarutkan ion logam Fe 2+ secaraefektif. Reaksi kimia di bawah ini menunjukkan prosesoksidasi yang terjadi [17]:4Fe + 10H + + NO 3-4Fe 2+ + NH 4++ 3H 2OSedangkan penggunaan asam nitrat pekat(HNO 385%) hanya mampu mengurangi sedikit sekalilogam Fe yang menempel pada carbon nanotubes.Hal ini karena HNO 3pekat hanya akanmenyebabkan logam Fe menjadi bersifat pasif, dimanasifat pasif dari logam tersebut disebabkan karenalogam tertutupi oleh lapisan oksida yang merintanginya[17], sehingga hanya sedikit logam Fe yang bisadipisahkan.Peneliti sebelumnya telah melakukan studiterkait pemurnian material CNT dengan pencucianmenggunakan HNO 3selama 43 jam pada suhu ruangdengan sebelumnya dilakukan penganilan di suhu600 °C pada kondisi vakum [18]. Penggunaanperlakuan secara fisik seperti etsa menggunakan plasmahidrogen [19], gelombang ultrasonik [20] maupungelombang mikro [21] di dalam proses pemurnianjuga dapat mengurangi logam-logam katalis yangmasih tersisa. Bahkan kedua perlakuan baik fisikmaupun kimiawi pada proses pemurnian materialCNT dapat dilakukan secara berturutan dengantujuan untuk mendapatkan tingkat kemurnian yanglebih tinggi.abcdGambar 6. Hasil analisis EDS dari material CNT yang dicuci dengan (a) HNO 325 %, (b) HNO 345 %,(c) HNO 365 % dan (d) HNO 385 %.219

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials ScienceKESIMPULANDari hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwasuhu optimum sintesis material CNT dengan metodespray pyrolysis yang dilakukan adalah sebesar 900 Cdengan perbandingan komposisi ferrocene terhadapbenzen sebesar 3/50 g/mL. Pemurnian material CNT yangoptimum dilakukan dengan pencucian HNO 365%didasarkan dari hasil SEM maupun EDS yang ditunjukkandengan adanya keseragaman ukuran tabung danpengurangan Fe yang paling besar.UCAPAN TERIMAKASIHPenulis ucapkan terimakasih kepada DirektoratJenderal Pendidikan Tinggi melalui proyek penelitianHibah Bersaing no: 014/SP2H/PP/DP2M/III/2007 yangtelah membiayai penelitian ini.DAFTARACUAN[1]. A. JAVEY, J. GUO, Q. WANG, M. LUNDSTROMand H. DAI, Nature, 424 (2003) 654[2]. R.J. CHEN, S. BANGSARUNTIP, K.A.DROUVALAKIS, K.N.W. SHI, M. SHIM,Y. LI, W.KIM and P.J. UTZ, Proc. Natl. Acad. Sci., USA 97,(2003)85[3]. CH. EMMENEGGER, PH. MAURON, P. SUDAN,P. WENGER, V. HERMANN, R. GALLAY andA. ZUTTEL, J. Power Sources, 124 (2003) 321[4]. A. ODANI,A.NIMBERGER, B. MARKOVSKY, E.SOMINSKI, E. LEVI, V.G. KUMAR, M. MOTIEI,A. GEDANKEN, P. DAN and D. AURBACH,J. Power Sources, 119-121 (2003) 517[5]. D. ZHANG, L. SHI, J. FANG and K. DAI, Mater.Lett., 60 (2006) 360[6]. K. DAI, L. SHI, D. ZHANG, and J. FANG,Chem. Eng. Sci., 61 (2006) 428[7]. N. SHANKAR, Y.M-. FENG, S.P. VANKA andN.G. GLUMAC, Mater. Lett., 60 (2006) 771[8]. C. JOURNET, W. K. MASER, P. BERNIER,A. LOISEAU, M. L. DELACHAPELLE ,S. LEFRANT, P. DENIARD, R. LEE and J.E.FISCHER, Nature, 388 (1997) 756[9]. M.ABDULLAH, F. ISKANDAR, and OKUYAMA,Simple Fabrication of Carbon Nanotubes fromEthanol Using an Ultrasonic Spray Pyrolysis, Proc.ITB Eng. Sci., 36B (2004) 125[10]. C.P. DECK and K. VECCHIO, Carbon, 44 (2006)267[11]. K. MYLVAGANAM and L. C. ZHANG, RecentPatents on Nanotechnology, 1 (2007) 59-65[12]. S. TIPPAWAN, T. UDOM and P. SUPAKORN, TheEffect of Temperature on the Growth of CarbonNanotubes by Catalytic Chemical VaporDepositio, Department of Physics, UbonRatchathani University, Ubon Ratchathani, 34190,Thailand, (2005)Edisi Khusus Desember 2008, hal : 215 - 220ISSN : 1411-1098[13]. Z.E. HORVATH, K. KERTESZ, L. PETHO,A.A. KOSS, L. TAPASZTO, Z. VERTESY,Z. OSVATH,A. DARABONT, P. NEMES-INCZE,Z. SARKOZI, L.P. BIRO, Current Applied Physics,6 (2006)135-140[14]. B. XIANG,Y. ZHANG, T.H. WANG, J. XU, D.P.YU,Materials Letters, 60 (2006) 754-756[15]. L. CI, J. BAI, Composite Science and Technology,66 (2006) 599-603[16]. J. E HERERA, D. E. RESASCO, In Situ Tpo/RamanTo Characterize Single-Walled CarbonNanotubes, School of Chemical Engineering andMaterials Science, University of Oklahoma, 100East Boyd St., Room T335, Norman, OK 73019,USA, (2003)[17]. VOGEL, Analisis Anorganik Kualitatif Makro danSemimikro, Edisi ke-5, PT. Kalman Media Pustaka,Jakarta (1990)[18]. E.B. PALEN, T. PICHLER, X. LIU, M. KNUPFER,A. GRAFF, O. JOST, W. POMPE, R.J.KALENCZUK, J. FING, Chemical Physics Letters,B 106 (14) (2002) 3543-3545[19]. HOU, P. XIANG, C. LIU, Y. TONG, M. LIU, H.M.CHENG, Journal of Material Research, 16 (9)(2001)2526-2529[20]. K.B.SHELIMOV,R.O.ESENALIEV,A.G.RINZLER,C.B. HUFFMAN, R.E. SMALLEY, ChemicalPhysics Letter, 282 (1998) 429-434[21]. A.R. HARUTYUNYAN, B.K. PRADHAN, J.P.CHANG, G.G. CHEN, P.C. EKLUND, Journal ofPhysics Chemistry B, 106 (34) (2001) 1157-1161220