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: santiche@mat-eng.its.ac.id

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.