Tugas Fisika Polimer: Polimer Hibrid dan AplikasinyaM. Hilmi Zulkifli(140310110038)Toni Cahyono(140310120004)

Polimer Hibrid: Organik-Anorganik / Anorganik-OrganikBerdasarkan asalnya, polimer dibedakan menjadi biopolimer, polimer organik dan polimer anorganik. Polimer organik memiliki beberapa keunggulan seperti kemudahan pembuatan, kemudahan pemrosesan, fleksibilitas dan sifat fungsional. Di lain pihak, polimer anorganik memiliki kestabilan dalam suhu tinggi, transparan dan kestabilan mekanik yang tinggi. Apabila bahan polimer organik dan anorganik tersebut digabungkan, maka diharapkan akan dihasilkan bahan yang memiliki gabungan keunggulan dari kedua bahan tersebut. Dibawah ini terdapat beberapa contoh polimer hibrid beserta aplikasinya:

1. SiO2/polyvinylimidazole (PVI)Polimer hibrid disintesis dengan metode sol-gel dan polimerisasi radikal bebas. Struktur kimia Polimer dihasilkan hibrid (SiO2PVI) dikukuhkan oleh Fourier transform Spektroskopi Inframerah (FTIR). Analisis termal menunjukkan bahwa polimer terdiri dari organik/anorganik rasio 28:72 wt/wt%. Scanning electron microscopy (SEM) dan analisis unsur (EDS) mengungkapkan partikel agregat dan permukaan kasar dan menunjukkan bahwa polimer primer terdiri dari SiO2. Polimer hibrid dianalisis menggunakan FT-IR, dan stabilitas termal ditentukan menggunakan analisis thermogravimetric (TGA).1.1 Sintesis polimer hibrid SiO2PVIPreparasi larutan Sol-gel dengan pencampuran HCl, air, TEOS dan EtOH (1:8:1:8 mol) diaduk dengan magnetic stirer selama 2 jam. Berikutnya, NH4OH (0,42 mol) ditambahkan, dan larutan diaduk selama 24 jam. Partikel SiO2 dibasuh beberapa kali dengan EtOH dan aseton dan kemudian dikeringkan di bawah vakum pada 65C selama 24 jam (Gambar.1a). Untuk fungsionalitas, partikel kering SiO2 dicampur dengan air, NH4OH dan etanol di bawah magnetic stirer untuk 1 jam. Segera, VTEOS ditambahkan ke larutan, yang kemudian diaduk selama 24 jam. Partikel fungsional dibasuh beberapa kali dengan EtOH dan aseton dan kering di bawah vakum pada 65 C selama 24 jam (Gambar.1b).Campuran (1:1 wt/wt) partikel vinil dan N-vinylimidazole (N-VI) monomer ditempatkan ke dalam labu tiga leher. Selanjutnya, 80 mL dimethylacetamide (DMAc) dan AIBN (perbandingan monomer 1 wt %, N-VI) ditambahkan. Polimerisasi radikal dilakukan dengan Penghangat Ruangan dan mengaduk campuran ini di refluks (110C) di bawah nitrogen atmosfer selama 24 jam. Selanjutnya, ungrafted PVI dihapus melalui ekstraksi Soxhlet untuk 24 jam dengan DMAc sebagai pelarut (Gambar.1c)

Gambar 1. Penggambaran skema preparasidaripolimer SiO2PVI:(a) preparasi SiO2, (b)SiO2 fungsional, dan(c)polimerisasiradikal bebas N-VIpada permukaanpartikel SiO2.

PolimermemperlihatkankarakteristikyangcocokuntukdigunakansebagaiSorbentdalam ekstraksi fasa padat. Polimer hibrid disintesis dan memiliki kinerja yang baik untuk ekstraksi MSPD pestisida organophosphorus.Oleh karena itu,SiO2PVI berpotensiuntukditerapkanpada ekstraksisampel MSPDdananalisislainnya.

2. MEH-PPV/ZnOPolyphenylene vinylene memiliki kemampuan electroluminescence, mengarah ke aplikasi berbasis polimer organik LED. PPV juga digunakan sebagai lapisan pertama yang memancarkan cahaya pada LED. Perangkat berbasis PPV memancarkan cahaya kuning-hijau, dan turunan PPV sering diperoleh untuk digunakan keperluan warna yang berbeda. Kehadiran sejumlah kecil oksigen, singlet oksigen dibentuk selama proses berlangsung, dengan transfer energi dari molekul polimer tereksitasi ke molekul oksigen. Oksigen radikal ini kemudian menyerang struktur polimer, sehingga menyebabkan degradasi. Karena itu pencegahan khusus harus dilakukan selama pembuatan PPV untuk mencegah kontaminasi oksigen.PPV juga digunakan sebagai bahan donor elektron dalam sel surya organik. Meskipun perangkat berbasis PPV memiliki penyerapan dan photodegradation yang rendah, PPV dan turunannya (terutama MEH-PPV dan MDMO-PPV) ditemukan banyak aplikasi dalam penelitian.

Gambar 2. Struktur kimia polimer organik MEH-PPV.

Sel surya hibrid polimer adalah perpaduan polimer terkonjugasi dan bahan organik yang berfungsi secara terpisah sebagai donor elektron dan partisipan elektron. Dalam beberapa tahun terakhir, polimer, hibrida surya telah menarik cukup perhatian karena ketersediaan bahan baku dan relatif mudah dan rendah biaya pengolahan. Luas berbagai nanomaterials anorganik, termasuk TiO2, ZnO, CdSe, PbSe dan PbS, telah digunakan sebagai donor electron. Dari jumlah tersebut, bahan nanozinc oksida telah dianggap sebagai donor elektron yang sangat baik karena memiliki mobilitas elektron tinggi (sekitar 10-1-10-3 cm2 V-1 s-1 sampai ZnO nanopartikel film dan >100 cm2 V-1 s-1 sampai bulk ZnO) dan memiliki perbedaan tingkat energi >0.3 eV dengan sebagian donor polimer, yang memungkinkan pemisahan excitons ke pembawa muatan bebas efisien.Diantara bahan nanostructure ZnO, dimensi ZnO nanorods telah menjadi fokus penting karena menyediakan saluran langsung untuk transport elektron ke elektroda. Adapun polimer, rantai juga memperbolehkan untuk muatan menyelaraskan diri tegak lurus dengan substrat, mengarah ke difusi excitons yang lebih baik dan transport muatan dalam polimer terkonjugasi. Efisiensi ZnO nanorods/polimer sel surya masih rendah dan membutuhkan pengembangan lebih lanjut. ZnO nanorods dengan tebal yang tepat pertama kali disintesis pada substrat indium oksida seng (ITO) menggunakan metode hydrothermal. Larutan Poli [1-methoxy-4-(2-ethylhexyloxy-2,5-phenylenevinylene)] (MEH-PPV) kemudian disaring sejajar vertikal ZnO nanorods untuk membentuk lapisan aktif bulk-heterojunction sel surya hibrid. ZnO nanorods digunakan sebagai transport elektron, dengan tipe-p polimer terkonjugasi MEH-PPV sebagai penyerap cahaya dan hole konduktor.

3. P3HT/ZnO3.1 Poly(3-Hexylthiophene)Poly(3-hexylthiophene) atau yang biasa disingkat P3HT merupakan salah satu bahan penyusun sel surya hibrid yang cukup menjanjikan. Tergolong ke dalam material kopolimer sebagai donor elektron dengan bentukan fullerene yang paling efisien. P3HT merupakan keluarga polythiophene yang bersifat konduktif. Eksitasi dari elektron pada orbit- di dalam P3HT menghasilkan efek fotovoltaik pada divais sel surya hibrid.

Gambar 3. Struktur kimia polimer organic P3HT.

P3HT juga termasuk ke dalam jenis polimer terkonjugasi yang mudah untuk difabrikasi dari bentuk larutan ke berbagai macam substrat. P3HT memiliki mobilitas hole sebesar 10-1 cm2V-1s-1 dikarenakan oleh susunan yang teratur pada rantainya. Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, mobilitas muatan pada P3HT dapat bervariasi bergantung ukurannya. Terdapat korelasi antara mobilitas efek-medan P3HT dengan berat molekulnya. Hal ini ditunjukkan oleh meningkatnya nilai mobilitas dari 1,7x10-6 menjadi 9,4x10-3 cm2V-1s-1 seiring dengan bertambahnya berat molekul P3HT dari 3,2 menjadi 36,5 kD. Akan tetapi penambahan berat molekul ini juga berpengaruh signifikan terhadap morfologi P3HT pada film.3.2 Nanopartikel Zinc oxide (ZnO)Zinc oxide (ZnO) merupakan salah satu material yang sangat kaya akan variasi nanostruktur. Dalam ilmu alam material, hal ini merupakan kunci untuk pengembangan teknologi. ZnO tergolong ke dalam jenis bahan semikonduktor dengan berbagai properti unggul, seperti transparansi yang tinggi pada daerah cahaya tampak, mobilitas elektron yang tinggi yaitu sebesar 200 cm2V-1s-1 pada temperatur 300 K, pita energi yang besar dengan energi ikat eksiton yang tinggi sebesar 60 meV, dan lain sebagainya. Tidak dapat dipungkiri bahwa ZnO merupakan bahan logam oksida yang sangat banyak digunakan dalam berbagai aplikasi karena merupakan material dengan kombinasi yang unik dan menarik, seperti tidak beracun, konduktivitas elektron yang baik (ditunjukan oleh nilai mobilitas elektron yang tinggi) dan menawarkan harga yang murah. ZnO menjadi material penting dengan proses sintesis yang mudah, menawarkan beragam arsitektur pada materialnya, bahannya dapat dengan mudah untuk diperoleh dan dapat digunakan dalam produksi skala besar.Material polimer terkonjugasi yang baik digunakan dalam sel surya hibrid adalah polimer yang mudah diproses dan memiliki nilai energi bandgap yang rendah. Dalam penelitian ini, akan digunakan material poly(3-hexylthiophene) atau P3HT sebagai polimer terkonjugasi (donor) dan Zinc oxide nanopartikel atau ZnO-NP sebagai semikonduktor anorganik (akseptor). Material P3HT dan ZnO akan dicampur dan dijadikan sebagai bahan aktif sel surya hibrid. P3HT dipilih karena karakteristiknya yang memiliki stabilitas yang baik, mobilitas hole yang tinggi dan mudah untuk diproses. Sedangkan material ZnO dipilih karena sifatnya yang ramah lingkungan (tidak beracun), mudah diproses pada temperatur yang cukup rendah dan harganya yang relatif murah dibandingkan dengan akseptor lainnya, serta memiliki mobilitas elektron yang tinggi dengan rekombinasi muatan yang tereduksi saat ZnO digunakan sebagai divais fotovoltaik.