SINTESIS NANOMATERIAL CARBON NANOTUBES (CNT) MENGGUNAKAN METODE SPRAY PYROLYSIS

MAKALAH

Disusun untuk Memenuhi Tugas pada Mata Kuliah Sintesis Anorganik Semester Lima

yang Diampu oleh Bapak Pardoyo, S.Si, M.Si

OLEH:

Nurmanita Rismaningsih 24030112130087Isharyanti 24030112130132Selina Shofia Kumila 24030112130134

Alfiyatur Rohmah 24030112140135

JURUSAN KIMIAFAKULTAS SAINS DAN MATEMATIKA

UNIVERSITAS DIPONEGOROSEMARANG

2014

KATA PENGANTAR

Puji syukur penyusun panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena

atas rahmat-Nya maka penyusun dapat menyelesaikan penyusunan makalah yang

berjudul “Sintesis Nanomaterial Carbon Nanotubes (CNT) Menggunakan Metode

Spray Pyrolysis”.

Penyusunan makalah ini merupakan salah satu tugas dan persyaratan

untuk menyelesaikan tugas mata pelajaran Sintesis Anorganik di Universitas

Diponegoro. Dalam penyusunan makalah ini penyusun menyampaikan ucapan

terima kasih kepada :

1. Bapak Pardoyo, S.Si, M.Si selaku dosen pengampu mata kuliah Sintesis

Anorganik.

2. Rekan-rekan semua yang mengikuti perkuliahan Sintesis Anorganik.

3. Keluarga yang selalu mendukung penyusun.

4. Semua pihak yang ikut membantu penyusunan makalah “Sintesis

Nanomaterial Carbon Nanotubes (CNT) Menggunakan Metode Spray

Pyrolysis”, yang tidak dapat penyusun sebutkan satu per satu.

Dalam penyusunan makalah ini, penyusun merasa masih banyak

kekurangan baik pada teknis penyusunan maupun materi, mengingat akan

kemampuan yang dimiliki penyusun. Untuk itu kritik dan saran dari semua pihak

sangat penyusun harapkan demi penyempurnaan pembuatan makalah ini.

Semarang, Desember 2014

Penyusun

DAFTAR ISI

Halaman Judul............................................................................................................ i

Lembar Pengesahan................................................................................................... ii

Daftar isi…................................................................................................................. iii

BAB I PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang...................................................................................................1I.2 Rumusan masalah..............................................................................................2I.3 Tujuan Penulisan................................................................................................3I.4 Manfaat Penulisan..............................................................................................3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

II.1 Nanomaterial.....................................................................................................4 II.2 Carbon Nanotube (CNT)..................................................................................4

II.3 Metode Spray Pyrolisis.....................................................................................5 II.4 Kegunaan CNT.................................................................................................5 II.5 Karakteristik CNT............................................................................................6

BAB III PEMBAHASANBAB IV PENUTUP

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Nanoteknologi di dunia saat ini berkembang begitu pesat. Saat ini,

nanoteknologi merupakan bidang penelitian yang sangat diminati untuk dikaji

secara lebih mendalam. Hal ini disebabkan oleh aplikasi nanoteknologi yang

mampu merambah ke berbagai aspek, seperti bidang elektronika, material,

biologi, kimia, kedokteran, militer dan lain-lainnya telah membuat nanoteknologi

semakin popular dan menjadi trend teknologi saat ini (Subagio dkk, 2013).

Nanoteknologi merupakan teknologi rekayasa material dalam skala nanometer

(nm) atau 10-9 m atau sepersemilyar meter. Suatu material yang berukuran

nanometer akan memiliki sifat atau karakteristik yang spesial dan dinilai lebih

efektif dalam penggunaannya di berbagai bidang. Salah satu nanomaterial yang

dapat diaplikasikan diberbagai bidang adalah carbon nanotubes (CNT)

Sejak ditemukan oleh Iijima, CNT mulai menarik perhatian para peneliti

untuk mengembangkannya karena mempunyi sifat mekanik. Magnetik dan

elektronik yang unik. Karena keunikan sifat tersebut menjadikan CNT

mempunyai keunggulan dan potensi yang besar untuk diaplikasikan di berbagai

bidang diantaranya: divais nanoelektronik, penyimpan hydrogen, superkapasitor,

dan lain-lain (Noor dkk, 2008).

Beberapa metode yang sudah ada untuk mensintesis CNT diantaranya

adalah electric discharge, laser ablation, chemical vapor deposition (CVD) dan

spray pyrolysis. Pembuatan CNT dengan menggunakan metode electric discharge

dan laser ablation menghasilkan kualitas yang baik dan kemurnian yang tinggi

namun memerlukan biaya yang besar dalam proses produksinya. Metode CVD

dapat menghasilkan CNT dengan kualitas yang baik dan biaya produksi yang

murah. Prinsipnya adalah dekomposisi termal senyawa hidrokarbon dengan

bantuan katalis partikel metal. Spray pyrolysis merupakan metode pembuatan

CNT yang sederhana namun dapat menghasilkan CNT dengan kualitas yang baik,

menggunakan benzene dan ferrocene yang kemudian diinjeksikan ke dalam

tungku pemanas. Metode ini juga dapat dilakukan di laboratorium Fakultas Sains

dan Matematika Universitas Diponegoro.

1.2 Rumusan Masalah

Rumusan masalah dalam penulisan ini adalah:1. Bagaimana karakteristik CNT?2. Bagaimana langkah kerja sintesis CNT dengan menggunakan metode

Spray Pyrolysis?

1.3 Tujuan Penulisan

Tujuan penulisan ini adalah untuk merancang metode kerja untuk mensintesis nanomaterial CNT dengan menggunakan spray pyrolysis.

1.4 Manfaat Penulisan

Manfaat dari penulisan ini adalah menjadi studi pustaka mengenai sintesis nanomaterial CNT menggunakan metode spray pyrolysis.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Nanomaterial

Nanomaterial adalah bidang ilmu material dengan pendekatan berbasis

nanoteknologi. Nanoteknologi adalah pembuatan dan penggunaan materi atau

devais pada ukuran sangat kecil. Materi atau devais ini berukuran antara (1–

100) nanometer. Satu nm sama dengan satu-per-milyar meter (0.000000001

m), yang berarti 50.000 lebih kecil dari ukuran rambut manusia. Ukuran (1–

100) nm ini disebut juga dengan skala nano (nanoscale). Jadi, dapat

disimpulkan bahwa nanomaterial itu adalah bahan atau material yg berukuran

sangat kecil (skala nano) yaitu 1-100 nm.

Secara umum dapat disimpulkan sifat dari nanomaterial yang berkaitan

dengan atom permukaan adalah sebagai berikut:

1. Nanomaterial memiliki luas permukaan yang besar serta jumlah atom

dipermukaan yang besar.

2. Memiliki energi permukaan dan tegangan permukaan yang tinggi.

3. Permukaan dari partikel kristalin dengan ukuran nano cenderung

membentuk faset (permukaan yang tergosok rata)

4. Bidang faset cenderung tersusun dari bidang yang paling rapat.

5. Permukaan bersifat sangat reaktif dan mudah teroksidasi.

6. Perhatian perlu diberikan ketika menyimpan logam partikel nano

karena bisa terjadi ledakan.

2.2 Carbon Nanotubes (CNT)

Carbon nanotube (CNT) adalah sebuah bentuk kristal baru dari gugus

karbon, yang tersusun dari beberapa atom karbon berbentuk pipa dengan

diameter beberapa nanometer.

Sifat lain dari CNT adalah material ini memiliki nilai modulus Young

dan kekuatan meregang yang tinggi. Kedua sifat mekanik ini menyebabkan

CNT merupakan material yang sangat keras dan kuat tetapi mudah

dibengkokkan. Sebuah eksperimen dari Stanford University bahkan

melaporkan bahwa CNT mampu dibengkokkan sampai 1.200 dan

dikembalikan ke bentuk semula tanpa kerusakan sedikitpun. Sifat mekanik ini

akan membuat penghantar listrik yang dibuat dari bahan CNT akan memiliki

kelenturan yang tinggi, yang memungkinkan fleksibilitas dalam

pemakaiannya akan jauh lebih tinggi dibandingkan dengan jenis penghantar

tegangan tinggi yang ada saat ini (Yuliarto, 2003).

Gambar: Struktur tiga dimensi Carbon nanotube

2.3 Metode Spray Pyrolysis

Beberapa metode dikembangkan untuk menghasilkan nanotube karbon

dengan kualitas yang unggul di antaranya electric arc discharge, laser

ablation, dan catalytic chemical vapour deposition (CCVD). Aplikasi CNT

dalam Industri memerlukan produksi CNT dalam skala besar sehingga sangat

diharapkan CNT dapat diproduksi dengan biaya murah. Pembuatan CNT

dengan menggunakan metode arc discharge dan laser ablation menghasilkan

kualitas yang baik dan kemurnian yang tinggi namun memerlukan biaya yang

besar dalam proses produksinya sehingga tidak efektif untuk diproduksi

dalam jumlah besar dalam skala industri. Dari hasil beberapa penelitian,

dilaporkan bahwa pembuatan CNT dengan menggunakan metode CCVD

dapat menghasilkan nanotube karbon dengan kualitas yang baik dan biaya

produksi yang murah. Prinsip penumbuhan nanotube karbon dengan metode

CCVD adalah dekomposisi termal senyawa hidrokarbon dengan bantuan

katalis partikel metal (Noor dkk, 2009).

Spray pyrolysis merupakan salah satu tipe dalam metode CCVD dimana

sumber karbon dalam bentuk hidrokarbon cair berperan sebagai pelarut

katalis yang kemudian larutan tersebut diinjeksikan ke dalam tungku

pemanas. Spray pyrolysis merupakan metode yang sederhana dalam

menghasilkan CNT dengan kualitas yang baik, biaya produksi yang murah,

dan dapat diproduksi dalam skala besar (Noor dkk, 2009).

Beberapa keuntungan menggunakan proses spray pyrolysis adalah tidak

perlunya substrat katalis maupun gas hidrogen sebagai pembawa (carrier),

suhu pirolisis yang relatif rendah, tidak perlu pemvakuman sehingga

merupakan metode yang sederhana untuk diterapkan. Meskipun metode ini

lebih sederhana dibandingkan dengan metode CVD maupun laser ablation,

namun demikian diprediksi dapat digunakan untuk memproduksi material

CNT dalam skala yang besa alam bentuk serbuk. Material CNT dalam bentuk

serbuk dapat dijadikan sebagai material komposit yang mempunyai sifat lebih

ringan, konduktivitas listrik yang tinggi maupun modulus elastisitas sampai

orde TPa dibandingkan material lainnya (seperti, aluminium, tembaga, emas,

maupun silikon karbida). Dengan sifat-sifat yang dimiliki tersebut, maka

material CNT ini dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan (Subagio dkk,

2007).

2.4 Kegunaan CNT

Pada saat ini material carbon nanotubes (CNT) telah banyak

diaplikasikan untuk berbagai keperluan,misalnya untuk membuat divais

elektronik seperti transistor CNT- FET, biosensor, superkapasitor, baterai

atau penyimpan energi, maupun sebagai elektroda pada sistem elektrokimia

untuk desalinasi. Studi mengenai carbon nanotubes (CNT) telah berkembang

dengan cepat sebagai bagian dari riset nanoteknologi dewasa ini. Material ini

diketahui mempunyai sifat-sifat elektronik dan mekanik yang unik, dimana

tersusun dari unsur karbon (C) yang keberadaanya di alam diketahui sangat

melimpah dan diharapkan bisa menjadi material yang memiliki banyak

aplikasi (Subagio dkk, 2007).

Selain itu, kegunaan CNT yaitu CNT dengan doping nitrogen untuk sel

bahan bakar yang murah, sebagai baterai kertas, memori  nonvolatile

berbasis CNT dengan lapisan oksida–nitrida–oksida sebagai charge trap.

2.5 Karakteristik CNT

a) Reaktivitas kimia

Reaktivitas kimia karbon nanotube akan meningkat sebanding

dengan hasil kenaikan arah kurvatur permukaan karbon nanotube. Oleh

karena itu, reaktifitas kimia pada bagian dinding karbon nanotube akan

sangat berbeda dengan bagian ujungnya. Diameter karbon nanotube yang

lebih kecil akan meningkatkan reaktivitas.

b) Sifat listrik dan konduktivitas elektrik

Karbon nanotube dengan diameter yang lebih kecil dapat menjadi

semi konduktor atau menjadi metalik tergantung pada vektor khiral.

Perbedaan konduktifitas ini disebabkan oleh struktur molekul.

Berdasarkan teori zat padat, para fisikawan berhasil memperoleh

fakta bahwa CNT memiliki kelakuan listrik yang “ganda”, yaitu sebagai

logam atau semikonduktor. Jika (n–m)/3 merupakan bilangan bulat, maka

CNT bersifat logam, sedangkan jika (n–m)/3 bukan bilangan bulat, maka

CNT bersifat semikonduktor. Menarik sekali karena ternyata kemampuan

hantaran listrik CNT, apakah sebagai logam atau semikonduktor, hanya

bergantung pada geometrinya.

Keunikan sifat listrik CNT pada dasarnya merupakan ‘turunan’

sifat dari struktur elektronik yang tidak biasa dari graphene dengan ikatan

karbon sp2. Graphene memiliki keadaan yang mampu menghantarkan

listrik dengan tingkat energi yang ada di perbatasan struktur elektronik.

Keadaan ini biasa disebut zero bandgap semiconductor atau semimetal

karena bersifat logam (konduktor) pada arah tertentu dan semikonduktor

pada arah lainnya.

Gambar : Geometri CNT

c) Kekuatan mekanik

Karbon nanotube mempunyai modulus Young yang sangat besar

pada arah aksialnya. Nanotube menjadi sangat fleksibel karena ukurannya

yang panjang. Karbon nanotube sangat potensial untuk aplikasi material

komposit sesuai dengan kebutuhan.

BAB III

PEMBAHASAN

3.1. Sintesis Nanomaterial Carbon Nanotubes (CNT) Menggunakan Metode Spray

Pyrolysis

Sintesis CNT dengan menggunakan metode spray pyrolysis membutuhkan

alat dan bahan sebagai berikut:

Alat :

Sistem spray pyrolysis

Sistem reflux yang digunakan untuk proses pemurnian CNT

Bahan:

ferrocene

Benzene

Larutan HNO3

Prosedur sintesis CNT menggunakan metode spray pyrolysis dilakukan

dengan menggunakan sistem reactor spray pyrolysis yang ditampilkan pada

gambar:

Sistem spray pyrolysis Sistem reflux

Gambar 1. Sistem reaktor spray pyrolysis yang digunakan dalam eksperimen.

Reaktor terdiri dari tungku pemanas dengan panjang 39 cm yang dilengkapi

dengan lapisan keramik dengan diameter 6,5 cm, pipa stainless steel dengan

panjang 143 cm dan lebar 2 cm. Alat suntik digunakan sebagai pembuat droplet

dengan kapasitas 10 ml. Dalam penumbuhan serbuk nanotube karbon, benzene

(C6H6, BR-0220 TEDIA) digunakan sebagai sumber karbon dan ferrocene

(Fe(C5H5)2) dengan kemurnian 98% Aldrich) sebagai katalis. Benzene dipilih

sebagai sumber karbon karena memiliki struktur hexagonal sehingga

memungkinkan nanotube karbon mudah terbentuk. Sedangkan ferrocene dipilih

sebagai katalis karena bersifat mudah larut dalam senyawa hidrokarbon.

Eksperimen dilakukan dengan memvariasikan massa ferrocene dalam 10 ml

benzene pada temperatur 850 °C.

Larutan benzene -ferrocene disemprotkan ke dalam pipa pemanas dengan

menggunakan alat suntik tanpa bantuan gas pembawa pada saat temperatur telah

mencapai 850 °C. Diharapkan larutan terperangkap di daerah panas. Oleh karena

itu posisi pipa diatur sedemikian rupa sehingga droplet jatuh di tempat yang

diharapkan. Lebar pipa yang hanya memiliki diameter 2 cm menyisakan celah

yang cukup lebar dari lapisan keramik pemanas. Untuk itu digunakan lapisan

isolator yang bertujuan untuk menahan panas agar tidak merambat ke sisi pipa di

luar tungku pemanas sehingga terjadi pemanasan optimal di dalam pipa. Setelah

larutan disemprotkan kemudian temperatur diturunkan hingga mencapai

temperatur ruang.

Hasil serbuk yang didapat kemudian dikarakterisasi dengan menggunakan

SEM (Scanning electron Microscope) (JEOL JSM-6360 LA) dan EDX (Energy

Dispersive X-Ray) analysis.

Hal ini menunjukkan bahwa pemberian sedikit massa ferrocene

menyebabkan tidak terbentuknya nanotube karbon. Serbuk nanotube karbon

dengan diameter 40-90 nm diperoleh dengan penambahan ferrocene dengan massa

0,6 gram dalam 10 ml benzene. Diketahui bahwa partikel katalis memiliki peranan

penting dalam penumbuhan nanotube karbon. Ukuran partikel katalis sangat

berpengaruh pada diameter nanotube karbon yang terbentuk dimana diameter

nanotube karbon yang terbentuk semakin membesar seiring dengan penambahan

konsentrasi ferrocene. Dari gambar terlihat bahwa semakin besar massa ferrocene

yang ditambahkan pada 10 ml benzene, semakin besar pula diameter nanotube

karbon yang terbentuk hingga mencapai di atas 100 nm. Hasil yang didapat

menegaskan bahwa atom Fe dalam ferrocene adalah kunci yang memegang

peranan penting dalam proses pembentukan nanotube karbon.

Dalam pembentukan nanotube karbon, katalis memiliki peranan penting di

antaranya mengkatalisasi proses dehidrogenasi molekul benzene sehingga

menghasilkan ikatan heksagonal yang terdiri dari atom C. Ferrocene dengan

sifatnya sebagai katalis diketahui dapat menambah jumlah nanotube karbon yang

terbentuk. Selain itu ferrocene larut dalam senyawa non polar sehingga

menjadikan ferrocene sebagai kandidat utama katalis dalam pembentukan

nanotube karbon. Ferrocene akan terdekomposisi menjadi nanopartikel Fe dimana

akan berperan sebagai awal mula membentuk struktur tubular pada nanotube

karbon.

Dalam metode spray pyrolysis, nanotube karbon terbentuk dengan adanya

proses dekomposisi senyawa hidrokarbon sebagai sumber karbon dengan bantuan

metal transisi sebagai katalis. Senyawa hidrokarbon merupakan senyawa yang

paling sering digunakan sebagai sumber karbon dalam pembuatan nanotube

karbon. Benzene dengan struktur kimia berbentuk heksagonal menjadikan

senyawa ini menjadi senyawa yang sering digunakan dalam membuat nanotube

karbon dibandingkan dengan senyawa hidrokarbon lainnya. Kumpulan heksagon -

heksagon ini nantinya akan membentuk lembaran grafit yang kemudian tergulung

membentuk nanotube karbon.

Beberapa peneliti telah memodelkan mekanisme penumbuhan nanotube

karbon meskipun demikian mekanisme penumbuhan nanotube karbon masih

belum dapat dipahami secara mendalam meskipun sudah banyak kemajuan dalam

penelitian nanotube karbon.

Dalam spray pyrolysis, larutan benzene-ferrocene masuk ke dalam tungku

pemanas dalam fasa cair berupa droplet kemudian berubah menjadi fasa uap

karena adanya proses pemanasan di dalam tungku. Selama larutan benzene-

ferrocene dipanaskan di dalam tungku, molekul-molekul ferrocene dan benzene

akan putus secara termal kemudian akan terjadi beberapa reaksi diantaranya

dehidrogenasi, kondensasi cincin benzene dan cyclopentadiene, pembukaan cincin

benzene dan cyclopentadiene, agglomerasi atom Fe satu sama lain yang kemudian

membentuk cluster yang ukurannya dapat bertambah selama proses penumbuhan.

Ion Fe+2 akan tereduksi menjadi logam Fe dimana akan mengkatalisasi proses

dehidrogenasi benzene. Molekul-molekul benzene yang terdehidrogenasi tersebut

akan berikatan dengan molekul benzene terdehidrogenasi lainnya membentuk

lapisan grafit di permukaan cluster yang kemudian cluster akan bergerak

membentuk formasi silinder dan berakhir di ujung silinder sampai diameter

silinder yang terbentuk sama dengan dimeter cluster. Kondisi ini berlangsung

pada fasa uap. Ketika temperatur diturunkan terjadilah perubahan fasa menjadi

padat dalam bentuk nanotube karbon. Mekanisme penumbuhan nanotube karbon

tersebut ditunjukkan pada gambar.

Gambar . Mekanisme pembentukan CNT

Material CNT hasil sintesis dengan metode spray pyrolysis selanjutnya

dimurnikan menggunakan larutan HNO3 dengan dua metode, yaitu dicuci biasa

dan direflux. Pencucian biasa dilakukan dengan pengambilan 0,1 gram CNT,

kemudian dimasukkan ke dalam 25 ml larutan HNO3 dengan konsentrasi divariasi

25, 45 dan 65% di dalam gelas beker dan dilakukan pengadukan. Selanjutnya

didiamkan selama 30 menit.

Hasil pencucian disaring dengan kertas saring dan residunya dikeringkan

di dalam oven dengan temperatur 120°C selama 1 jam. Pencucian dengan reflux

dilakukan dengan 50 mL larutan HNO3 selama 4 jam pada temperatur 100°C.

Konsentrasi larutan HNO3 yang digunakan adalah 25, 45 dan 65%. Variasi

konsentrasi asam nitrat untuk mengoksidasi Fe pada CNT dilakukan, karena kerja

oksidasi asam nitrat bergantung pada konsentrasinya. Hasil refluks kemudian

disaring dan residunya dicuci menggunakan akuades sampai PH netral. CNT hasil

pemurnian kemudian dikeringkan di dalam oven dengan temperatur 120°C selama

semalam. Hasil pemurnian masing-masing metode selanjutnya dianalisis

menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM) dan Energy Dispersive X-

Ray Spectroscopy (EDS).

BAB V

PENUTUP

A. Simpulan

1. Nanomaterial adalah bidang ilmu material dengan pendekatan

berbasis nanoteknologi. Nanoteknologi adalah teknologi untuk

merekayasa material dalam skala nanometer atau 10-9 m atau satu-

per-semilyar meter (0.000000001 m), yang berarti 50.000 lebih

kecil dari ukuran rambut manusia

2. Sintesis CNT dengan metode Spray Pyrolysis dilakukan dengan

menggunakan bahan Benzene sebagai hidrokarbon pembentuk

CNT dan Ferrocene sebagai katalis pada sistem reactor spray

pyrolysis dengan suhu 850°C.

3. Pemurnian hasil CNT dilakukan dengan larutan HNO3 pada sistem

refluks

B. Saran

1. Sintesis CNT dengan metode spray pyrolisis perlu dilakukan sesuai

prosedur kerja agar CNT memiliki kemurnian yang tinggi.

DAFTAR PUSTAKA

Abdullah, Mikrajuddin. 2006. Pengantar Nanosains. Institut Teknologi Bandung Press. Bandung.

Noor, Fatimah A., Lizi L. Zaenufar, Yulkifli, Mikrajuddin Abdullah, Sukirno, dan Khairurrijal. 2008. Kajian Pembuatan Nanotube Karbon dengan Menggunakan Metode Spray Pyrolysis. Jurnal Nanosains & Nanoteknologi. Institut Teknologi Bandung.

Subagio, Agus, Pardoyo, Priyono, Rike Yudianti, Khasan Rowi, M. Imam Taufiq. 2013. Pemurnian Carbon Nanotubes menggunakan Larutan HNO3 dengan Metode Pencucian Biasa dan Reflux. Jurnal Fisika Indonesia No: 49, Vol XVII.