Sintesis N-Doped Hard Carbon dari pati ganyong termodifikasi dengan proses karbonisasi hidrotermal dan aktivasi termal

Abstract

Ketersediaan logam litium di alam yang terbatas serta jumlah permintaan pasar yang semakin besar merupakan kendala bagi harga lithium-ion batteries (LIB) yang kurang terjangkau. Dewasa ini, sodium-ion batteries (SIB) telah menjadi alternatif paling menjanjikan sebagai pengganti LIB, dengan aplikasi hard carbon sebagai material anoda SIB. Material karbon ini memiliki sifat non-graphitizable dan dapat memuat banyak ion sodium. Selain itu, hard carbon sebagai material anoda baterai perlu memiliki konduktivitas listrik yang tinggi. Peningkatan konduktivitas ini dapat dilakukan dengan modifikasi penambahan unsur nitrogen sehingga dihasilkan material N-doped hard carbon. Pada penelitian ini, dilakukan sintesis N-doped hard carbon dari pati ganyong termodifikasi. Pati ganyong merupakan sumber daya alam lokal Indonesia dengan potensi pemanfaatan yang besar. Pati ganyong tersebut dimodifikasi menggunakan urea sebagai senyawa sumber nitrogen. Selanjutnya, juga diteliti pengaruh jumlah urea serta proses sintesis terhadap sifat N-doped hard carbon yang dihasilkan. Penelitian ini terdiri dari 2 tahap, yaitu tahap sintesis dan karakterisasi N-doped hard carbon. Tahap sintesis dimulai dari modifikasi pati ganyong dengan senyawa urea melalui pemansan microwave untuk penambahan unsur nitrogen. Proses modifikasi tersebut dilakukan dengan microwave oven 700 W dengan durasi 1 menit. Selanjutnya, dilakukan variasi proses karbonisasi hidrotermal (HTC) dan aktivasi termal (pirolisis). Karbonisasi hidrotermal dilaksanakan dalam autoclave pada temperatur 200oC selama 24 jam. Kemudian, aktivasi termal dilakukan dengan menggunakan furnace dengan temperatur 900oC selama 1 jam beserta pengaliran gas nitrogen. Selanjutnya, tahap karakterisasi dilakukan melalui analisis gravimetri, Scanning Electron Microscopy (SEM) dengan Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), X-ray Diffraction (XRD), dan Raman spectroscopy untuk mengetahui sifat-sifat produk N-doped hard carbon yang dihasilkan. Analisis dari produk N-doped hard carbon menunjukan sintesis melalui proses HTC menghasilkan yield lebih sedikit dari proses direct carbonization. Namun, sintesis dengan proses HTC tersebut berhasil melangsungkan N-doping, dimana produk N-doped hard carbon mengandung nitrogen sebesar 2,12% untuk rasio pati:urea senilai 1:1, dan 3,08% untuk rasio 1:2. Dari analisis SEM, diperoleh produk dari proses melalui HTC tersebut memiliki morfologi berupa microspheres, sedangkan produk direct carbonization berbentuk flakes. Selanjutnya, analisis Raman spectroscopy menghasilkan kecenderungan material Ndoped hard carbon dari proses HTC bersifat lebih amorphous dengan nilai ID/IG tertinggi sebesar 1,31. Kemudian, analisis XRD menunjukan bahwa kedua variasi proses ini menghasilkan N-doped hard carbon dengan interlayer spacing (d002) di rentang 0,362 hingga 0,382 nm, dimana nilai tersebut lebih besar dari d002 grafit senilai 0,335 nm. Hal tersebut mengindikasikan material N-doped hard carbon dapat memfasilitasi interkalasi ion Na+ sehingga cocok digunakan sebagai material anoda sodium ion batteries.