Sintesis N-Doped Hard Carbon dari mikroalga termodifikasi menggunakan microwave dalam urea

Abstract

Baterai ion litium banyak digunakan dalam bidang teknologi sehingga menyebabkan penggunaan senyawa litium akan semakin meningkat. Di sisi lain, ketersediaan litium di alam terbatas menyebabkannya sulit untuk diperoleh. Oleh sebab itu digunakan solusi lain yaitu baterai ion sodium sebagai pengganti baterai ion litium. Hard carbon merupakan salah satu komponen penting dalam baterai ion sodium. Sintesis hard carbon dapat dilakukan melalui proses karbonisasi hidrotermal dengan aktivasi fisika dan karbonisasi langsung. Biomassa seringkali digunakan menjadi bahan baku pembuatan hard carbon karena memiliki beberapa kelebihan seperti murah dan ramah lingkungan. Pada penelitian ini digunakan biomassa mikroalga Chlorella sp. yang didoping oleh nitrogen yang berasal dari urea. Chlorella sp. memiliki jumlah karbon yang cukup tinggi (51 %) sehingga dapat digunakan sebagai bahan baku sintesis hard carbon sedangkan N-doped diharapkan dapat meningkatkan kualitas dari hard carbon yang dihasilkan. Tujuan dari penelitian ini adalah melakukan sintesis hard carbon yang dapat diaplikasikan pada anoda baterai ion sodium serta mengetahui pengaruh rasio urea yang ditambahkan pada proses pre-treatment dan karbonisasi hidrotermal terhadap morfologi dan struktur dari hard carbon yang dihasilkan. Proses sintesis N-doped hard carbon dibagi menjadi 2 tahap utama, yaitu pre-treatment dan karbonisasi. Pre-treatment dilakukan dengan cara mencampurkan mikroalga Chlorella sp. dan urea pada rasio massa tertentu. Metode karbonisasi yang digunakan ada 2, yaitu karbonisasi hidrotermal dan langsung. Karbonisasi hidrotermal dilakukan di dalam autoclave pada temperatur 200 °C selama 24 jam dan dilanjutkan dengan aktivasi fisika di dalam furnace dengan variasi temperatur 900 °C selama 1 jam. Karbonisasi langsung dilakukan di dalam furnace pada temperatur 900 °C selama 1 jam. Hasil N-doped hard carbon yang didapatkan dikarakterisasi menggunakan SEM, XRD, dan spektroskopi Raman untuk mengetahui morfologi, struktur dan komposisinya. N-doped hard carbon dengan proses karbonisasi langsung dengan variasi rasio massa mikroalga dan urea 1:3 memiliki yield perolehan yang paling tinggi. Analisis XRD menunjukan bahwa produk dengan proses karbonisasi langsung dan karbonisasi hidrotermal memiliki struktur amorphous. Baik N-doped hard carbon dengan proses karbonisasi hidrotermal maupun karbonisasi langsung memiliki interlayer spacing antara 0,36-0,389 nm, dimana nilai tersebut sudah memenuhi syarat sebagai material non-grafit. Analisis SEM-EDX menunjukan morfologi N-doped hard carbon berpori dan memiliki banyak defect pada permukaannya. Selain itu, sampel dengan proses karbonisasi hidrotermal dengan variasi rasio massa 1:3 memiliki %-berat nitrogen paling besar dan oksigen yang paling rendah. Analisis spektroskopi Raman menunjukan bahwa sampel N-doped hard carbon dengan variasi rasio massa 1:3 memiliki rasio intensitas (ID/IG) paling tinggi yaitu 1,34.