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

Abstract

Penggunaan lithium ion batteries semakin penting dalam kehidupan sehari-hari. Namun, ketersediaan bahan baku yang semakin terbatas dan harga yang semakin meningkat mengakibatkan diperlukannya pencarian alternatif. Dengan prinsip kerja yang serupa, sodium ion batteries (SIBs) sekarang ini menjadi alternatif pengganti. Namun, pengembangan material anoda yang tepat untuk SIBs masih dilakukan. SIBs menggunakan anoda dari hard carbon. Hard carbon merupakan material karbon yang tidak dapat bertransformasi menjadi graphite meskipun mencapai temperatur lebih dari 3000C. Tujuan dari penelitian ini adalah melakukan sintesis N-doped hard carbon dari pati sagu termodifikasi. Sebagai anoda SIBs, material dengan konduktivitas listrik yang baik dibutuhkan untuk konduksi aliran ion antar elektroda. Oleh karena itu, modifikasi yang dilakukan adalah penambahan gugus nitrogen untuk meningkatkan konduktivitas listrik. Pati sagu digunakan dalam penelitian ini karena potensi penggunaan pati sagu masih belum maksimal, ditambah belum adanya penelitian lebih lanjut mengenai pemanfaatannya sebagai bahan baku sintesis N-doped hard carbon. Penelitian ini menggunakan sumber nitrogen berupa senyawa urea. Selain itu, proses ada tidaknya karbonisasi hidrotermal juga divariasikan. Penelitian ini terdiri dari 3 tahap yaitu modifikasi pati, sintesis N-doped hard carbon, dan karakterisasi N-doped hard carbon. Modifikasi pati dilakukan dengan menggunakan microwave 700W selama 1 menit untuk campuran pati-urea. Rasio sumber nitrogen dengan pati bervariasi yaitu 1:1 dan 2:1. Dengan menggunakan microwave, reaksi yang dihasilkan lebih cepat dan selektivitas pemanasan tinggi. Selanjutnya, sintesis N-doped hard carbon terdiri dari proses karbonisasi hidrotermal (HTC) dan aktivasi. HTC dilakukan di reaktor autoklaf yang dipanaskan pada suhu 200C selama 24 jam, sedangkan aktivasi dilakukan di dalam furnace dengan atmosfer nitrogen pada suhu 900C selama 1 jam. N-doped hard carbon yang dihasilkan kemudian diuji karakteristiknya melalui analisis Raman Spectroscopy, Scanning Electron Microscope (SEM), Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDS), dan X-Ray Diffraction (XRD). Produk yang dihasilkan dengan aktivasi langsung menghasilkan yield yang lebih tinggi yaitu 28%. Analisis SEM menunjukkan adanya perbedaan morfologi yaitu adanya proses HTC menghasilkan N-doped hard carbon berbentuk microsphere dengan edge defect, sedangkan aktivasi langsung menghasilkan bentuk flakes atau irregular shapes. Hasil EDS menunjukkan bahwa hanya proses yang melalui tahapan HTC yang berhasil melakukan doping nitrogen, di mana variasi urea:pati 2:1 menghasilkan nitrogen paling tinggi sebesar 2,67%. Raman spectroscopy menunjukkan sampel dengan proses HTC menghasilkan Ndoped hard carbon yang paling amorf dengan ID/IG paling tinggi mencapai 1,38. Interlayer spacing sampel dengan penambahan urea berkisar 0,388-0,392 nm, menunjukkan syarat material anoda SIBs sudah terpenuhi karena lebih besar dari 0,3354 nm.