Metode Sol Gel [PDF]

Citation preview

TUGAS NANO MATERIAL Kunjungan Laboratorium Baterai Gedung VI Lantai 3 FT UNS



Anggota Kelompok : 1. Muhammad Nizar Aldy



9. Zanuar Bagus Ramadhan



2. Muhammad Nur Ikhsanudin



10. Moch Khabibul Adi Rachmanto



3. Rahadyan Akbar H.K



11. Muhammad Yusuf Haidar



4. Raushani Aisyah



12. Mutiara Indira N



5. Refarmita Nur Halimah



13. N.Fauziatul Husni



6. Scila Ardanari Santoso



14. Sonia Ayu Pratiwi



7. Setia Utaminingtyas



15. Sonia Waluya



8. Tommy Indra K



16. Yahya Prayoga



UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA



1. Metoda Kopresipitasi Metode kopresipitasi merupakan salah satu metode sintesis senyawa anorganik yang didasarkan pada pengendapan lebih dari satu substansi secara bersama-sama ketika melewati titik jenuhnya, yautu dengan cara mengatur konsentrasi pada larutan itu. Kopresipitasi merupakan metode yang menjanjikan karena



prosesnya



menggunakan suhu rendah dan mudah untuk mengontrol ukuran partikel sehingga waktu yang dibutuhkan relatif lebih singkat. Beberapa zat yang paling umum digunakan sebagai zat pengendap dalam kopresipitasi adalah hidroksida, karbonat, sulfat dan oksalat. Produk dari metode ini diharapkan memiliki ukuran partikel yang lebih kecil dan lebih homogen daripada metoda solid state dan ukuran partikel yang lebih besar dari pada metoda sol-gel. Kelebihan metode Co-presipitasi : a.



Simpel dan sederhana. Metode ini sanat sederhana dengan menggunakan unit operasi mixing.



b.



Produk yang dihasilkan dari Metode Co-presipitasi homogen



Kelemahan metode Co-presipitation a. Penentuan nilai konsentrasi yang kecil b. Limbah yang dihasilkan tidk ramah lingkugan dengan nilai BOD dan COD yang tinggi c. Alat penyaring yang ukurannya lebih kecil dari ukuran partikel yang akan disaring. 1.1 Tahapan Metode Co-presiitasi Metode pembuatan nanoprtikel dengan metode kopresipitasi dengan menggunakan 3 bahan pokok yaitu Metal Source (Ni) dalam bentuk nikel sulfat, chealating agent sebagai pengikat logam yaitu ion hidroksida atau karbonat dan presipitan. Reaksi yang digunakan yaitu raksi lambat dengan keunggulan larutn lebih homogeny sehingga digunakan chealating agent agar reaksi berjalan lambat. Reaksi berjalan dengan indicator perubahan warna pada karutan dengan hasil reaksi metal dan chealating agent membentuk senyawa kompleks. Membutuhkan waktu sekitar beberapa jam agar reaksi berjalan spontan. Tujuan dari proses



precipitasi ini adalah membentuk senyawa/molekul dari ukuran besar menjadi kecil dari larutan yang akan mengendap menjadi padatan. Faktor yang mempengaruhi kecepatan dan hasil reaksi yaitu : a. Pengadukan yang konstan b. Suhu 2. Metoda Sol-Gel Proses sol gel dapat didefinisikan sebagai proses pembentukan senyawa anorganik melalui reaksi kimia dalam larutan pada suhu rendah, dimana dalam proses tersebut terjadi perubahan fasa dari suspensi koloid (sol) membentuk fasa cair kontinyu (gel). Sol merupakan suspensi partikel koloid dalam suatu zat cair atau molekumolekul polimer yang melibatkan evolusi jaringan-jaringan anorganik melalui polimerisasi kondensasi (penggabungan) dan hidrolisis dari senyawa hidroksida atau senyawa oksida logam. Sedangkan gel dibentuk ketika partikel-partikel koloid bergabung akibat gaya permukaan yang membentuk suatu jaringan dan molekulmolekul polimer saling bersilangan. Metoda sol gel memiliki beberapa keuntungan, antar lain: 1. Tingkat stabilitas termal yang baik. 2. Stabilitas mekanik yang tinggi. 3. Daya tahan pelarut yang baik. 4. Modifikasi permukaan dapat dilakukan dengan berbagai kemungkinan. Prekursor yang biasa digunakan umumnya logam-logam anorganik atau senyawa logam organik yang dikelilingi oleh ligan yang reaktif seperti logam alkoksida (M(OR)z), dimana R menunjukkan gugus alkil (CnH2n+1). Logam alkoksida banyak digunakan karena sifatnya yang mudah bereaksi dengan air. 2.1.Tahapan Proses Sol Gel Metoda sol gel sendiri meliputi hidrolisis, kondensasi, pematangan, dan pengeringan. Proses tersebut akan dibahas satu persatu pada subbab berikut. A. Hidrolisis Pada tahap pertama logam prekursor (alkoksida) dilarutkan dalam alkohol dan terhidrolisis dengan penambahan air pada kondisi asam, netral atau basa menghasilkan sol koloid. Hidrolisis menggantikan ligan (-OR) dengan gugus hidroksil (-OH) dengan reaksi sebagai berikut: M(OR)z + H2O



M(OR)(z-1)(OH) + ROH



Faktor yang sangat berpengaruh terhadap proses hidrolisis adalah rasio air/prekursor dan jenis katalis hidrolisis yang digunakan. Peningkatan rasio pelarut/prekursor akan meningkatkan reaksi hidrolisis yang mengakibatkan reaksi berlangsung cepat sehingga waktu gelasi lebih cepat. Katalis yang digunakan pada proses hidrolisis adalah jenis katalis asam atau katalis basa, namun proses hidrolisis juga dapat berlangsung tanpa menggunakan katalis. Dengan adanya katalis maka proses hidrolisis akan berlangsung lebih cepat dan konversi menjadi lebih tinggi.



B. Kondensasi Pada tahapan ini terjadi proses transisi dari sol menjadi gel. Reaksi kondensasi melibatkan ligan hidroksil untuk menghasilkan polimer dengan ikatan M-O-M. Pada berbagai kasus, reaksi ini juga menghasilkan produk samping berupa air atau alkohol dengan persamaan reaksi secara umum adalah sebagai berikut: M-OH + HO-M



M-O-M + H2O (kondensasi air)



M-OR + HO-M



M-O-M + R-OH (kondensasi alkohol)



C. Pematangan (Ageing)



Setelah reaksi hidrolisis dan kondensasi, dilanjutkan dengan proses pematangan gel yang terbentuk. Proses ini lebih dikenal dengan proses ageing. Pada proses pematangan ini, terjadi reaksi pembentukan jaringan gel yang lebih kaku, kuat, dan menyusut didalam larutan. D. Pengeringan Tahapan terakhir adalah proses penguapan larutan dalam oven selama 24 jam pada kisaran suhu 110ºC untuk menghilangkan cairan yang tidak diinginkan dan mendapatkan struktur sol gel yang memiliki luas permukaan yang tinggi,



2.2. Kelebihan dan Kekurangan Proses Sol Gel Kelebihan metode sol gel dibandingkan dengan metode konvensional, antara lain: a.



Kehomogenan yang lebih baik



b.



Merupakan metode termurah



c.



Partikel yang dihasilkan memiliki ukuran 1-20 nm



d.



Tingkat stabilitas termalnya dan mekaniknya baik



e.



Kemurnian yang tinggi



f.



Suhu relatif rendah



g.



Tidak terjadi reaksi dengan senyawa sisa



h.



Kehilangan bahan akibat penguapan dapat diperkecil



i.



Mengurangi pencemaran udara



Kekurangan metoda sol-gel, antara lain: a.



Bahan mentah mahal



b.



Tidak semua bahan bisa dipakai, misalnya nitro sulfat



c.



Penyusutan yang besar selama proses pengeringan



d.



Sisa hidroksil dan karbon



e.



Menggunakan pelarut organik yang berbahaya bagi kesehatan



f.



Memerlukan waktu pemprosesan yang lama



g.



Dalam skala besar dapat berpotensi menimbulkan kebakaran



3. Spray Pyrolysis Spray Pyrolysis adalah metode yang banyak digunakan di industri yang mana metode ini diinisiasi oleh atomizer/penyemprotan larutan dalam bentuk droplets kedalam pemanas dan akan menghasilkan partikel berbentuk padatan. Metode ini



sangat efisien karena area yang luas pada pemanasan droplets dan perpindahan massa karena atomizing larutan menjadi droplet yang memiliki ukuran 10-100 mikrometer. Telah banyak nanopartikel yang difabrikasi dengan metode ini, seperti : semikonduktor, nanokristalin, carbon nanotube, carbon nanorod, bahkan bahan organik dan obatobatan berbentuk nanokapsul. Metode spray pyrolisis memiliki beberapa keuntungan, diantaranya : 1. Ukuran partikel dapat dikontrol dengan mudah melalui pengontrolan konsentrasi larutan. Makin kecil konsentrasi larutan semakin sedikit jumlah partikel terlarut dalam droplet, maka makin kecil ukuran partikel nanostruktur yang dihasilkan. 2. Partikel yang dihasilkan berbentuk bulat , bentuk ini memiliki energi paling kecil dengan asumsi semua pelarut menguap secara homogen disemua permukaan droplet.



A. Menginjeksikan Larutan (Syrinde Pump) Alat yang digunakan untuk memasukkan atau menginjeksikan larutan adalah Syrinde Pump. Alat ini menginjeksikan larutan melalui sebuah suntikan yang telah diatur laju alir kecepatan mengalirnya untuk mengecek hasil akhirnya sesuai dengan stoikiometri atau tidak. Larutan akan disemprotkan dalam ukuran yang kecil. B. Tahap Spray Pyrolisis dan Analisis Larutan yang diinjeksikan dari syrinde pump akan bertemu dengan fuel (gas LPG) dan oksigen (bisa digunakan udara) untuk pembakaran fuel. Warna flare atau api yang menyala akan mengidentifikasikan jenis logam yang dihasilkan, seperti NCA, LiFePO4, NMC akan memiliki warna api tersendiri. Padatan dapat terbentuk karena air pada larutan akan menguap dan tersisa padatan berukuran nanopartikel. Padatan yang sudah terbentuk akan disedot melalui blower dan ditampung di back filter. Pengaturan besar api mempengaruhi jumlah impuritas produk yang terbentuk, tetapi jika api semakin besar dapat membakar back filter, karena back filter hanya mampu bertahan sampai suhu 350oC. Padatan yang sudah terkumpul di back filter diambil dengan membongkar rangkaian alat dan cukup dengan mengeruk padatan yang tertampung pada back filter sebagai produk. Back filter



yang dipilih harus memiliki ukuran yang lebih kecil dari padatan yang terbentuk agar padatan tidak lolos terbuang. Back filter dapat juga dipasang beberapa lapisa, tetapi harus mempertimbangkan pressure drop yang ditimbulkan akibat dari semakin tebalnya lapisan back filter yang dipasang. Bahan yang pernah digunakan dari bahan nilon ( suhu maksimum 250 oC ). Air brust adalah alat yang digunakan untuk mengkontakkan antara larutan, bahan bakar, dan oksigen. Laju larutan diatur melalui syrinde pump, laju bahan bakar dan oksigen juga dapat diatur untuk mengatur besar api yang terbentuk. Alat utama berbahan kaca, keunggulannya adalah tembus pandang, sehingga lebih mudah menganalisis besar api yang terbentuk, warna api yang diinginkan, dan potensi kebakaran di back filter. Padatan yang terbentuk selanjutnya dilakukan uji XRD untuk mengetahui kemurniannya dengan cara mencocokkan dengan data JCPDS masing-masing produk.



C. Kelebihan dan Kekurangan Metode Spray Pyrolysis Kelebihan : 



Ukuran partikel yang dihasilkan lebih kecil dan homogen







Reaksi pembentukan produk lebih cepat karena reaksi berlangsung pada fase gas







Distribusi ukuran lebih merata



Kekurangan : 



Perangkaian alat susah dan rumit







Membutuhkan tingkat safety yang tinggi







Back filter rawan terbakar jika suhu operasi tinggi







Belum bisa untuk produksi skala besar







Sambungan pipa rawan bocor.







Produk yang dihasilkan dapat tersedot kedalam blower dan merusak alat, kemungkinan lebih buruknya adalah terbuang kelingkungan dan mencemari udara.



4. Fabrikasi Baterai Lithium Ion dari Beberapa Katoda Hasil Sintesis



Baterai lithium ion memiliki dua elektroda, yaitu anoda dan katoda. Anoda yang biasa digunakan adalah grafit atau logai lithium. Sedangkan katodanya dapat dibuat dari beberapa macam bahan, yaitu 1.



NCA ( Nickel, Cobalt, Alluminium ).



2.



NMC ( Nickel, Manganese, Cobalt ).



3.



LiFePO ( Lithium Ferri Phosphat ), dll. Contoh katoda diatas adalah beberapa bahan yang digunakan dalam proses



sintesis katoda baterai lithium ion. Katoda-katoda tersebut dibuat dengan beberapa metode yang telah dijelaskan sebelumnya, yaitu dapat menggunakan metode CoPresipitation, Solid State, Sol Gel, and Spray Pyrolysis. Berikut ini adalah diagram alir singkat mengenai langkah-langkah sintesis katoda NCA metode CoPresipitastion dan Solid State :



a.



Metode Solid State.



b.



Metode Co-presipitation.



Katoda yang telah dibuat kemudian dicampur dengan beberapa bahan dan masuk ke proses coating, yaitu membuat lembaran katoda yang akan digunakan sebagai elektoda pada baterai. Bentuk baterai ada tiga, yaitu baterai tabung/silinder, baterai coin-cell, dan split cell. Berikut ini adalah diagram alir proses coating dan dan pembuatan coin cell :



Baterai yang sudah dibuat kemudian dilakukan analisa Battery Capacity Analyzer untuk mengetahui kapasitas baterai dan mengetahui siklus chargedischarge baterai.



Lampiran