11/28/2014
1
TEKNOLOGI NANO KARBON BERBASIS HASIL HUTAN
Saptadi Darmawan
Wasrin Syafii
I Nyoman J Wistara
Akhirudin Maddu
Gustan Pari
Teknologi Nano
Atom
Molekul
Makromolekul
1-100 nm
Nanostruktur Peralatan
Sistem
Sifat-sifat
dan fungsi baru
Memanipulasi Mengontrol
U.S. EPA, 2007
PENDAHULUAN
11/28/2014
2
http://en.wikipedia.org/wiki/Supercapacitor http://www.motorauthority.com https://kiyisanbbl.wordpress.com
Penyimpan Gas Baterai Superkapasitor Fuel cells Sensor Chip’s Drug delivery Solar cell
Aplikasi
Nano Karbon
Fiber
Particle
Porous
Tube
11/28/2014
3
Keunggulan sifat (porositas)
Karbon Nanoporous
International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) : - micropores < 2 nm - mesopores 2 - 50 nm - macropores > 50 nm. Diameters < 100 nm (Lu, 2004)
-Luas permukaan -Volume pori -Diameter pori
Teknik
Templat
KARBON NANOPOROUS
Teknik
Aktivasi
Arang kayu mangium
11/28/2014
4
Karbon Nanoporous
Teknik Templat
Templat : silika dan zeolit Sumber Karbon: Poly(vinyl alcohol), Poly(ethylene terephthalate) Polyimid Propilene Pelarut: Hidrogen Flourida (HF) Skala komersil masih sulit dilakukan
Karbonisasi Pirolisis
Aktivasi Kimia (KOH)
Bahan Baku
Karbon Nanoporous
Arang
Karbonisasi Hidrotermal
Arang-hidro
Prekursor
Teknik Aktivasi
11/28/2014
5
Kelebihan: - Suhu rendah : energi - Produk berupa gas sedikit - Komposisi kimia seragam - Kandungan gugus fungsi oksigen tinggi
Kondisi: - Reaktor tertutup - Media air - Tekanan autogenus
Karbonisasi Hidrotermal
Batu Bara
Minyak Bumi
Lignoselulosa Terbarukan
Bahan baku
Karbon Nanoporous
11/28/2014
6
Aktivasi Saat Ini
Karbon nanoporous
Templat
Bahan Asam Kuat
Aktivasi
KOH (3:1 - 4:1)
Pirolisis Biomasa > 400C
Pelarut asam
Fosil dan batubara
Konduktivitas rendah
Karbon nanoporous
Bahan baku
Karbonisasi pirolisis
suhu rendah
Karbonisasi hidrotermal suhu rendah
KOH + Steam =
siklus KOH
Prekursor : Karbon amorf
Bahan mudah menguap tinggi Kematangan karbon rendah
Bahan kimia Pelarut asam
Biomasa
Aktivasi Pada Penelitian Ini
11/28/2014
7
Tujuan :
Diversifikasi biomasa
karbon nanoporous
karbonisasi bertingkat
Perubahan struktur
setiap tahap
Kondisi terbaik.
Kayu Solid
Kayu Lapis
Papan partikel /serat
Pulp kertas
AKTIVASI BAHAN BAKU KARBONISASI KONDUKTIVITAS
Karakerisasi Arang
Hidrotermal
Pirolisis
Arang hidro
Karbon porous
KARBON NANO
POROUS KONDUKTIF
Arang hidro
Arang
KOH Steam
Karbon nanoporous
Pemanasan
Kajian
Ruang Lingkup
Biomasa
11/28/2014
8
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Pinus Mangium T. Kemiri
Selulosa (%) Hemiselulosa (%) Lignin (%)
Ko
mp
on
en
Kim
ia (
%) B
iom
asa
Pinus
Permeabilitas
Mangium
T kemiri
Bio
masa
11/28/2014
9
Pinus
Mangium
T kemiri
Inte
nsi
tas
(a.u
.)
Sudut 2 ()
84.05%
82.01%
65.39%
Materi mudah menguap
Bio
masa
Analisis Pinus Mangium T. kemiri
K. kimia ** *** *
Proksimat *** ** *
Unsur *** ** *
Morfologi *** ** *
Gugus fungsi *** ** *
Amorphous ** * ***
Bentuk kristal *** * **
Biomasa yang paling berpotensi menghasilkan karbon nanoporous
kayu pinus > mangium > tempurung kemiri
Bio
masa
11/28/2014
10
Kabonisasi Hidrotermal (KHT) Suhu : 200 dan, 300oC Waktu : 6 jam Volume air : 1/3 volume digester Sampel : 15% berat air
Kabonisasi Pirolisis (KP) Suhu : 200, dan 300oC Waktu : 6 jam
Arang Karb
on
sasi
Arang-hidro
Pemanas listrik
Reaktor
Thermo meter
Kondensor
Gas
Penampung destilat
Sampel
Kran
Safety valve Back Preasure
gauge
Pemanas listrik
Sampel
Kontrol Panel
Keran pembuang
Pinus
Mangium
T Kemiri
Pinus
Mangium
T Kemiri
Karb
on
sasi
Arang
Arang-hidro
11/28/2014
11
Pinus
Mangium
T Kemiri
Karb
on
sasi
Aran
g-hid
ro
Ara
ng
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Volume@STP(cc/g)
P/P0
Adsorption
Desorption
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Volume @ STP (cc/g)
P/P0
Adsorption
Desorption
Sample Diameter pori
(nm)
Arang 2,80
Arang-hidro 1,86
Karb
on
sasi
Arang Arang-hidro
11/28/2014
12
1. Proses dekomposisi biomasa pada proses KH > KP
2. Morfologi arang-hidro > porous > arang
3. Kandungan materi menguap arang-hidro > arang
Sifat-sifat tersebut mendukung pembentukan karbon aktif dengan porositas
tinggi terutama arang-hidro dari kayu pinus
Karb
on
sasi
Porositas tinggi: aktivasi kimia dengan KOH
Luas permukaan > 1.900 m2/g
KOH : arang = 1:1 - 8:1
Pemberian uap air
Siklus pembentukan KOH terjadi
Pemakaian KOH rendah (1:3)
Siklus KOH (K2CO3, K2O, KOH)
Aktivasi
11/28/2014
13
Karbon Aktif Proses aktivasi
Aktivasi
Proses
Suhu : 800C Waktu: 30 menit
KA-KP2P
KA-KP3P
KA-KP3M
KA-KP2K
KA-KP3K
KA-KP2M
Aktivasi
Struktur Kristalin
KA-KHT2P
KA-KHT3P
KA-KHT3M
KA-KHT2K
KA-KHT3K
KA-KHT2M
11/28/2014
14
800
850
900
950
1000
1050
1100
1150
1200
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
Daya jerap iod (mg/g)
D Kristalinitas (%)
Daya jerap iodin vs derajat kristalinitas A
ktivasi A
ktivasi
Morfologi Permukaan
KA-KH2Pinus
KA-KH2Mangium KA-KH2T. Kemiri
11/28/2014
15
Volume, cc/g
KA KP2Pinus
KA KH2Pinus
Contoh
Uji
Diameter
pori
(nm)
Luas,
BET
(m2/g)
Luas
mikropori
(m2/g)
Total
vol. pori
(cc/g)
Volume
mikropori
(cc/g)
Vol. mikropori
/ total vol.pori
(%)
KA KP2P 1,68 1.454 1,172 0,896 0,5876 65,58
KA KH2P 1,70 2.240 1,513 1,583 0,7462 47,14
IUPAC : Tipe I
Uap air : mesopori
VM:
Analisis Porositas
Aktivasi
Cara konduktivitas:
- Pemanasan
- Kerapatan
- Doping
Sintering Konduktivitas Porositas?
- Konvensional
- Spark Plasma Sintering
Sinte
ring
11/28/2014
16
Bahan baku ; KA-KH2P Sintering : - Konvensional : 900oC 1 jam - Spark Plasma Sintering : 1300oC 5 menit
Doping - LiOH - Karbon:doping = 5:1
Sin
terin
g Proses
Spark Plasma Sintering
KA-KH2P
Kontrol 900
Li2O 900
LiOH 900 SPS kontrol
SPS Li2O
SPS LiOH
C mesopori
SPS LiOH
Sinte
ring
11/28/2014
17
Karbon aktif Derajat
kristalinitas (%)
Kematangan Karbon
Aromatisiti (%)
Konduktivitas (S/m)
Prekursor 20,81 0,93 0,42 130,84 Kontrol 900 35,46 1,07 0,48 747,41 Li2O 900 33,65 1,03 0,43 2.135,18 LiOH 900 33,25 1,01 0,37 2.125,53 SPS Kontrol 1300 55,81 4,95 0,92 ND SPS Li2O 1300 60,74 14,79 0,97 ND SPS LiOH 1300 70,25 23,79 0,98 ND Mesoporous 68,59 5,93 0,96 ND Nanopowder 43,99 1,25 0,59 ND
Analisis sinar-X
Contoh Uji
Radius Pori
(nm)
BET
(m2/g)
Mikro
(m2/g)
Vol. Tot.
(cc/g)
Vol. Mikro.
(cc/g)
Vol Mikro/
total (%)
Kontrol 900 2,84 1.324 862.642 0,9416 0,448 0,4758
LiOH 900 3,00 1.273 746.445 0,9566 0,384 0,4014
Karbon Mesoporous
4,83 285 0,6890
Karbon Nanopowder
1,94 375 267 0,3640 0,1323 36.4
Karakteristik porositas
11/28/2014
18
Sintered 900C , 1 jam Sintered 900C, 1 jam, Li₂O
Sintered 900C, 1 jam, LiOH SPS Kontrol
Sintering :
- Meningkatkan konduktivitas - Menurunkan porositas
SIMPULAN
11/28/2014
19
Sifat bahan baku
Materi mudah menguap dan morfologi biomasa serta struktur
kristal selulosa mempengaruhi pembentukan karbon
nanoporous.
Penentuan awal terbentuknya struktur arang atau arang-hidro
KOH kecil + uap air = porositas tinggi.
kayu pinus (hidrotermal 200oC) = karbon nanoporous
konduktivitas terbaik
Karbon nanoporous konduktif
11/28/2014
20
- Balitbang Kehutanan
- Balai Penelitian Teknologi Hasil Hutan Bukan Kayu Mataram
- Puslitbang Keteknikan Kehutanan dan Pengolahan Hasil Hutan
- Departemen Hasil Hutan Fahutan IPB
- Semua pihak yang telah membantu penelitian
11/28/2014
21
*CHO + * CH2OH CH3COOH
*CHO + *OH HCOOH
*OH + *H H2O
*H + *H H2
*C + *O CO
*C
CHO + * CH2OH + *OH + *H + *O + *C
Penataan atom karbon membentuk heksagonal
Graphene Graphite
28 November 2014 41
I
Glukosa
Selulosa
Dehidrasi
Struktur polifuran
Polimerisasi/ polikondensasi
Kondensasi intramolekul dan dekarboksilasi
Jaringan aromatik karbon arang-
hidro Utama
HMF
Falco et al. 2011)
Karbonisasi hidrotermal selulosa
11/28/2014
22
Hwang & Obst. (2003)
Karbonisasi pirolisis lignin
Kayu mangium, pinus dan tempurung kemiri - Komponen kimia kayu - Analisis proksimat - SEM dan EDX - FTIR - XRD
* Derajat kristalinitas
* Z (penentuan dominansi antara selulosa Iα dan I) Z = 1693d1 - 902d2 – 549 d1 (100 dan 010) dan d2 (110 dan 1-10) Z > 0 mengindikasikan dominasi selulosa Iα Z < 0 merupakan selulosa I. * Penetapan perbandingan antara selulosa Iα/I d1x/y (nm) = 0,613(x/10) + 0,602(y/10) d2x/y (nm) = 0,535(y/10) + 0,529(x/10)
2.2. Bahan dan Metode
11/28/2014
23
Aktivasi