Superkapasitor Fleksibel Berbahan Reduced Graphene Oksida (rGO) Pada Pakaian Untuk Memonitor Detak Jantung

Bagikan Artikel ini di:

Penelitian mengenai nanomaterial sangat menarik untuk dikembangkan. Nanomaterial berbasis karbon yang menjadi primadona saat ini adalah graphene. Penelitian secara teoritis mengenai graphene dimulai sejak tahun 1947. Pada tahun 1987, nama “graphene” pertama kali dikenal untuk menggambarkan bahwa graphene adalah satu lapisan tipis dari grafit. Secara sederhana, grafit disusun oleh jutaan lapisan tipis graphene. Pada tahun sebelumnya (1985), ditemukan material nano berbasis karbon oleh Robert Curl, Richard Smalley dan Harold Kroto. Namun material ini bukan graphene melainkan Fullerene. Fullerene (C60) merupakan material nano karbon berjumlah 60 atom yang strukturnya menyerupai bola. Nama Fullerene diambil dari nama seorang arsitek yang bekerja pada bentuk-bentuk geometri, Buckminster Fuller. Ketiga peneliti tersebut mendapatkan hadiah nobel di bidang kimia pada tahun 1996.

Penelitian mengenai fullerene memicu ditemukannya nano material baru berbasis karbon yang ditemukan pada tahun 1991 oleh Sumio Ijima. Material tersebut diberi nama Carbon Nanotube (CNT). Penelitian mengenai karbon masih terus berlanjut dan seluruh universitas di dunia berlomba-lomba untuk mensintesis material baru berbasis karbon, salah satunya Manchester University. Manchester University mempunyai kegiatan unik yaitu “Friday Night Experiments” untuk mendiskusikan tentang penelitian-penelitian terbaru yang dihadiri oleh para peraih nobel hingga mahasiswa baru doktoral[1]. Dari acara sederhana tersebut, Andre K Geim dan Kostya S Novoselov berhasil mengisolasi satu lapisan graphene dari grafit menggunakan selotip di Manchester University pada tahun 2004. Penemuan material tersebut mengantarkan Andre K Geim dan Kostya S Novoselov meraih hadiah nobel di bidang fisika pada tahu 2010. Material graphene menjadi perhatian para peneliti dunia karena memiliki sifat yang unik dan diprediksi akan menjadi material yang banyak digunakan di masa depan.

Gambar 1. Struktur graphene[2]

Graphene merupakan material nano yang tersusun atas atom-atom karbon yang membentuk struktur heksagonal seperti sarang lebah dua dimensi. Sintesis graphene dapat dilakukan dengan banyak cara, namun ada dua metode yang paling umum digunakan yaitu metode Chemical Vapour Deposition (CVD) dan (GO). Metode CVD menghasilkan graphene dengan kemurnian karbon 100%. Namun metode tersebut bekerja pada temperatur tinggi (~1000oC) dan membutuhkan logam oksida sebagai media pertumbuhan graphene. (Baca juga  : Graphene Ball : Material Baru yang Mampu Melakukan Full Charging dalam Waktu 12 Menit). Metode lainnya adalah metode reduksi graphene oksida yang umumnya menggunakan metode Hummer yang diperkenalkan oleh dua orang ahli kimia, Hummer dan Offeman. Dalam perkembangannya, metode Hummer terbagi menjadi metode Hummer, Improved Hummer dan Modified Hummer.

Gambar 2. Variasi metode Hummer dalam memproduksi graphene oksida[3]

Metode hummer menggunakan mineral grafit sebagai bahan baku. Bahan-bahan kimia yang digunakan dalam metode Hummer adalah asam sulfat (H2SO4), asam posfat (H3PO4), dan kalium permanganat (KMnO4). Bahan-bahan kimia tersebut bertindak sebagai oksidator untuk mengoksidasi grafit menjadi graphene oksida. Lalu, graphene oksida dapat direduksi menjadi reduced graphene oksida (rGO) secara kimia, thermal reduction dan elektrokimia. Perbedaan antara graphene, graphene oksida dan rGO adalah pada kandungan gugus atom O. Graphene hanya tersusun oleh atom karbon sedangkan graphene oksida dan rGO memiliki gugus O. Gugus O di graphene oksida lebih banyak (41-50%) dibandingkan rGO (13-22%)[4]. rGO dan graphene memiliki kesamaan sifat seperti konduktivitas listrik yang baik namun nilai konduktivitas rGO (85 S/cm) lebih rendah dibanding graphene (102 S/cm)[4]. Sedangkan graphene oksida tidak konduktif.

 

Gambar 3. (a) Struktur graphene oksida (b) Struktur reduced graphene oksida (rGO)[5] (c) metode Hummer untuk memproduksi rGO[6]


Pada tahun 2017, para peneliti di Manchester University membuat terobosan baru di bidang penyimpanan energi. Hal menarik dari terobosan ini adalah perangkat penyimpanan energi yang berupa superkapasitor dicetak pada kain yang bersifat fleksibel. Superkapasitor merupakan pengembangan dari kapasitor konvensional. Perbedaan superkapasitor dan baterai yaitu bentuk energi yang disimpan. Baterai menyimpan energi dalam bentuk energi kimia sedangkan superkapasitor menyimpan energi dalam bentuk muatan. Keunggulan superkapasitor adalah kecepatan dalam chargingnya yang memerlukan waktu tidak lebih dari 1 menit. Superkapasitor yang diproduksi masuk ke dalam jenis solid-state flexible superkapasitor. Komponen yang terdapat pada superkapasitor terdiri dari elektroda, elektrolit dan separator. Material rGO dapat digunakan sebagai elektroda pada superkapasitor. Material rGO bersifat fleksibel, sehingga superkapasitor tersebut dapat diterapkan pada pakaian berbahan katun. Karena rGO dapat berfungsi sebagai biosensor, superkapasitor berbahan rGO di baju dapat berfungsi untuk memonitor detak jantung. Kedepannya, aplikasi rGO akan meluas seperti pada senjata militer yang ringan dan komputer yang dapat digulung seperti koran.

 

Gambar 4. Prinsip kerja superkapasitor berbasis rGO[7]

Peneliti di Manchester melakukan proses reduksi dari graphene oksida menjadi rGO dengan dua cara yaitu secara elektrokimia dan kimiawi. Gambar 5.a menunjukkan proses reduksi yang menggunakan cara elektrokimia. Sedangkan reduksi secara kimia yang menggunakan larutan Na2S2O4 (metode Hummer) dijelaskan pada gambar 5.b. Untuk skala komersial, metode Hummer paling mudah dilakukan karena tekniknya sederhana dan biayanya lebih murah. Pada metode Hummer, larutan rGO berfungsi sebagai “tinta”. Lalu pakaian berbahan katun disablon oleh tinta (larutan rGO) untuk membuat superkapasitor di pakaian tersebut. Para peneliti menjelaskan bahwa elektroda berbahan rGO yang telah dicetak memiliki kestabilan yang sangat baik karena interaksi yang sempurna antara tinta (larutan rGO) dan substrat tekstil. Metode ini sama halnya dengan teknik printing atau sablon yang biasa ditemui di kantor bahkan di rumah sehingga dapat menurunkan biaya produksi. Produk yang dihasilkan pada penelitian ini adalah pakaian yang dapat memonitor detak jantung manusia.

Gambar 5. Skema produksi baju yang dilapisi superkapasitor berbahan rGO (a) secara elektrokimia (b) secara kimia[8][9]

Dr Nazmul Karim, peneliti graphene di Manchester University, mengatakan bahwa pengembangan superkapasitor berbahan graphene di bidang tekstil akan berkembang pesat ketika menggunakan teknik printing yang mudah pada skala massal. Hal ini pun menjadi jalan untuk memproduksi E-tekstil yang ramah lingkungan dan harganya terjangkau serta mampu menyimpan energi untuk memonitor aktivitas dan psikologi manusia pada waktu yang bersamaan. “Untuk pertama kalinya, kami mencetak perangkat elektronik yang dapat menyimpan energi dan fleksibel seperti katun. Perangkat ini juga bisa dicuci, yang menjadikannya sangat praktis untuk dijadikan sebagai pakaian cerdas (smart clothes) masa depan. Kami yakin terobosan ini mampu membuka peluang lain untuk mencetak perangkat elektronik lainnya pada produk-produk tekstil dengan menggunakan tinta 2D”, Tambah Dr. Amor Abdelkader, Salah satu rekan tim Dr Nazmul Karim dalam penelitian ini[10].

 

Referensi

[1] Manchester University. Discovery at Manchester. http://www.graphene.manchester.ac.uk/explore/the-story-of-graphene/discovery-at-manchester/ (Diakses pada 20 Desember 2012)

[2] Robert, M.W, C.B Clemons, J.P Wilber, G.W Young, A. Buldum, dan D.D Quinn. 2010. Continuum Plate Theory and Atomistic Modeling to Find the Flexural Rigidity of a Graphene Sheet Interacting with a Substrate. Akron : University of Akron

[3] Lin, Feng, Xin T, Yanan W, Jiming B, dan Zhiming M W. 2015. Graphene Oxide Liquid Crystals : Synthesis, Phase Transition, Rheological Property, and Application in Optoelectronics and Display. Chengdu : University of Electronic and Science Technology of China

[4] Graphenea. Reduced Graphene Oxide (rGO). https://www.graphenea.com/collections/graphene-oxide/products/reduced-graphene-oxide-1-gram (diakses pada 20 Desember 2017)  

[5]  Flyunt, R, Wolfgang K, Axel K, Andrea P, Andriy L, Jenny M, Dirk G dan Bernd A. 2014. Mechanistic Aspects of the Radiation-Chemical Reduction of Graphene Oxide to Graphene-like Materials. Erlangen : Department of Chemistry and Pharmacy & Interdisciplinary Center of Molecular Materials (ICMM)

[6] Kumar, S, Md. Dilkash A, Shammy R, Elayaraja K, K S Vasu, A K Sood, dan Kaushik C. 2015. 3D Scaffold Alters Cellular Response to Graphene in A Polymer Composite for Orthopedic Applications. Bangalore : Indian Institute of Science

[7] Popov, V. 2014. Graphene : Properties and Application. Sofia University

[8] Abdelkader, A M, Nazmul K, Cristina V, Shaila A, Kostya S N, dan Stephen G Y. 2017. Ultraflexible and Robust Graphene Supercapacitors Printed on Textiles for Wearable Electronics Applications. Manchester : Manchester University

[9] Karim, N, Shaila A, Andromachi M, Sean B, Christopher B, Muriel R, Kostya S N, Alexander J C dan Stephen G Y. 2017. All Inkjet-Printed Graphene-Based Conductive Pattern for Wearable E-Textiles Application. DOI : 10.1039/C7TC03669H

[10] Milley, J. 2017. These New Flexible Batteries Can Be Printed Directly on to Textiles. https://interestingengineering.com/these-new-flexible-batteries-can-be-printed-directly-on-to-textiles (diakses pada 20 Desember 2017)

 

 

     
Fauzi Yusupandi

Fauzi Yusupandi

Mahasiswa S2 Teknik Kimia ITB

Satu tanggapan untuk “Superkapasitor Fleksibel Berbahan Reduced Graphene Oksida (rGO) Pada Pakaian Untuk Memonitor Detak Jantung

Ayo Ajukan Pertanyaaan :)