Karbon dioksida (CO2) kembali berkontribusi pada pembuatan Carbon Nanotube (CNT). Sebelumnya, pada bulan Mei 2018, para peneliti dari Vanderbilt University menggunakan CO2 sebagai sumber karbon dalam pembuatan CNT dengan metode elektrolisis pada temperatur tinggi[1]. CNT memiliki karakteristik yang unik dan biasanya diaplikasikan di bidang elektronik, sensor medis, komposit dan energi.
Pada bulan Juli 2018, para peneliti dari Aalto University yang dipimpin oleh professor Esko Kauppinen membuat terobosan baru dalam pembuatan CNT. CNT yang dihasilkan memiliki warna yang berbeda-beda. Rahasia dalam mendapatkan warna tersebut adalah jumlah CO2 yang ditambahkan dalam proses pembuatan CNT. Metode pembuatan CNT yang digunakan adalah floating catalyst chemical vapour deposition (FC-CVD) yang dapat menghasil CNT berdinding tunggal atau single-walled CNT (SWCNT) dengan rendemen dan kualitas yang tinggi. Struktur SWCNT memiliki diameter sekitar 1 – 2 nm[1] dan multi-walled CNT (MWCNT) memiliki diameter sekitar 2 – 50 nm dengan jarak antar dinding sebesar 0,36 nm[1]. Karakteristik SWCNT lebih baik daripada MWCNT.
Para peneliti dari Aalto University menggunakan gas karbon monoksida (CO) sebagai sumber karbon. Gas CO merupakan gas yang sangat beracun bagi makhluk hidup namun saat ini pemanfaatannya sangat besar sebagai bahan baku pembuatan metanol dan bahan bakar sintetis. Katalis yang digunakan adalah ferrocene (FeC10H10) nanopartikel dengan diameter 2,7 nm yang berbentuk aerosol dan CO2 berperan sebagai support untuk membentuk SWCNT dengan diameter yang diharapkan[2]. Tim peneliti memvariasikan konsentrasi CO2 menjadi 0; 0,25; 0,37; dan 0,50 %volume[2]. Reaktor FC-CVD untuk pembuatan SWCNT beroperasi pada temperatur 850 atau 880oC[2]. Skema reaktor FC-CVD ditunjukkan oleh Gambar 1.
Gambar 1. Skema reaktor FC-CVD untuk pembuatan SWCNT[2]
SWCNT secara alami berwarna hitam atau abu tua. Dengan memvariasikan konsentrasi CO2, SWCNT yang dihasilkan memiliki perbedaan warna. Pembuatan SWCNT dengan konsentrasi 0,25 dan 0,37%volume msaing-masing menghasilkan SWCNT berwarna hijau dan coklat[2]. Sedangkan pada konsentrasi CO2 sebesar 0 dan 0,50 %volume, SWCNT kembali berwarna abu tua seperti warna alami SWCNT. SWCNT juga diuji menggunakan Transmition Electron Microscopy (TEM) dan Energy Dispersive Spectrocopy (EDS) untuk menunjukkan bahwa tabung-tabung SWCNT berongga (hollow). Hasil yang diperoleh adalah katalis ferrocene nanopartikel masih terperangkap di dalam rongga SWCNT. Namun, katalis yang terperangkap tersebut tidak mempengaruhi variasi warna SWCNT. Gambar 2 menunjukkan variasi warna SWCNT dengan berbagai konsentrasi CO2 dan hasil TEM & EDS pada konsentrasi CO2 sebesar 0; 0,25; dan 0,50 %volume.
Gambar 2. Variasi warna SWCNT dengan berbagai konsentrasi CO2 dan hasil TEM & EDS pada konsentrasi CO2 sebesar 0; 0,25; dan 0,50 %volume[2]
Penambahan CO2 juga membuat diameter SWCNT lebih besar tetapi masih berada pada rentang diameter standar SWCNT. Diameter rata-rata SWCNT pada konsetrasi 0; 0,25; 0,37; dan 0,50 %volume masing-masing adalah 1,1; 1,3; 1,8; dan 1,9 nm[2]. Ada dua cara pertumbuhan SWCNT menggunakan katalis ferrocene yaitu tegak lurus (perpendicular) dan tangensial. SWCNT tanpa CO2 akan terbentuk dengan cara perpendicular sehingga menghasilkan diameter yang lebih kecil. Sedangkan SWCNT dengan penambahan CO2 akan terbentuk dengan cara tangensial sehingga menghasilkan diameter yang lebih besar. Perbedaan kedua cara tersebut ditunjukkan oleh Gambar 3.
Gambar 3. Skema pertumbuhan SWCNT dengan cara (a) perpendicular (b) tangensial[2]
Tim peneliti juga menemukan bahwa SWCNT memiliki distribusi kiralitas (chirality) yang sangat kecil. Hal itu berarti kisi kristal karbon pada sepanjang dinding SWCNT hampir seluruhnya simetris[3]. Untuk karakteristik elektrik, SWCNT dengan konsentrasi CO2 sebesar 0,50 %volume memiliki konduktivitas elektrik yang lebih tinggi karena diameternya lebih besar[2]. Kedepan, SWCNT berwarna ini dapat diterapkan pada touchscreen, sel surya dan perangkat elektronik lainnya. Selain itu, metode FC-CVD merupakan metode yang pertama kali dilakukan untuk menghasilkan SWCNT berwarna dengan penambahan CO2. Metode tersebut juga sangat menjanjikan untuk produksi SWCNT berwarna skala besar[3].
Referensi
[1] Yusupandi, F. 2018. Terobosan Baru : Memproduksi Carbon Nanotube (CNT) dari Karbon Dioksida (CO2). Majalah Warstek Edisi 3
[2] Liao, Y., Jiang, H., Wei, N., Laiho, P., Zhang, Q., Khan, S.A., dan Kauppinen, E.I. 2018. Direct Synthesis of Colorful Single-Walled Carbon Nanotube Thin Films. Journal of The American Chemical Society, 140, 9797-9800
[3] Aalto University. 2018. Carbon in Colour : First-Ever Coloured Thin Films of Nanotubes Created. Diakses dari : https://phys.org/news/2018-08-carbon-colour-first-ever-coloured-thin.html pada 23 September 2018
Mahasiswa S2 Teknik Kimia ITB