Ilmuwan Berhasil Memproduksi Carbon Nanotube (CNT) dari CO2

Apa itu Carbon Nanotube (CNT) ?

Material nano karbon yang memiliki karakteristik luar biasa selain graphene adalah carbon nanotube (CNT). CNT merupakan material nano karbon berbentuk silinder/tabung. CNT memiliki karakteristik yang tidak kalah mengagumkan seperti graphene. Kekuatan Tarik CNT sebesar 11 – 63 GPa dan modulus young sebesar 270 – 950 GPa^[1]. Tahanan CNT sangat kecil (0,34 – 1 x 10^-4 ohm.cm) yang menyebabkan konduktivitas listriknya tinggi. Nilai konduktivitas panas CNT lebih tinggi dari grafit pada temperatur ruang dengan nilai sebesar 3000 W/K^[1]. CNT diaplikasikan pada berbagai bidang seperti elektroda pada unit penyimpanan energi, sensor, filler, membran dan lain-lain.

CNT diklasifikasikan menjadi dua jenis berdasarkan jumlah dindingnya yaitu Single-Walled Carbon Nanotubes (SWCNT) dan Multi-Walled Carbon Nanotube (MWCNT). Struktur SWCNT memiliki diameter sekitar 1 – 2 nm^[1]. Sedangkan MWCNT memiliki diameter sekitar 2 – 50 nm dengan jarak antar dinding sebesar 0,36 nm^[1]. Panjang silinder CNT bergantung pada metode pembuatannya.

Gambar 1. Struktur (a) SWCNT (b) MWCNT^[2]

Metode Pembuatan CNT

Ada 3 metode yang umum digunakan dalam pembuatan CNT yaitu Arc Discharge, Laser Ablation dan Chemical Vapour Deposition (CVD). Metode Arch Discharge dan Laser Ablation menggunakan grafit sebagai bahan baku sedangkan metode CVD menggunakan hidrokarbon fosil^[3]. Ketiga metode tersebut dapat menghasilkan CNT lebih dari 70%^[3]. Biaya pembuatan CNT menggunakan metode CVD lebih murah dibandingkan dengan kedua metode sebelumnya. Pada metode CVD, bahan baku yang digunakan adalah hidrokarbon fosil yang dipanaskan hingga temperatur 1000^oC^[3]. Perbandingan antara ketiga metode tersebut ditunjukkan oleh Tabel 1.

Tabel 1. Perbandingan metode pembuatan CNT^[3]

Produksi CNT Berbahan Baku CO₂

Pada bulan Mei 2018, para peneliti dari Vanderbilt University melakukan terobosan baru dalam pembuatan CNT dengan memanfaatkan gas karbondioksida (CO₂) sebagai bahan baku^[4]. Teknologi yang digunakan untuk mengubah CO₂ menjadi CNT adalah elektrolisis. Desain elektrolisis yang digunakan berbentuk silinder. Teknologi elektrolisis membutuhkan anoda, katoda dan elektrolit.

Anoda yang digunakan adalah nikel yang dilapisi Al₂O₃ untuk mencegah korosi karena pada anoda akan terbentuk gas oksigen (O₂). Katoda yang digunakan adalah stainless steel 316 yang dilapisi katalis Fe untuk menghasilkan deposit karbon yang berupa CNT^[4]. Pada penelitian ini, ketebalan katalis Fe divariasikan untuk melihat pengaruh ketebalan katalis terhadap diameter CNT yang terbentuk. Elektrolit yang digunakan adalah lelehan Li₂O yang akan bereaksi dengan CO₂ membentuk lelehan litium karbonat (Li₂CO₃)^[4]. Li₂CO₃ akan terdekomposisi menjadi O₂ di anoda dan deposit karbon (CNT) di katoda sehingga akan kembali menghasilkan Li₂O yang dapat digunakan kembali^[4]. Temperatur operasi elektrolisis adalah 750^oC dengan rapat arus 100 mA/cm² (luas elektroda 2,5 cm²) dan tegangan ~ 2 V^[4].  Al₂O₃ juga digunakan sebagai insulator reaktor elektrolisis. Proses pembentukan CNT berbahan baku CO₂ menggunakan teknologi elektrolisis ditunjukkan oleh Gambar 2.

Gambar 2. (a) Rancangan elektrolisis CO₂ menjadi CNT (b) Proses pertumbuhan CNT pada variasi ketebalan katalis Fe (c) katoda yang dilapisi katalis Fe sebelum proses elektrolisis (d) Pembentukan CNT pada permukaan katoda^[4]

CNT yang terbentuk dilepaskan dari katoda menggunakan bath sonication di dalam air selama satu jam. Proses pemurnian CNT dari karbonat dilakukan dengan mencuci CNT menggunakan HCl 2 M dan disentrifugasi^[4]. Tahap terakhir proses pemurnian adalah dikeringkan di dalam oven pada temperatur 60^oC selama satu malam^[4]. Setelah proses pengeringan, CNT siap untuk digunakan dan diaplikasikan pada berbagai bidang. Yield yang dihasilkan pada metode ini lebih tinggi dari metode CVD. Metode CVD dibatasi oleh laju dekomposisi hidrokarbon pada permukaan katalis^[4].

Penelitian ini memvariasikan ketebalan katalis Fe pada katoda dengan rentang 0,5 – 5 nm. Ketebalan katalis Fe mempengaruhi diameter CNT yang terbentuk. Pada ketebalan katalis 0,5 nm, diameter CNT yang terbentuk sebesar 10 – 38 nm dengan diameter rata-rata 23 nm^[4]. Sedangkan pada ketebalan katalis 5 nm, diameter CNT yang terbentuk sebesar 19 – 62 nm dengan diameter rata-rata 33 nm^[4]. Selain itu, ketka ketebalan katalis yangi digunakan adalah 1 dan 2 nm, diameter rata-rata CNT yang dihasilkan sebesar 25 dan 27 nm^[4]. Pembuatan CNT dari CO₂ menggunakan teknologi elektrolisis menghasilkan karbon amorf yang berada di dalam dinding CNT. Berbeda halnya dengan metode CVD yang menghasilkan karbon amorf di luar dinding CNT. Hal ini disebabkan oleh lapisan antar muka padatan-cairan karbonat dan CNT ketika proses pertumbuhan CNT^[4]. Hasil SEM dan distribusi ukuran diameter CNT ditunjukkan oleh Gambar 3.

Gambar 3. (a-d) Hasil SEM CNT pada berbagai ketebalan katalis (e) Distribusi ukuran diameter CNT pada berbagai ketebalan katalis (f) Normalized lognormal Fits of the distributions (g) Diameter rata-rata CNT pada berbagai ketebalan katalis Fe^[4]

Analisis Ekonomi

Biaya produksi CNT paling murah saat ini berkisar $100 – 200 /kg (untuk MWCNT)^[4]. Teknologi elektrolisis dengan menjadikan CO₂ sebagai bahan baku dapat menurunkan biaya produksi CNT. Para peneliti dari Vanderbilt University telah melakukan analisis ekonomi dengan dasar-dasar perhitungan sebagai berikut : overpontential 0,8 V, temperatur operasi 750^oC, rapat arus 100 mA/cm² , jarak antar elektroda 1 cm dan insulasi Al₂O₃ sepanjang 1 m^[4]. Daya yang dibutuhkan untuk memproduksi 1 kg CNT adalah ~ 418 kWh/kg dengan biaya listrik $0,12/kWh sehingga total biaya produksi yang dibutuhkan untuk memproduksi 1 kg CNT adalah $50/kg^[4]. Biaya produksi CNT menggunakan teknologi elektrolisis berbahan baku CO₂ 2 kali lebih murah dari metode-metode sebelumnya (untuk MWCNT)^[4]. Selain itu, biaya diatas masih bisa dikurangi dengan menggunakan material insulator yang lebih baik seperti ZrO₂. Ada beberapa strategi untuk menurunkan biaya produksi CNT menggunakan teknologi elektrolisis diantaranya thermal management, menurunkan overpotential dan desain katalis yang juga dapat meningkatkan yield CNT^[4].

Pint, salah satu peneliti dari Vanderbilt University, mengatakan bahwa mereka telah berhasil mengubah CO₂ menjadi material CNT menggunakan teknologi elektrolisis dengan biaya produksi yang lebih murah serta produk samping berupa gas O₂^[5]. CNT yang mereka buat masih memiliki diameter yang besar (MWCNT). Teknologi tersebut mendorong Pint dan Douglas mendirikan SkyNano LLC, sebuah perusahaan yang fokus pada pengembangan dan komersialisasi produk CNT dari CO₂^[5]. Pint menambahkan bahwa apa yang mereka pelajari akan menuntun pada penemuan-penemuan material berharga lainnya seperti SWCNT dan berlian yang dapat diproduksi dari CO₂ di udara dengan menggunakan teknologi yang mereka kembangkan^[5].

Overview pembuatan CNT dari CO_{2 ­}menggunakan teknologi elektrolisis^[6]

 

Referensi

[1] Saeed, K dan Ibrahim. 2013. Carbon Nanotubes-Properties and Applications : A Review. Carbon Letters, 14, 131-144.

[2] Reilly, R.M. 2007. Carbon Nanotubes : Potential Benefits and Risks of Nanotechnology in Nuclear Medicine. Journal of Nuclear Medicine, 48, 1039-1042

[3] Saifuddin, N., Raziah, A.Z dan Junizah, A.R. 2013. Carbon Nanotubes : A Review on Structure and Their Interaction with Proteins. Journal of Chemistry, Article ID 676815, 1-18

[4] Douglas, A., Carter, R., Li, M dan Pint, C, L. 2018. Toward Small Diameter Carbon Nanotubes Synthesized from Captured Carbon Dioxide : Critical Role of Catalyst Coarsening. Applied Materials & Interfaces, DOI : 10.1021/acsami.8b02834

[5] Hall, H. 2018. Team Cracks Code to Cheap, Small Carbon Nanotubes. Diakses dari : https://phys.org/news/2018-05-pint-code-cheap-small-carbon.html pada 29 Mei 2018

[6] Vanderbilt University. 2018. Cracking Code to Cheap, Small Carbon Nanotubes. Diakses dari : https://www.youtube.com/watch?v=neoAlC89Jrw&feature=youtu.be pada 29 Mei 2018