Pembuatan Karbon Aerogel dari Limbah Buah Durian dan Nangka Sebagai Elektroda Superkapasitor

Pendahuluan

Superkapasitor merupakan perangkat penyimapanan energi yang dibutuhkan untuk berbagai aplikasi mulai dari peralatan elektronik hingga kendaraan listrik. Stabilitas saat proses siklus dan kemampuan charge-discharge yang baik merupakan kelebihan dari superkapasitor. Superkapasitor dapat menyimpan muatan melalui reaksi redoks. Material karbon seperti karbon aktif, graphene dan carbon nanotube (CNT) digunakan pada elektroda superkapasitor untuk meningkatkan kinerja (kapasitansi) superkapasitor karena memiliki stabilitas kimia dan termal yang baik ^[1]. Material elektroda yang memiliki ukuran pori 2 – 50 nm (mesopori) dapat memfasilitasi difusi elektrolit menuju bulk elektroda dengan memaksimalkan luas permukaannya. Biaya produksi elektroda yang rendah merupakan tantangan dalam komersialisasi superkapasitor yang memiliki kapasitansi tinggi. Salah satu caranya adalah dengan menggunakan limbah biomassa sebagai prekursor dalam pembuatan elektroda superkapasitor. Limbah makanan yang terdiri dari limbah buah dapat diubah menjadi karbon aerogel untuk elektroda.

Percobaan

Para peneliti dari University of Sydney memanfaatkan limbah buah durian dan nangka sebagai prekursor dalam pembuatan elektroda karbon aerogel yang didoping oleh nitrogen. Penambahan nitrogen bertujuan untuk meningkatkan konduktivitas listrik, surface wettability dan surface polarity. Skema pembuatan karbon aerogel elektroda dari limbah buah durian dan nangka ditunjukkan pada Gambar 1.

Sampel percobaan diambil dari kulit bagian dalam durian dan nangka. Karbon aerogel berbahan baku durian diberi kode DCA dan nangka diberi kode JCA. Masing-masing sampel dimasukkan ke dalam autoclave untuk proses hidrotermal selama 10 jam pada temperatur 180^oC. Setelah itu, sampel dikeringkan dalam freeze-drying selama 24 jam pada temperatur – 80^oC dan tekanan vakum (< 10 Kpa). Untuk mendapatkan karbon aerogel, masing-masing sampel dimasukkan ke dalam furnace untuk proses karbonisasi selama 1 jam pada temperatur 800^oC dengan mengalirkan nitrogen sebesar 200 mL/min ^[2].

Hasil Percobaan

Uji elektrokimia DCA dan JCA sebagai elektroda superkapasitor dilakukan dengan membuat symmetrical cell. Elektroda superkapasitor dibuat dengan mencampurkan DCA atau JCA dengan carbon black, poly(vinylidene fluoride) atau PVDF dan isopropanol untuk membentuk pasta elektroda. Pasta tersebut dilapiskan pada permukaan indium tin oxide (ITO) glass sebagai elektroda. Separator digunakan untuk memisahkan kedua elektroda agar tidak terjadi short circuit. Material separator yag digunakan adalah polipropilen (PP) yang direndam terlebih dahulu dalam larutan elektrolit KOH 0,5 M selama 1 jam. Skema konfigurasi superkapasitor baik menggunakan elektroda DCA maupun JCA ditunjukkan pada Gambar 2.

Hasil analisa mikrostruktur menunjukkan bahwa DCA mempunyai diameter pori antara 5 – 15 µm sedangkan JCA memiliki diameter pori antara 20 – 28 µm. Hasil pengukuran luas permukaan menunjukkan bahwa DCA memiliki luas permukaan yang lebih besar (617,87 m²/g) dibandingkan JCA (511,42 m²/g). Kinerja superkapasitor diuji dengan cyclic voltammogram (CV) dan galvanostatic charge-discharge (GCD). Hasil CV pada superkapasitor berbasis DCA maupun JCA menunjukkan profil CV yang konsisten. Hal tersebut mengindikasikan kemudahan akses ion-ion elektrolit selama proses charge dan discharge.

Pengujian GCD dilakukan untuk mendapatkan nilai kapasitansi spesifik sel superkapasitor. Kapasitansi spesifik pada sel superkapasitor DCA sebesar 591 F/g dan JCA sebesar 292 F/g ^[2]. Hal tersebut menunjukkan elektroda DCA mampu menyimpan lebih banyak muatan dalam electrical double layer. Densitas energi dan daya DCA lebih tinggi dibandingkan dengan JCA karena DCA memiliki luas permukaan yang lebih besar yang memberikan kemudahan akses ion-ion elektrolit sehingga meningkatkan area elektroaktif untuk adsorpsi muatan yang efisien. Gambar 3 menunjukkan hasil CV, GCD dan ragone plot superkapasitor berbasis DCA dan JCA.

Professor Gomes, salah satu peneliti dalam penelitian ini, mengatakan bahwa limbah durian dan nangka merupakan prekursor karbon yang berkelanjutan dan kinerja superkapasitor berbahan DCA dan JCA lebih baik dibandingkan dengan superkapasitor berbahan baku limbah biomassa lainnya ^[3].

Referensi

[1] Choi, H dan Yoon, H. 2015. Nanostructured electrode materials for electrochemical capacitor applications. Nanomaterials, 5, 906–936

[2] Lee, K., Shabnam, L., Faisal, S.N., Hoang, V.C dan Gomes, V.G. 2020. Aerogel from fruit biowaste produces ultracapacitors with high energy density and stability. Journal of Energy Storage, 2, 101152

[3] University of Sydney. 2020. World’s smelliest fruit could charge your mobile phone. Diakses dari : https://techxplore.com/news/2020-03-world-smelliest-fruit-mobile.html pada 11 Maret 2020