Desain Elektroda Graphene/Oksida Logam Non Mulia Untuk Aplikasi Baterai Logam Udara

Purwaningsih, Hariyati (2023) Desain Elektroda Graphene/Oksida Logam Non Mulia Untuk Aplikasi Baterai Logam Udara. Doctoral thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 02211760010004_Dissertation.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 1 April 2025. Download (1MB) | Request a copy

Abstract

Baterai logam-udara mempunyai bagian yang penting yaitu katoda, dimana katoda yang digunakan harus memenuhi persyaratan sifat katalitik dan luas permukaan aktif yang memungkinkan aktivitas katalitik ORR bekerja secara baik. Material yang dipertimbangkan adalah material berbasis karbon salah satunya adalah kelompok graphene (Graphene oksida dan rGO). Arang tempurung kelapa memiliki kandungan karbon mencapai 88%, sehingga memiliki peluang untuk menjadi bahan baku produk graphene. Untuk meningkatkan performa elektrokimia maka perlu ditambahkan material elektrokatalis, salah satu material yang dikembangkan adalah oksida logam non mulia (non-noble metal) karena ketersediaan di alam, harganya yang murah, dan ramah lingkungan. Pada penelitian ini digunakan mangan oksida (MnO2) dan magnetite (Fe3O4) sebagai elektrokatalis. Pembuatan material elektroda berbasis turunan karbon dan oksida logam non-mulia merupakan komposisi yang sesuai sebagai kandidat katoda pada baterai logam udara.
Penelitian ini bertujuan untuk sintesa komposit graphene/MnO2 dan graphene/Fe3O4 dengan metode elektrodeposisi untuk mendapatkan komposit laminat lapisan tunggal dan analisis properti meliputi struktur mikro, fasa dan struktur kristal serta aktivitas katalitik ORR sebagai katoda udara. Untuk mencapai tujuan tersebut diperlukan langkah untuk pembentukan graphene dari arang tempurung kelapa dengan melakukan modifikasi metode Hummer dilanjutkan dengan elektrodeposisi. Oksida logam non-mulia yang digunakan yaitu oksida logam mangan (MnO2) dihasilkan dari proses elektrokimia KMnO4 dan oksida besi (Fe3O4) disintesa dari plat besi bekas menggunakan metode elektro-oksidasi, keduanya disintesa dengan memodifikasi multi-elektrode selang-seling. Tahapan selanjutnya adalah pembuatan nano komposit material graphene/ oksida logam non mulia dan pengembangannya sebagai elektroda baterai logam-udara.
Bab 3 menjelaskan serangkaian proses terkait sintesa dan fabrikasi komposit graphene/Mno2 dan analisis karakterisasi property. Untuk menyediakan graphene, dilakukan serangkaian aktivasi arang tempurung kelapa menghasilkan graphite-like sebagai prekursor dalam proses Hummer dan menghasilkan graphene oksida. Modifikasi multi elektroda pada proses elektrokimia KMnO4 menghasilkan -MnO2. Deposisi partikel GO dan MnO2 pada substrat nikel foam, selain menghasilkan komposit juga menyebabkan reduksi graphene oksida (GO) menjadi rGO secara simultan menghasilkan komposit rGO/gamma-MnO2. Metode deposisi variabel waktu diharapkan mendapatkan fasa graphene, namun dalam penelitian ini menghasilkan produk fasa rGO. Reduksi graphene oksida menjadi rGO merupakan proses eksfoliasi lapisan serta pemutusan ikatan oksigen secara elektrokimia selama proses deposisi. Reduksi graphene oksida menjadi reduced graphene oksida dibuktikan berdasarkan pengujian difraksi sinar-x, FTIR, Raman Spektroskopi dan analisis SAED (Selected area of electron diffraction). Sehingga hasil sintesa dan fabrikasi komposit menghasilkan rGO/gamma-MnO2. Sebagai kandidat elektroda, rGO/gamma-MnO2 menunjukkan mekanisme transfer 2 elektron dan memberikan aktivitas katalitik ORR yang baik. Parameter lama waktu deposisi mempengaruhi peningkatan deposit massa serta kapasitas penyimpan energi. Deposisi selama 10 menit pada tegangan 4 V menghasilkan kapasitas spesifik sebesar 41,606 F/g dan densitas energi 14,793 mWh/kg.
Bab 4 menjelaskan sintesa magnetite dari elektro-oksidasi plat besi dan pembuatan komposit rGO/Fe3O4. Deposisi rGO dan partikel Fe3O4 menghasilkan komposit laminat lapisan tunggal. Pengujian aktivitas katalitik ORR menunjukkan aktivitas reduksi oksigen yang baik di katoda dengan mengikuti mekanisme transfer 4 elektron. Variabel lama waktu deposisi 10 menit menghasilkan kapasitansi spesifik sebesar 226,1545 F/g dan densitas energi sebesar 80,4105 mWh/kg.
Bab 5 membahas tentang analisis parameter deposisi terhadap performa komposit rGO/gamma-MnO2 sebagai elektroda baterai logam-udara. Variabel waktu deposisi dan tegangan mempengaruhi massa terdeposit, densitas arus deposisi dan mempengaruhi kapasitas penyimpan muatan dan densitas energi. Peningkatan durasi waktu deposisi menghasilkan korelasi sebanding dengan peningkatan massa terdeposit namun mempunyai korelasi yang menyimpang dari hukum Hamaker untuk potensial rendah. Sedangkan densitas arus deposisi berbanding terbalik dengan lama waktu deposisi. Performa secara umum menjelaskan bahwa peningkatan waktu deposisi menghasilkan massa terdeposit semakin banyak. Penumpukan massa terdeposit pada substrat sebanding dengan resistansi material rGO/gamma-MnO2 sehingga mempengaruhi konduktivitas material. Deposisi selama 10 menit menghasilkan konduktivitas rGO/gamma-MnO2 sebesar 11,170 mS/cm.
Komposit rGO/gamma-MnO2 dan komposit rGO/Fe3O4 telah berhasil dibuat dengan metode deposisi EPD. Mangan oksida dan magnetite masing-masing telah berhasil dideposisikan pada permukaan rGO pada parameter yang ditentukan. Karakterisasi material yang telah dilakukan membuktikan keberadaan fasa rGO dan mangan oksida dalam komposit rGO/gamma-MnO2 dan rGO/Fe3O4 serta mempunyai perilaku elektrokimia aktivitas katalitik ORR yang menunjukkan potensinya sebagai elektroda katoda udara.
================================================================================================================================
Cathode were one of important part of the metal-air battery, which the cathode used must fulfill the requirements for catalytic properties and large specific surface area (SSA) which allows the ORR catalytic activity to work properly. The materials considered are carbon-based materials, one of which is the graphene group (Graphene oxide and rGO). Coconut shell charcoal has a carbon content of up to 88%, in hence it has the opportunity to become a raw material for graphene products. To improve electrochemical performance, it is necessary to add electrocatalyst materials, one of the materials being developed is non-noble metal oxides due to their availability in nature, low price, and environmental friendliness. In this study, manganese oxide (MnO2) and magnetite (Fe3O4) were used as electrocatalysts. Producing electrode materials based on carbon derivatives and non-noble metal oxides were suitable composition as cathode candidates for metal air battery. The objective of this research was synthesized graphene/MnO2 and graphene/Fe3O4 composites by electrodeposition method to obtain single layer laminate composites and analysis its properties including microstructure, phase and crystal structure and also ORR catalytic activity as an air cathode. To achieve this goal, there are needed to synthesize graphene from coconut shell charcoal by modifying the Hummer method followed by electrodeposition. Manganese oxide (MnO2) synthesized from the electrochemical process of KMnO4 and iron oxide (Fe3O4) synthesized from solid-waste of iron plates using the electro-oxidation method, both of which are synthesized by modifying alternating multi-electrodes. The next step is manufactured graphene/non-noble metal oxide composite materials and developed as metal-air battery electrodes. Chapter 3 describes a series of processes related to the synthesis and fabrication of graphene/MnO2 composites and characterize its properties. Graphene produced from a series process of coconut shell charcoal activations continued with Hummers process to produce graphene oxide and electro-chemical exfoliation during deposition. The multi-electrode modification of electrochemical process KMnO4 produces -MnO2. The deposition of GO and MnO2 particles on a nickel foam substrate, in addition to producing composites, also causes the reduction of graphene oxide (GO) to rGO simultaneously to produce rGO/-MnO2 composites. Various time deposition is expected to obtain the graphene phase, but in this study, it produces rGO phase. The reduction of graphene oxide to rGO is a process of exfoliating and breaking the oxygen bonds electrochemically during the deposition vi process. The reduction of graphene oxide to reduced graphene oxide is proven based on x-ray diffraction, FTIR, Raman spectroscopy and SAED (Selected area of electron diffraction) analysis. In hence synthesis and fabrication by deposition method produced rGO/-MnO2 composite. As an electrode candidate, rGO/-MnO2 exhibits 2-electron transfer pathways and provides good ORR catalytic activity. The deposition time parameter affects on increasing mass deposit and energy density. Deposition for 10 minutes at 4 V exhibit specific capacity of 41.606 F/g and an energy density of 14.793 mWh/kg. Chapter 4 describes the synthesis of magnetite from the electro-oxidation of iron plates and the preparation of rGO/Fe3O4 composites. The deposition of rGO and Fe3O4 particles resulted in a single layer laminate composite. The ORR catalytic activity showed excellent oxygen reduction activity at the cathode by following the 4 electrons transfer mechanism. Variable duration deposition time of 10 minutes produces a specific capacitance of 226.1545 F/g and an energy density of 80.4105 mWh/kg. Chapter 5 discusses the analysis of deposition parameters on the performance of rGO/MnO2 composites as metal-air battery electrodes. Variable deposition time and voltage affect the deposited mass, deposition current density and affect the charge storage capacity. The increase in deposition time duration produces a correlation proportional to the increase in deposited mass but has a correlation that deviates from Hamaker's law for low potentials. Meanwhile, the deposition current density is inversely proportional to the deposition time. Performance in general explains that an increase in deposition time results in more deposited mass. The accumulation of deposited mass on the substrate is proportional to the resistance of the material rGO//-MnO2 thereby affecting the conductivity of the material. Deposition for 10 minutes resulted in a conductivity of rGO//-MnO2 of 11.170 mS/cm. The rGO//-MnO2 and rGO/Fe3O4 nanocomposites have been successfully prepared by the EPD deposition method. Manganese oxide and magnetite have been successfully deposited on the graphene surface in the specified parameters. The material characterization that has been carried out proves the presence of graphene and manganese oxide phases in the reduced graphene oxide//-MnO2 and reduced graphene oxide/Fe3O4 composites and has electrochemical behavior indicating their potential as metal-air battery electrodes.

Item Type:	Thesis (Doctoral)
Uncontrolled Keywords:	elektroda katoda udara, komposit rGO//-MnO2, komposit rGO/Fe3O4, elektroforesis deposisi, aktivitas katalitik ORR, lektroda katoda udara, komposit rGO//-MnO2, komposit rGO/Fe3O4, elektroforesis deposisi, aktivitas katalitik ORR
Subjects:	T Technology > TP Chemical technology > TP255 Electrochemistry, Industrial.
Divisions:	Faculty of Industrial Technology and Systems Engineering (INDSYS) > Chemical Engineering > 24001-(S3) PhD Thesis
Depositing User:	Hariyati Purwaningsih
Date Deposited:	21 Feb 2023 05:39
Last Modified:	21 Feb 2023 05:39
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/97651

Actions (login required)

View Item