## CAKRAM

## Jurnal Teknik Mesin:
PEMBUATAN MATERIAL TERMOLEKTRIK Ca 3 Co 4 O 9

## DENGAN METODA PADATAN
Lusiana 1
1) Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Pamulang
E-mail : lusianand@yahoo.com
Masuk : 24 Februari 2021 Direvisi :  18 Maret 2021           Disetujui : 27 Maret 2021
Abstrak :  Pembuatan  material  termoelektrik  Ca 3 Co 4 O 9 dengan  metoda  padatan. Penerapan  material termoelektrik  pada  umumnya  membutuhkan  dua  tipe  material,  yaitu  tipe-p  dan  tipe-n.  Pada  penelitian  ini  akan dilakukan  pembuatan  material  termoelektrik  berbasis  keramik,  Ca 3 Co 4 O 9 . Material  ini  dipilih  karena  menggunakan bahan  baku  yang  mudah  diperoleh,  tidak  berbahaya  dan  stabil  pada  suhu  tinggi. Sintesis  material  tersebut  dapat menggunakan metode padatan. Metode ini sederhana dan dapat digunakan untuk membuat material secara massal.. Bahan baku sintesa Ca 3 Co 4 O 9 adalah gabungan serbuk  Kalsium Karbonat (CaCO 3) dan  Kobalt Karbonat (CoCO 3 ) dengan  perbandingan  stoikiometeri.  Proses  pembuatan  material  termoelektrik  tipe  –  p  ini  dimulai  dengan penimbangan bahan baku, dilanjutkan dengan penggerusan (milling), dikalsinasi, kemudian dikompaksi dan terakhir disintering. Sampel disintering pada suhu, 800°C ditahan selama 24 jam dengan didalam tungku. Dari hasil difraksi sinar-x  menunjukkan  bahwa    puncak    fasa  Ca 3 Co 4 O 9 yang  terbentuk  lebih  banyak  dibandingkan  dengan  fasa Ca 3 Co 2 O 6 .
Kata kunci: termoelektrik, Ca 3 Co 4 O 9 , metoda padatan,serbuk, sintering, tungku
Abstract: Preparation of Ca 3 Co 4 O 9 thermoelectric material using the solid method. The application of thermoelectric materials  generally  requires  two  types  of  materials,  namely  p-type  and  n-type.  In  this  research,  a  ceramic-based thermoelectric material, Ca 3 Co 4 O 9 , will be made. This material was chosen because it uses raw materials that are easily  obtained,  harmless  and  stable  at  high  temperatures.  Synthesis  of  these  materials  can  use  the  solid  method. This method is simple and can be used to mass-produce materials. The raw material for the synthesis of Ca 3 Co 4 O 9 is a combination of Calcium Carbonate (CaCO 3 ) and Cobalt Carbonate (CoCO 3 ) powders with a stoichiometric ratio. The  p-type  thermoelectric  material  manufacturing  process  begins  with  weighing  the  raw  materials,  followed  by milling, calcined, then compacted and finally sintered. The samples were sintered at 800 ° C and held for 24 hours in the  furnace.  The  results  of  the  x-ray  diffraction  showed  that  the  peak  of  the  Ca 3 Co 4 O 9 phase  was  more  than  the Ca 3 Co 2 O 6 phase.
Keywords: thermoelectric, Ca 3 Co 4 O 9 , methode solids, powders, sintering, furnaces

## PENDAHULUAN
Perkembangan  jumlah  masyarakat  yang  sangat  pesat  di  Indonesia  secara  tidak  langsung  mempengaruhi peningkatan  jumlah  kendaraan  bermotor.  Dengan  meningkatnya  jumlah  kendaraan  bermotor  ini  akan  berpengaruh pada konsumsi bahan bakar minyak (BBM) dan polusi udara. Menurut hasil penelitian, energi yang dihasilkan pada pembakaran  BBM  hampir  50%  merupakan gas  yang  terbuang  dalam  bentuk  panas.  Sehingga untuk  memanfaatkan panas yang terbuang tersebut perlu dilakukan perubahan energi panas menjadi energi listrik. Perubahan energi panas akan menambah supply energi listrik yang dibutuhkan dalam kendaraan bermotor. Keuntungan dari substitusi energi
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2021 Lusiana, Pembuatan Material Termoelektrik Ca 3 Co 4 O 9 dengan Metode Padatan
ISSN 2620-6706
listrik  tersebut  adalah  kita  dapat  menghemat  penggunaan  BBM  dan  mengurangi  polusi  udara. Pertumbuhan  ini berdampak pada konsumsi bahan bakar fosil yang sangat besar.
Berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan pemerintah jepang, 42% energi panas pada muffler kendaraan bermotor  (mobil)  dengan  volume  langkah  2000  cc  yang  suhunya  mencapai  600°C  ternyata  dapat  dikonversikan menjadi  energi  listrik  sekitar  200  W.  Untuk  merubah  suatu  bentuk  energi  panas  menjadi  energi  listrik  secara langsung  tersebut  mereka  menggunakan  termoelektrik.  Gambar  skematik  proses  konversi  panas  menjadi  energi listrik yang melibatkan efek termoelektrik atau efek Seebeck ditunjukkan pada Gambar 1
Gambar 1. Gambar skematik efek Seebeck pada material termoelektrik[1]
Dengan memasang termoelektrik di dekat knalpot dalam bentuk modul, maka energi panas yang keluar dari knalpot  akan  diubah  menjadi  energi  listrik  merupakan  metode  paling  sederhana  dengan  menggunakan  konsep Seebeck[2].
Secara  umum,  efek Seebeck ditimbukan  karena  adanya  perbedaan  suhu  antara  dua  buah  material[1]. Perbedaan  suhu  yang  diterima  oleh  material  selanjutnya  akan  menghasilkan  beda  potensial.  Syarat  material  agar dapat  digunakan  manfaatnya    sebagai  material  termoelektrik  adalah  mempunyai  nilai figure  of  merit (ZT)  yang tinggi. Para peneliti sebelumnya telah banyak melakukan penelitian material termoelektrik, antara lain Bi 2 Te 3 , PbTe, dan SiGe. Tetapi material-material tersebut tersebut menggunakan unsur yang dapat berbahaya bagi tubuh manusia dan  sumber  daya  alamnya  terbatas.  Selain  itu,  material-material  tersebut  mengalami  ketidakstabilan  pada  saat penerapannya.
Material Ca 3 Co 4 O 9 merupakan material oksida keramik yang mempunyai  sifat stabil pada suhu tinggi dan nilai  ZT  yang  tinggi  serta  telah  banyak  digunakan  dalam  dunia  industri  [3].  Bentuk  struktur  oksida [Ca 2 CoO 3 ]0,62CoO 2 adalah polikristal yang terdiri dari susunan dari 2 buah lapisan subsistem struktur kristal, yaitu sistem CoO 2 dan Ca 2 CoO 3 seperti pada Gambar 2.
Gambar 2. Gambar skematik struktur Ca 3 Co 4 O 9 [4]
Pada  penelitian  ini  akan  dilakukan  pembuatan  material  termoelektrik  berbasis  oksida  keramik,  Ca 3 Co 4 O 9 . Material  ini  dipilih  karena  menggunakan  bahan  baku  yang  mudah  diperoleh,  tidak  berbahaya  (beracun)  dan  stabil pada  suhu  tinggi  serta  mempunyai  nilai  ZT  yang  tinggi. Sintesis  material  oksida  keramik  Ca 3 Co 4 O 9 dapat menggunakan metode solid state konvensional (reaksi padatan). Dipilih metode ini, karena prosesnya sederhana dan
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2021 Lusiana, Pembuatan Material Termoelektrik Ca 3 Co 4 O 9 dengan Metode Padatan
bisa diproduksi secara massal. Material hasil sintesis selanjutnya dikarakterisasi untuk mengetahui sifat-sifat material dan kelayakan sebagai material termoelektrik . Pemilihan temperatur  pada proses pembuatan material ini mengikuti diagram fasa Ca-Co-O[5].

## METODOLOGI
Menurut  penelitian  lusiana  sebelumnya[6]  bahwa  CoCO 3 dekomposisi  menjadi  Co 3 O 4 ,  sehingga  untuk penelitian  ini  bisa  digunakan  CoCO 3 sebagai  gabungan  dengan  CaCO 3 .  Hasil  reaksi  dari  stoikiometri  dari  CaCO 3 dengan CoCO 3 mengikuti persamaan sebagai berikut :[7]
6CoCO 3 +O 2 2Co 3 O 4 + 6CO 2 ........................................................... (1) 9 CaCO 3 +4Co 3 O 4 +O 2 → 3Ca 3 Co 4 O 9 +9CO 2 ....................................................... (2)
Sintesis  material  keramik  oksida  Ca 3 Co 4 O 9 menggunakan  serbuk  CoCO 3 (merk  KANTO  97%) dan  CaCO 3 (merck  99%).    Sintesis  sampel  diawali  dengan  penimbangan  bahan  baku  sesuai  dengan  perhitungan  stoikiometri, kemudian dilanjutkan dengan proses milling selama 4 jam menggunakan mesin shaker mill . Hasil milling dikalsinasi 800°C dengan waktu lamanya 8 jam. Sampel hasil kalsinasi selanjutnya dibentuk pellet dengan diameter 20 mm dan dikompaksi dengan tekanan sebesar 10 ton.  Hasil pellet disintering pada suhu 800  C dengan waktu lamanya 24 jam. Identifikasi  fasa  sampel  dari  hasil  sintesis    menggunakan X-Ray  Diffractometer (XRD) Rigaku  Smart  Lab dengan sumber radiasi Cu Kα. Pengamatan struktur mikro permukaan sampel menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM) dengan tipe JEOL JSM-6390LA.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 3. Pola difraksi sinar diffraksi  pada temperatur sintering 800  C
Pada gambar 3 merupakan hasil uji diffraksi sinar X pada sampel hasil sintering 800  C, terlihat fasa Ca 3 Co 4 O 9 dimana peak puncaknya  yang  terbentuk  pada  sudut  8,026  ,  16.29  ,  33.98  .  Ketiga  puncak  peak  ini  adalah merupakam fasa Ca 3 Co 4 O 9 dengan cara mencocokkan pola diffraksi yang terbentuk  dengan Software Match . Disini terlihat  masih  banyak  terdapat  senyawa  pengotor  lainnya  (dengan  ditandai  bintang),  walaupun  intensitas peak puncaknya kecil bila dibandingkan dengan peak senyawa Ca 3 Co 4 O 9 . Senyawa pengotor yang ikut didalam proses ini adalah  Ca 3 Co 2 O 6 .  Menurut  Pawel[7]  senyawa  Ca 3 Co 2 O 6 terjadi  karena  adanya  dekomposisi  dari  senyawa  CaCO 3 pada  temperatur  750  -  800  C  yang  disinter  selama  20  jam.  Sedangkan  menurut  M.Sopicka[8]  bahwa  senyawa Ca 3 Co 2 O 6 terbentuk dengan temperatur sinter antara 850-1050  C. Jadi dengan temperatur sintering 800  C selama 24 jam senyawa yang terbentuk ada Ca 3 Co 4 O 9 dan Ca 3 Co 2 O 6 .
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2021 Lusiana, Pembuatan Material Termoelektrik Ca 3 Co 4 O 9 dengan Metode Padatan
ISSN 2620-6706
Gambar 4. Struktur mikro sampel hasil sintering pada temperatur 800  C
Pada  gambar  4  terlihat  butiran  sudah  mulai  berikatan  dengan  butiran  lainnya  walau  belum  homogen  dan masih  terdapat  poros  (lobang)  diantara  butir.  Hal  ini  terjadi  temperatur  sintering  belum  mencapai  titik  optimal. Butiran yang terbentuk kombinasi antara  pipih dan bulat.
Gambar 5. Hasil maping sampel dari strukturmikro
Gambar  5  merupakan  hasil  maping  struktur  mikro  sampel  hasil  sintering  pada  temperatur  800  C,  terlihat unsur O, Ca, Co yang merupakan unsur yang ada pada sampel. Disini terlihat masing-masing unsur tersebar merata dipermukaan  sampel  dengan  melihat  warna  yang  ditimbulkan  dimana  masing-masing  unsur  mengeluarkan  warna yang berbeda.
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2021 Lusiana, Pembuatan Material Termoelektrik Ca 3 Co 4 O 9 dengan Metode Padatan
ISSN 2620-6706
Gambar 5. Hasil Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy ( EDS) sampel Ca 3 Co 4 O 9
Gambar  5  merupakan  hasil  analisis  kuantitatif  masing-masing  unsur  dari  senyawa  Ca 3 Co 4 O 9 berdasarkan EDS ,  tapi  hasil  ini  tidak  bisa  menunjukkan  perbandingan  unsur  dari  material  Ca 3 Co 4 O 9, dikarenakan  hasil  dari  uji difraksi  sinar  x  terdapat  2  fasa  yang  terbentuk  yaitu  Ca 3 Co 4 O 9 dan  Ca 3 Co 2 O 6 .  Jadi  hasil  EDS  ini  hanya  bisa memperlihatkan kuantitatif unsur pembentuk senyawa dari pencampuran CaCO 3 dan CoCO 3 .

## KESIMPULAN
Proses  pembuatan  material  dengan  mencampurkan  CaCO 3 dan  CoCO 3 sesuai  stoikiometri  menggunakan reaksi  padatan  pada  temperatur  sintering  800°C  selama  24  jam  didalam  tungku  dapat  menghasilkan  senyawa Ca 3 Co 4 O 9 .  Senyawa  Ca 3 Co 4 O 9 adalah  merupakan  material  thermoelektik  type  -  p.  Berdasarkan  pengujian  difraksi sinar-x terhadap sampel selain fasa Ca 3 Co 4 O 9 masih ada fasa lain yaitu Ca 3 Co 2 O 6 . Pengamatan strukturmikro butiran yang terjadi  berbentuk bulat dan sebagian berbentuk pipih.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  B. Orr, A. Akbarzadeh, M. Mochizuki, dan R. Singh, “A review of car waste heat recovery systems utilising thermoelectric generators and heat pipes,” Appl. Therm. Eng., vol. 101, 2016,  hal. 490–495.
[2]  W.  A.  Nugroho,  “Exhaust  System  Generator:  Knalpot  Penghasil  Listrik  Dengan  Prinsip  Termoelektrik,” Sainteknol, vol. 13, no. 2, 2015,  hal. 161–168.
[3]  J. W. Fergus, “Oxide materials for high temperature thermoelectric energy conversion,”  J. Eur. Ceram. Soc., vol. 32, no. 3, 2012, hal. 525–540.
[4]  Y.  M.  Iyazaki,  M.  O.  Noda,  T.  O.  Ku,  M.  K.  Ikuchi,  dan  Y.  I.  Shii,  “Modulated  Structure  of  the Thermoelectric Compound [ Ca 2 CoO 3 ] 0 : 62 CoO 2,” vol. 71, no. 2, 2002,  hal. 491–497.
[5] D. Sedmidubský, V. Jakeš, O. Jankovský, J. Leitner, Z. Sofer, dan J. Hejtmánek, “Phase equilibria in Ca-Co-
0.00 3.00 6.00 9.00 12.00 15.00 18.00 21.00 keV 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Coun ts OKa CaKa CaKb CoLl CoLa CoKa CoKb

## ZAF Method Standardless Quantitative Analysis
Fitting Coefficient : 0.2694
Element        (keV)   Mass%  Error%   Atom%  Compound   Mass%  Cation         K O K           0.525   17.05    0.33   39.59                              9.9826 Ca K           3.690   27.43    0.17   25.42                             34.0447 Co K           6.924   55.51    0.49   34.98                             55.9727 Total                 100.00          100.00
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2021 Lusiana, Pembuatan Material Termoelektrik Ca 3 Co 4 O 9 dengan Metode Padatan
O system,” J. Solid State Chem. , vol. 194, 2012, hal. 199–205.
[6] A. Kinematika, M. Mechanical, dan T. Menggunakan, “J URNAL T eknik M esin,” vol. 12, no. 2,  2019, hal. 38–45.
[7] P. Smaczyński, M. Sopicka-Lizer, K. Kozłowska, dan J. Plewa, “Low temperature synthesis of calcium cobaltites in a solid state reaction,” J. Electroceramics , vol. 18, no. 3–4, 2007, hal. 255–260.
[8] M. Sopicka-Lizer, P. Smaczyński, K. Kozłowska, E. Bobrowska-Grzesik, J. Plewa, dan H. Altenburg, “Preparation and characterization of calcium cobaltite for thermoelectric application,” J. Eur. Ceram. Soc. , vol. 25, no. 12 SPEC. ISS., 2005,  hal. 1997–2001.