Submitted : 23 Agustus 2021 Revised : 15 September 2021 Accepted : 9 November 2021
ELEKTRODA SUPERKAPASITOR BERBAHAN NANOKOMPOSIT MnO 2 /AC DARI LIMBAH PLASTIK DENGAN TEKNIK ELEKTRODEPOSISI
I Wayan Wira Yuda 1 , , Faisal Maulana Malik Ibrahim 1 , Masruroh 1*, Nik Matul Ula 2 , Vita Valiana 2, Rachmat Triandi T 2
1 Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Brawijaya 2 Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Brawijaya * email: ruroh@ub.ac.id

## Abstrak
Elektroda  merupakan  komponen  penting  dari  sebuah  superkapasitor.  Pemilihan  bahan  elektroda  dan fabrikasinya memainkan peran penting dalam meningkatkan kinerja kapasitif superkapasitor. Salah satu kriteria elektroda untuk superkapasitor adalah harus memiliki luas permukaan per satuan volume dan porositas yang tinggi, di samping elektroda harus berbiaya rendah dan ramah lingkungan. Pada penelitian ini sintesis elektroda dari  nanokomposit  MnO 2 /AC  dilakukan  dengan  metode  elektrodeposisi.  Elektrodeposisi  untuk  menghasilkan superkapasitor dilakukan dengan variasi konsentrasi 0,25 dan 0,5 M. Kandungan karbon diperoleh dari sintesis limbah  plastik  polietilen  dengan  metode  pirolisis  sedangkan  MnO 2 diperoleh  dari  elektrodeposisi  sehingga elektroda  yang  dihasilkan  dapat  memenuhi  dari  aspek  biaya  rendah  dan  ramah  lingkungan.  Hasil  sintesis elektroda  komposit  MnO 2 /AC    dikarakterisasi  dengan fourier  transform  infra  red (FTIR), scanning  electron microscope  energy  dispersive  x-ray (SEM-EDX), topography  measurement  system (TMS),  dan  LCR  816. Hasil pengamatan  menunjukkan  pada  elektroda  dengan  konsentrasi  0,25  M  menghasilkan  ukuran  pori  dan  luas permukaan  sebesar 10,56 nm dan 0,3626  mm 2 , sedangkan pada konsentrasi 0,5 M menunjukkan ukuran pori 1,036  nm  dan  luas  permukaan  0,3732    mm 2 .  Kapasitansi  dari  sintesis  ini  diperoleh  nilai  tertinggi  pada konsentrasi 0,5 M sebesar 53 F/g dengan sintesis tegangan 0,5 V. Sintesis nanokomposit MnO 2 /AC dari limbah plastik dapat berpotensi sebagai material elektroda superkapasitor.
Kata Kunci : Elektroda Superkapasitor, Elektrodeposisi, MnO 2 , sampah plastik, polietilen

## Abstract
Electrodes  are  an  important  component  in  supercapacitors.  The  choice  of  electrode  material  and  its  fabrication plays  an  important  role  in  improving  the  capacitive  performance  of  the  supercapacitor.  One  of  the  criteria  for supercapacitor  electrodes is to  have high  surface  area  per  unit  volume  and  high  porosity,  the  electrodes must  be low-cost and environmentally friendly. In this study, the synthesis of electrodes from nanocomposites MnO 2 /AC using the electrodeposition method. Electrodeposition method to produce supercapacitors was carried out  with various concentrations  of  0.25  M  and  0.5  M.  Carbon  content  was  obtained  from  synthesis  polyethylene  plastic  waste  by pyrolysis method  while MnO 2 obtained from electrodeposition  so  that the electrode could meet  the aspects of low cost and environmentally friendly. The results of the synthesis of MnO 2 /AC composite electrodes were characterized by Fourier Transform Infra-Red (FTIR). Electrode with a concentration of 0.25 M produced a pore size of 10.56 µm with a surface area of 0.3626 mm 2 , while the concentration of 0.5 M showed a pore size of 1,036 nm with a surface area of 0.3732 mm 2 . The synthesis capacitance was obtained the highest value at a concentration 0.5 M of 53 F/g with  a  synthesis  voltage  of  0.5  V.  Synthesis  of  MnO 2 /AC  nanocomposite  from  plastic  waste  can  be  potential  as  a supercapacitor electrode material.
Keywords : Electrodeposition,  MnO 2 ,  Plastic waste, Polyethylene, Supercapacitor Electrode
JURNAL INTEGRASI PROSES
Website: http://jurnal.untirta.ac.id/index.php/jip

## 1. PENDAHULUAN
Superkapasitor  adalah  jenis  kapasitor  yang dapat  menyimpan  energi  dalam  skala  besar. Elektroda  merupakan  bagian  penting  dari superkapasitor  karena  mempunyai  kemampuan dalam  mentransfer  muatan  faradik  untuk meningkatkan kinerja kapasitansi. Pemilihan bahan elektroda  dan  fabrikasinya  memainkan  peran  yang penting dalam meningkatkan kinerja kapasitif pada superkapasitor.  Salah  satu  kriteria  penting elektroda  superkapasitor  adalah  mempunyai porositas  dan  luas  permukaan  per  satuan  volume tinggi (Forouzandeh et al., 2020).
Elektroda  harus  mempunyai  stabilitas  termal, ketahanan  korosi,  konduktivitas  listrik  yang  tinggi, stabilitas  kimia  yang  sesuai  (Ariyanto  et  al.,  2012). Persyaratan  lain  termasuk  keramahan  lingkungan dan  biaya  rendah.  Elektroda  superkapasitor  yang biasa  digunakan  adalah  karbon  dan  lempengan logam. Karbon lebih banyak digunakan dibandingkan  lempengan  logam  yang  tidak mempunyai  nilai  ekonomis  (Nursiti et  al ,  2018). Sejauh  ini,  elektroda  nanokomposit  masih  belum banyak  dikembangkan.  Bahan  yang  pernah  diteliti sebagai bahan nanokomposit elektroda superkapasitor  adalah  TiO 2 /grafit.  Namun,  kinerja kapasitansi yang kecil dari bahan TiO
2 menyebabkan siklus superkapasitor tidak bertahan lama (Agusu & Uho, 2017).
Material logam transisi seperti RuO 2 , SnO 2 , dan NiO  memiliki  kemampuan  penyimpan  muatan tinggi  karena  adanya  energi  celah  pita.  Namun material logam transisi tersebut memiliki toksisitas yang  membatasi  komersialisasi  dari  elektroda superkapasitor (Wang  et  al.,  2012).    Sementara  itu material  lain  berupa  mangan  dioksida  (MnO 2 ) memiliki  kapasitansi  yang  lebih  tinggi.  Akan  tetapi konduktivitas  bahan  MnO 2 memiliki  kelemahan berupa daya hantar listrik yang buruk. Penambahan doping  berupa  grafit  dapat  memperbaiki  sifat konduktivitas  pada  bahan  MnO 2, grafit  masih memiliki kemampuan termal yang rendah (Saridewi et al., 2015). Oleh sebab itu dibutuhkan bahan jenis lain yang memiliki potensi lebih baik.
Bahan  lain  yang  memiliki  potensi  sebagai material  penghantar  listrik  adalah  plastik  jenis polietilen.  Plastik  ini  tersusun  dari  serat  karbon aktif  yang  mempunyai  konduktivitas  listrik  tinggi dibandingkan  bahan  lainnya.  Di  samping  itu, kontribusi  limbah  plastik  terhadap  total  produksi limbah nasional mencapai 15% dengan pertumbuhan  rata-rata  mencapai  14,7%  per  tahun dan  menempatkan  limbah  plastik  sebagai kontributor  terbesar  kedua  (Kholidah  et  al.,  2018). Limbah  plastik  memiliki  waktu  degradasi  yang cukup  lama  di  alam,  yaitu  berkisar  80  hingga  100 tahun.
Selama ini proses sintesis nanokomposit masih terkendala  pada  jumlah  partikel  dan  proses  yang lama.  Selain  itu  biaya  yang  mahal  dan  kapasitansi spesifik  yang  dihasilkan  pada  proses  elektrokimia masih  rendah  (Subagio  &  Yudianti,  2014).  Oleh
sebab  itu  dikembangkan  penelitian  sintesis  karbon aktif  yang  didoping  MnO 2 dengan  metode elektrodeposisi.  Metode  ini  membutuhkan  waktu singkat untuk memproduksi nanokomposit. Jumlah endapan yang dihasilkan dapat divariasikan dengan mengubah konsentrasi prekursor elektrolit maupun tegangan yang diberikan (Xi et al , 2017).

## 2. METODE PENELITIAN
Bahan  yang  digunakan  antara  lain  limbah plastik  polietilena  tereftalat , MnSO 4 .H 2 O,  dan Na 2 SO 4. Limbah  plastik  dipotong  hingga  berukuran kecil  dan  dikeringkan  di  bawah  sinar  matahari. Potongan  plastik  kemudian  dipanaskan  dalam  alat muffle  furnace pada  suhu  500 ° C  selama  1  jam hingga  terjadi  degradasi.  Hasil  serbuk  diaktivasi dengan KOH selama 1 hari, selanjutnya dipanaskan kembali pada tanur selama 1 jam pada suhu 400 ° C. Karbon  teraktivasi  dicuci  dengan  HCl  dan dikeringkan pada oven.
Sintesis  Nanokomposit  MnO 2 /AC  diperoleh melalui  proses  elektrodeposisi. Larutan  MnSO 4 dan Na 2 SO 4 dicampur pada bejana gravimetri. Elektroda yang  digunakan  adalah  plat  nikel  dan  plat aluminium. Mangan dioksida akan dielektrodeposisi pada  plat  aluminium  terlapisi  karbon  pada tegangan 5 V seperti pada gambar 1.
Gambar 1 . Ilustrasi proses elektrodeposisi MnO 2 /AC
Hasil  elektrodeposisi  diaduk  pada  kecepatan  300 rpm,  lalu  disonikasi  dan  dikeringkan  pada  oven selama  1  jam.  Hasil  yang  diperoleh  disimpan  pada tembaga  dan  ditutup  dengan  kaca  akrilik.  Hasil sintesis elektroda komposit MnO 2 /AC dikarakterisasi  dengan  FTIR,    SEM-EDX,  TMS,  dan LCR 816.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1 Karakterisasi FTIR MnO 2 /AC Analisis  menggunakan  FTIR  untuk  mengetahui keberadaan  gugus  fungsional  yang  terikat  oleh sampel  komposit  MnO 2 /AC  setelah  dilakukan elektrodeposisi  pada  rentang  bilangan  gelombang 400-4000  cm -1 .  Bilangan  gelombang  yang  terbaca pada  spectrum  mengacu  pada  referensi  hasil penelitian (Mylarappa et al., 2016).
Pada  Gambar 2 terdapat pita serapan yang kuat pada  daerah  bilangan  gelombang  528  cm -1 menunjukkan  adanya  ikatan  Mn – O  pada  struktur MnO 2. Kemudian    penyerapan  pada  bilangan gelombang 1112 cm -1 dan 1186 cm -1
mengindikasikan  adanya  ikatan  vibrasi  O – H  yang bergabung dengan Mn. Pada pita serapan 1639 cm -1 terdapat  gugus  karbonil  yaitu  keton  yang mengindikasikan  bentuk  karbon  dari  plastik polietilen.  Timbul puncak yang lebar pada bilangan gelombang  3468  cm -1 sebagai  vibrasi  ikatan  O – H yang  menunjukkan  adanya  molekul  air  yang terserap diantara struktur MnO 2 .
Gambar 2. Hasil analisis FTIR pada komposit
MnO 2 /AC
3.2 Karakterisasi SEM MnO 2 /AC Untuk  mengetahui  morfologi  permukaan elektroda  komposit  MnO 2 /AC  dan  komposit  unsur yang  dihasilkan  dilakukan  karakterisasi  elektroda menggunakan  SEM-EDX  perbesaran  4000X.  Hasil analisis  yang  diperoleh  menunjukkan  bahwa sintesis  serbuk  dari  elektrodeposisi  membentuk persebaran MnO 2 pada karbon aktif.
(a)
(b) (c) (d)
Gambar 3. Morfologi permukaan MnO 2 /AC dan komposisi prosentase atom hasil EDs dengan konsentrasi (a) dan (b) 0,5 M serta (c) dan (d) 0,25
M
Morfologi  permukaan  komposit  MnO 2 /AC dengan  elektrodeposisi  pada  konsentrasi  0,5  M telah  terbentuk  porositas  dengan  bentuk  slit  pada material nanokomposit MnO 2 /AC. Pada konsentrasi 0,25  M  dengan  perbesaran  yang  sama  porositas yang  terbentuk  cenderung  lebih  besar.  Perbedaan besar porositas dipengaruhi oleh persebaran MnO 2 yang  melapisi  karbon  aktif.  Analisis  EDX dilakukan untuk  mengetahui  komposisi  kimia  MnO 2 /AC dimana terdeteksi  unsur C, Mn, dan O dapat. Unsur C diperoleh dari substrat karbon aktif yang berasal dari  plastik  jenis  PET  (polietilena  tereftalat),  dan
unsur  Mn  dan  O  yang  diperoleh  dengan elektrodeposisi mangan oksida.
Hasil  data  persebaran  MnO 2 pada  variasi konsentrasi 0,5 M cukup merata dengan persentase sebesar  27,46%.  Konsentrasi  0,25  M  memiliki persebaran  MnO 2 yang  lebih  sedikit  dengan persentase sebesar 22,99%. Konsentrasi tinggi pada menyebabkan  partikel  MnO 2 mengisi  ruang  kosong yang  terdapat  pada  karbon  aktif  ketika  proses elektrodeposisi
berlangsung.
Elektrodeposisi Mangan  dioksida  dengan  jumlah  persentase  yang lebih  rendah  mengakibatkan  ukuran  pori  karbon aktif  lebih  besar  dikarenakan  partikel  MnO 2 yang sedikit menutup permukaan.
3.3 Karakterisasi TMS MnO 2 /AC Untuk mengetahui luas permukaan partikel dan ukuran pori material nanokomposit MnO 2 /AC yang dihasilkan dilakukan analisis dengan menggunakan TMS. Hasil TMS secara 2 dimensi ditunjukkan pada Gambar  3.  Warna  merah  pada  Gambar  3 menunjukkan pori yang terbentuk pada permukaan nanokomposit  MnO 2 /AC  dengan  skala  800  µm. Konsentrasi  0,25  M  (Gambar  4b)  menghasilkan kedalaman  pori  yang  lebih  banyak  dibandingkan konsentrasi 0,5 M (Gambar 4a). Hal ini dikarenakan partikel  MnO 2 yang  dihasilkan  pada  proses elektrodeposisi  menutup  pori  karbon  aktif  limbah plastik dengan ukuran lebih kecil.
(a)
Gambar 4. Citra 2 dimensi hasil TMS dengan konsentrasi: (a) 0,5 M dan (b) 0,25 M
Besarnya nilai pori dan luas permukaan diamati dengan karakterisasi hasil Gambar 4  diperoleh dari persamaan kekasaran area luasan sebagai berikut:
𝑆𝐴 = 1 𝐴 ∬|𝑍(𝑥, 𝑦)| 𝑑𝑥. 𝑑𝑦
𝐴 0
Tabel 1 . Ukuran, volume, luas permukaan , dan kedalaman pori konsentrasi 0,5 dan 0,25 M
Kriteria  ukuran  pori  sampel  menurut  IUPAC termasuk  mesopori  (Setianingsih,  2018)  pada konsentrasi  0,5  M  dengan  kecepatan  pengadukan 300 rpm. Hasil perhitungan untuk volume pori, luas permukaan,  serta  tinggi  pori  dapat  diamati  pada Tabel  1.    menunjukkan  bahwa  semakin  besar ukuran,  volume,  dan  kedalaman    poros  sebanding dengan  perhitungan  luas  permukaan  (SA)  yang semakin  besar.  Hasil  ini  sesuai  dengan  uji  SEM sebelumnya,  distribusi  sebaran  MnO 2 pada  0,5  M lebih  tinggi  jika  dibandingkan  dengan  0,25  M  yang menghasilkan ukuran pori pada 0,5 M lebih kecil.
3.3 Karakterisasi kapasitansi MnO 2 /AC Analisa  kapasitansi  nanokomposit  MnO 2 /AC dilakukan  dengan  alat  uji  LCR  816  pada  tegangan 0,5; 0,75; dan 1 V.
Gambar 5. Grafik kapasitansi MnO 2 /AC
Berdasarkan  grafik  pada  gambar  5.  dapat diketahui  nilai  kapasitansi  yang  dihasilkan  pada  2 konsentrasi  0,25  M  dan  0,5  M  berada  pada  rentan 40 – 53  F/g.  Dari  grafik  menunjukkan  bahwa nanokomposit  MnO 2 /AC  yang  disintesis  pada tegangan  0,5  V  memiliki  nilai  paling  besar dibandingkan  0,75  dan  1  V.  Konsentrasi  0,5  M memiliki  nilai  kapasitansi  terbesar  dengan kapasitansi  53  F/g.  Nilai  tersebut  lebih  tinggi
35 40 45 50 55 1 0,75 0,5 Ka p asi ta n si ( F/ g) Tegangan (V) 0,25M 300rpm 0,5M 300rpm Jenis sampel Ukuran pori, nm Volume pori, mm 3 Luas permukaan , mm 2 Kedalaman pori, nm 0,25 M  10,56 0,00495  0,3626 5530 0,5 M 1,036 0,00024  0,3732 640,62
dibandingkan superkapasitor komersil karbon yang memiliki penyimpanan sebesar 0,1 F setiap 30 gram (Nursiti et al., 2018).
Perbedaan  perlakuan  tegangan  pada  pengujian kapasitansi  menunjukkan  jumlah  pengisian  yang diberikan dalam satuan detik sehingga kecenderungan  nilai  bergantung  waktu  pengisian. Jumlah  kapasitansi  besar  dikarenakan  persebaran MnO 2 tinggi pada  proses  elektrodeposisi  sehingga partikel  mampu  menyimpan  muatan.  Nilai penyimpanan  muatan  yang  tinggi  menyebabkan waktu pemakaian menjadi lebih lama dibandingkan superkapasitor komersil.

## 4. KESIMPULAN
Sintesis
material elektroda dengan elektrodeposisi  telah  berhasil  dilakukan  dengan variasi konsentrasi yaitu 0,25 dan 0,5 M. Hasil SEM menunjukkan  telah  terbentuknya  porositas  lebih besar  pada  konsentrasi  lebih  rendah  akibat pendistribusian MnO 2 yang lebih tinggi pada karbon aktif.  Kuantisasi  luas  permukaan  yang  dihasilkan dengan  konsentrasi  0,25  M  sebesar  8,45  µm  dan konsentrasi  0,5  M  sebesar  829,59  nm.  Sedangkan porositas  konsentrasi  0,5  M  menunjukkan  ukuran pori  sebesar  32,5  nm  dan  konsentrasi  0,25  M menghasilkan  ukuran  pori  3,28    µm.  Hasil kapasitansi tertinggi yang diperoleh sebesar 53 F/g pada  konsentrasi  0,5  M  dengan  sintesis  tegangan 0,5  V.  Porositas  sangat  penting  untuk  pengaliran muatan  saat  proses  pengisian  daya  pada superkapasitor dan keberadaan MnO 2 meningkatkan  jumlah  penyimpanan  spesifik elektroda. Nilai penyimpanan muatan yang dimiliki jauh  lebih  tinggi  Sehingga  sintesis  nanokomposit MnO 2 /AC  dari  limbah  plastik  dapat  berpotensi sebagai material elektroda superkapasitor.

## 5. UCAPAN TERIMA KASIH
Terima  kasih  kepada  DITJEN  DIKTI  yang  telah membiayai  penelitian  hibah  PKM  (Program Kreativitas Mahasiswa) 2021.

## 6. DAFTAR PUSTAKA
Agusu,  L.,  &  Uho,  K.  (2017).  Jurnal  Aplikasi  Fisika Volume 13 Nomor 1 Pebruari 2017. 13(1), 8.
Ariyanto,  T.,  Prasetyo,  I.,  &  Rochmadi,  R.  (2012).
Pengaruh  Struktur  Pori  Terhadap  Kapasitansi
Elektroda  Superkapasitor  Yang  Dibuat  Dari Karbon  Nanopori.  Reaktor,  14(1),  25 – 32. https://doi.org/10.14710/reaktor.14.1.25-32 Forouzandeh, P., Kumaravel, V., & Pillai, S. C. (2020).
Electrode  Materials  for  Supercapacitors:  A Review  of  Recent  Advances.  Catalysts,  10(9). https://doi.org/10.3390/catal10090969 Kholidah,  N.,  Faizal,  M.,  &  Said,  M.  (2018). Polystyrene  Plastic  Waste  Conversion  into Liquid  Fuel  with  Catalytic  Cracking  Process Using  Al 2 O 3 as  Catalyst.  Science  &  Technology Indonesia, 3 (1), 1 – 6. https://doi.org/10.26554/sti.2018.3.1.1-6
Mylarappa,  M.,  Lakshmi,  V.  V.,  Mahesh,  K.  R.  V.,
Nagaswarupa, H. P., & Raghavendra, N. (2016). A facile  hydrothermal  recovery  of  nano  sealed MnO 2 particle  from  waste  batteries:  An advanced  material  for  electrochemical  and environmental  applications.  IOP  Conference Series:  Materials  Science  and  Engineering,  149,
012178. https://doi.org/10.1088/1757- 899X/149/1/012178 Nursiti.,  Wibowo,  Ersita  R.,  Safitri,  Ayu  W., Supriyono., Oktavian, Rama. (2018). Elektrosintesis  Nanoko mposit  Α -Mno2/C  Dan Fabrikasinya  Untuk  Aplikasi  Superkapasitor. Jurnal Chemurgy. 2 (1), 6-11 Saridewi,  N.,  Arif,  S.,  &  Alif,  A.  (2015).  Sintesis Nanomaterial  Mangan  Oksida  dengan  Metode Bebas  Pelarut.  Jurnal  Kimia  Valensi,  117 – 123. https://doi.org/10.15408/jkv.v0i0.3147 Setianingsih, T. (2018). Karakterisasi Pori dan Luas Muka  Padatan.  Universitas  Brawijaya  Press. https://books.google.co.id/books?id=7QKGDwA AQBAJ Subagio,  A.,  &  Yudianti,  R.  (2014).  Sintesis  Dan Karakterisasi Material Nanokomposit CNT/MnO 2 Untuk Aplikasi Material Superkapasitor. 12 Wang, Guoping., Zhang, lei., Zhang, Jiujun. (2012). A Review of Electrode Materials for Electrochemical Supercapacitors. Critical Review, 41(2), 792 – 828
Xi,  S.,  Yinlong,Z.,  Yutu,Y.,  dan  Ying,L.  (2017.  Direct Synthesis of MnO 2 Nanorods on Carbon Cloth as Flexible  Supercapacitor  Electrode.  Journal  od Nanomaterials : 1-8.