https://doi.org/10.22487/kovalen.2022.v8.i2.15910

## Sintesis dan Karakterisasi Carbon Nanodots dengan Metode Microwave Assisted Extraction

## [Synthesis and Characterization of Carbon Nanodots with Microwave Assisted
Extraction]
Mentik Hulupi, Haryadi, Nabila Sofiyani, Rizka Amalia Nuriana, Retno Indarti, Fauzi Abdilah 

## Jurusan Teknik Kimia, Politeknik Negeri Bandung Jl. Gegerkalong Hilir, Bandung 40559 Indonesia
Abstract. Carbon nanodots (CNDs) is one of the carbon nanoparticles that are environmentally friendly, non-toxic and have optical properties. The aim of this study was to synthesize CNDs from ascorbic acid as a precursor using the Microwave Assisted Extraction (MAE) method. Best results are obtained at 4 minutes of heating and 500W of power. The synthesized CNDs solution showed a blue color under 365 nm UV light. The measurement results with UV-Vis  spectrophotometer  showed  the  maximum  wavelength  at  341.5  nm  with  an  energy  gap  of  5.57  eV.  The results of The Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) analysis show that CNDs have the -OH (hydroxyl) functional group at a wave number of 3354.61 cm -1 and C=O functional group at a wave number of 1633.09 cm -1 . Characterization  results using  High  Resolution  Transmission  Electron  Microscopy  (HRTEM)  showed  that  CNDs were spherical in shape with a particle size range of 2.54-9.48 nm.
Keywords: ascorbic acid, carbon nanodots, microwave assisted extraction, nanoparticle
Abstrak. Carbon  nanodots (CNDs)  merupakan  salah  satu  nanopartikel  karbon  yang  ramah  lingkungan,  tidak beracun dan memiliki sifat optik. Tujuan penelitian ini adalah untuk melakukan sintesis CNDs dari asam askorbat sebagai prekursor melalui metode Microwave Assisted Extraction (MAE). Hasil terbaik diperoleh pada pemanasan selama 4 menit dan daya 500W. Larutan CNDs hasil sintesis menunjukkan pendaran berwarna biru di bawah sinar UV  365  nm.  Hasil  pengukuran  dengan  spektrofotometer  UV  Vis  menunjukkan  puncak  panjang  gelombang maksimum  pada  341,5  nm  dengan  nilai  energi  gap  sebesar  5,57  eV.  Hasil  analisis Fourier-Transform  Infrared Spectroscopy (FTIR) menunjukkan CNDs memiliki gugus fungsi -OH (hidroksil) pada bilangan gelombang 3354,61 cm -1 dan  C=O  (karbonil)  pada  bilangan  gelombang  1633,09  cm -1 .  Hasil  karakterisasi  menggunakan High- Resolution  Transmission  Electron  Microscopy (HRTEM)  menunjukkan  CNDs  berbentuk  bulat  dengan  rentang ukuran partikel sebesar 2,54-9,48 nm.
Kata kunci : asam askorbat, carbon nanodots, microwave assisted extraction, nanopartikel
Diterima:  28 Mei 2022, Disetujui: 13 Juli 2022 Sitasi:   Hulupi, M., Haryadi., Sofiyani, N., Nuriana, RA., Indarti, R., dan Abdilah, F. 2022). Sintesis dan Karakterisasi Carbon Nanodots dengan Metode Microwave Assisted Extraction . KOVALEN: Jurnal Riset Kimia , 8(2): 120-126.

## LATAR BELAKANG
Carbon  nanodots (CNDs)  merupakan kelompok  nanomaterial  karbon  yang  tidak
beracun  dan  memiliki  sifat  fluoresensi  yang baik. CNDs berpotensi diaplikasikan dalam foto katalisis,  optoelektronika,  bio-imaging, dan sensor  (Haryadi et  al .,  2018;  Taspika et  al .,
2019).  CNDs  memiliki  ukuran  rata-rata  di bawah 10 nm (Edison et al ., 2016). Permukaan
https://bestjournal.untad.ac.id/index.php/kovalen
 Corresponding author

## Hulupi et al.
CNDs  memiliki  banyak  gugus  fungsi  seperti hidroksil, epoksi, karbonil, dan karboksilat (Gao et al ., 2017).
Terdapat dua kategori sintesis CNDs, yaitu metode top-down dan bottom-up (Yuan et  al .,
2016). Metode bottom-up lebih terjangkau dan energi  yang  terpakai  lebih  rendah  sehingga lebih menarik untuk dikembangkan. Salah satu metode bottom-up yang  dipandang  sebagai metode  unggulan  untuk  sintesis  CNDs  secara tepat adalah iradiasi gelombang mikro ( microwave ).  Metode  ini  dapat  mengatasi kelemahan pada metode pemanasan sederhana  karena  metode  gelombang  mikro memberikan energi yang intens, homogen, dan pemanasan yang efisien. Selain itu, metode ini memerlukan waktu yang singkat untuk mencapai  suhu  tinggi,  sehingga  reaksi  dapat berlangsung lebih cepat (Miao et al ., 2015).
Microwave  Assisted  Extraction (MAE) untuk  sintesis  CNDs  tergolong  dalam  metode bottom-up , berdasarkan prinsip energi gelombang mikro dengan menggunakan microwave.  Gelombang  mikro  merupakan salah  satu  gelombang  elektromagnetik  non- pengion dengan frekuensi dari 300 Mhz hingga 300  GHz.  Molekul-molekul  tersebut  akan digetarkan  oleh  gelombang  mikro  sehingga rantai  karbon  mengalami  penyusunan  ulang tanpa  mengurangi  kadar  air  larutan.  Radiasi microwave  ini  memiliki  sifat  laju  reaksi  dan selektifitas yang tinggi, hemat energi, pemanasan volumetrik yang merata, sehingga pemanasan langsung terjadi pada sampel dan meningkatkan  hasil  produk  dibandingkan metode  konvensional.  Sehingga  metode  ini lebih menjanjikan untuk sintesis nano material (de Medeiros et al ., 2019).
Pemanasan menggunakan bantuan energi gelombang mikro didasarkan pada efek
langsung  gelombang  mikro  terhadap  molekul dengan  konduksi  ionik  dan  rotasi  dipol. Resistansi  larutan  terhadap  aliran  ion  ini menghasilkan gesekan, lalu akan memanaskan larutan.  Rotasi  dipol  berarti  penataan  ulang dipol  dengan  bidang  yang  diterapkan  (de Medeiros et al ., 2019; Dudley et al ., 2015).
Penelitian mengenai sintesis CNDs dengan  metode  hidrotermal  telah  banyak dilaporkan. CNDs dapat disintesis secara satu tahap secara hidrotemal dan  berpotensi untuk digunakan sebagai sensor ataupun detektor (Li et  al .,  2018).  Penggunaan  metode  MAE  pada sintesis  CNDs  juga  telah  dilakukan  pada sumber  karbon  yang  berbeda  dan  doping nitrogen  untuk  diaplikasikan  sebagai  sensor Fe 3+ (Zhang et  al .,  2017).  Selain  itu, penggunaan  β-alanin  (BA)  sebagai  sumber nitrogen  juga  telah  dilaporkan  (Edison et  al .,
2016).  Pada  penelitian  ini  dilakukan  sintesis CNDs  dari  asam  askorbat  menggunakan metode MAE.

## METODE PENELITIAN

## Bahan dan Peralatan
Peralatan pada penelitian ini yaitu hotplate stirrer,  microwave , Benchtop  High  Speed Centrifuge , lampu UV 365 nm, High-Resolution Transmission  Electron  Microscopy (HRTEM),
Spektrofotometer  Shimadzu  UV-1700,  dan
Attenuated Total Reflectance
Fourier Transform Infra Red Spectroscopy (ATR-FTIR).
Bahan  yang  digunakan  antara  lain  asam askorbat (Merck), dan akuades.

## Prosedur Penelitian

## Sintesis CNDs
Carbon  nanodots disintesis  dengan  cara melarutkan asam askorbat 25 g ke dalam 250 mL  akuades.  Larutan  dipanaskan  di  atas hotplate dengan  suhu  70 ℃ selama  15  menit
Hulupi et al.
agar  larutan  menjadi  homogen.  Kemudian dipanaskan  di  dalam  oven microwave dengan daya  400-500  W  selama  4  menit.  Larutan CNDs  dimurnikan  dengan  sentrifuge  pada kecepatan  3000  rpm  selama  20  menit, kemudian  didekantasi.  Supernatant  berwarna kuning  kecoklatan  merupakan  CNDs  hasil sintesis.

## Karakterisasi CNDs
Sifat  fluoresensi  dari  CNDs  dianalisis menggunakan  lampu  UV  365  nm  dan  diamati secara  visual  warna  pendarannya.  Analisis dilakukan  dengan  cara  memasukkan  sampel CNDs  ke  dalam  kuvet  dan  ditambahkan beberapa tetes akuades, lalu kuvet yang berisi sampel disimpan di bawah lampu UV 365 nm.
CNDs diukur serapannya dengan menggunakan  Spektrofotometer  UV-Vis  pada rentang panjang gelombang UV (200 –400 nm).
Sampel  yang  akan  dianalisis  diencerkan terlebih  dahulu  sebanyak  1000  kali,  lalu dianalisis menggunakan Spektrofotometer Shimadzu UV-1700.
Analisis gugus fungsi pada CNDs dilakukan  dengan  menggunakan  FTIR  jenis Attenuated Total Reflectance
Fourier
Transform Infra Red Spectroscopy (ATR-FTIR).
Penentuan  distribusi  ukuran  partikel  dan morfologi CNDs hasil sintesis dilakukan dengan menggunakan
instrumen
Transmission
Electron Microscopy (TEM). Lempengan karbon  yang  digunakan  dicelupkan  ke  dalam sampel,  lalu  dibiarkan  mengering.  Kemudian, diukur  menggunakan  HRTEM  pada  berbagai skala pembesaran.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Hasil Sintesis CNDs
Sintesis CNDs berlangsung melalui beberapa tahap reaksi. Setelah asam askorbat
dilarutkan  dalam  air  DM,  maka  dilakukan proses  pemanasan  agar  larutan  tercampur dengan  sempurna.  Pada  proses  pemanasan tersebut,  sampel  akan  mengalami  dehidrasi atau pelepasan air dari molekul yang bereaksi. Kemudian ikatan rantai karbon yang terkandung  dalam  asam  askorbat  akan terputus,  proses  tersebut  merupakan  proses polimerisasi.
Setelah proses pemanasan selesai, sampel dimasukkan ke dalam oven microwave agar  terjadi  proses  karbonisasi.  Pada  tahap karbonisasi  ini  rantai-rantai  karbon  yang terkandung akan mengalami penyusunan ulang dan  membentuk  inti  CNDs,  karena  adanya vibrasi  (penggetaran)  yang  merupakan  prinsip dari microwave. Keberhasilan  karbonisasi ditandai dengan perubahan warna larutan dari tidak  berwarna  menjadi  kuning  kecokelatan (Edison et al ., 2016; Lu et al ., 2021).
CNDs  yang  dihasilkan  dari  microwave kemudian  disentrifugasi  untuk  memisahkan CNDs dari agregat (pengotor) yang terkandung. Hasil akhir yang didapatkan adalah CNDs  yang  berbentuk  cair  dengan  warna kuning kecokelatan transparan (Gambar 1).
Gambar 1 . Larutan CNDs dari asam askorbat

## Karakteristik CNDs
Karakteristik fluoresensi dari CNDs diamati secara visual di bawah sinar UV 365 nm (Gambar  2).  Pendaran  yang  berwarna  biru
Hulupi et al.
mengindikasikan
terbentuknya
CNDs.
Pendaran  ini  muncul  akibat  adanya  proses penyerapan  cahaya  pada  panjang  gelombang 365 nm oleh CNDs, dan menyebabkan elektron tereksitasi  ke  tingkat  energi  yang  lebih  tinggi (pita konduksi).
Gambar 2. Emisi fluoresensi CNDs
Elektron pada tingkat energi yang tinggi ini bersifat  tidak  stabil,  sehingga  elektron  akan kembali  ke  tingkat  energi  dasar  (pita  valensi) atau proses deeksitasi. Pada proses deeksitasi tersebut elektron akan melepaskan energi yang berbentuk emisi berwarna biru.
Sintesis  CNDs  dengan  menggunakan metode  MAE  telah  dilaporkan  memberikan karakteristik  fluoresensi  yang  lebih  baik dibandingkan  metode  hidrotermal.  Sehingga, dapat  digunakan  sebagai  metode  alternatif pada  proses  sintesis  CNDs  (Simsek et  al .,
2019) .
Gambar  3  menunjukkan  hasil  analisis larutan  CNDs  menggunakan  spektrofotometer UV-Vis Shimadzu menunjukkan bahwa puncak tertinggi  pada  CNDs  berada  pada  panjang gelombang  341,5  nm.  Puncak  absorpsi  pada 341  nm  disebabkan  oleh  transisi  n  *  yang disebabkan oleh gugus fungsi C=O atau gugus fungsi  lain  yang  berhubungan  (Dhanush  & Sethuraman, 2021; Wang et al ., 2014).
Gambar 3. Hubungan antara panjang gelombang dan absorbansi CNDs Transisi elektron pada pengukuran spektrum  absorbansi  membutuhkan  energi agar  mungkin  terjadi.  Energi  yang  dibutuhkan tersebut adalah energi band gap (Triwardiati & Ermawati, 2018). Besar energi gap dari CNDs dapat  dihitung  dengan  mentransformasikan data  spektrum  absorbansi  UV-Vis  menjadi Tauc Plot menggunakan persamaan:
α 2 = hc λ -E g (1)
Gambar 4. Tauc plot CNDs
Berdasarkan  Gambar  4  dapat  diketahui nilai band  gap dari  CNDs  adalah  5,57  eV.
Semakin  rendah band  gap ,  menunjukkan energi  yang  diperlukan  untuk  proses  eksitasi elektron dari pita valensi menuju pita konduksi semakin rendah (Triwardiati & Ermawati, 2018).
Karakterisasi menggunakan FTIR (Gambar 5) dilakukan untuk menentukan gugus

## Hulupi et al.
fungsi  yang  terdapat  pada  permukaan  CNDs. Berdasarkan  spektrum  FTIR  yang  diperoleh, CNDs  yang  disintesis  dari  asam  askorbat mengandung gugus fungsi utama O-H stretching ditunjukkan dengan adanya serapan pada  bilangan  gelombang  3354,61  cm -1 dan C=O  stretching  pada  bilangan  gelombang 1633,09  cm -1 .  Hal  ini  sesuai  dengan  hasil
penelitian  yang  dilakukan  oleh  (Edison et  al .,
2016; Simsek et al ., 2019).
Karakterisasi morfologi dari CNDs dianalisis  menggunakan  TEM.  Pengamatan dilakukan pada pembesaran 100.000 kali. Dari hasil yang diperoleh terlihat bahwa bentuk dari CNDs  adalah  bulat  dan  ukurannya  tidak seragam (Gambar 6).
Gambar 5. Spektrum FTIR CNDs
Gambar 6. Hasil analisis TEM CNDs pada pembesaran 100.000 kali.
Ukuran partikel
CNDs ditentukan menggunakan  aplikasi  ImageJ.  Kemudian dibuat grafik distribusi ukuran partikel menggunakan Microsoft  Excel (Gambar  7).
Berdasarkan  hasil  yang  diperoleh,  diketahui
bahwa CNDs memiliki rata-rata ukuran sebesar 3,64  nm.  Hasil  penelitian  ini  menunjukkan bahwa  CNDs  yang  disintesis  dari  asam askorbat  pada  penelitian  ini  telah  berhasil dilakukan.
Hulupi et al.
Gambar 7. Distribusi ukuran partikel CNDs

## KESIMPULAN
Carbon nanodots (CNDs) berhasil disintesis  dari  asam  askorbat  dengan  metode Microwave  Assisted  Extraction  (MAE).  CNDs disintesis  pada  kondisi  medium  (400-500  W). Hasil  sintesis  menunjukkan  perubahan  dari tidak berwarna menjadi kuning kecokelatan.
CNDs yang telah disintesis memancarkan warna  biru  di  bawah  sinar  lampu  UV  365  nm. Spektrum  absorbansi  CNDs  pada  panjang gelombang  UV  memiliki  panjang  gelombang maksimum  sebesar  341,5  nm  dengan  nilai band  gap  sebesar  5,57  eV.  CNDs  yang  telah disintesis  dari  asam  askorbat  mengandung gugus  fungsi  utama  O-H  stretching  dan  C=O pada  bilangan  gelombang  3354,61  cm -1 dan 1633,09  cm -1 .  CNDs  memiliki  bentuk  bulat dengan ukuran partikel sebesar 2,54-9,48 nm. Ukuran  partikel  yang  kurang  dari  10  nm menunjukkan  sintesis  CNDs  telah  berhasil dilakukan.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Ucapan  terima  kasih  penulis  sampaikan kepada P3M Politeknik Negeri Bandung.

## DAFTAR PUSTAKA
de  Medeiros, T. v., Manioudakis, J., Noun, F.,
Macairan, J. R., Victoria, F., & Naccache, R.  (2019).  Microwave-assisted  synthesis of  carbon  dots  and  their  applications. Journal  of  Materials  Chemistry  C ,  7(24): 7175 –7195. https://doi.org/10.1039/c9tc01640f
Dhanush,  C.,  &  Sethuraman,  M.  G.  (2021).
Independent  hydrothermal  synthesis  of the undoped, nitrogen, boron and sulphur doped biogenic carbon nanodots and their potential  application  in  the  catalytic chemo-reduction of Alizarine yellow R azo dye. Spectrochimica  Acta  -  Part  A:
Molecular and Biomolecular Spectroscopy , 260.
https://doi.org/10.1016/j.saa.2021.11992
0
Dudley,  G.  B.,  Richert,  R.,  &  Stiegman,  A.  E.
(2015).  On  the  existence  of  and mechanism for microwave-specific reaction  rate  enhancement. In  Chemical Science, 6(4): 2144 –2152. Royal Society of
Chemistry. https://doi.org/10.1039/c4sc03372h
Edison, T. N. J. I., Atchudan, R., Sethuraman,
M.  G.,  Shim,  J.  J.,  &  Lee,  Y.  R.  (2016).
Microwave  assisted  green  synthesis  of fluorescent N-doped carbon dots: Cytotoxicity and bio-imaging applications. Journal of Photochemistry
and
0 10 20 30 40 50 60 2.54-3.41 3.42-4.29 4.30-5.16 5.17-6.04 6.05-6.92 6.93-7.80 7.81-8.67 8.68-9.55 Fre k ue ns i (% )
Diameter (nm)
Hulupi et al.
Photobiology  B:  Biology ,  161:  154 –161.
https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2016.0
5.017
Gao, J., Zhu, M., Huang, H., Liu, Y., & Kang, Z.
(2017). Advances, challenges and promises  of  carbon  dots. In  Inorganic
Chemistry  Frontiers ,  4(12):  1963 –1986. Royal Society
of Chemistry. https://doi.org/10.1039/c7qi00614d
Haryadi,  Purnama,  M.  R.  W.,  &  Wibowo,  A.
(2018).  C  dots  derived  from  waste  of biomass and their photocatalytic
activities. Indonesian Journal of Chemistry , 18(4): 594 –599. https://doi.org/10.22146/ijc.26652
Li, J., Zhang, L., Li, P., Zhang, Y., & Dong, C. (2018). One step  hydrothermal synthesis of  carbon  nanodots  to  realize  the fluorescence  detection  of  picric  acid  in real  samples. Sensors  and  Actuators,  B:
Chemical, 258: 580 –588. https://doi.org/10.1016/j.snb.2017.11.096
Lu, Y., Wang, S., Yu, K., Yu, J., Zhao, D., & Li, C. (2021). Encapsulating carbon quantum dot  and  organic  dye  in  multi-shell nanostructured  MOFs  for  use  in  white light-emitting  diode. Microporous  and Mesoporous Materials ,
319. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2021
.111062
Miao, P., Han, K., Tang, Y., Wang, B., Lin, T., &
Cheng,  W.  (2015).  Recent  advances  in carbon  nanodots:  Synthesis,  properties
and biomedical
applications.
In
Nanoscale ,  7(5):  1586 –1595.  Royal Society
of
Chemistry.
https://doi.org/10.1039/c4nr05712k
Simsek, S., Ozge Alas, M., Ozbek, B., & Genc,
R.  (2019).  Evaluation  of  the  physical properties of fluorescent carbon nanodots synthesized using  Nerium oleander extracts by microwave-assisted synthesis methods. Journal  of  Materials  Research and Technology , 8(3): 2721 –2731. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.04.008
Taspika,  M.,  Permatasari,  F.  A.,  Nuryadin,  B.
W.,  Mayangsari,  T.  R.,  Aimon,  A.  H.,  &
Iskandar, F. (2019). Simultaneous
ultraviolet  and  first  near-infrared  window
absorption of luminescent carbon
dots/PVA composite film. RSC Advances, 9(13): 7375 –7381. https://doi.org/10.1039/C8RA09742A
Triwardiati,  D.,  &  Ermawati,  I.  R.  (2018). Analisis  Bandgap  Karbon  Nanodots  (C- Dots) Kulit Bawang Merah Menggunakan Teknik  Microwave. Prosiding  Seminar Nasional Teknoka, 3, E25-E30.
https://doi.org/10.22236/teknoka.v3i0.281
0.
Wang,  Y.,  Kalytchuk,  S.,  Zhang,  Y.,  Shi,  H., Kershaw,  S.  v.,  &  Rogach,  A.  L.  (2014). Thickness-dependent  full-color  emission tunability in a flexible carbon dot ionogel. Journal  of  Physical  Chemistry  Letters ,
5(8): 1412 –1420.
https://doi.org/10.1021/jz5005335
Yuan, F.,  Li,  S.,  Fan, Z.,  Meng,  X.,  Fan,  L.,  &
Yang,  S.  (2016).  Shining  carbon  dots:
Synthesis and biomedical and optoelectronic  applications. In  Nano Today, 11(5):  565 –586.  Elsevier  B.V. https://doi.org/10.1016/j.nantod.2016.08. 006
Zhang, X.,  Lu, J., Zhou, X., Guo, C.,  & Wang, C. (2017).  Rapid microwave synthesis of N-doped  carbon  nanodots  with  high fluorescence  brightness  for  cell  imaging and sensitive detection of iron (III). Optical Materials , 64: 1 –8. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2016.11. 026