## PENGGUNAAN KARBON BATU BATERAI SEBAGAI ELEKTRODA DALAM METODE ARC DISCHARGE UNTUK PEMBUATAN TiO 2 TERMODIFIKASI KARBON
(USE OF BATTERY CARBON AS ELECTRODES IN ARC DISCHARGE METHOD FOR FABRICATION OF CARBON-MODIFIED TiO 2 )
Isya Fitri Andhika, Carissa Hertiningtyas,Ardian Aji, Alifia Desy, Teguh Endah Saraswati * , Patiha
Jurusan Kimia,FMIPA, Universitas Sebelas Maret, Jl. Ir. Sutami No. 36A Kentingan, Surakarta 57126 telp. (0271) 663375
*email: teguh@mipa.uns.ac.id
Received  09 February 2014, Accepted 27 August 2014, Published 01 September 2014

## ABSTRAK
Telah  dilakukan  pembuatan  TiO 2 termodifikasi  karbon  dengan  metode arc discharge dalam media cair. Penelitian ini dilakukan dalam dua tahap yaitu tahap fabrikasi dan  karakterisasi.  Tahap  fabrikasi  dilakukan  dengan  metode arcdischarge yakni menggunakan elektroda grafit yang berasal dari batu baterai kering bekas dan medium cair suspensi TiO 2 dalam etanol 30, 50 dan 70 % kemudian dialirkan tegangan sebesar 20-40 V dan  kuat  arus  sebesar  10-50  A.  Nanokomposit  yang  terdapat  di  permukaan  medium  cair dikumpulkan lalu dikeringkan dan dikarakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) untuk mengetahui kristalinitasnya, scanning electron microscope (SEM) untuk mengetahui struktur  morfologi  permukaan  dari  TiO 2 termodifikasi  karbon  dan energy  dispersive spectroscopy (EDS) untuk mengetahui unsur penyusun nanokomposit yang terbentuk. Data XRD  menunjukkan  bahwa  fabrikasi  TiO 2 /Karbon  paling  efektif  dilakukan  dalam  etanol 50%  yang  ditunjukkan  dari  terbentuknya  puncak  baru  dengan  intensitas  TiC  yang  tinggi pada  2 Ɵ =  36,02°.  Data  SEM  menunjukkan  bahwa  morfologi  TiO 2 /Karbon  saling teragregasi  dibanding  morfologi  dari  TiO 2 awal.Sementara  itu,  data  EDS  menunjukkan keberadaan  unsur  karbon,  titanium  dan  oksigen  pada  area  yang  sama  yang mengindikasikan keberhasilan pembentukan material komposit antara TiO 2 dan karbon.
Kata Kunci: arc discharge, etanol, karbon, nanokomposit,TiO 2 .

## ABSTRACT
Fabrication  with  carbon-modified  TiO 2 by  arc  discharge  method  in  liquid  medium has  been  studied.  This  research  was  performed  in  two  steps  including  fabrication  and characterization.  This  fabrication  was  done  by  arcdischarge  method  with  graphite electrodes from dry cell batteries and liquid medium suspension of TiO 2 in ethanol 30, 50 and  70  %.  A  strong  current  was  applied  to  electrode  as  10-50  A  (20-40  V). Nanocompositesformed  on  the  liquid  medium  surface  were  collected  and  characterized using X-ray diffraction (XRD),scanning electron microscope (SEM) dan energy dispersive spectroscopy  (EDS)  to  determine  crystallinity,  surface  morphology  and  the  constituent elements,  respectively.  XRD  data  shows  that  the  most  effective  fabrication  TiO 2 /Karbon
by  liquid medium in  ethanol 50 % indicated from the formation of a new peak with high intensity of TiC on 2 Ɵ = 36.02 °. SEM data shows that the morphology of each aggregated TiO 2 /Karbon  compared  to  the  morphology  of  TiO 2 .In  addition,  EDS  data  shows  the presence  of the  element  carbon, titanium  and  oxygen  in  the  same  area  indicating  that  the successful formation of composite material between TiO 2 dan carbon.
Keywords: arc discharge,  ethanol, carbon, nanocomposite,  TiO 2 .

## PENDAHULUAN
Titanium dioksida (TiO 2 )telah banyak digunakan sebagai elektroda karena sifatnya yang  stabil,  tidak  beracun,  memiliki  kemampuan  oksidasi  yang  tinggi  serta  murah (Silveyra et al., 2005; Khakpash et al ., 2012). Titanium dioksida tersedia secara komersial dalam  dua  struktur  kristal  yaitu anatase dan rutile . Rutil e  memiliki  kerapatan  4,2  g/cc, sementara anatase memiliki  kerapatan  3,9  g/cc.  Perbedaan  ini  dijelaskan  oleh  struktur kristal  yang  berbeda  (Licciulli,  2002).  Titanium  dioksida,  khususnya  anatase,  banyak digunakan sebagai  fotokatalis untuk konversi  energi dan aplikasi  lingkungan. Hanya saja, aplikasi TiO 2 ini terbatas karena memerlukan cahaya UV yang mana hanya berkisar < 4 % dari  cahaya  matahari  yang  sampai  ke  bumi.  Untuk  mengoptimalkan  kinerja  TiO 2 ,  maka perlu dilakukan proses modifikasi pada senyawa TiO 2 .
Proses modifikasi senyawa  TiO 2 dapat  dilakukan dengan  mengoptimasi komposisi raw material  dan  penambahan  senyawa  dopan  tertentu.  Salah  satu  senyawa  dopan  yang dapat  digunakan  untuk  modifikasi  TiO 2 adalah  karbon  (Subramani et  al., 2007).  Dalam aplikasi  proses  pengolahan  limbah  cair,  TiO 2 yang  termodifikasi  dengan  karbon, diharapkan akan memiliki aktifitas fotokatalitik yang lebih baik karena selain sifat adsorbsi karbon  yang  berpotensi  dalam  penyerapan  polutan  juga  sifat  optik  karbon.  Grafit  yang digunakan  sebagai  sumber  karbon  yang  akan  dapat  melebarkan  panjang  gelombang  kerja fotokatalitik dari TiO 2 pada area cahaya sinar tampak (Zhao et al. , 2010).
Metode  sintesis  modifikasi  TiO 2 dengan  karbon  telah  banyak  dilakukan  seperti proses annealing , hidrolisis, karbonisasi (Zhao et al. , 2010), dan hidrotermal (Zhong et al .,
2010),  tetapi  belum  pernah  dilakukan  dengan  metode arc-disharge .  Dalam  studi  ini, dilakukan  modifikasi  TiO 2 menggunakan  karbon  dilakukan  dengan  metode arcdischarge termodifikasi.  Metode  ini  menggunakan  elektroda  grafit  dalam  aliran  arus  dan  tegangan yang tinggi (Ando et al., 2004; Saraswati et al., 2011) dalam media cair. Elektroda karbon yang  digunakan  dalam  proses  ini  diperolehdari  elektroda  grafit  dari  batu  baterai  kering bekas.  Baterai  kering  yang  biasa  digunakan  masyarakat  dalam  kehidupan  sehari-hari
merupakan sarana  yang dapat menyimpan energi  kimia dan  mengubahnya  menjadi energi listrik.  Komponen  baterai  kering  adalah  logam  dan  zat-zat  kimia  lain,  maka  berdasarkan Surat Keputusan Menteri Perindustrian Nomor : 148/MISK/1985, batu baterai kering dapat digolongkan  ke  dalam  kategori  Bahan  Berbahaya  dan  Beracun  (B3)  (Wawaruntu-Osman, 1996).  Oleh  karena  itu,  penggunaan  elektroda  batu  baterai  ini  diharapkan  dapat  berperan dalam  pemanfaatan  kembali  terhadap  sampah  baterai.  Sedangkan  untuk  media  cair  yang digunakan adalah suspensi TiO 2 dalam etanol. Untuk mengetahui keberhasilan modifikasi TiO 2 dengan  karbon,  hasil  material  terfabrikasi  diamati  dan  dikarakterisasi  menggunakan X-ray  difraction (XRD), scanning  electron  microscope (SEM)  dan energy  dispersive spectroscopy (EDS).

## METODE PENELITIAN
Alat-alat  yang  digunakan  diantaranya  seperangkat  alat arcdischarge ,    multimeter Vitara-Analog  Multimeter  model:  YX-1000  A, X-ray  diffraction (XRD)  Bruker  D8 Advance,  dan scanning  electron  microscope (SEM)  FEI  Tipe  INSPECT-s50  yang dilengkapi dengan energy dispersive spectroscopy (EDS).
Bahan-bahan yang digunakan diantaranya  baterai dry cell bekas, titanium dioksida (TiO 2 ) A-100 98 %, etanol 70 % (teknis) dan metilen biru (E.Merck).

## Tahap Fabrikasi
Serbuk  TiO 2 anatase  sebesar  0,1  g  yang  disuspensi  dalam  etanol  30,  50  dan  70% dalam  250  mL  sebagai  medium  cair  dalam arcdischarge (Ando et  al .,  2004).  Dua  buah elektroda grafit diset dalam suspensi TiO 2 dengan jarak yang dekat. Katoda dibuat tumpul dan  anoda  dibuat  runcing  untuk  memudahkan  terjadinya  pijar  api  saat  dialirkan  tegangan listrik. Beker medium cair suspensi TiO 2 dalam arcdischarge direndam dalam beker berisi air  yang  berfungsi  sebagai  sistem  pendingin  agar  etanol  tidak  mudah  menguap.  Voltase yang digunakan sebesar 20-40 V dengan arus sebesar 10-50 A. Hasil  nanokomposit TiO 2 termodifikasi karbon didapatkan pada endapan yang melayang di permukaan medium cair yang  selanjutnya  dilakukan  uji  karakterisasi  menggunakan  XRD,  SEM  dan  EDS.  Skema dari percobaan ini ditampilkan dalam Gambar 1.
Gambar 1 . Skema dari setup percobaan metode arcdischarge.

## Tahap Karakterisasi
Struktur  nanokomposit  TiO 2 termodifikasi  karbon  dapat  dianalisa  dengan X-ray diffraction (XRD,  Bruker  D8  Advance)  untuk  mengetahui  data  kristanilitas  dan  ukuran kristalnya , scanning electron microscope (SEM, FEI Tipe INSPECT-s50) yang dilengkapi dengan energy  dispersive  spectroscopy (EDS)  untuk  mengetahui  morfologi  permukaan dari TiO 2 termodifikasi karbon dan pemetaan unsur-unsur yang terbentuk.

## PEMBAHASAN
Fabrikasi TiO 2 Termodifikasi Karbon dengan Metode ArcDischarge
Rangkaian  alat arcdischarge ditempatkan  anoda  dan  katoda  dimana  jarak  anoda dan katoda berdekatan namun tidak saling menempel. Anoda dan katoda tersebut direndam pada  suspensi  TiO 2 dalam  etanol  30,  50  dan  70  %  yang  berfungsi  sebagai  medium  cair. Kemudian dialirkan tegangan dan kuat arus tertentu ke dalam rangkaian alat arc discharge tersebut dimana ketika dialirkan tegangan tinggi dari anoda ke katoda terjadi  loncatan ion- ion listrik yang ditandai dengan  loncatan pijar api antar dua elektroda tersebut, akibat dari loncatan  pijar  api  tersebut  adalah  grafit  sebagai  elektroda  akan  terevaporasi  dan berinteraksi  dengan  TiO 2 yang  terkandung  dalam  medium  cair  (suspensi).  Interaksi tersebut  akan  menghasilkan  nanokomposit  TiO 2 termodifikasi  karbon  seiring  dengan menurunnya suhu oleh lingkungan. Lingkungan disini berupa medium cair yang digunakan serta lingkungan sekitar.
Hasil  menunjukkan  terdapat  padatan  yang  mengapung  di  permukaan  dan mengendap  di  dasar  medium  cair.  Padatan  yang  mengapung  merupakan  padatan  yang memiliki  energi  permukaan  tinggi    sehingga  ukurannya  lebih  kecil  maka  padatan  yang mengapung itu yang memiliki struktur berukuran nano, di mana nanomaterial ditunjukkan dalam  ukuran  ≤  100  nm  (Lovestam,  2010).  Padatan  dikumpulkan  kemudian  dikeringkan
sehingga  didapatkan  massa  kering  untuk  nanokomposit  TiO 2 termodifikasi  karbon  dalam etanol 30, 50 dan 70% sesuai pada Tabel 1. Nanokomposit tersebut kemudian dilakukan uji karakterisasi.
Tabel 1. Tabel massa nanokomposit dan endapan diperoleh dari berbagai kadar etanol
Kadar etanol (%) Massa nanokomposit (g) Massa endapan (g) 30 0,015 0,211 50 0,028 0,294 70 0,022 0,183

## Tahap Karakterisasi
Karakterisasi  dilakukan  dengan  menggunakan  XRD,  SEM  dan  EDS.  Hasil karakterisasi pada XRD dapat dilihat dalam Gambar 2.Hasil karakterisasi diketahui bahwa TiO 2 /Karbon  dalam  etanol  30  %  (TK  30),  TiO 2 /Karbon  dalam  etanol  50  %  (TK  50),  dan TiO 2 /Karbon  dalam  etanol  70  %  (TK  70)  secara  berturut-turut  menunjukkan  puncak karbon yang semakin kristalin, hal ini ditunjukkan dengan puncak karbon yang meningkat tajam.  Meningkatnyakristalinitas  karbon  menyebabkan  kristalinitas  TiO 2 semakin menurun.  Hal  ini  mengindikasikan  semakin  banyak  kadar  etanol  dalam  media  cair menunjukkan  puncak  dari  karbon  semakin  kristalin.Dari  Gambar  2  juga  diketahui  bahwa pada  difraktogram  nanokomposit  TiO 2 termodifikasi  karbon  dalam  etanol  50  % menunjukkan  intensitas tertinggi ditemukan pada 2 Ɵ sebesar 25,32°  yang  merupakan ciri utama  dari  TiO 2 (JCPDS  No.  86-1157)  diikuti  beberapa  puncak  berasal  dari  karbon  pada kisaran  20-25°.  Puncak  dengan  intensitas  lebih  kecil  juga  ditemukan  pada  26,62°  yang merupakan  ciri  utama  dari  C  grafit  (JCPDS  No.25-0284).  Selain  itu,  ditemukan  pula puncak  baru  pada  2 Ɵ sebesar  36,02°  yang  diduga  berasal  dari  karbida  titanium  (TiC) (JCPDS No.72-2496).
Beberapa  hasil  puncak-puncak  inilah  yang  menandai  keberhasilan  terbentuknya material komposit TiO 2 termodifikasi karbon dalam etanol 50 %. Sedangkan difraktogram pada TiO 2 termodifikasi karbon dalam etanol 30 % dan 70 % juga ditemukan pula puncak baru  yang  menunjukkan  keberhasilan  terbentuknya  nanokomposit  TiO 2 /karbon  namun intensitas  dari  puncak  baru  ini  tidak  sebesar  jika  dalam  etanol  50%.  Hasil  analisis  XRD dapat digunakan untuk menentukan ukuran kristal dari puncak-puncak yang menunjukkan intensitas tinggi dimana dirumuskan dengan persamaan Scherer dalam persamaan 1.
Gambar 2 . Difraktrogram hasil karakterisasi (a) TiO 2 (b) TiO 2 /Karbon dalam etanol 30 % (TK 30) (c) TiO 2 /Karbon dalam etanol 50% (TK 50) (d) TiO 2 /Karbon dalam etanol 70 % (TK 70) (e) C grafit dan (f) TiC.
L= 𝑘.𝜆 𝐵.𝑐𝑜𝑠 Ɵ (1)
Dimana  L  merupakan  ukuran  kristal,  k  merupakan  konstanta  yang  digunakan sebesar 0,9. Sedangkan λ adalah panjang gelombang logam yang digunakan untuk uji XRD dan B merupakan Full Width Half Maximum (FWHM). Dari persamaan diatas didapatkan hasil  karakterisasi  nanokomposit  dengan  XRD  yang  menunjukkan  ukuran  kristal  yang terbentuk berkisar antara 26-50 nm.
Hasil  karakterisasi  dengan  SEM  ditunjukkan  pada  Gambar  3  dimana  (a)  dan  (b) adalah  morfologi permukaan dari  TiO 2 , (c)  dan (d) merupakan  morfologi permukaan dari TiO 2 /Karbon dalam  etanol 50 %. Pada  Gambar 3 (a) memperlihatkan  bahwa struktur dari TiO 2 adalah spherical dan teratur sedangkan pada Gambar 3 (c) terlihat bahwa telah terjadi perubahan struktur pada TiO 2 dimana partikel TiO 2 teragregasi dan terselimuti karbon.
Pengamatan  dengan elemental  mapping ditunjukkan  pada  Gambar  4  dimana  unsur karbon (C), titanium (Ti) dan oksigen (O) berhasil dikonfirmasi keberadaannya dari profil EDS  dan  pemetaan  unsur  ketiganya.  Dalam  Gambar  4  terlihat,  warna  C  dan  Ti  cukup intens dibanding dengan unsur O. Hal ini menunjukkan oksida yang kemungkinan berasal dari  titanium  dioksida  tidak  lagi  dominan  setelah  proses  modifikasi  terganti  dengan senyawaan  titanium  karbida.  Observasi  material  dengan  SEM  pada  cukup  luas  pada Gambar  4  memperlihatkan  bahwa  baik  unsur  karbon,  titanium  dan  oksigen  terlihat
menyebar  di  setiap  area  menandakan  keberhasilan  proses  fabrikasi  dengan  menghasilkan material yang homogen.
Gambar 3. Gambar SEM dari (a) TiO 2 pada 20 µm (b) TiO 2 pada 2 µm(c) TiO 2 /Karbon dalam etanol 50 % pada 20 µm (d) TiO 2 /Karbon dalam etanol 50 % pada 2 µm.
Gambar 4. Data elemental mapping dari (a) TiO 2 /Karbon dalam etanol 50 %. Profil EDS (b) Gambar SEM dari profil EDS yang diambil (c) Pemetaan unsur karbon (d) Pemetaan unsur titanium (e) Pemetaan unsur oksigen.

## KESIMPULAN
TiO 2 termodifikasi  karbon  telah  berhasil  difabrikasi  menggunakan  metode arc discharge dalam media cair suspensi TiO 2 menggunakan elektroda karbon dari batu baterai. Keberhasilan  modifikasi  ini  dikonfirmasi  dari  perolehan  data  XRD  dan  SEM.  Data  XRD menunjukkan,  fabrikasi  TiO 2 /Karbon  yang  dilakukan  dalam  etanol  50%  memperlihatkan terbentuknya  puncak  baru  TiC  pada  2 Ɵ =  36,02°,  selain  puncak-puncak  lain  berasal  dari TiO 2 anatase  dan  karbon.  Dari  data  SEM  diketahui  bahwa  bentuk  partikel  TiO 2 /Karbon yang diperoleh dari proses fabrikasi berubah dari yang tadinya TiO 2 awal berbentuk bulat menjadi saling teragregasi dan terselimuti oleh karbon. Sebagai tambahan, dari data EDS dan  pemetaan  unsur,  keberadaan  unsur  karbon,  titanium  dan  oksigen  berhasil  pada  area material yang teramati dengan SEM.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan  terimakasih  ditujukan  kepada  Direktorat  Penelitian  dan  Pengabdian Masyarakat Direktorat  Jendral Pendidikan Tinggi  (DITLITABMAS  DITJENDIKTI) yang telah  memberikan  dana  penelitian  ini  melalui  Program  Kreativitas  Mahasiswa-Penelitian (PKM-P)  tahun  anggaran  2014  dan  semua  pihak  yang  telah  membantu  terlaksananya penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
Ando,  Y.,  Zhao,  X.,  Sugai,  T.,  and  Kumar,  M.,  2004.  Growing  Carbon  Nanotubes,
Materials Today , vol.7, no. 10, pp. 22-29.
Khakpash,  N.,  Simchi,  A.,  and  Jafari,  T.,  2012,  Adsorption  and  Solar  Light  Activity  of Transition-Metal  Doped  TiO 2 Nanoparticles  as  Semiconductor  Photocatalyst, Journalof Material Science: Mater Electron , vol. 23, pp. 659-667.
Licciulli,  D.A  andLisi  D.,2002, Self-Cleaning  Glass diakses  pada  tanggal  9  Februari  2014, (http://www.antonio.licciulli.unisalento.it/tesine2003/SELF%20CLEANING%20G LASS.pdf).
Lovestam,  G.,  Rauscher,  H.,  Roebben,  G.,  Kluttgen,  B.S.,  Gibson,  N.,  Putaud,  J.,  and Stamm,  H.,  2010, Considerations  on  a  Definition  of  Nanomaterial  for  Regulatory Purposes ,Joint  Research  Centre  Refference  Reports,  European  Commission,  Joint Research Centre.
Saraswati,  T.E.,  Ogino,  A.,  and  Nagatsu,  M.,  2011,  Surface  Modification  of  Graphite Encapsulated  Iron  Nanoparticles  by  Plasma  Processing, Diamondand  Related Material, vol. 20, pp.359-363.
Silveyra,  R.,  Saenz,  L.D.L.T.,  Flores,W.A.,Martinez,  V.C.,  and  Elguezabal,  A.A.,  2005, Doping of TiO 2 with Nitrogen to Modify The Interval of Photocatalytic Activation Towards Visible Radiation, CatalysisToday, vol. 107–108, pp. 602-605.
Subramani,  A.K.,  Byrappa,  K.,  Anada,  S.,  Ray,  K.M.L.,  Ranganathaiah,  C.,  and Yoshimura,  M.,  2007,  Photocatalytic  Degradation  of  Indigo  Carmine  Dye  Using TiO 2 Impregnated Activated Carbon, Bulletin Material Science , vol. 31, pp. 37-41. Wawaruntu  -Osman,  and  Osmaliana,  1996, Sikap  dan  Perilaku  Masyarakat  terhadap Baterai Kering Bekas, Tesis, Depok, Pascasarjana Universitas Indonesia.
Zhao, L., Chen, X., Wang, X.,  Zhang, Y., Wei, W.,  Sun, Y., Antonietti, M. and Titirici M., 2010,  One-Step  Solvothermal  Synthesis  of  a  Carbon@TiO 2 Dyade  Structure Effectively Promoting Visible-Light Photocatalysis, Advanced Material, vol. 22, no. 30,  pp. 3317-3321.
Zhong,  J.,  Chen,  F.,  and  Zhang  J.,  2010,  Carbon-Deposited  TiO 2 :  Synthesis, Characterization,  and  Visible  Photocatalytic  Performance, Journal  of  Physics Chemistry , vol. 114, no. 2, pp. 933–939.