Kajian  Pembuatan  Oksida  Grafit  untuk  Produksi  Oksida  Grafena dalam Jumlah Besar
Norman Syakir, Rhesti Nurlina, Syafiul Anam, Annisa Aprilia, Sahrul Hidayat, Fitrilawati # Departemen Fisika Universitas Padjadjaran Jalan Raya Jatinangor Km 21 Jatinangor Sumedang Jawa Barat
# fitrilawati@phys.unpad.ac.id
Abstrak – Oksida grafit (GO) telah berhasil disintesis menggunakan metode Hummers dari serbuk grafit dengan pelarut asam  sulfat  (H 2 SO 4 ),  natrium  nitrat  (NaNO 3 ),  kalium  permanganat  (KMnO 4 ),  dan  hidrogen  peroksida  (H 2 O 2 ).    Hasil sintesis  berupa  pasta  dicuci  dengan  asam  klorida  (HCl)  dan  akuades  berulang-ulang  untuk  mendapatkan  GO  yang relatif  murni.    Pasta  tersebut  selanjutnya  dikeringkan  dan  digerus  untuk  karakterisasi  EDS  (Energy  Dispersive Spectroscopy), difraksi XRD (X-ray Difraction), dan spektroskopi FTIR (Fourier Transform Infrared).  Untuk mengupas lembaran  GO  menjadi  lapisan  lebih  tipis,  pasta  yang  dihasilkan  tersebut  didispersikan  dalam  akuades,  kemudian disonikasi  serta  disentrifugasi.    Hasil  yang  didapat  dikarakterisasi  dengan  menggunakan  spektroskopi  UV-Vis.    Hasil karakterisasi  sampel  serbuk  menunjukkan  telah  terjadi  perubahan  struktur  grafit  dengan  terbentuknya  gugus-gugus fungsional oksigen.
Kata kunci: grafit, oksida grafit, metoda Hummers, oksida grafena
Abstract – Graphyte  oxide  (GO)has  successfully  synthesized  using    Hummers  method  from  graphite  powder  using, sulfuric acids (H 2 SO 4 ), sodium nitrate (NaNO 3 ), kalium permanganat (KMnO 4 ), and peroxide acids (H 2 O 2 ).  The result seem  as  GO  pasta  then  it  was  rinsed  using  chloric  acids  (HCl)  and  aquades  for  many  times  to  get  a  pure  GO  pasta. Following this, the pasta was dried then grind to form pure GO powder for characterisation purpose using EDS (Energy Dispersive Spectroscopy), XRD diffraction (X-ray Difraction), and FTIR (Fourier Transform Infrared) spectroscopy.  To exfoliate  GO  flakes  to  become  more  thinner  as  GO  sheets,  the  pure  GO  pasta  was  dispersed  in  aquades  follow  by sonication  and  sentrifugation.    The  result  was  characterized  using  UV-Vis  absorbance  spectroscopy.    The characterization  results  show  that  the  structure  of  graphite  power  has  been  change  to  graphite  oxide,  indicated  by forming the  functional cluster of oxygen.
Key words: graphyte, graphyte oxide, Hummers methods, graphene oxide

## I. PENDAHULUAN
Grafena  ( Graphene )  merupakan  material  dua  dimensi monoatomik  dari  satu  lapis  grafit  yang  ditemukan  pada tahun  2004  oleh  Andre  K.  Geim  dan  Konstantin Novoselov [1].  Saat ini grafena banyak diinvestigasi oleh para  peneliti dari berbagai  bidang  karena tertarik dengan keunggulan  dan  sifat  unik  yang  dimilikinya.    Dengan ketebalan  sekitar  satu  atom  karbon,  grafena  memiliki transparansi  optik  hingga  97,7%  [2].    Meskipun  sangat tipis,  kekuatan  grafena  melebihi  baja.    Ikatan  kovalen antar karbon yang  kuat menyebabkan grafena sulit untuk diregangkan,  sehingga  memiliki  modulus  Young  hingga 1,1  TPa  [3].    Struktur  yang  terdiri  dari  lapisan-lapisan membuat  grafena  sangat  konduktif  dengan  mobilitas pembawa  muatan  hingga  200.000  cm 2 V -1 s -1 [4]  dan konduktivitas termal hingga 5.300 Wm -1 K -1 [5].  Dengan keunggulan  sifat  yang  dimilikinya,  grafena  berpotensi besar  untuk  dikembangkan  sebagai  komponen  perangkat elektronik.
Grafena  dapat  disintesis  melalui  pengolahan  grafit, menjadi lembaran-lembaran  tunggal grafena seperti yang diilustrasikan  pada Gambar  1 [6].    Secara  sederhana grafit  dioksidasi  menjadi  oksida  grafit  (GO),  kemudian lembaran-lembaran  oksida  grafit  tersebut  dikelupas ( exfoliated ) dalam air hingga terbentuk oksida grafena.
Gambar 1. Skema pembuatan grafena dari grafit [6]
Konsentrasi  oksigen  dalam  oksida  grafena  dapat direduksi  hingga  habis  meninggalkan  lapisan  grafena. Oksida  grafena  diyakini  dapat  menjadi  prekursor  yang menjanjikan untuk produksi grafena dalam skala besar.
Untuk  memperoleh  oksida  grafena,  maka  sebelumnya harus dibentuk GO. Graphite oxide yang dikenal sebagai graphitic acid telah ditemukan sejak tahun  1859 setelah Brodie  mengoksidasi Ceylon  graphite dengan  campuran kalium klorida (KClO 3 ) dan asam nitrat (HNO 3 ) [7].
Sejak  itu  ada  berbagai  cara  dikembangkan  untuk memperoleh GO.  Staudenmaier mengembangkan metode Brodie  dengan  menambahkan  sulfida  pada  pelarut oksidanya.    Namun  menurut  Hofmann,  Frenzel,  dan Hamdi,  metode  Staudenmaier  membutuhkan  waktu oksidasi  yang  lebih  lama  dan  menghasilkan  produk samping  yang  berbahaya [7].   Pada tahun  1958, William S.  Hummers  dan  Richard  E.  Offeman  mempublikasikan
metode  oksidasi  untuk  merubah  grafit  menjadi  GO  [7]. Metode  yang  kemudian  dikenal  sebagai  metode Hummers  tersebut  mengoksidasi  grafit  dengan  cara mereaksikan grafit dengan kalium permanganat (KMnO 4 ) dan  natrium  nitrat  (NaNO 3 )  dalam  larutan  asam  sulfat (H 2 SO 4 ).    Metode  Hummers  dinilai  lebih  baik  daripada dua metode sebelumnya  karena pada saat proses oksidasi tidak  mengeluarkan  gas  ClO 2 .    Gas  ini  harus  ditangani dengan  hati-hati  karena  sangat  berbahaya  dan  dapat menimbulkan  ledakan.    Selain  itu,  proses  oksidasi  dapat berlangsung  lebih  cepat  dengan  suhu  lebih  rendah. Produk akhir GO dari metode Hummers memiliki tingkat oksidasi  yang  lebih  tinggi  dibandingkan  dengan  produk akhir  dari  metode  Staudenmaier  [7].    Bahan-bahan  yang digunakan  dalam  metode  Hummers  lebih  mudah  untuk didapat dan tidak terlalu berbahaya seperti dalam metode Staudenmaier.    Oleh  karena  itu,  metode  Hummers  lebih sering digunakan untuk mensintesis GO.
Pada  makalah  ini  akan  diuraikan  hasil  sintesis  oksida grafit  dari  serbuk  grafit  dengan  menggunakan  metoda Hummers dan hasil karakterisasinya.

## II. EKSPERIMEN
Sintesis  GO  dilakukan  dengan  menggunakan  metode Hummers,  yang  diawali  dengan  memasukkan  larutan asam sulfat (H 2 SO 4 , 95 – 97 %, MERCK ) ke dalam gelas ukur  berisi magnetic  bar yang  ditempatkan  dalam ice bath .    Ke  dalam  larutan  tersebut  dimasukkan  serbuk natrium nitrat (NaNO 3 , 30 %, AnalaR ) dan diaduk hingga menjadi homogen.  Setelah itu ke dalam nya ditambahkan serbuk  grafit  murni  sambil  diaduk  hingga  homogen  lagi. Berikutnya  serbuk  kalium  permanganat  (KMnO 4 ) ditambahkan  sedikit-sedikit  sambil  diaduk  hingga homogen  dan  terjadi  reaksi  oksidasi.    Hasil  reaksi  yang didapat  diencerkan  dengan  akuades  dan  selanjutnya ditambahkan  senyawa  hidrogen  peroksida  (H 2 O 2 )  sambil terus  diaduk.    Selanjutnya  larutan  tersebut  diendapkan sehingga terbentuk  fase  padat  dan cair.  Bagian  fase cair dibuang  dan  fase  padat  pasta  diambil.    Pasta  ini  adalah GO  yan  kemudian  didispersikan  kembali  dalam  akuades dan  ditambahkan  asam  klorida  (HCl)  sambil  diaduk. Produk  GO  murni  didapat  melalui  proses  penyaringan dan  selanjutnya  didispersikan  kembali  dalam  akuades. Untuk  mengupas  ( exfoliation )  GO  menjadi  lembaran yang  lebih  tipis  maka  dispersi  GO  tersebut  dikenakan proses  sonikasi  dengan  menggunakan ultrasonic  bath pada  suhu  ruang  dan  dilanjutkan  dengan  sentrifugasi menggunakan kecepatan 2500 rpm.  Proses ini dilakukan secara  berulang  sehingga  tidak  terlihat  adanya  serbuk yang mengendap.
Untuk  karakterisasi  yang  memerlukan  bentuk  serbuk, pasta  yang  didapat  dikeringkan  dengan  proses sintering , lalu  dihaluskan  dengan mortar keramik.    Untuk  studi struktur, serbuk yang diperoleh dipanaskan pada berbagai variasi  suhu  yaitu:  100  ºC  (GO100),  150  ºC  (GO150), 350  ºC  (GO350),  dan  500  ºC  (GO500)  masing-masing selama 3 jam.
Untuk  mengetahui  jenis-jenis  atom  yang  terdapat dalam  produk  GO  maka  dilakukan  pengukuran  EDS
dengan  menggunakan Hitachi  Tabletop  Microscope TM3000 .    Pengukuran  EDS  dilakukan  pada  sampel  GO yang  belum  dan  yang  sudah  dipurifikasi.    Untuk mengetahui  struktur  GO  yang  disintesis  melalui  proses oksidasi  menggunakan  metode  Hummers  dilakukan pengukuran  XRD  menggunakan XRD  Philips  Analytical pada  rentang  sudut  10º–90º.  Untuk  mengetahui perubahan struktur ikatan yang terjadi pada grafit setelah melalui  proses  oksidasi  dilakukan  karakterisasi  FTIR menggunakan Prestige  21  Shimadzu pada  rentang bilangan gelombang 450–4.500cm -1 . Pengukuran absorbansi  UV-Vis  dilakukan  pada  sampel  yang didispersi  dalam  akuades.    Pengukuran  dilakukan sebelum  dan  sesudah  proses  sonikasi  dan  sentrifugasi menggunakan    spektrometer  UV-Vis, T70+  UV/Vis Spectrometer dari PG Instruments Ltd .

## III.  HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  sintesis  GO  yang  didapatkan  berupa  pasta bewarna  coklat,  setelah  dicuci  dengan  akuades  dan  HCl pasta  tersebut  bewarna  coklat  kekuningan.    Keefektifan metode  oksidasi  dapat  dilihat  dari  perbandingan  atom karbon  dan  oksigen  pada  GO.    Penelitian  sebelumnya melaporkan  GO  yang baik  memiliki nilai C/O antara 2,1 hingga 2,9 [7].
Struktur  permukaan  dan  spektrum  komposisi  dari sampel  GO  yang  dihasilkan  diperlihatkan  pada Gambar 2 dan 3 . Hasil pengukuran menunjukkan sampel GO yang belum  dipurifikasi  mengandung  unsur  karbon  (C), oksigen  (O),  sulfur  (S),  dan  kalium  (K).    Setelah  GO dipurifikasi,  kadar  K  hilang  dan  kandungan  karbon  dan oksigennya  meningkat.    Perbanding  C/O  untuk  sampel yang  belum  dipurifikasi  adalah  1,5  dan  setelah dipurifikasi  perbandingan  C/O  menjadi  2,3.    Hasil tersebut menunjukkan sampel GO yang belum dipurifikasi masih mengandung sisa garam seperti kalium dan  nilai  C/O    <  2,1.    Setelah  dipurifikasi  sisa  garam dapat dihilangkan dan nilai C/O > 2.1, yang menunjukkan keberhasilan  proses  oksidasi.    Hasil  ini  mengkonfirmasi bahwa  purifikasi  merupakan  tahapan  penting  pada pembuatan GO.
Gambar 2. Struktur permukaan oksida grafit (GO) hasil sintesis.
Gambar 3. Spektrum komposisi oksida grafit hasil síntesis
Pada Gambar  4 .  diperlihatkan  perbedaan  pola  XRD pada  serbuk  grafit  dan  pola  XRD  oksida  grafit  (GO), serta  pola  XRD  sampel  GO  yang  diberi  perlakuan pemanasan  pada  berbagai  suhu.    Tampak  bahwa  serbuk grafit memiliki puncak difraksi pada 26,5º, sesuai dengan yang telah dilaporkan sebelumnya [8], 26,54 o [9], 26,56 o [10].    Setelah  dioksidasi  menjadi  GO,  puncak  difraksi tersebut  hilang  yang  menunjukkan  struktur  GO  yang diperoleh  berbeda  dengan  serbuk  grafit  yang  berbentuk kristal.    Pada  penelitian  sebelumnya  dilaporkan  bahwa puncak difraksi pada GO terletak pada 10,5º [8].
Jika  diamati  dengan  seksama,  pola  difraksi  GO memiliki  puncak  di  dekat  10 o ,  yang  diperkuat  oleh sampel yang diberi perlakuan pemanasan.  Ketika sampel dipanaskan  100 o C  (GO100),  bentuk  pola  difraksi  sama seperti  pola  GO  tanpa  perlakuan  pemanasan.    Setelah suhu  pemanasan  ditingkatkan  menjadi  150 o C  (GO150), puncak difraksi tersebut bergeser ke posisi 10,94º.  Posisi puncak  difraksi  tersebut  dekat  dengan  posisi  yang  telah dilaporkan sebelumnya yaitu 10,5º [8].
Hasil ini mengkonfirmasikan bahwa produk GO yang dihasilkan  merupakan  oksida  grafit.    Ketika  suhu pemanasan  tersebut  terus  ditingkatkan  menjadi  350 o C (GO350)  terjadi  pergeseran  puncak  difraksi  yang mendekati  puncak  grafit  kembali.    Namun  ketika pemanasan  ditingkatkan  menjadi  500 o C  (GO500) struktur  sampel  tidak  dapat  diidentifikasi,  yang  mungkin berkaitan dengan kondisi degradasi dari sampel GO.
Gambar  4. Pola  difraksi  GO  dibandingkan  dengan  grafit  dan sampel GO yang diberi perlakuan pemanasan.
Gambar  5. menunjukkan  spektrum  FTIR  dari  grafit, oksida  grafit,  dan  oksida  grafit  yang  diberi  perlakuan pemanasan.    Gugus-gugus  fungsional  oksigen  pada produk  GO  hasil  sintesis  terlihat  muncul  pada  puncak- puncak  transmitansi  sekitar  bilangan  gelombang  3400 cm -1 yang  menunjukkan  adanya  ikatan  O–H.    Hal  ini menandakan  adanya  molekul  air  dan  gugus  fungsi hidroksil  pada  sampel.    Vibrasi  pada  sekitar  bilangan gelombang 1700 cm -1 berkaitan dengan ikatan C=O yang berkaitan dengan gugus karboksil yang terletak pada tepi lapisan GO.  Selain itu tampak pula adanya gugus fungsi keton  dan  kuinon.    Selanjutnya  vibrasi  pada  bilangan gelombang  1200  cm -1 dan  1050  cm -1 berkaitan  dengan kehadiran ikatan C–OH dan C–O.
Spektrum  FTIR  grafit  sudah  menunjukkan  kehadiran ikatan  oksigen  seperti  O–H,  C=O,  dan  C–O  walaupun nilaiya rendah.  Ikatan oksigen mungkin berasal dari KBr yang  digunakan  saat  pembuatan pellet .    KBr  memiliki sifat  mudah  larut  dalam  air  dan  higroskopis  sehingga mudah menyerap molekul air dari lingkungannya.
Perbandingan spektrum FTIR  oksida  grafit dan oksida grafit yang mendapatkan perlakuan panas 100 ºC dan 150 ºC  (GO100  dan  GO150)  memiliki  struktur  yang  mirip dan hampir tidak ada perubahan struktur yang signifikan. Puncak-puncak transmitansi dengan kekuatan ikatan yang relatif  sama  menandakan  ikatan  oksigen  pada  suhu pemanasan  dibawah  150  ºC  tidak  terlalu  terganggu. Kehadiran  ikatan  C–OH  pada  posisi  1200  cm -1 menandakan  keberhasian  proses  oksidasi  grafit.    Namun ketika  suhu  pemanasan  ditingkatkan  hingga  350  ºC, ikatan  C–OH  menghilang  dan  ketika  pemanasan ditingkatkan  hingga  500  ºC  muncul  ikatan  C=C  pada 1560 cm -1 .  Hal tersebut menunjukkan pada kondisi grafit masih  terdapat  ikatan  rangkap  karbon  dalam  struktur aromatik,  namun  karena  proses  oksidasi  dan  pemanasan struktur  aromatik  tersebut  terputus  dan  terbentuklah gugus-gugus  fungsional  oksigen.    Ketika  dilakukan pemanasan hingga 500 ºC, ikatan oksigennya terlepas dan karbon  kembali  membentuk  ikatan  rangkap  karbon dengan struktur aromatiknya.
Gambar 5. Spektrum FTIR sampel GO dibandingkan dengan grafit  dan  sampel  GO  yang  diberi  perlakuan pemanasan
Selanjutnya  perbandingan  spektrum  absorbsi  dari dispersi oksida grafit hasil sintesis dan oksida grafit hasil sonikasi  diperlihatkan  pada Gambar  6. Gambar  ini menunjukkan  sampel  GO  yang  didispersikan  (sebelum (a)  dan  sesudah  (b)  sonkasi)  memiliki  puncak  utama absorbansi  disekitar  panjang  gelombang  230  nm  dan kurva  bahu  spectrum  disekitar  panjang  gelombang  297 nm.    Puncak  transmitansi  disekitar  230  nm  muncul karena  berhubungan  dengan transisi  π  →  π*  yang menunjukkan ikatan C=C [10].
200 300 400 500 600 700 800 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 A b s o rb a n s i (a u ) Panjang gelombang (nm) (a) 200 300 400 500 600 700 800 0 1 2 3 4 (b) A b s o rb a n s i (a u ) Panjang gelombang (nm) 250g/l 167g/l 77g/l
Gambar 6. Spektrum  UV-Vis  sampel  GO  hasil  síntesis  (a) dibandingkan dengan sampel GO yang disonikasi dan sentrifugasi (b) pada konsentrasi berbeda.

## V.  KESIMPULAN
Hasil karakterisasi sampel serbuk menunjukkan telah terjadi  perubahan  struktur  grafit  dengan  terbentuknya gugus-gugus fungsional oksigen.  Hasil pengukuran EDS menunjukkan  produk  GO  yang  dihasilkan  memiliki perbandingan  atom  karbon  dan  oksigen  (C/O)  sebesar 2,3,  yang  mengkonfirmasi  proses  oksidasi  grafit  telah berlangsung dengan baik.  Selanjutnya, hasil karakterisasi XRD  menunjukkan sampel  GO  memiliki struktur amorf. Hasil pengukuran FTIR menunjukkan perubahan struktur ikatan  pada  setiap  sampel  GO.    Gugus-gugus  fungsional oksigen pada  GO  yang dapat diidentifikasi adalah ikatan O–H, C=O, C–OH dan C–O.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian  ini  didanai  oleh  Hibah  Kerjasama  Luar Negeri  kontrak  no.  393/UN.R/PL/2015,  tanggal  16 Pebruari 2015.

## PUSTAKA
[1] K.  S. Novoselov,  A.  K.  Geim,  S. V.  Morozov, D. Jiang, Y.  Zhang,  S.  V.  Dubonos,  I.  V.  Grigorieva,  and  A.  A. Firsov, Electric  field  effect  in  atomically  thin  carbon films, Science , vol. 306, no.5696, 2004, pp. 666-669.
[2] R.  R.  Nair, et  al. ,  Universal  Dynamic  Conductivity  and Quantized  Visible  Opacity  of  Suspended  Graphene. Science, vol . 320, 2008, pp. 1308-
[3] C.  Lee,  X.  Wei,  J.  W.  Kysar,  J.  Hone,  Measurement  of The  Elastic  Properties  and  Intrinsic  Strength  of Monolayer  Graphene. Science, vol.  321,  no.5887,2008, pp. 385 – 388.
[4] Bolotin,  K.  I. et  al. ,  Ultrahigh  Electron  Mobility  In Suspended  Graphene. Solid  State  Communications, vol.146, no.9, 2008, pp. 351 – 355.
[5] A.  A.  Baladin, et  al. ,  Superior  Thermal  Conductivity  of Single-Layer Graphene. Nano Letters, vol. 8, no.3, 2008, pp. 902 – 907.
[6] Shao,  G. et  al. ,  Graphene  Oxide:  The  Mechanisms  of Oxidation  and  Exfoliation. Journal  of Materials Science, 47(10), 2012, pp. 4400 – 4409
[7] Hummers,  W.  S.  &  Offeman,  R.  E.,  Preparation  of Graphitic Oxide. American Chemical Society, vol . 80, no.
6, 1958, pp. 1339-
[8] M.  Naebe, et  al. ,  Mechanical  Property  and  Structure  of Covalent Functionalised
Graphene/Epoxy Nanocomposites. Scientific  Reports,  vol 4,  no.3  ,  2014, pp. 4375-
[9] Shao,  G. et  al. ,  Graphene  Oxide:  The  Mechanisms  of Oxidation  and  Exfoliation. Journal  of Materials Science, 47(10), 2012, pp. 4400 – 4409
[10] Huang,  N. et  al. ,  Simple  Room-temperature  Preparation of  High-yield  Large-area  Graphene  Oxide. International Journal of Nanomedicine, vol.6, 2011, pp. 3443 – 3448