PANI/rGO TERDEKORASI NANOKLASTER MnO 2 SEBAGAI ELEKTRODE LAWAN BEBAS P LATINA PADA SEL SURYA TERSENSITASI ZAT WARNA DISERTASI Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dari Institut Teknologi Bandung Oleh NENDEN FAUZIAH NIM: 30519002 (Program Studi Doktor Kimia) INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG Februari 2024 PANI/rGO TERDEKORASI NANOKLASTER MnO 2 SEBAGAI ELEKTRODE LAWAN BEBAS P LATINA PADA SEL SURYA TERSENSITASI ZAT WARNA MnO 2 NANOCLUSTER-DECORATED PANI/rGO AS PLATINA- FREE COUNTER ELECTRODES ON DYE- SENSITIZED SOLAR CELL DISERTASI Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dari Institut Teknologi Bandung Oleh NENDEN FAUZIAH NIM: 30519002 (Program Studi Doktor Kimia) INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG Februari 2024 i ABSTRAK PANI/rGO TERDEKORASI NANOKLASTER MnO 2 SEBAGAI ELEKTRODE LAWAN BEBAS P LATINA PADA SEL SURYA TERSENSITASI ZAT WARNA Oleh Nenden Fauziah NIM: 30519002 (Program Studi Doktor Kimia) Sel surya tersensitasi zat warna (DSSC) memiliki empat komponen utama, yaitu, elektrode kerja, zat warna, elektrolit, dan elektrode lawan. Elektrode lawan harus memiliki konduktivitas listrik dan daya reduksi elektrolit yang tinggi agar dapat mempertahankan aliran muatan dalam sistem. Elektrode lawan dengan kinerja tinggi dan paling banyak digunakan adalah kaca konduktif yang dilapisi oleh logam platina (Pt). Elektrode lawan Pt menjadi bagian termahal dalam DSSC sehingga pengembangan elektrode lawan bebas Pt merupakan langkah yang sangat penting. Pt dapat diganti dengan material lain seperti logam dan paduan logam, material karbon, senyawa logam transisi, komposit, dan polimer konduktif. Polianilina (PANI) merupakan polimer konduktif yang paling menjanjikan sebagai penganti Pt karena memiliki laju reaksi pada pasangan redoks ) 7 ? . yang tinggi. PANI berhasil didepositkan di atas permukaan sintetik grafit menggunakan metode elektropolimerisasi. Analisis spektroskopi FTIR-ATR dan Raman mengonfirmasi PANI yang terdeposit sebagai PANI emeraldine salt (PANI ES). Morfologi nanofiber dikonfirmasi melalui analisis SEM dengan diameter serat yang makin besar seiring peningkatan variasi beban. PANI variasi beban 10% memberikan diameter rata-rata sebesar x$ =80 nm dan ketebalan film terendah (11,56 mm), RCT terendah (59,00 W), R S terendah (40,06 W), V OC tertinggi (0,688 V), dan JSC tertinggi (9,066 mA cm -2 ) yang menghasilkan kinerja tertinggi ( h = 2,402 %). Metode elektropolmerisasi ramah lingkungan dan menghasilkan elektrode lawan PANI dengan kinerja tinggi, namun pengaplikasiannya pada pembuatan elektrode lawan berbasis komposit PANI, seperti PANI-Grafena, sulit dilakukan. Grafena merupakan material yang memiliki berbagai sifat luar biasa, serta bidang aplikasi yang luas. Electrochemically exfoliated graphene (EEG), merupakan bahan mirip grafena yang disintesis melalui metode elektrokimia. Sintesis EEG memerlukan waktu yang lebih singkat dan limbah kimia yang jauh lebih sedikit dibandingkan metode Hummers. Upaya modifikasi material EEG melalui metode ultrasonikasi diharapkan berdampak pada peningkatan cacat struktur, daya dispersi, dan kinerja EEG sebagai ii elektrode lawan pada DSSC. Spektroskopi FTIR-ATR, XRD, dan Raman mengonfirmasi material EEG sebagai rGO. Analisis SEM-EDS memperlihatkan EEG mempunyai morfologi lapisan bertumpuk. Hasil studi dispersi menunjukkan bahwa ultrasonikasi berulang meningkatkan kemampuan dispersi material EEG. Analisis spektrum Raman mengonfirmasi terjadinya peningkatan cacat struktur seiring peningkatan jumlah pengulangan sonikasi, yang berdampak pada peningkatan aktivitas elektrokatalitik material EEG. Elektrode lawan EEG dengan 6-kali pengulangan sonikasi (EEG_6) memberikan kinerja tertinggi (h = 0,890 %), sedangkan reduced graphene oxide (rGO) metode Hummers sebesar 0,714%. Elektrode lawan campuran polianilina (metode konvensional), grafit dan EEG_6 (PG_EEG_6) memberikan efisiensi sebesar 2,493%, lebih tinggi dari elektrode lawan Pt ( h = 1,626%), sebagai dampak signifikan dari jumlah cacat struktur pada material EEG_6. Gaya elektrostatik yang kuat antara lembaran grafena dapat menyebabkan penumpukkan kembali pada lembaran EEG. Keberadaan MnO 2 dalam EEG, selain meningkatkan cacat struktur juga menghasilkan hambatan sterik yang mencegah penumpukkan kembali lembaran grafena. MnO 2 merupakan oksida logam transisi yang memiliki reaksi redoks yang cepat dan reversibel pada permukaannya, murah dan ramah lingkungan. Sayangnya, MnO 2 memiliki konduktivitas listrik yang buruk. Pembuatan komposit EEG-MnO 2 diharapkan menghasilkan material dengan konduktivitas dan aktivitas elektrokatalitik yang tinggi. Kinerja elektrode lawan sampel EEG_Mn ( h = 1,87 %) sebanding dengan elektrode platina (h = 1,84 %). Namun, kinerja sampel EEG_Mn yang dianil pada suhu 450°C selama 2 jam (EEG_Mn_450) hanya memberikan efisiensi sebesar 1,78 %. Pembuatan komposit PANI_EEG_Mn diharapkan dapat berdampak pada peningkatan performa EEG_Mn. Namun, hasil pengujian pada elektrode lawan PANI_EEG_Mn menunjukkan kinerja yang lebih rendah dengan efisiensi 1,56%. Campuran PANI dan EEG_Mn (PANI/EEG_Mn) memberikan efisiensi sebesar 2,10 %. Hasil yang lebih signifikan ditunjukkan oleh elektrode lawan campuran PANI dan EEG_Mn_450 (PANI/EEG_Mn_450) dengan efisiensi sebesar 2,34 %. Performa elektrode lawan PANI/EEG_Mn_450 27,2% lebih tinggi dibandingkan performa elektrode lawan Platina. Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa material EEG_Mn_450 merupakan material rGO-MnO 2 sehingga PANI/EEG_Mn_450 merupakan material PANI/rGO-MnO 2. Penggunaan material EEG yang termodifikasi sonikasi sebagai bahan pembuatan PANI/rGO-MnO 2 yang diaplikasikan sebagai material elektrode lawan dalam DSSC belum pernah dilakukan. Komposit PANI/rGO-MnO 2 berpotensi besar untuk digunakan sebagai elektrode lawan dalam DSSC yang bebas platina. Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan sumbangan pada pengembangan teknologi sumber energi terbarukan yang ramah lingkungan guna mengatasi permasalahan energi dan lingkungan khususnya di Indonesia. Kata kunci: sel surya tersensitasi zat warna, elektrode lawan, polianilina, EEG, rGO, MnO 2. iii ABSTRACT MnO 2 NANOCLUSTER-DECORATED PANI/rGO AS PLATINA- FREE COUNTER ELECTRODES ON DYE- SENSITIZED SOLAR CELL By Nenden Fauziah NIM: 30519002 (Doctoral Program in Chemistry) Dye-sensitized solar cells have four main components: working electrode, dye, electrolyte, and counter electrode. The counter electrode must have high electrical conductivity and electrolyte-reducing power to maintain charge flow in the system. The counter electrode performs well, and the most widely used is conductive glass coated with platinum metal (Pt). The use of Pt causes the counter electrode to be the most expensive part of a DSSC, so developing a Pt-free counter electrode is crucial. Pt can be replaced with other materials such as metals and metal alloys, carbon materials, transition metal compounds, composites, and conductive polymers. Polyaniline (PANI) is considered the most promising conductive polymer substitute for Pt due to its excellent reaction rate of PANI towards the + 7 ? + . redox couple. PANI, synthesized by the pulsed electropolymerization method, was successfully deposited on the surface of synthetic graphite. FTIR-ATR analysis and Raman spectroscopy confirmed PANI as PANI emeraldine salt (PANI ES). SEM analysis confirms that the morphology of the PANI is nanofiber with a larger fiber diameter as the load variation increases. PANI 10% load variation gives an average diameter of x$ = 80 nm and the lowest film thickness (11.56 mm), lowest RCT (59.00 W), lowest RS (40.06 W), highest VOC ( 0.688 V), and the highest JSC (9.066 mA cm - 2 ), which produces the highest performance (h = 2.402%). The electropolymerization method is environmentally friendly and produces PANI counter electrodes with good performance, but its application in counter electrodes based on PANI composites, such as PANI-Graphene, is tricky. Graphene has various excellent properties, contributing to its wide potential applications. Electrochemically exfoliated graphene (EEG) is a graphene-like material synthesized via electrochemical methods, requiring a shorter synthesis time and much less chemical waste than the Hummers method. Ultrasonication modification of EEG is predicted to increase the structure of defects, dispersion capability, and performance of EEG as a counter-electrode material in DSSC. FTIR-ATR, XRD, and Raman spectroscopy confirmed that the EEG material was rGO. SEM-EDS analysis observed that all EEGs have thick layer morphology. The results of the dispersion study showed that repeated ultrasonication improved the dispersion ability of the EEG material. In addition, Raman spectrum analysis iv confirmed an increase in structural defects as the number of sonication repetitions increased, which is thought to have an impact on increasing the electrocatalytic activity of the EEG material. The EEG with 6 repetitions of sonication (EEG_6) gave the highest performance as a CE in DSSC with 0.890 % efficiency, while the reduced graphene oxide (rGO) with the Hummers method is 0.714%. The counter electrode of the mixed material of polyaniline (conventional method), graphite, and EEG_6 (PG_EEG_6) provides an efficiency of 2.493%, while the Pt counter electrode ( h= 1.626 %), as a significant impact of the number of structural defects in the EEG_6 material. The strong electrostatic interaction between the graphene sheets can cause re- stacking of the EEG sheets. Besides increasing structural defects, the presence of MnO 2 in EEG also produces a steric hindrance that prevents the re-stacking of graphene sheets. MnO 2 is an eco-friendly transition metal oxide with a fast, reversible redox surface reaction. Unfortunately, MnO 2 has poor electrical conductivity. The EEG-MnO 2 composite is expected to produce a material with good conductivity and electrocatalytic activity. The performance of the EEG_Mn counter-sample electrode ( h = 1.87 %) is comparable to that of the platinum electrode ( h = 1.84 %). However, the performance of the EEG_Mn sample, which was annealed at 450°C for 2 hours (EEG_Mn_450), only provided an efficiency of 1.78%. Making the PANI_EEG_Mn composite is expected to have an impact on improving EEG_Mn performance. However, the test results on the PANI_EEG_Mn counter electrode showed a decrease in performance with an efficiency of 1.56%. The mixture of PANI and EEG_Mn (PANI/EEG_Mn) provides an efficiency of 2.10%. More significant results were shown by the mixed PANI and EEG_Mn_450 counter electrode (PANI/EEG_Mn_450) with an efficiency of 2.34%. The performance of the PANI/EEG_Mn_450 counter electrode was 27.2% better than the performance of the Platina counter electrode. The characterization results show that the EEG_Mn_450 material is rGO-MnO 2 material, so PANI/EEG_Mn_450 is PANI/rGO-MnO 2 material. The use of sonication-modified EEG material for making PANI/rGO-MnO 2, which is applied as a counter electrode material in dye-sensitized solar cells, has never been done. The PANI/rGO-MnO 2 composite has excellent potential for use as a counter electrode in platinum-free dye-sensitized solar cells. The results of this research are expected to contribute to the development of renewable energy sources that are environmentally friendly to address energy and environmental problems, especially in Indonesia. Key words: Dye-sensitized solar cells, counter electrode, polyaniline, EEG, rGO, MnO 2. v PANI/rGO TERDEKORASI NANOKLASTER MnO 2SEBAGAI ELEKTRODE LAWAN BEBAS P LATINA PADA SEL SURYA TERSENSITASI ZAT WARNA Oleh Nenden Fauziah NIM: 3519002 (Program Studi Doktor Kimia) Institut Teknologi Bandung Menyetujui Tim Pembimbing Tanggal Februari 2024 Ketua Prof. Dr. Veinardi Suendo Anggota Prof. Rachmat Hidayat, Ph.D. rrrrrrrrrrrofoofoffofofofffofofofofooffofffooofofofofofofoooffofffofofofofoofffofofooooffooffoofofooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo. DrDrDDrDrDDDDrDDDDDDDDDDDDrDDDDDrDrDDDDDDrrrrrrrrrr. VeVVeVVVVVVVVVVVVeVVVVVVVVeVeVVVVVVVVVVVVVVVVeVVVVVVVVeVeVeVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVeVeVVVVVVVVVVVVVVVeVeVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVeVVVVVVVVeVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVinardi Suendo.