Perpustakaan Digital ITB

Pendeteksian kematangan buah telah menarik banyak perhatian untuk menjadi solusi kerugian pasca-panen akibat kematangan berlebih buah ataupun pengembangan perkebunan pintar berbasis IoT (internet of things). Namun metode pendeteksian kematangan buah, yang dilakukan dengan mendeteksi senyawa indikator kematangan buah yaitu gas etilena, masih belum dapat diimplementasikan secara efektif untuk pemantauan kematangan buah. Teknologi pendeteksian gas etilena berbentuk sensor chemoresistive berbasis logam oksida merupakan metode yang paling siap dalam implementasi pemantauan kematangan buah dalam skala besar karena sistem yang sederhana, ukuran kecil, mampu melakukan pengukuran terus-menerus, biaya produksi murah, serta mudah diintegrasikan dengan sistem elektronik dan komputer. Akan tetapi, teknologi tersebut masih terbatasi oleh temperatur kerja yang tinggi serta selektivitas yang kurang baik. Sebuah penelitian terbaru telah berhasil mengembangkan sensor chemoresistive berbasis logam oksida ZnO-Ag yang dapat bekerja pada temperatur ruang dengan selektivitas cukup baik. Terobosan tersebut menunjukkan bahwa logam oksida dapat menjadi material aktif sensor gas etilena berperforma tinggi dengan teknik perekayasaan yang tepat. Untuk melakukan pemilihan logam oksida serta metode rekayasa yang tepat, perlu diketahui terlebih dahulu mekanisme reaksi yang menentukan performa material aktif sensor. Namun, mekanisme reaksi gas etilena pada permukaan logam oksida masih sedikit dipelajari, serta mekanisme utama yang menentukan kemampuan mendeteksi gas etilena juga belum diketahui. Pada penelitian tugas akhir ini, mekanisme reaksi gas etilena pada permukaan zink oksida dipelajari dengan kombinasi perhitungan Teori Fungsional Densitas dan simulasi mikrokinetik. Mekanisme reaksi yang dibangun dari model ionosorption, oksidasi etilena menjadi etilena oksida melalui mekanisme Eley-Rideal dan Langmuir-Hinshelwood, pembentukan vakansi oksigen melalui mekanisme Mars-van Krevelen, dan difusi vakansi oksigen ditinjau untuk menghasilkan prediksi respons sensor tanpa melakukan eksperimen. Hasil kalkulasi menunjukkan adsorpsi etilena tidak dapat memberikan perubahan muatan permukaan yang signifikan, sementara oksigen dapat menarik muatan permukaan dengan cukup besar. Kemudian konsentrasi gas etilena akan mempengaruhi jumlah adsorbat oksigen pada permukaan, dan memberikan respons perubahan konduktivitas yang berkorelasi dengan konsentrasi gas etilena. Hal ini menunjukkan bahwa mekanisme deteksi gas etilena pada zink oksida bekerja mengikuti model ionosorption, dan reaksi utama yang menyebabkan sensor dapat mendeteksi gas etilena adalah oksidasi etilena menjadi etilena oksida. Kemudian hasil juga memberikan dua tahap reaksi penting yang harus muncul pada mekanisme reaksi agar respons sensor dapat pulih ke keadaan semula (recovery), yaitu: (1) pembebasan situs vakansi oksigen melalui mekanisme Mars-van Krevelen, dan (2) difusi vakansi oksigen. Hasil simulasi dari beberapa variasi model mekanisme deteksi gas etilena menunjukkan model mekanisme reaksi gabungan dari model ionosorption, oksidasi etilena menjadi etilena oksida melalui mekanisme Langmuir-Hinshelwood, pembentukan vakansi oksigen melalui mekanisme Mars-van Krevelen, dan difusi vakansi oksigen (model LH-MvK-OVD) memberikan temperatur kerja optimum ~650 K serta respons terhadap konsentrasi etilena yang cukup linier.Model tersebut memberikan prediksi performa sensor yang cukup dekat dengan hasil eksperimen. Model mekanisme reaksi ini dapat dikembangkan pada material aktif lain untuk memprediksi temperatur kerja sensor dan linieritas terhadap konsentrasi gas etilena. Disisi lain, model LH-MvK-OVD menunjukkan temperatur kerja optimum sensor dapat dipengaruhi oleh energi aktivasi reaksi dari tiga tahap reaksi: (1) disosiasi oksigen, (2) oksidasi etilena menjadi etilena oksida melalui mekanisme Langmuir-Hinshelwood, dan (3) difusi vakansi oksigen. Model LH-MvK-OVD memprediksi temperatur kerja optimum sensor yang rendah apabila energi aktivasi difusi vakansi oksigen cukup rendah. Hal ini menunjukkan bahwa untuk memperoleh sensor gas etilena yang bekerja pada temperatur rendah, diperlukan pemilihan dan rekayasa material aktif untuk energi aktivasi reaksi yang rendah dari ketiga tahap reaksi tersebut.