Perpustakaan Digital ITB

Dengan meningkatnya kebutuhan akan energi listrik, diperlukan pengembangan teknologi konversi dan penyimpanan energi yang ramah lingkungan, menggunakan bahan baku yang melimpah, dan berbiaya rendah. Salah satu contoh piranti penyimpan energi yang menjanjikan adalah baterai Zn-udara sekunder. Baterai ini memanfaatkan reaksi reduksi oksigen (ORR) pada saat pemakaian dan reaksi evolusi oksigen (OER) saat pengisian. Dibandingkan dengan baterai ion-Li, baterai Zn-udara menggunakan anode logam Zn yang melimpah, serta elektrolit berbasis air sehingga relatif aman dan ramah lingkungan. Akan tetapi, komersialisasi baterai Zn-udara sekunder masih terkendala pada penggunaan dua jenis elektrokatalis berbasis logam mulia seperti Pt/C (ORR) dan Ir/C atau RuO2 (OER) yang mahal dan cadangannya terbatas. Oleh karena itu, penelitian terkait baterai Zn-udara sekunder banyak difokuskan pada pengembangan elektrokatalis oksigen yang mampu memfasilitasi kedua proses ORR dan OER (elektrokatalis bifungsional) dari bahan baku yang murah, melimpah, dan sekaligus memiliki kinerja unggul. Elektrokatalis logam-nitrogen-karbon (M-N/C, M = Fe, Co, Ni, dan Mn), yang merupakan kombinasi antara karbon terdoping nitrogen dan logam non-mulia, menjadi salah satu kandidat potensial untuk menggantikan elektrokatalis berbasis logam mulia. Elektrokatalis ini memiliki morfologi dan struktur elektronik yang mudah dimodifikasi, bahan baku yang melimpah, serta proses fabrikasi yang relatif mudah, yaitu melalui proses pirolisis dari campuran prekursor karbon, nitrogen, dan garam logam. Akan tetapi, kinerja bifungsional ORR-OER dari elektrokatalis M-N/C masih relatif lebih rendah dari Pt/C dan Ir/C. Untuk meningkatkan kinerjanya, beberapa strategi dapat diterapkan, seperti modifikasi morfologi, co-doping atom non-logam, dan penambahan logam sekunder untuk membentuk paduan logam. Kesemua strategi ini bertujuan untuk meningkatkan jumlah situs aktif dan aktivitas intrinsik dari elektrokatalis, sehingga menghasilkan kinerja ORR-OER yang lebih optimal. Pada tahap pertama penelitian ini, elektrokatalis oksigen disintesis dari aerogel oksida grafena tereduksi (rGO) dengan dual-doping nitrogen dan boron yang terdekorasi nanopartikel Fe (Fe-NB-rGO). Dual-doping nitrogen-boron diperoleh dapat meningkatkan kinerja ORR. Doping nitrogen dengan elektronegativitas yang lebih tinggi membuat atom karbon terdekatnya menjadi bermuatan lebih positif dan dapat berfungsi sebagai situs aktif untuk adsorpsi oksigen. Sedangkan co-doping boron dengan elektronegativitas yang lebih rendah dapat menambah situs adsorpsi oksigen dari adanya polarisasi muatan pada atom boron yang lebih positif dibandingkan atom nitrogen dan karbon terdekatnya. Aerogel rGO dengan struktur mesopori hierarkis juga diperoleh dapat meningkatkan distribusi reaktan. Selanjutnya, penambahan nanopartikel Fe pada matriks aerogel dengan dual-doping nitrogen boron secara signifikan dapat meningkatkan kinerja ORR-nya. Kinerja ORR dari Fe-NB-rGO bahkan relatif setara dengan Pt/C. Aplikasi Fe-NB-rGO pada baterai Zn-udara sekunder dapat menghasilkan rapat daya sebesar 107 mW cm?2 dan stabilitas kinerja hingga 58 jam. Pada tahap kedua, melalui modifikasi morfologi, elektrokatalis heterostruktur 1D-2D Co-N/C berhasil disintesis melalui proses pirolisis menggunakan prekursor g-C3N4 dan 2D zeolitic imidazole frameworks-67 (2D ZIF-67). Penumbuhan 1D nanofiber karbon secara insitu dapat mencegah keruntuhan struktur dari 2D flakes Co-N/C sehingga meningkatkan akses reaktan menuju situs aktif. Struktur 1D nanofiber juga menyediakan jalur konduktif yang mempermudah transfer elektron. Selanjutnya, penggunaan prekursor metal organic framework (MOF) ZIF-67 diperoleh dapat menghasilkan situs aktif yang tersebar merata dan mampu menghasilkan struktur nanopartikel Co yang terlingkup lapisan karbon terdoping nitrogen (Co@N/C) yang memiliki stabilitas kinerja tinggi. Dengan segala keunggulannya tersebut, heterostruktur 1D-2D Co-N/C dapat menghasilkan kinerja bifungsional ORR-OER yang relatif sebanding dengan Pt/C dan Ir/C. Aplikasi 1D-2D Co-N/C pada baterai Zn-udara sekunder mampu menghasilkan rapat daya sebesar 155 mW cm?2 dan stabilitas kinerja hingga 180 jam. Pada tahap ketiga, menggabungkan antara modifikasi morfologi dan penggunaan paduan logam, elektrokatalis FeCo-N/C dengan morfologi heterostruktur 1D-1D nanobrush (FeCoNC-NB) berhasil disintesis. Melamin digunakan sebagai prekursor untuk menumbuhkan nanofiber karbon pada permukaan nanowire FeCo-N/C yang dihasilkan dari dekomposisi MOF 1D FeCo-NTA. Penumbuhan struktur nanofiber pada permukaan nanowire mampu meningkatkan jumlah situs aktif yang dapat diakses reaktan sekaligus menyediakan jalur konduktif untuk mempercepat transfer elektron. Seperti pada tahap sebelumnya, penggunaan prekursor MOF juga menghasilkan situs aktif yang homogen dan struktur nanopartikel FeCo yang terlingkup lapisan karbon terdoping nitrogen (FeCo@N/C) yang memiliki stabilitas kinerja tinggi. Selanjutnya, pembentukan paduan FeCo diperoleh dapat menghasilkan elektrokatalis FeCoNC-NB dengan kinerja ORR sebanding dengan Pt/C dan kinerja OER yang lebih tinggi dari Ir/C. Aplikasi FeCoNC-NB pada baterai Zn-udara sekunder dapat menghasilkan rapat daya sebesar 195 mW cm?2 dan stabilitas kinerja hingga 350 jam. FeCoNC-NB juga dapat memfasilitasi reaksi evolusi hidrogen, membuka peluang aplikasinya pada piranti elektroliser air.