Perpustakaan Digital ITB

Superkapasitor menjadi salah satu perangkat dalam sistem energi masa depan berkat kepadatan daya yang luar biasa, siklus pengisian dan pengosongan yang cepat, dan umur siklus yang panjang. Pemanfaatan superkapasitor sangat bergantung pada pengembangan material elektrode yang tidak hanya memiliki kinerja yang tinggi tetapi juga ekonomis dan mudah diproduksi. Berbagai material karbon maju seperti CNT, grafena dan karbon aktif telah menunjukkan karakteristik elektrokimia yang luar biasa. Meskipun demikian, biaya produksi yang tinggi dan proses sintesis yang rumit telah menjadi hambatan utama pemanfaatan material tersebut. Salah satu material yang sangat menjanjikan sebagai elektrode superkapasitor adalah material karbon berbahan dasar batu bara. Material ini menawarkan ketersediaan yang melimpah, biaya yang relatif murah dan karakteristik intrinsik yang menjadikannya prekursor potensial untuk elektrode superkapasitor. Pemanfaatan batu bara sebagai elektrode superkapasitor berfokus pada metode aktivasi dan doping heteroatom tetapi kedua proses ini menggunakan banyak zat kimia dan beberapa tahapan proses yang rumit. Sementara itu, kandungan nitrogen bawaan (1-2%) dalam batu bara ini memberikan peluang untuk meningkatkan sifat elektrokimia material karbon tanpa memerlukan tahapan doping tambahan, sehingga menyederhanakan proses dan mengurangi biaya produksi. Untuk memaksimalkan kinerja superkapasitor, pengendalian struktur karbon yang meliputi struktur aromatik dan alifatik serta konfigurasi nitrogen dalam batu bara menjadi kunci untuk menyeimbangkan transportasi elektron yang efisien, peningkatan hidrofilisitas, dan kapasitas penyimpanan muatan tambahan. Namun, hubungan antara evolusi struktur karbon dan transformasi nitrogen bawaan dalam batu bara selama karbonisasi dan pengaruhnya terhadap sifat elektrokimia batu bara terkarbonisasi masih belum dipahami secara komprehensif. Berbeda dengan penelitian sebelumnya, penelitian ini secara sistematis mengungkap hubungan struktur dan sifat antara perubahan struktur aromatik dan transformasi gugus fungsi nitrogen bawaan dalam batu bara selama karbonisasi tanpa aktivasi maupun doping tambahan yang berpengaruh terhadap sifat elektrokimia. Dalam penelitian ini, karbonisasi langsung batu bara dilakukan pada suhu 500, 700 dan 900°C tanpa aktivasi kimia maupun doping nitrogen untuk memanfaatkan nitrogen intrinsik batu bara dalam mengendalikan struktur karbon dan konfigurasi nitrogen. Berbeda dengan penelitian terdahulu yang umumnya menggunakan aktivasi kimia maupun doping tambahan. Metode ini menawarkan proses yang lebih sederhana dan efisien dalam menghasilkan elektrode karbon dari batu bara. Hasil penelitian menunjukkan bahwa peningkatan suhu karbonisasi secara signifikan meningkatkan aromatisitas dan mengubah konfigurasi nitrogen dalam struktur karbon. Konfigurasi nitrogen berubah seiring dengan kenaikan suhu di mana dominasi struktur nitrogen pirolik terjadi pada suhu 500°C, kemudian pada suhu 700°C didominasi oleh nitrogen piridinik dan dominasi nitrogen grafitik pada suhu 900°C. Perubahan konfigurasi nitrogen tersebut berpengaruh secara langsung terhadap kinerja elektrokimia material. Sampel yang dikarbonisasi pada 700°C (CBC-700) menunjukkan kapasitansi spesifik tertinggi sebesar 73,6 F/g pada rapat arus 0,5 A/g yang dikaitkan dengan dominasi nitrogen piridinik. Temuan ini menunjukkan bahwa karbonisasi batu bara secara langsung berpotensi menghasilkan batu bara terkarbonisasi sebagai elektrode superkapasitor dengan performa kapasitif yang kompetitif melalui proses yang lebih sederhana.