Perpustakaan Digital ITB

Emisi karbon monoksida (CO) dari gas buang kendaraan dan sistem pembakaran adalah gas berbahaya karena gas ini tidak berwarna dan tidak berbau, memiliki afinitas tinggi terhadap hemoglobin, dan pada konsentrasi tertentu dapat menyebabkan gangguan pernapasan hingga kematian, sehingga deteksi dini pada konsentrasi dan temperatur rendah menjadi krusial. Kinerja sensor gas CO berbasis metal-oxide semiconductor (MOS) konvensional, seperti SnO2 dan ZnO murni, umumnya beroperasi pada temperatur tinggi (³ 350 °C) untuk mencapai sensitivitas yang memadai, sehingga berdampak pada konsumsi energi yang besar dan keterbatasan kondisi aplikasinya dalam pemantauan kualitas udara maupun keselamatan kerja. Di sisi lain, material karbon dua dimensi seperti reduced graphene oxide (rGO) menawarkan luas permukaan tinggi, mobilitas pembawa muatan yang baik, serta kemudahan rekayasa struktur, sehingga berpotensi meningkatkan respons terhadap gas target (CO) pada temperatur operasi yang rendah. Namun, keterbatasan cadangan grafit alam global, mendorong pencarian material alternatif prekursor rGO. Batubara berpotensi sebagai material prekursor rGO karena dapat memanfaatkan sumberdaya lokal yang besar dan biaya produksi yang relatif lebih murah. Penelitian ini secara sistematik mempelajari sintesis, karakterisasi, dan evaluasi kinerja rGO berbasis batubara dan SnO2 dalam arsitektur nanokomposit, serta memanfaatkan efek katalitik logam platinum (Pt) sebagai material aktif sensor dalam mendeteksi CO pada temperatur rendah. Penelitian diawali dengan reduksi ukuran batubara bituminus (C) hingga -200 mesh. Sampel C dilakukan pre-treatment via demineralisasi melalui pelindian bertahap dengan 1 M HF dan 0,5 M HNO3, dilanjutkan karbonisasi pada temperatur 700 °C selama 2 jam, dan diikuti aktivasi CO2 pada temperatur 800 °C selama 1 jam dengan laju pemanasan keduanya 5 °C/menit dan laju aliran gas 1 L/menit. Sintesis graphene oxide (GO) dilakukan menggunakan metode Hummers yang dimodifikasi. Lalu GO direduksi secara kimia menggunakan asam askorbat dengan pemanasan cepat menggunakan microwave selama 3 menit pada 1.000 Watt dalam kondisi pH larutan 8. GO lalu dilakukan thermal annealing menggunakan gas argon dan CO2 pada 800 °C selama 1 jam dengan laju aliran gas 70 mL/menit untuk memperoleh rGO berbasis batubara. Selanjutnya, nanokomposit rGO-SnO2 (CRS) iii disintesis menggunakan metode poliol dengan pengaturan komposisi SnO2 yang kemudian dimodifikasi lebih lanjut melalui dekorasi Pt guna membentuk material aktif Pt-decorated rGO-SnO2 (CPRS). Karakterisasi material dan produk dilakukan secara menyeluruh untuk mengungkap sifat fisika-kimianya, meliputi X-ray diffraction (XRD) untuk identifikasi struktur dan bidang kristal, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) untuk analisis gugus fungsional, Raman spectroscopy untuk mengevaluasi kristalinitas dan disorder, scanning electron microscopeenergy dispersive spectroscopy (SEM-EDS) untuk analisis morfologi dan komposisi unsur, thermogravimetric analysis (TGA) untuk mengevaluasi stabilitas termal, serta N2 sorption isotherm dengan metode Brunauer-Emmett-Teller (BET), Barrett-Joyner-Halenda (BJH), dan t-plot untuk analisis tekstur pori dan luas permukaan spesifik. Material aktif yang dihasilkan kemudian difabrikasi menjadi thick film sebagai elemen sensor kemiresistif dan diuji terhadap gas CO pada variasi konsentrasi 1 – 30 ppm dan temperatur kerja 50 – 350 °C untuk mengevaluasi sensitivitas, waktu respon dan recovery, serta selektivitas terhadap gas interferen (SO2 dan CO2). Hasil penelitian menunjukkan bahwa pre-treatment batubara secara signifikan menurunkan kandungan abu dari 2,16 wt% (db) menjadi 0,29 wt% (db) serta kandungan volatile matter (VM) dari 41,15 wt% (db) menjadi 1,18 wt% (db). rGO hasil sintesis memiliki struktur kristal dan morfologi khas lembar graphene dengan nilai d(002) masing-masing sebesar 0,373 nm untuk rGO-Ar (RA) dan 0,376 nm untuk rGO-CO2 (RC), serta jumlah lapisan graphene pada daerah koherennya masing-masing sebanyak 4 dan 3 lapisan. RC menunjukkan luas permukaan tinggi hingga 720 m2/g dan berperan sebagai matriks konduktif yang efektif dalam nanokomposit rGO-SnO2. Selain itu, RC memiliki proporsi volume mikropori terhadap volume pori total sebesar 0,522 dengan diameter pori rata-rata 1,202 nm, yang termasuk kategori mikropori (< 2 nm). Karakteristik tersebut mendukung peningkatan adsorpsi gas pada material sensor. Nanokomposit CRS-1 menunjukkan respons maksimum sebesar 91,29% terhadap 30 ppm CO pada suhu 200 °C dengan waktu respons dan recovery masing-masing 0,88 dan 0,67 menit. Dekorasi Pt 0,3 at% (CPRS-0,3) lebih lanjut meningkatkan kinerja sensor hingga mencapai respons maksimum 99,84%, dengan waktu respons dan recovery yang lebih cepat masingmasing 0,33 dan 0,29 menit serta menunjukkan sensitivitas yang baik terhadap CO pada konsentrasi serendah 1 ppm. Peningkatan kinerja tersebut dikaitkan dengan sinergi heterojunction rGO-SnO2, mekanisme oxygen spillover, dan sensitisasi katalitik Pt yang mempercepat transfer muatan serta kinetika reaksi permukaan, sehingga menghasilkan sensor CO yang sensitif, selektif, dan berperforma tinggi.