Pembuatan material karbon berpori dari pirolisis phenolic resin sebagai material elektroda superkapasitor

ARIYANTO, Teguh, Ir. Imam Prasetyo, M.Eng.,Ph.D

2010 | Tesis | S2 Teknik Kimia

Superkapasitor merupakan alat penyimpan energi yang penggunaannya sudah secaraluas pada bidang elektronik dan transportasi. Kinerja suatu superkapasitor dapat ditentukandari kapasitasnya dalam menyimpan energi. Kapasitansi spesifik dari superkapasitor yangdibuat dari material karbon berpori dipengaruhi oleh struktur pori dari bahan tersebut.Untuk meningkatkan kapasitansi spesifik dapat dilakukan dengan menyiapkan materialkarbon berpori yang memiliki fraksi mesopori dan luas permukaan spesifik yang tinggi.Pada penelitian ini, material karbon berpori dibuat dengan cara karbonisasi phenolic resinyang dibuat dengan cara polimerisaasi kondensasi senyawa phenolic dengan formaldehyde.Untuk memperoleh material karbon berpori yang mempunyai karakteristik yang sesuaisebagai material elektroda superkapasitor dilakukan variasi jenis senyawa phenolic,perbandingan senyawa phenolic dengan formaldehyde, dan penambahan filler.Tahapan dari penelitian ini meliputi pembuataan prekursor dari polimerisasi senyawaphenolic dengan formaldehyde, karbonisasi bahan prekursor, karakterisasi karbon berpori,dan uji kapasitansi dari superkapasitor menggunakan karbon berpori sebagai materialelektroda. Phenolic resin dibuat dengan cara polimerisasi kondensasi senyawa phenolicdengan formaldehyde pada kondisi asam dengan memvariasikan jenis senyawa phenolic,perbandingan senyawa phenolic dengan formaldehyde, dan penambahan filler. Phenolicresin yang telah dikeringkan selanjutnya dikarbonisasi pada reaktor furnace dengan alirannitrogen dari temperatur kamar sampai 1023 K dengan kenaikan suhu 3K/menit dan dijagaselama 2 jam pada suhu 1023 K. Karbon yang dihasilkan dikarakterisasi dari sisi materialberupa morfologi permukaan, bilangan iodin, luas permukaan spesifik, struktur pori, dandistribusi ukuran pori dan dari sisi aplikasi sebagai material elektroda superkapasitor dimanakapasitansi spesifik ditentukan dengan tes galvanostatik menggunakan 30% KOH sebagaielektrolit dan polipropilen sebagai separator.Hasil karakterisasi karbon berpori menunjukan bahwa struktur molekul dari polimermenentukan kualitas karbon berpori yang dihasilkan. Penggunaan resorcinol yangdikombinasikan dengan phenol pada polimerisasi phenolic dengan formaldehyde akanmengubah struktur polimer dan akan menyebabkan perubahan struktur pori dari karbon.Bagian berupa mikropori dan mesopori akan meningkat dengan meningkatnya jumlahresorcinol yang ditambahkan. Sedangkan pada penggunaan etilen glikol yangdikombinasikan dengan resorcinol dan phenol pada polimerisasi phenolic denganformaldehyde akan meningkatkan prosentase mesopori dari karbon yang dihasilkan. Akantetapi, penambahan senyawa resorcinol atau etilen glikol tersebut mempunyai perbandinganoptimum. Luas permukaan tertinggi dalam penelitian ini sebesar 2174 m2/g didapatkan darikarbon resorcinol (R) phenol (P) formaldehyde (F) (C-RPF) hasil pirolisis prekursor padasuhu 750 C, 2 jam dan prosentase mesoporosity tertinggi sekitar 90% didapatkan padamaterial karbon resorcinol (R) phenol (P) formaldehyde (F) ethylene glycol (EG) denganperbandingan molar R:P:F:EG = 0.7:0.3:2.8:2 (C-RPFEG2). Uji kapasitansi darisuperkapasitor menggunakan karbon berpori menunjukan bahwa meningkatnyamesoporosity akan meningkatkan nilai kapasitansi spesifik. Spesifik kapasitansi tertinggisebesar 336 F/g diperoleh jika menggunakan C-RPFEG2 sebagai material elektrodasuperkapasitor.

Supercapacitors, as energy storage devices, have been widely used for alternativeenergy sources and transportation applications. The performance of supercapacitor canbe determined from the capacitance of supercapacitor to store the energy. Electrodematerial of supercapacitor can be made by porous carbon. The specific capacitance ofthis supercapacitor was determined by the characteristic of the porous carbon. Therefore,the specific capacitance can be increased by altering mesoporosity and specific internalsurface area of the porous carbon. In this research, porous carbon materials wereprepared by carbonization of phenolic resin produced from polymeric condensationprocess of phenolic compound with formaldehyde aqueous solution. Various phenolicpolymers were prepared in order to obtain precursor which will produce porous carbonwith excellent characteristic for electrode material of supercapacitor. In this case, thetype of the phenolic compound, reactant ratio (phenolic compound: formaldehyde), andfiller addition were examined.The steps of this research were preparation of precursor from polymerizationprocess of phenolic compound with formaldehyde aqueous solution, carbonization ofprecursor, characterization of porous carbon, and characterization of supercapacitorcapacitance using porous carbon as electrode material. The phenolic resins wereprepared from polymerization process of phenolic compound with formaldehyde aqueoussolution under acidic condition. The phenolic resins produced were then dried at 398 Kat ambient pressure and the dried phenolic resins were carbonized in a furnace underflowing nitrogen from room temperature up to 1023 K at a heating rate of 3 K/min andkept at 1023 K for 2 h. Produced carbons were characterized for their surfacemorphology, iodine number, specific internal surface area (BET method), pore structure,and pore size distribution. The carbons were further tested regarding their application asan electrode material of supercapacitor by measuring their specific capacitance usinggalvanostatic test. In this test, 30% KOH was used as electrolyte solution andpolypropylene sheet was employed as separator.From characterization of the porous carbon, it was shown that molecular structureof the polymeric precursor affects the quality of porous carbon obtained. The use ofresorcinol in combination with phenol in the phenolic formaldehyde polymerizationchanged the polymer structure and lead to the alteration of the carbon porosity. Theproportion of the micropores and mesopores increased with the increasing amount ofresorcinol added. Furthermore, the use of ethylene glycol in combination with resorcinoland phenol in the phenolic formaldehyde polymerization increased the mesopore portionof porous carbon. However, the addition of resorcinol or ethylene glycol has an optimumratio. The highest surface area of 2174 m2/g was obtained from resorcinol (R) phenol (P)formaldehyde (F) carbon (C-RPF) and the highest percentage of mesopores on thisresearch and up to 90% was obtained from resorcinol (R) phenol (P) formaldehyde (F)ethylene glycol (EG) carbon with molar ratio R:P:F:EG = 0.7:0.3:2.8:2 (C-RPFEG2).The capacitance test using porous carbon shown that increasing mesoporosity willincrease specific capacitance value of supercapacitor. The highest specific capacitance of336 F/g was obtained by using C-RPFEG2 as electrode material of supercapacitor.

Kata Kunci : Phenolic resin, Karbon berpori, Mesoporosity, Superkapasitor, phenolic resin, porous carbon, mesoporosity, supercapasitor