Templat tugas akhir S1
advertisement
MEMBRAN ELEKTROLIT POLISTIRENA TERSULFONASI UNTUK APLIKASI DYE-SENSITIZED SOLAR CELL AISYAH ZAFIRA DEPARTEMEN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2016 PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA* Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Membran Elektrolit Polistirena Tersulfonasi untuk Aplikasi Dye-Sensitized Solar Cell adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor. Bogor, Agustus 2016 Aisyah Zafira NIM G44120098 ABSTRAK AISYAH ZAFIRA. Membran Elektrolit Polistirena Tersulfonasi untuk DyeSensitized Solar Cell. Dibimbing oleh SRI MULIJANI dan ARMI WULANAWATI. Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) adalah suatu alat yang mampu mengubah energi matahari menjadi energi listrik yang terdiri atas 4 komponen, yaitu elektrode kerja, pewarna sebagai fotosensitizer, membran elektrolit, dan elektrode lawan. Penelitian ini menentukan pengaruh tambahan elektrolit cair, membran elektrolit polistirena, dan membran elektrolit polistirena tersulfonasi dengan menggunakan pewarna alami yaitu ekstrak kulit manggis pada kinerja DSSC. Pewarna ekstrak kulit manggis yang dicirikan menggunakan UV-Vis menunjukkan absorpsi paling besar pada panjang gelombang 522 nm. Polistirena dapat dikatakan tersulfonasi sebagaimana ditunjukkan oleh nilai derajat sulfonasi, yaitu 31.41%. Sepektrum inframerah transformasi Fourier dari membran menunjukkan serapan gugus -SO3 pada 1028.06 cm-1. Rangkaian DSSC dengan tambahan membran elektrolit polistirena tersulfonasi menghasilkan nilai efisiensi tertinggi 9.7475 10-3%. Hal ini menunjukkan membran polistirena tersulfonasi dapat menjadi membran elektrolit untuk DSSC. Kata kunci : kulit manggis, membran elektrolit, polistirena tersulfonasi, DSSC ABSTRACT AISYAH ZAFIRA. Sulfonated Polystirene Electrolyte Membrane for Applications in Dye-Sensitized Solar Cell. Supervised by SRI MULIJANI and ARMI WULANAWATI. Dye sensitized solar cell (DSSC) is a device capable for converting solar energy into electrical energy, which consists of working electrode, dye as photosensitizer, electrolyte membrane, and counter electrode. This experiment determined the effect of added liquid electrolyte, polystyrene electrolyte membrane, and sulfonated polystyrene electrolyte membrane using mangosteen skin extract as a natural dye the DSSC performance. Mangosteen skin extract using UV-Vis showed the high absorption at a wavelength of 522 nm. The polystyrene was sulfonated as indicated by the degree of sulfonation of 31.41%. Fourier transforminfrared spectrum showed a peak of –SO3 in 1028.06 cm-1. The DSSC circuits with added sulfonated polystyrene electrolyte showed highest efficiency of 9.7475 10-3%. This conclude that the sulfonated polystyrene membrane can be used as a electrolyte membrane for DSSC. Keywords: DSSC, electrolyte membrane, mangosteen skin, sulfonated polistirena MEMBRAN ELEKTROLIT POLISTIRENA TERSULFONASI UNTUK APLIKASI DYE-SENSITIZED SOLAR CELL AISYAH ZAFIRA Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Kimia DEPARTEMEN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2016 PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT atas segala rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah yang berjudul Membran Elektrolit Polistirena Tersulfonasi untuk Aplikasi DyeSensitized Solar Cell. Penelitian ini dilaksanakan dari bulan Maret 2016 sampai dengan Juni 2016 di Laboratorium Kimia Fisika Departemen Kimia dan Laboratorium Biomaterial Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Terima kasih penulis ucapkan kepada Dr Sri Mulijani, MS dan Armi Wulanawati, SSi, MSi selaku pembimbing yang telah memberikan arahan dan bimbingan selama penelitian hingga akhir penulisan karya ilmiah ini. Ungkapan terima kasih penulis berikan kepada Umi, Abi, Luthfiya, dan Azizah serta seluruh keluarga yang tidak pernah berhenti memberikan semangat, doa, dan kasih sayangnya kepada penulis. Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada Ibu Ai, Bapak Ismail dari Laboratorium Kimia Fisik IPB atas fasilitas dan bantuan yang diberikan selama penelitian. Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada rekan-rekan seperjuangan penelitian dan teman-teman Kimia 49 atas perhatian, saran, dan bantuannya. Semoga karya ilmiah ini dapat memberikan manfaat bagi penulis dan perkembangan ilmu pengetahuan. Bogor, Agustus 2016 Aisyah Zafira DAFTAR ISI DAFTAR TABEL vi DAFTAR GAMBAR vi DAFTAR LAMPIRAN vi PENDAHULUAN 1 BAHAN DAN METODE 3 Alat dan Bahan 3 Metode 3 HASIL DAN PEMBAHASAN 5 Ekstrak Kulit Manggis (Garcinia Mangostana L) 5 Polistirena Tersulfonasi 6 Kinerja DSSC 9 SIMPULAN DAN SARAN 12 Simpulan 12 Saran 12 DAFTAR PUSTAKA 12 LAMPIRAN 15 RIWAYAT HIDUP 18 DAFTAR GAMBAR 1 2 3 4 5 6 7 Serapan antosianin kulit manggis Struktur sianidin Spektrum FTIR antosianin Reaksi sulfonasi pada polistirena Spektrum FTIR membran PS (--) dan PSS (--) Prinsip kerja DSSC Kurva I-V berbahan elektrolit cair (a), berbahan membran elektrolit polistirena (--) dan membran elektrolit polistirena tersulfonasi (--) (b) 6 6 6 7 8 10 10 DAFTAR LAMPIRAN 1 2 3 4 Diagram alir penelitian Penentuan derajat sulfonasi Perhitungan pengujian kinerja DSSC berbahan elektrolit polistirena tersulfonasi Hasil pengukuran tegangan dan arus DSSC 15 16 membran 16 17 PENDAHULUAN Ketersediaan energi saat ini masih bergantung pada minyak, gas bumi, dan berbagai bahan bakar fosil lainnya. Namun, ketersediaan cadangan energi fosil ini semakin menipis. Salah satu upaya untuk mengurangi penggunaan sumber energi fosil adalah memanfaatkan energi radiasi matahari (solar cell). Energi yang dikeluarkan oleh sinar matahari hanya diterima oleh permukaan bumi sebesar 69% dari total energi pancaran matahari, sedangkan suplai energi surya dari sinar matahari yang diterima oleh permukaan bumi mencapai 3 1024 Joule pertahun, energi ini setara dengan 2 x 1017 Watt. Jumlah energi tersebut setara dengan 1 104 kali konsumsi energi di seluruh dunia saat ini. Dengan kata lain, sebesar 0.1% dari permukaan bumi ditutupi oleh perangkat solar sel yang memiliki efisiensi 10% sudah mampu menutupi kebutuhan energi di seluruh dunia (Nadeak dan Susanti 2012). Dye-sensitized solar cell (DSSC) merupakan sel surya generasi ketiga yang dikembangkan pertama kali oleh Professor Michael Gratzel pada tahun 1991 (Gratzel 2003) dan berfungsi untuk mengkonversi energi cahaya ke listrik dalam skala molekular dalam bentuk reaksi dari transfer elektron (Ekasari dan Gatut 2013). Peningkatan efisiensi DSSC terus dikembangkan dan hingga saat ini efisiensi maksimal yang berhasil didapatkan sebesar 11% (O` Regan dan Gratzel 1991). Keunggulan DSSC yaitu bahan dasar pembuatannya relatif lebih murah dan ramah lingkungan (Damayanti et al. 2014). Komponen DSSC terdiri atas elektrode kerja, pewarna sebagai fotosensitizer, membran elektrolit, dan elektrode lawan. Elektrode kerja merupakan kaca (indium tin oxide) ITO yang dilapisi semikonduktor, bertindak sebagai akseptor atau kolektor elektron yang ditransfer dari pewarna yang teroksidasi. Penggunaan semikonduktor dengan band gap lebar akan memperbanyak elektron yang mengalir dari pita konduksi ke pita valensi, karena dengan band gap yang lebar tersebut akan membuat ruang reaksi fotokatalis dan absorpsi oleh pewarna akan menjadi lebih banyak atau dengan kata lain spektrum absorbsi menjadi lebar. Salah satu semi konduktor ber-band gap lebar yang sering digunakan, yaitu titanium dioxide (TiO2). TiO2 mempunyai selisih band gap lebar yaitu sebesar 3.2 eV dengan rentang -1.2–2.0 eV. TiO2 juga sering digunakan karena inert, tidak berbahaya, dan semikonduktor yang murah, selain memiliki karakteristik optik yang baik (Nadeak dan Susanti 2012). TiO2 hanya mampu menyerap sinar ultraviolet (350–380 nm) sehingga dibutuhkan lapisan zat warna yang akan menyerap cahaya tampak. Pewarna yang umum digunakan dan mencapai efisiensi sebesar 11% adalah kompleks ruthenium karena senyawa ini memiliki daerah absorbsi yang lebar pada semua rentang spektrum cahaya tampak dan transfer muatan antara logam dan ligan yang sangat efisien (Wongcharee et al. 2007). Namun, penggunaan kompleks ruthenium memiliki kekurangan, yaitu sulit disintesis, harganya mahal, dan tidak ramah lingkungan sehingga dilakukan alternatif lain menggunakan zat warna buahbuahan, khususnya antosianin yang menyebabkan warna merah dan ungu pada buah. Antosianin adalah suatu zat yang memiliki gugus kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer elektron, memiliki gugus karbonil 2 dan hidroksil pada struktur molekulnya sehingga mampu berikatan pada permukaan TiO2, serta memiliki spektrum cahaya yang cukup lebar dari pita merah hingga biru sehingga berpotensi digunakan sebagai pewarna (Nugrahawati 2012). Hasil penelitian Nadeak dan Susanti (2012) menghasilkan DSSC berbahan pewarna ekstrak buah naga merah dengan efisiensi 8.90 10-2%, Damayanti et al. (2014) menghasilkan DSSC berbahan pewarna ekstrak ubi jalar ungu dengan efisiensi 2.30 10-1%, Maulina et al. (2014) menghasilkan DSSC berbahan membran elektrolit polietilen glikol (PEG) dengan pewarna ekstrak kulit manggis (Garcinia Mangostana L) dengan efisiensi 5.92 10-2%. Oleh karena itu, pada penelitian ini menggunakan pewarna ekstrak kulit manggis, terlebih Indonesia adalah negara tropis yang sangat cocok untuk pertumbuhan buah manggis sehingga sangat mudah diperoleh. Kulit manggis memiliki kadar antosianin, yaitu 59.3 mg/100 g kulit buah (Hikmah dan Prajitno 2015). Elektolit redoks, biasanya berupa pasangan iodida dan triodida (I-/I3-) yang bertindak sebagai mediator redoks sehingga dapat menghasilkan proses siklus di dalam sel (Maddu et al. 2007). Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Zahroh (2013) yang membuat pengujian DSSC dengan memanfaatkan ekstrak kulit manggis dan elektrolit cair menghasilkan arus dan tegangan yang masih tidak stabil dengan penurunan arus yang signifikan dalam waktu yang singkat. Hal ini disebabkan elektrolit yang digunakan lebih cepat mengalami penguapan atau memiliki tingkat evaporasi yang tinggi akibat viskositas yang rendah sehingga tidak mampu digunakan dalam jangka waktu yang panjang. Untuk mengatasi hal tersebut dalam penelitian ini menggunakan elektrolit semipadat/membran elektrolit yang mempunyai keunggulan tidak mudah menguap, memiliki konduktivitas ion tinggi pada temperatur konstan, dan mempunyai stabilitas jangka panjang (Pancaningtyas dan Akhlus 2010). Oleh karena itu, penelitian ini menggunakan polimer membran elektrolit untuk meningkatkan kinerja DSSC. Polimer konduktif untuk DSSC yang telah dikembangkan dan telah dikomersilkan adalah polietilena terftalat (PET) oleh Solaronix dan nafion. PET memiliki kelemahan, yaitu tidak tahan suhu panas (Miettunen et al. 2009). Nafion adalah membran yang terbuat dari fluoro-polimer dengan rantai cabang yang mengandung gugus sulfonat (−SO3H). Nafion juga memiliki kelemahan yaitu konduktivitas pada suhu >100 rendah dan harganya mahal (Trogadas dan Ramani 2009). Kelemahan yang terdapat pada kedua polimer tersebut dapat menurunkan efisiensi kinerja DSSC. Kelemahan tersebut dapat diatasi dengan mengganti penggunaan polimer, salah satunya polistirena tersulfonasi. Polistirena tersulfonasi diperoleh dengan penambahan gugus sulfonat melalui proses sulfonasi pada polistirena yang dapat meningkatkan hidrofilisitas dan memberikan konduktivitas protonnya lebih besar (Mulijani et al. 2014). Penggunaan polistirena dilakukan karena mempunyai temperatur leleh 180–260 ˚C dan mudah diperoleh dari styrofoam bekas pakai/limbah. Styrofoam mengandung 90–95% polistirena, serta 5–10% gas n-butana dan n-pentana. Styrofoam merupakan limbah yang sangat sulit penanggulangannya dan tidak dapat diuraikan oleh alam (BPOM 2008). Elektrode lawan merupakan kaca ITO yang dilapisi karbon yang berfungsi sebagai katalis untuk mempercepat reaksi redoks dengan elektrolit (Damayanti et al. 2014). Di samping harganya murah dan ramah lingkungan, karbon juga 3 memiliki keunggulan sifat-sifat mekanik dan elektronik, yaitu pita energi 0.04 , hambatan 50 dan konduktivitas panas 3000 Wm-1K-1 (Morikawa et al. 2003), sehingga cocok untuk aplikasi sel surya. Penelitian ini bertujuan menghasilkan DSSC yang dapat mengkonversi energi surya menjadi listrik dan menentukan pengaruh penggunaan elektrolit cair, membran elektrolit polistirena dan membran elektrolit polistirena tersulfonasi dengan pewarna alami dari ekstrak kulit manggis terhadap nilai efisiensi sel surya. BAHAN DAN METODE Alat dan Bahan Alat yang dipakai di antaranya seperangkat alat kaca, pengaduk bermagnet, Spektrofotometer FTIR merk Shimadzu 21, UV-1700 UV-Vis Spektrofotometer Shimadzu, alumunium foil, sonikator, botol gelap, multimeter, potensiometer, Fotometer Radiometer PMA 2200, lempeng pemanas, penjepit klip, termometer, kaca untuk cetakan, kertas tisu, mortar, porselin, neraca analitik, lilin, korek api, kertas saring Whatman No 1, cotton bud, dan solatip. Bahan-bahan yang dipakai untuk penelitian ini meliputi kaca konduktif indium titanium oksida (ITO) 15–25 Solaronix, pensil 8B, serbuk titanium dioksida (TiO2) fase rutile (>35 nm), asam klorida (HCl) 32% pro analisis (p.a), natrium hidroksida (NaOH) padatan, kulit manggis, metanol teknis, asam asetat (HCl) glasial, heksana (C6H14) p.a, etil asetat (CH3COOC2H5) p.a, asam nitrat (HNO3) 65%, triton X-100, Styrofoam limbah, kloroform p.a, diklorometana p.a, kalium iodida (KI) padatan, iodine (I2) padatan, asam pekat (H2SO4) 65%, gas N2, etanol teknis, aseton p.a, dan akuades. Metode Preparasi Polistirena Tersulfonasi (Modifikasi Mulijani et al. 2014) Limbah polistirena dipanaskan pada suhu 100 selama 1–2 jam. Kemudian dilarutkan dalam 100 mL kloroform. Kemudian disulfonasi dengan asam sulfat pekat berasap atau fuming sulfuric acid sambil diaduk selama 1-3 jam. Kemudian didekantasi dan dikeringkan selama 24 jam pada suhu 25–100 . PSS dilarutkan kembali dengan diklorometana sambil diaduk. Kemudian membran PSS yang terbentuk diukur derajat sulfonasinya. Penentuan Derajat Sulfonasi (Apriliana 2012) Sebanyak 0.1 g PSS direndam dengan 10 mL NaOH 1 N selama 3 hari. Kemudian larutan dititrasi dengan HCl 1 N dengan indikator fenolftalein (pp). Titrasi dilakukan sampai terjadi perubahan warna dari merah muda hingga tak berwarna. Volume HCl yang terpakai pada titrasi NaOH tanpa sampel sebagai 4 volume awal, sedangkan volume HCl yang digunakan untuk titrasi NaOH dengan sampel sebagai volume akhir. Preparasi Larutan Pewarna (Maulina et al. 2014) Kulit buah manggis sebanyak 40 g dipotong halus, kemudian ditambahkan metanol, asam asetat, akuades dengan perbandingan volume 25 mL:4 mL:21 mL, direndam selama 3 hari. Larutan kemudian disaring dengan menggunakan kertas saring Whatman No 1. Hasil diekstraksi dengan 25 mL n-heksana p.a dengan corong pisah lalu dikocok selama 1 jam. Selanjutnya diambil lapisan bawah, dan dilanjutkan ekstraksi dengan etil asetat p.a sebanyak 25 mL dengan corong pisah lalu dikocok selama 1 jam. Hasil ekstraksi disimpan dalam botol gelap dan pada suhu 20 . Pencirian Pewarna dan Membran PSS Absorbsi dari pewarna dianalisis menggunakan spektrofotometer UV-Vis. Panjang gelombang yang digunakan, yaitu 400–800 nm. Spektra gugus fungsi dari zat warna antosianin dan membran PSS dianalisis dengan menggunakan spektrofotometer FTIR. Pembersihan dan Pengukuran Resistansi Kaca Konduktif Kaca ITO ukuran 2 1 cm2 dibersihkan dengan merendamnya dalam gelas piala 100 mL yang sudah berisi etanol. Gelas piala yang sudah berisi etanol dan kaca ditempatkan pada sonikator dan diatur waktunya selama 30 menit. Setelah itu, kaca dikeringkan. Sebelum digunakan, kaca dicari sisi konduktifnya dengan mengukur resistansi pada salah satu sisinya dengan menggunakan multimeter. Preparasi Elektrode Kerja Larutan TiO2 dibuat dari 1 g serbuk TiO2 yang telah diayak dimasukkan ke dalam gelas piala 100 mL. Kemudian, ditambah 10 mL asam nitrat pH 5, distirrer selama 30 menit, kemudian ditambahkan 5 tetes triton X-100 dan distirrer kembali selama 30 menit. Setelah homogen, pasta TiO2 segera dituang diatas sisi konduktif kaca ITO. Kaca ITO berlapis TiO2 tersebut dibiarkan beberapa saat agar mengering dan dipanaskan pada suhu +150 selama 30 menit untuk mengaktifasi TiO2. Setelah itu, kaca ITO berlapis TiO2 tersebut direndam dalam larutan pewarna ekstrak kulit buah manggis selama 2 jam. Pembuatan Elektrode Karbon (Elektrode Pembanding) Elektrode pembanding dibuat dari pelapisan sisi konduktif kaca ITO dengan lapisan karbon. Dicari terlebih dahulu sisi konduktif kaca ITO lalu bagian sisi tersebut digores-gores searah dengan menggunakan pensil 8B secara merata. Setelah itu, kaca tersebut dipanaskan di atas nyala api lilin untuk mendapatkan lapisan karbon. Lama pemanasan berlangsung hingga lapisan kaca berwarna hitam dan ketebalannya dapat dilihat secara merata. Preparasi Membran Elektrolit Larutan elektrolit iodide/triiodide dibuat dengan mencampur 0.8 g kalium iodida dengan 10 mL asetonitril kemudian diaduk hingga homogen. Kemudian, larutan tersebut ditambahkan 0.127 g iodine dan diaduk kembali hingga homogen. 5 Larutan elektrolit yang telah terbentuk dimasukkan ke dalam botol gelap tertutup. Bahan polimer yang digunakan untuk membuat membran elektrolit adalah polistirena tersulfonasi. Larutan elektrolit yang telah dibuat ditambahkan sebanyak 4 tetes ke dalam 2 g PSS yang dilarutkan dalam 8 mL diklorometana dan diaduk selama 30 menit. Pembuatan Sel Sandwich DSSC Elektrode kerja terlebih dahulu diolesi membran elektrolit kemudian ditempel dengan elektrode pembanding secara tidak sejajar melainkan berlawanan sehingga menyisakan dua sisi sekitar 0.7 cm untuk pengambilan data saat pengujian. Kemudian kedua elektrode yang sudah menempel tersebut dijepit dengan penjepit klip di tepi kanan-kiri. Pengujian DSSC Pengujian DSSC dilakukan dengan menyambungkan sel sandwich yang telah dibuat dengan rangkaian pengujian. Rangkaian dibuat sedemikian rupa hingga diproyeksikan sel dapat menghasilkan arus dan tegangan secara maksimum dan minimum. Rangkaian dibuat dengan menggunakan satu potensiometer atau resistor variabel masing-masing 50 yang dipasang secara seri. Pengujian DSSC dilakukan dengan menggunakan sumber cahaya matahari yang diukur intensitasnya menggunakan alat Fotometer Radiometer PMA 2200. Pengujian arus dan tegangan dilakukan ketika dihubungkan dengan rangkaian dan diberi variasi pembebanan mulai dari hambatan terkecil hingga terbesar untuk mengetahui pencirian DSSC sehingga dapat ditentukan faktor pengisian dan efisiensinya. Diagram alir penelitian ini dapat dilihat pada Lampiran 1. HASIL DAN PEMBAHASAN Ekstrak Kulit Manggis (Garcinia Mangostana L) Ekstrak kulit manggis mengandung antosianin yang digunakan sebagai pewarna dalam DSSC. Antosianin dapat digunakan sebagai pewarna dalam DSSC karena memiliki gugus kromofor terkonjugasi sehingga memungkinkan terjadinya transfer electron. gugus kromofor terkonjugasi yag terdapat di dalam antosianin menghasilkan panjang gelombang maksimum 522 nm dengan nilai absorbans sebesar 0.31 (Gambar 1). Nilai panjang gelombang maksimum yang diperoleh masih masuk dalam rentang panjang gelombang antosianin jenis sianidin (Gambar 2), yaitu 450–580 nm (Subodro & Sunaryo 2013). Selain itu, hasil interpretasi spektrum inframerah menunjukkan bahwa antosianin yang diekstrak merupakan antosianin jenis sianidin. Spektrum antosianin menunjukkan puncak serapan pada bilangan gelombang 3603.03 cm-1 untuk vibrasi regang O–H, 1055,06 cm-1 untuk vibrasi regangan C–O, 1708.93 cm-1 vibrasi regangan C=O, 1624.06 cm-1 untuk vibrasi regangan C=C aromatik, dan 719.45 cm-1 vibrasi tekuk C–H (Gambar 3). 6 Gambar 1 Serapan antosianin kulit manggis Gambar 2 Struktur sianidin Gambar 3 Spektrum FTIR antosianin Polistirena Tersulfonasi Reaksi sulfonasi merupakan suatu reaksi substitusi elektrofilik yang bertujuan mensubstitusi atom H pada cincin benzena oleh gugus sulfonat (–SO3H) melalui ikatan kimia pada atom karbonnya (McMurry 2008). Pereaksi sulfonasi selain asam sulfat berasap (oleum) dapat juga menggunakan asam sulfat pekat, 7 belerang trioksida, asam klorosulfonat, dan asetil sulfat (Yohan 2007). Penggunaan oleum relatif lebih menguntungkan dibandingkan dengan pereaksi sulfonasi lainnya karena pereaksi lebih sedikit dan waktu reaksi lebih cepat (Hendrana et al. 2007). Proses ini berlangsung heterogen karena dilakukan pada fase yang berbeda antara larutan polistirena dan gas SO3 dari oleum. Perbedaan fisik antara polistirena (PS) dan polistirena tersulfonasi (PSS) dapat dilihat dari warna membrannya. PS tidak berwarna dan PSS berwarna putih. Gugus -SO3H yang masuk pada cincin benzena dapat mengarah pada posisi orto- dan para-, tetapi adanya halangan sterik lebih mengarahkan pada posisi para- (Li et al. 2003). Menurut Solomons dan Craig (2011), mekanisme sulfonasi PS terjadi dalam empat tahapan reaksi. Tahap pertama kesetimbangan asam sulfat pekat berasap (H2SO4) membentuk gas sulfur trioksida (SO3), ion hidronium (H3O+), dan ion bisulfat (HSO4-). Pada penelitian ini, tahap pertama tidak terjadi karena proses sulfonasi dilakukan dengan penambahan gas SO3 sehingga reaksi yang terjadi dimulai pada tahap kedua. Tahap kedua berlangsung adisi elektrofilik SO3 ke cincin benzena secara lambat membentuk ion arenium sulfonat. Tahap ketiga, ion arenium sulfonat menstabilkan cincin benzena dengan melepas atom H yang akan diterima oleh ion bisulfat (HSO4-) sehingga terbentuk ion polistirena tersulfonasi. Tahap keempat ion polistirena tersulfonasi menarik proton dari H3O+ membentuk asam polistirena tersulfonasi (Gambar 4). Gambar 4 Reaksi sulfonasi pada polistirena 8 Polistirena dapat dikatakan tersulfonasi dengan adanya derajat sulfonasi (DS) melalui proses titrasi asam basa. DS merupakan rerata jumlah gugus sulfonat yang dihasilkan oleh polimer tersulfonasi. Derajat sulfonasi dapat dipengaruhi oleh gugus sulfonat, semakin tinggi nilai derajat sulfonasinya, semakin banyak gugus sulfonat yang terbentuk pada PS. Meningkatnya derajat sulfonasi akan meningkatkan sifat hidrofiliknya sehingga penyerapan air akan semakin banyak untuk transfer proton. Berdasarkan analisis yang diperoleh menunjukkan bahwa membran PS memiliki derajat sulfonasi sebesar 31.41% (Lampiran 2). Hal ini berarti sekitar 31% dari total rantai polistirena telah tersubstitusi oleh gugus sulfonat. PSS yang digunakan untuk aplikasi DSSC memiliki DS 30–60% karena jika melebihi nilai tersebut maka PSS akan menyerap air semakin banyak sehingga saat diaplikasikan dengan elektrolit tidak akan terbentuk elektrolit semipadat (Mulijani et al. 2014). Selain pengukuran DS, PS dapat dikatakan tersulfonasi dibuktikan dengan mengidentifikasi gugus fungsi sulfonat (-SO3H) pada PSS menggunakan FTIR. Spektrum PS (--) menunjukkan puncak serapan pada bilangan gelombang 2925– 2850 cm-1 untuk C-H (sp2), 1601–1452 cm-1 untuk C=C aromatik, 3082–3026 cm1 untuk C-H (sp3), 1943–1772 cm-1 untuk benzena. Adanya gugus sulfonat pada PSS dibuktikan dengan pita serapan baru pada bilangan gelombang 1200–1125 cm-1 untuk vibrasi regang S=O (Bozkurt 2005). Spektrum membran PSS (--) yang dihasilkan menunjukkan puncak serapan pada bilangan gelombang 1274 cm-1 untuk regang S=O asimetrik, 1122.57 cm-1 untuk regang O=S=O simetrik, dan 1028.06 cm-1 untuk vibrasi regang –SO3 simetrik. Daerah serapan untuk senyawa benzena disubtitusi posisi para- berada pada bilangan gelombang 2000–1667 cm-1 (Pavia et al. 2009) yang mengindikasikan adanya gugus sulfonat pada membran PSS. Serapan pada bilangan gelombang 1753 cm-1 mengindikasikan gugus sulfonat tersebut berikatan pada cincin aromatik benzena di posisi para- (Gambar 5). Gambar 5 Spektrum FTIR membran PS (--) dan PSS (--) 9 Substitusi pada posisi para- tersebut menyebabkan PSS dapat berikatan silang dengan sesamanya dan membentuk PSS dalam bentuk anhidrat. Hal ini berguna untuk proses penukaran proton dan membuat membran lebih higroskopis. Semakin banyak ikatan silang yang terbentuk akan meningkatkan jumlah gugus sulfonat pada membran Adanya gugus sulfonat menyebabkan polimer bersifat hidrofilik, sehingga kemampuan menyerap air menjadi lebih besar yang berfungsi sebagai media perpindahan proton yang dapat meningkatkan nilai konduktivitas proton. Kinerja DSSC Prinsip kerja DSSC (Gambar 6) adalah ketika foton dari cahaya matahari mengenai elektrode kerja pada DSSC, energi foton tersebut diserap oleh pewarna yang melekat pada permukaan partikel TiO2 sehingga elektron dari pewarna mendapatkan energi untuk dapat tereksitasi. Elektron yang tereksitasi dari molekul pewarna tersebut akan diinjeksikan ke pita konduksi TiO2 dan pewarna akan teroksidasi. Selanjutnya, elektron akan ditransfer melewati rangkaian luar dan ditangkap oleh polimer membran elektrolit dengan bantuan karbon sebagai katalis. Membran elektrolit menyediakan elektron pengganti untuk molekul pewarna teroksidasi sehingga pewarna kembali ke keadaan awal dan terbentuk siklus transport elektron yang berulang-ulang (Maulina et al.2014). Adanya transport elektron dalam sistem elektrokimia menimbulkan arus dan tegangan. Pengukuran arus dan tegangan menggunakan sumber cahaya matahari intensitas (IG) sebesar 65 W/m2. Pengukuran ini dilakukan dengan memvariasikan hambatan luar pada rangkaian ekivalen dan bertujuan mengetahui kinerja DSSC berbahan elektrolit cair, membran elektrolit polistirena, dan membran elektrolit polistirena tersulfonasi. Arus-tegangan diperoleh dengan menentukan arus rangkaian pendek (Isc), tegangan rangkaian buka (Voc), arus maksimum (Imax), tegangan maksimum (Vmax), faktor pengisian (FF), dan efisiensi (ƞ) (Maddu et al. 2007). Hasil perhitungan efisiensi pada DSSC berbahan membran elektrolit polistirena tersulfonasi dapat dilihat pada Lampiran 3. Arus rangkaian pendek (Isc) diukur pada saat hambatan luar dibuat bernilai nol sehingga arus yang mengalir bernilai maksimal sedangkan tegangan rangkaian buka (Voc) dapat diukur pada saat hambatan luar dibuat bernilai maksimal sehingga tidak ada arus listrik yang mengalir dan tegangannya bernilai maksimal. Arus maksimum (Imax) dan tegangan maksimum (Vmax) DSSC dapat dilihat dari luasan terbesar pada kurva karakteristik I-V (Agustini et al. 2013). 10 Gambar 6 Prinsip kerja DSSC Arus keluaran pada ketiga rangkaian DSSC masih sangat rendah baik rangkaian DSSC berbahan elektrolit cair (Gambar 7a), membran elektrolit polistirena, maupun polistirena tersulfonasi (Gambar 7b) yaitu dalam mikroAmpere. Kecilnya arus keluaran yang dihasilkan disebabkan oleh resistansi lapisan elektrode semikonduktor TiO2 dan polimer membran elektrolit yang sangat besar sehingga mengakibatkan elektron yang diinjeksi dari pewarna mengalami hambatan yang sangat besar di dalam lapisan TiO2 sehingga jumlah elektron yang mengalir ke rangkaian luar menjadi kecil, akibatnya arus yang dihasilkan kecil (Maddu et al. 2007). Namun, pada DSSC berbahan membran elektrolit polistirena tersulfonasi arus keluarannya lebih besar dibandingkan yang lain. Berdasarkan data tersebut, penambahan polistirena tersulfonasi menurunkan nilai resistansinya. a b Gambar 7 Kurva I-V berbahan elektrolit cair (a), berbahan membran elektrolit polistirena (--) dan membran elektrolit polistirena tersulfonasi (--) (b) 11 Nilai tegangan rangkaian buka (Voc) untuk rangkaian DSSC berbahan elektrolit cair, membran elektrolit polistirena, maupun polistirena tersulfonasi (Tabel 1) belum cukup signifikan untuk prototipe sel surya skala laboratoium jika dibandingkan dengan hasil penelitian terdahulu seperti Maddu et al. (2007) memperoleh nilai tegangan keluaran sebesar 500 mV. Hal ini dapat disebabkan oleh penggunaan TiO2 fase rutile (>35 nm) yang memiliki ukuran struktur lebih besar dibandingkan TiO2 fase anatase (<11 nm). TiO2 dengan struktur nanopori akan menaikkan kinerja sistem karena struktur nanopori mempunyai karakteristik luas permukaan yang tinggi sehingga akan menaikkan jumlah cahaya yang terabsorbsi (Ekasari dan Gatut 2013). Oleh karena itu, TiO2 fase rutile luas permukaannya lebih kecil dibandingkan TiO2 fase anatase sehingga menyebabkan ikatan bersama pewarna semakin kecil, luas permukaan penyerapan foton juga semakin kecil dan tegangan yang dihasilkan pun semakin kecil. Kemampuan perangkat sel surya dalam menyerap cahaya matahari diukur dari nilai faktor pengisian (FF). Semakin tinggi nilai FF suatu sel surya, maka kemampuan kerja perangkat sel surya tersebut semakin baik, dan akan memperoleh nilai efisiensi konversi energi yang semakin tinggi (Tabel 1) (Zahrok dan Prajitno 2015). Penggunaan membran elektrolit dapat mencegah proses penguapan serta arus dan tegangan yang dihasilkan lebih stabil dibandingkan penggunaan elektrolit cair. Hal ini dapat dilihat pada Lampiran 4 terjadi penurunan nilai arus yang signifikan pada penggunaan elektrolit cair. Selain itu, penambahan gugus sulfonat pada polistirena terbukti dapat meningkatkan konduktivitas protonnya terlihat dari perolehan efisiensi setelah penambahan gugus sulfonat lebih tinggi dibandingkan tanpa penambahan gugus sulfonat. Berdasarkan perolehan nilai efisiensi tersebut dapat disimpulkan polistirena tersulfonasi dapat menjadi membran elektrolit untuk DSSC Tabel 1 Data hasil pengujian kinerja DSSC Karakteristik Voc (mv) Isc ( µA) Vm (mv) Im ( µA) Faktor pengisian (%) Efisiensi (%) Elektrolit cair 2.30 0.82 1.30 0.60 41.36 8.00 x 10-5 Membran elektrolit polistirena 42.20 1.50 30.00 1.20 56.87 3.69 x 10-3 Membran elektrolit polistirena tersulfonasi 47.50 2.14 35.20 1.80 62.30 9.75 x 10-3 12 Nilai efisiensi dari rangkaian DSSC berbahan membran elektrolit polistirena tersulfonasi lebih rendah dari penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Maulina et al. (2014) menggunakan SSTP berbahan membran elektrolit polietilen glikol (PEG) dengan efisiensi 5.92 x 10-1%. Hal ini dapat disebabkan pada penelitian ini proses sulfonasi pada polistirena belum optimum. Selain itu, pendeposisian lapisan TiO2 pada substrat kaca ITO tidak menggunakan metode spin coating (meneteskan cairan pelapis yaitu TiO2 pada substrat kaca ITO dan diputar dengan beberapa variasi kecepatan) yang menghasilkan homogenitas larutan TiO2 terkalsinasi dengan baik pada substrat sehingga mampu menyerap pewarna dengan maksimal (Hikmah dan Prajitno 2015). SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Rangkaian dye-sensitized solar cell (DSSC) ekstrak kulit manggis dengan membran elektrolit polistirena tersulfonasi mampu mengkonversi energi surya menjadi listrik. Penggunaan elektrolit cair pada rangkaian DSSC menurunkan arus secara signifikan. Sebaliknya penggunaan membran elektrolit mampu memberikan kestabilan tegangan dan arus. Pembuatan membran elektrolit menggunakan polistirena tersulfonasi menghasilkan nilai efisiensi kinerja DSSC 9.75 x 10-3%, nilai tersebut lebih tinggi dibandingkan efisiensi kinerja DSSC menggunakan polistirena. Saran Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut pembuatan DSSC menggunakan bahan semikonduktor TiO2 fase anatase dan polistirena tersulfonasi yang telah mengalami peningkatan proses sulfonasi dengan nilai derajat sulfonasi mendekati 60%. Selain itu, pendeposisian lapisan TiO2 pada substrat kaca ITO sebaiknya menggunakan metode spin coating. DAFTAR PUSTAKA Agustini S, Risanti DD, Sawitri D. 2013. Pengujian dye sensitized solar cell (DSSC) berdasarkan fraksi volume TiO2 anatase-rutile dengan Garcinia Mangostana dan Rhoeo Spathacea sebagai dye fotosensitizer. Jurnal Teknik Pomits. 2(2):2337-3539. 13 Apriliana SD. 2012. Membran polistirena tersulfonasi untuk aplikasi pada microbial fuel cell [skripsi]. Bogor (ID): Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Bozkurt A. 2005. Anhydrous proton conductive polystyrene sulfonic acid membranes. Turk J Chem. 29(1):117-123. BPPOM. 2008. Kemasan Polistirena Foam (Styrofoam). Info POM. 9(5):67-68. Damayanti R, Hardeli, Sanjaya H. 2014. Preparasi dye sensitized solar cell (DSSC) menggunakan ekstrak antosianin ubi jalar ungu (Ipomoea Batatas L). Jurnal Sainstek. 4(2):148-157. Ekasari V, Gatut Y. 2013. Pengujian DSSC dengan dye ekstrak jahe merah (Zingiber Officinale Linn Var. Rubrum) variasi larutan TiO2 nanopartikel berfase anatase dengan teknik pelapisan spin coating. Jurnal Sains dan Seni Pomits. 2(1):2337-3520. Gratzel M. 2003. Dye Sensitized Solar Cells. J Photochem and Photobiol C. 4(1):143-145. Hendrana S, Pujiastuti S, Sudirman, Rahayu I. 2007. Pengaruh suhu dan tekanan proses pembuatan terhadap konduktivitas ionic membran PEMFC berbasis polistirena tersulfonasi. J Sains Materi Indonesia. 8(1):187-191. Hikmah I, Prajitno G. 2015. Pengaruh penggunaan gel-electrolyte pada prototype dye sensitized solar cell (DSSC) berbasis TiO2 nanopartikel dengan ekstrak murbei (Morus) sebagai dye sensitizer pada substrat kaca ITO. Jurnal Sains dan Seni ITS. 4(1):2337-3520. Jamal E, Widiastri M, Awaliyyah RF, ahyuningjati M, Maryana E. 2007. Pembuatan membrane fuel cell dari limbah plastic LDPE (low density polyEthylene) [laporan]. Bandung (ID): Institut Teknologi Bandung. Li L, Xu L, Wang Y. 2003. Novel proton conducting composite membranes for direct methanol fuel cell. Mat Lett. 57(1) :1406-1410. Maulina A, Hardeli, dan Bahrizal. 2014. Preparasi Dye Sensitized Solar Cell menggunakan Ekstrak Antosianin Kulit Buah Manggis (Garcinia Mangostana L). Jurnal Sainstek. 6(2):158-167. Maddu A, Zuhri M, Irmansyah. 2007. Penggunaan ekstrak antosianin kol merah sebagai fotosensitizer pada sel surya TiO2 nanokristal tersensitisasi dye. Makara Teknologi. 2(11):78-84. Mcmurry J. 2008. Organic Chemistry Edition 7th. Washington (US): Thomson Learning. Miettunen K, Janne H, Paula V, Tapio S, Minna T, Peter L. 2009. Dye solar cells on ITO-PET substrate with TiO2 recombination blocking layers. Journal of The Electrochemical Society. 156(8):876-883. Morikawa T, Ryoji A, Takasi O,Koyu A. 2003. Visible-light hotocatalystNitrogendoped Titanium Dioxide. R&D Review of Toyota CRDL. 40 (3):4549. Mulijani S, Ki Agus D, Armi W. 2014. Sulfonated polystyrene copolymer: synthesis, characterization and its apllication of membrane for direct methanol fuel cell (DMFC). International Journal of Material, Mechanics and Manufacturing. 2(1):36-40. Nadeak SMR, Susanti D. 2012. Variasi temperatur dan waktu tahan kalsinasi terhadap unjuk kerja semikonduktor TiO2 sebagai Dye Sensitized Solar Cell 14 (DSSC) dengan dye dari ekstrak buah naga merah. Jurnal Teknik ITS. 1(1):2301-9271. Nugrahawati D. 2012. Pengujian dye sensitized solar cell (DSSC) menggunakan mawar merah (Rosa Damascena Mill) sebagai pewarna alami [skripsi]. Surakarta (ID): Universitas Sebelas Maret. O` Regan, Gratzel M. 1991. A Low Cost, High Efficiency Solar Cell Based on Dye-Sensitized Colloida TiO2. Folms Nature. 35(3):737-739. Pancaningtyas L, Akhlus S. 2010. Peranan Elektrolit pada Performa Sel Surya Pewarna Tersensitisasi. Surabaya (ID) : ITS Press. Pavia DL, Gary ML, George SK, James RV. 2009. Introduction to Spectroscopy Fifth Edition. Washington (US): Cengage Learning. Septina, Wilman. 2007. Pembuatan Prototipe Solar Cell Murah dengan Bahan Organik-Inorganik (Dye Sensitized Solar Cell). Laporan Akhir Penelitian Bidang Energi, Penghargaan PT. Rekayasa Industri. Jakarta (ID): tidak diterbitkan. Subodoro R, Sunaryo. 2013. Ekstraksi pewarna bahan antosianin kulit terong ungu sebagai pewarna alami pada sel surya dye sensitized solar cell (DSSC). Politeknosains. 11(2):74-83. Smitha B, S. Sridhar, AA Khan. 2003. Synthesis and characterization of proton conducting polymer membranes for fuel cells. J. Membr. Sci. 225(1):63-76. Trogadas P and Ramani V. 2009. Chapter 11: Membrane and MEA development in polymer electrolyte fuel cells. J Polymer Membranes for Fuel Cells. 14(2):253-279. Wongcharee K, Meeyoo V, Chavadej S. 2007. Dye-sensitized solar cell using natural dyes extracted from rosella and blue pea flowers. J Solmat. 91(1):566-571. Yohan. 2007. Sulfonasi film cPTFE tercangkok stirena untuk membrane penghantar proton sel bahan bakar. Makara Teknol. 11(1):36-42. Zahroh F. 2013. Pengaruh Pembebanan pada Prototipe Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) berbasis TiO2 Orde Nano Menggunakan Kulit Manggis sebagai Dye Sensitizer [skripsi]. Surabaya (ID): Institut Teknologi Sepuluh November. Zahrok ZL, Prajitno G. 2015. Ekstrak buah murbei (Morus) sebagai sensitizer alami dye-sensitized solar cell (DSSC) menggunakan substrat kaca ITO dengan teknik pelapisan spin coating. Jurnal Sins dan Seni ITS. 1(4). 15 LAMPIRAN Lampiran 1 Diagram alir penelitian Sulfonasi Polistirena Preparasi Pasta TiO2 Polistirena Pencirian FTIR Komposit Polistirena Tersulfonasi/TiO2 Preparasi Elektrode Kerja (TiO2 dilapiskan pada ITO) Preparasi Larutan Pewarna Penentuan Absorbans Pewarna Perendaman Pewarna pada Elektrode Kerja Preparasi Elektrode Lawan Penambahan Membran Elektrolit Elektrode Lawan Pencirian FTIR Penambahan Membran Elektrolit Pengujian SSTP 16 Lampiran 2 Penentuan derajat sulfonasi Volume HCl Bobot Sampel membran Blangko Sampel (g) (mL) (mL) 10.00 9.55 1 0.1133 10.00 9.60 2 0.1009 10.00 9.55 3 0.1037 Contoh perhitungan (sampel 1): Vawal = VHCl blangko = 10.00 mL Vakhir = VHCl sampel = 9.55 mL NHCl = 0.9588 N BE SO3= 80.06 g/ek DS = = ( ) ( Derajat sulfonasi (%) 30.49 30.43 33.31 x 100% ) x 100% DS = 30.49 % Lampiran 3 Perhitungan pengujian kinerja DSSC berbahan membran elektrolit polistirena tersulfonasi Faktor pengisian (FF) = x 100 % = 62.33 % Luas permukaan (A) = p x l = 0.005 m x 0.002 m = 1.0 x 10-5 m2 Efisiensi (Ƞ) = = 9.7475 x 10-3 % 17 Lampiran 4 Hasil pengukuran tegangan dan arus DSSC Sampel Elektrolit cair Membran elektrolit polistirena Membran elektrolit polistirena tersulfonasi Tegangan (mv) 0.1 0.5 1.3 1.8 2.3 0.1 8.2 18 23.5 30 34.7 37 42.2 0.1 7.2 13.9 24.8 35.2 40.6 45.3 47.5 Arus (µA) 0.82 0.7 0.6 0.4 0.1 1.5 1.48 1.42 1.35 1.2 0.84 0.6 0.1 2.14 2.12 2.1 2 1.8 1.3 0.6 0.1 18 RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Pangkalan Berandan pada tanggal 1 Oktober 1993 dari ayah Pri Budi Mas dan ibu Reno Verina. Penulis adalah putri pertama dari tiga bersaudara. Penulis lulus dari SMA Negeri 1 Cirebon tahun 2011. Pada tahun 2012 penulis masuk Prog Studi Kimia, Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Selama mengikuti perkuliahan, penulis menjadi asisten praktikum Kimia TPB pada tahun ajaran 2014/2015 dan 2015/2016, asisten praktikum Sensor Kimia pada tahun ajaran 2014/2015, asisten prakikum Kimia Dasar II TPB pada ajaran tahun 2015/2016, dan asisten praktikum Kimia Fisik pada tahun ajaran 2015/2016. Bulan Juli-Agustus 2015 penulis melaksanakan Praktik Lapangan di Laboratorium Petroleum Engineering PT Pertamina EP Asset 3 Field Jatibarang dengan judul Kinerja Scale Inhibitor dalam Mengatasi Pembentukan Kerak. Pada tahun kedua penulis aktif sebagai pengurus Ikatan Mahasiswa Kimia (Imasika) .