PENDAHULUAN Latar Belakang Amonia adalah

PENDAHULUAN
Latar Belakang
Amonia adalah senyawa kimia dengan
rumus NH3. Amonia termasuk gas alkalin
yang tidak berwarna, lebih ringan dari udara,
dan punya aroma khas yang tajam. Amonia
saat ini dijadikan sebagai bahan baku pupuk,
abu soda, asam nitrat, nilon, plastik, pencelup,
karet dan bahan peledak.
Amonia memiliki sumbangan penting bagi
keberadaan nutrisi di bumi, amonia sendiri
adalah senyawa kaustik dan dapat merusak
kesehatan. Administrasi Keselamatan dan
Kesehatan Pekerjaan Amerika Serikat
memberikan batas 15 menit bagi kontak
dengan amonia dalam gas berkonsentrasi 35
ppm, atau 8 jam untuk 25 ppm. Kontak
dengan gas amonia berkonsentrasi tinggi
dapat menyebabkan kerusakan paru-paru dan
bahkan kematian [1]. Sekalipun amonia di AS
diatur sebagai gas tak mudah terbakar, amonia
masih digolongkan sebagai bahan beracun jika
terhirup, dan pengangkutan amonia berjumlah
lebih besar dari 3.500 galon (13,248 L) harus
disertai surat izin [2].
Oleh karena itu, dibutuhkan sebuah piranti
yang dapat mendeteksi gas amonia agar
terhindar dari bahaya gas tersebut. Salah satu
bentuk dari piranti tersebut ialah berupa
sensor. Sensor gas amonia bermacam-macam,
salah satunya ialah menggunakan material
polimer konduktif seperti polianilin.
Polianilin (PANI) merupakan salah satu
bahan polimer yang sering diteliti karena
mudah disintesis dan mudah dalam proses
doping [3]. Polianilin memiliki sifat yang
sangat unik yaitu dapat mengalami perubahan
sifat optik dan listrik yang dapat balik
(reversible) melalui reaksi redoks dan dopingdedoping atau protonasi-deprotonasi [4].
Polianilin bisa dianggap sebagai sebuah
polimer konduktif di bawah kondisi tertentu,
seperti pada saat dikenai cahaya UV, panas
atau penambahan dopant yang cocok pada
polimer [5]. Piranti berbasis polimer
konduktif menunjukkan potensi untuk aplikasi
seperti sebagai sensor untuk mendeteksi uap
bermacam-macam gas [6], sebagai baterai
sekunder [7] dan LED [8].
Proses polimerisasi anilin dapat dilakukan
dengan beberapa cara, diantaranya yaitu
polimerisasi dengan metode kimia biasa dan
polimerisasi dengan cara elektrokimia [9].
Dalam penelitian ini digunakan polimerisasi
dengan cara kimia biasa dengan penambahan
dopant HCl. Diharapkan dengan adanya
polianilin yang bersifat konduktif dapat
mendeteksi uap gas amonia.
Tujuan Penelitian
Membuat lapisan polianilin sebagai sensor
gas amonia dan menguji sensitivitas serta
responsivitas lapisan polianilin tersebut.
Hipotesa
Semakin besar konsentrasi gas uji amonia
(NH3) maka resistansi lapisan tipis polianilin
(PANI) semakin rendah.
Manfaat Penelitian
Memberikan informasi tentang respon
bahan Polianilin (PANI) terhadap gas amonia
(NH3).
TINJAUAN PUSTAKA
A. Material Polianilin (PANI)
Secara umum material polianilin terdiri
atas molekul-molekul berbentuk cincin
benzenoid dan quinoid yang dihubungkan satu
sama lain oleh atom nitrogen melalui ikatan
amin dan imin. Rumus bangun polianilin [10]
diperlihatkan pada Gambar 1.
Polimer ini juga dapat dituliskan sebagai
[(-B-NH-B-NH-)x(-B-N=Q=N-)1-x]n, dengan B
menunjukkan (C6H5NH2) dan Q adalah
(C6H5N). Gugus satuan polimer ini terdiri atas
gugus tereduksi (-B-NH-B-NH-) yaitu di
bagian kiri Gambar 1, dan gugus teroksidasi
(-B-N=Q=N-) di sebelah kanannya. Besaran x
dengan nilai 0 < x < 1 adalah faktor reduksi
[10] yang menunjukkan fraksi gugus quinoid
dalam polimer.
Jika x = 1, semua gugus berada dalam
keadaan tereduksi, sehingga polianilin
mempunyai rumus molekul (-B-NH-B-NH-BNH-B-NH-)n yang disebut leucoemeraldine
dan berwarna kuning transparan. Untuk x = 0,
gugus polimer dalam keadaan teroksidasi,
menghasilkan rumus molekul (-B-N=Q=N-BN=Q=N-)n, disebut pernigraniline dan
menunjukkan warna biru. Apabila x = 0.5,
gugus berada dalam setengah tingkat
teroksidasi yang menghasilkan polimer
dengan struktur molekul [(-B-NH-B-NH-)-(B-N=Q=N-)]n yang disebut emeraldine base
dan menampakkan warna hijau [11].
a
b
Gambar 1 Rumus bangun polianilin,
(a) Gugus PANI yang tereduksi
(b) Gugus PANI yang teroksidasi.
Gambar 2 Reaksi protonasi (PANI-EB
berubah
menjadi
PANI-ES
melalui reaksi oksidasi dengan
HCl) dan deprotonasi (PANI-ES
dikembalikan menjadi PANI-EB
melalui reaksi reduksi dengan
NH4OH) polianilin [12].
Polianilin (PANI) berdasarkan sifat
listriknya dibagi menjadi dua yaitu polianilin
konduktif dan polianilin isolatif. Berdasarkan
tingkat oksidasinya, polianilin dapat disintesis
dalam beberapa bentuk isolatifnya yaitu
leucomeraldine base (LB) yang tereduksi
penuh, emeraldine base (EB) yang teroksidasi
setengah, nigraline base (NB) yang 75%
teroksidasi dan pernigranilin base (PB) yang
teroksidasi penuh [13].
Dari empat bentuk ini, EB yang paling
stabil dan juga paling luas diteliti karena
konduktivitasnya dapat diatur dari 10-10 S/cm
hingga 100 S/cm melalui proses doping,
sedangkan bentuk LB dan PB tidak dapat
dibuat konduktif. Bentuk EB dapat dibuat
konduktif dengan proses doping asam
protonik seperti HCl, dimana proton-proton
ditambahkan ke situs-situs –N=, sementara
jumlah elektron pada rantai tetap. Bentuk
konduktif dari EB disebut emeraldine salt
(ES). Perubahan bentuk dasar EB menjadi ES
melalui reaksi oksidasi dengan asam-asam
protonik seperti HCl, sebaliknya bentuk ES
dapat dikembalikan menjadi bentuk EB
melalui reaksi reduksi dengan agen reduktan
seperti NH4OH. Kedua proses ini disebut juga
proses protonasi-deprotonasi atau dopingdedoping. Kedua bentuk emeraldine memiliki
sifat listrik yang berkebalikan dimana EB
merupakan bentuk isolatif dan ES merupakan
bentuk konduktif. Derajat konduktivitas
emeraldine
ini
bergantung
pada
tingkat/konsentrasi dopant yang diberikan,
yaitu jumlah proton (H+) yang dimasukkan ke
dalam struktur emeraldine [4].
Polianilin
bisa
disintesis
dengan
menggunakan metode kimia dan elektrokimia.
Sintesis lain dengan kebalikan polimerisasi
emulsi, polimerisasi plasma dan polimerisasi
autokatalis [14]. Sintesis kimia bisa dilakukan
dengan menggunakan monomer anilin, asam
dan oksidan. Asam yang biasa digunakan
adalah asam klorida (HCl) dan asam sulfat
(H2SO4). Sebagai oksidan biasa digunakan
ammonium peroksodisulfat ((NH4)2S2O8),
potassium dichromate (K2Cr2O7), cerium
sulfate (Ce(SO4)2), sodium vanadate (NaVO3),
potassium
ferricyanide
(K3(Fe(CN)6),
potassium iodate (KIO3) dan hydrogen
peroxide (H2O2) [14].
Secara umum emeraldine berwarna hijau
yang
konduktivitasnya
dalam
tingkat
semikonduktor pada orde 100 S/cm, ordenya
melebihi polimer secara umum (<10-9 S/cm)
tetapi lebih rendah dari jenis logam (>104
S/cm).
PANI
terprotonasi,
(seperti
hidroklorid) ES yang berwarna hijau berubah
menjadi EB nonkonduktif yang berwarna biru
ketika diuji dengan ammonium hidroksida
[15].
Tabel 1 Perbedaan Bentuk PANI [14].
Nama Lengkap
Leucomeraldine
Base
Emeraldine
Base
Nigraline Base
Pernigraline
Base
Emeraldine Salt
(1-y)
0
0.5
0.75
1
0.5
Kondisi
Redoks
Terreduksi
penuh
Teroksidasi
setengah
75%
teroksidasi
Teroksidasi
penuh
Terreduksiteroksidasi
setengah
Konduktivitas
-1
(S.cm )
Warna
Yellow or
transparen
<10
-5
<10
-5
Deep Blue
<10
-5
Blue Purple
<10
-5
Purple
~15
Green
Jika pada polianilin diberi doping HCl
yang akan menyebabkan protonasi sehingga
menghasilkan pembawa muatan polaron maka
jumlah pembawa muatan akan meningkat
karena sumbangan pembawa muatan dari
dopant, dengan demikian arus yang mengalir
akan meningkat pula [16].
B. Gas Amonia (NH3)
Sintesis amonia langsung dari hidrogen
dan nitrogen yang untuk skala komersial
pertama kali dirintis oleh Haber & Bosch
tahun 1913 yaitu dengan kapasitas 30 metrik
ton perhari di pabrik Badische Anilin und
Soda Fabrik (BASF) di Ludwigshafen-Oppau
Jerman. Proses tersebut menggunakan
peralatan dengan kondisi operasi tekanan dan
temperatur tinggi dengan katalis besi
berpromotor yang sampai sekarang masih
digunakan
sebagai
katalis
sintesis
amonia. Antara tahun 1930-1950, penekanan
pembuatan amonia ada pada bidang
pembangkitan gas sintesis. Cadangan batubara
di Eropa jadi bahan utama bagi pembuatan
amonia saat itu. Industri pembuatan amonia di
Amerika Utara juga bergantung sepenuhnya
terhadap cadangan gas alam. Tahun 1963
merupakan tahun dimana teknologi terbesar
dalam pembuatan amonia digunakan. Pabrik
Monsanto oleh The MW Kellog Company
menandai
digunakannya
kompresor
sentrifugal yang terintegrasi penuh dengan
sistem utilitas. Inovasi ini adalah batu
loncatan ke arah pembangunan pabrik-pabrik
amonia
terintegrasi
berskala
besar
(berkapasitas 907 – 1500 ton per hari) yang
dibangun pada tahun 1970.
Amonia yang digunakan secara komersial
dinamakan amonia anhidrat. Istilah ini
menunjukkan tidak adanya air pada bahan
tersebut. Karena amonia mendidih di suhu -33
°C, cairan amonia harus disimpan dalam
tekanan tinggi atau temperatur amat rendah.
Walaupun begitu, kalor penguapannya amat
tinggi sehingga dapat ditangani dengan tabung
reaksi biasa di dalam sungkup asap. "Amonia
rumah" atau amonium hidroksida adalah
larutan NH3 dalam air. Konsentrasi larutan
tersebut diukur dalam satuan baumé. Produk
larutan komersial amonia berkonsentrasi
tinggi biasanya memiliki konsentrasi 26
derajat baumé (sekitar 30 persen berat amonia
pada 15.5 °C). Amonia yang berada di rumah
biasanya memiliki konsentrasi 5 hingga 10
persen berat amonia [17].
Gambar 3 Struktur NH3.
C. Sensor Gas Amonia (NH3)
Sensor adalah suatu piranti yang
mengubah besaran (isyarat/energi) fisik
menjadi besaran fisik lain, dalam hal ini
pengubahan ke dalam bentuk besaran elektrik.
Sensor gas amonia dapat digunakan dalam
bermacam-macam aplikasi seperti teknologi
pangan, tanaman-tanaman, diagnosa medis
dan untuk perlindungan terhadap kesehatan
lingkungan. Sensor gas amonia bermacammacam, diantaranya sensor gas amonia
dengan menggunakan bahan tembaga
phtalocyanine
(CuPc)
dengan
teknik
pengendapan LB (Langmuir-Blodgett) di atas
mikroelektrode sehingga berbentuk suatu
piranti sensor: jika permukaan endapan film
dari piranti sensor ini dikenai gas amoniak
maka akan terjadi perubahan kekonduksian
listrik terhadap perubahan waktu pengamatan
[18], sensor gas amonia jenis AF, sensor gas
amonia dengan menggunakan endapan MoO3:
jika permukaan endapan film dari piranti
sensor ini dikenai gas amonia maka akan
terjadi perubahan karakteristik kristal dari
MoO3 tersebut. Dalam penelitian ini sensor
gas amonia yang digunakan ialah berbasis
polianilin. Sensor gas sebagian besar bekerja
dengan semakin tinggi konsentrasi gas maka
resistansinya semakin rendah.
D. Sensor Gas Amonia berbasis Polianilin
Sistem sensor polianilin termasuk dalam
bagian sensor semikonduktor, dimana
resistansi semikonduktor dipengaruhi oleh
adanya gas seperti NH3. Dari keempat bentuk
isolatif polianilin yaitu leucomeraldine base
(LB), emeraldine base (EB), nigranilin base
(NB) dan pernigranilin base (PB), yang dapat
dibuat menjadi konduktif ialah hanya bentuk
EB saja. Bentuk EB dapat dibuat konduktif
dengan proses doping asam protonik seperti
HCl. Bentuk EB yang konduktif ini yang akan
digunakan sebagai material sensor yang akan
dideposisikan pada substrat PCB. Sehingga
ketika permukaan pasta polianilin dari piranti
sensor ini dikenai gas amonia maka akan
terjadi perubahan resistansi yaitu semakin
tinggi konsentrasi gas amonia yang mengenai
pasta polianilin tersebut maka resistansinya
akan semakin rendah. Pada sebuah sensor
terdapat
beberapa
parameter
seperti
sensitivitas, range, resolusi, linieritas, dan
response time. Sensitivitas dapat didefinisikan
sebagai
perbandingan perubahan output
sensor terhadap perubahan input, range ialah
nilai maksimum dan minimum dari parameter
yang digunakan yang dapat diukur, resolusi
ialah kemampuan mendeteksi perubahan
kenaikan terkecil dari parameter input yang
dapat dideteksi pada signal output, linieritas
ialah perubahan input yang menyebabkan
perubahan output secara proporsional (linier),
dan response time: sebuah sensor tidak
mengalami perubahan keadaan output dengan
segera ketika sebuah perubahan parameter
input terjadi.
BAHAN DAN METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian dilaksanakan pada bulan
Februari 2009 hingga Juli 2009 bertempat di
laboratorium Fisika Material, Departemen
Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam Institut Pertanan Bogor.
Alat dan Bahan
Alat yang digunakan dalam penelitian ini
adalah sensor tegangan, sensor tekanan,
tabung reaksi, multimeter, baterai 9 volt,
syringe dan kamar gas. Bahan-bahan yang
digunakan dalam penelitian adalah micro