APLIKASI POLYTHIOPHENE

By : Baiq Octaviana Dwi A.

Synthesis of Polythiophene Thin Films by Simple Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction (SILAR) Method for Supercapasitor Application

B.H Patil, A.D. Jagadele, C.D. Lokhande., 2012, Synthetic Metal, 162: 1400-1405

A. Pendahuluan

Penelitian berkaitan dengan kapasitor elektrokimia yang disebut juga dengan superkapasitor atau ultrakapasitor terus berkembang pesat karena potensinya sebagai alat penyimpan energy (power storage devices). Berdasarkan mekanisme penyimpanan muatan, superkapasitor diklasifikasikan menjadi dua yaitu electrical double layer capacitor (EDLC) dan redox supercapacitor. Material yang termasuk jenis redox supercapacitor adalah oksida logam dan polimer konduktor. Berdasarkan penelitian berkaitan dengan polimer konduktor, polythiophene banyak digunakan sebagai bahan dasar pembuatan thin film karena stabilitas yang baik pada lingkungan dan merupakan polimer konduktor organik yang baik.

B. Metode

     Sintesis polythiphene sebagai thin film dilakukan dengan cara polimerisasi oksidatif oleh polythiophene thin film pada substrat stainless steel dan glass dilakukan dengan menggunakan metode SILAR pada temperatur ruang (300 K). Thiophene sebanyak 0.3 M dilarutkan dengan asetonitril (pH 1) dan diletakkan dalam beaker I sebagai kationik prekusor. Pada beaker II diletakkan FeCl₃ 0.05 M yang telah dilarutkan dengan air suling sebagai anionik prekusor.  Substrat dicelupkan pada beaker I selama 20 detik kemudian dicelupkan kembali pada beaker II selama 10 detik. Dilakukan pengulangan hingga mencapai ketebalan yang diinginkan untuk terbentuknya polythiophene thin film (Gambar 1). Karakterisasi dilakukan dengan menggunakan X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared (FTIR), Spectroscopy and scanning electron microscopy (SEM). Pengukuran resistivitas elektrik dan performa superkapasitor dari polythiphene thin film dilakukan dengan menggunakan teknik cyclic voltammetry (CV) dan calvanostatic charge-discharge.

Gambar 1. Skema metode SILAR

C. Hasil dan Pembahasan

1.      Pembentukan polythiophene thin film

Reaksi polimerisasi dari senyawa tiophene membentuk polythiophene berlangsung melalui beberapa tahap. Tahap pertama, ketika substrat dicelupkan kedalam larutan thiophene terjadi adsorbsi antara monomer thiophene dengan substrat. Monomer tersebut bereaksi dengan FeCl₃ yang bertindak sebagai agen pengoksidasi untuk membentuk radikal kationik. Penggabungan dua senyawa radikal akan membentuk senyawa dikation dihidrodimerik, melalui deprotonasi senyawa tersebut akan menghasilkan dimer dari senyawa thiophene. Thiophene dalam bentuk dimernya lebih mudah dioksidasi daripada dalam bentuk monomernya, membentuk radikal kationik oleh adanya Fe³⁺ melalui reaksi penggabungan antar monomer atau kationik radikal oligomerik. Mekanisme reaksi polimerisasi thiophene sebagai berikut :

1.      Pendekatan Stuktural

Berdasarkan hasil karakterisasi menggunakan XRD terindikasi adanya reaksi intermolecular π-π yang menyebabkan terjadinya penumpukan puncak dan struktur yang tidak beraturan dengan munculnya puncak substrat stainless steel (Gambar 2). 

Gambar 2. Spektrum XRD polythiophene thin film

1.      Karakterisasi FTIR dan SEM

Karakterisasi menggunakan FTIR terindikasi munculnya puncak OH-stretch dan CH alifatik di daerah 3399.46 cm^-1 dan 2930.07 cm^-1 serta ikatan C-S dengan cincin C-S-C pada daerah 490 cm^-1 (Gambar 3a). Struktur morfologi dari polythiophene thin film (Gambar 3b) menunjukkan adanya keseragaman permukaan antara interkoneksi dari butiran nano polythiophene dengan distribusi substrat. 

Gambar 3 (a) Spektra FTIR polythiophene thin film. (b) Struktur morfologi polythiophene thin film berdasarkan SEM.

1.      Pendekatan Optik

Variasi absorbansi optis (αt) dengan panjang gelombang foton (λ) dari polythiophene thin film (Gambar 4) menunjukkan ketebalan elektroda tersebut sebesar 0.48  µm. Puncak absorpsi pada daerah panjang gelombang 346 nm dipengaruhi oleh transisi π-π* dari struktur cincin thiophene. Band gap, Eg, sebesar 2.90 eV dihitung dengan membuat garis linier pada kurva pada saat absorpsi bernilai (α= 0).

Gambar 4.  Variasi absorbansi optis (αt) dengan panjang gelombang foton (λ) dari polythiophene thin film pada substrat glass

1.      Pengukuran resistivitas elektrik

Resistivitas elektrik yang dihasilkan dari polythiphene thin film yaitu 484 Ω-cm dengan koefisien suhu hambatan listrik yang bernilai negatif menunjukkan kemampuan senyawa tersebut baik untuk menghantarkan arus listrik (Gambar 5). 

Gambar 5. Variasi resistivitas elektrik (log ρ) dengan temperature (1000/T) dari polythiophene thin film.

1.      Pengukuran siklus stabilitas

Pengukuran siklus stabilitas dari polythiophene thin film yang dilakukan dengan menggunakan teknik cyclic voltammetry pada laju scan 50 mVs-1 untuk masing-masing siklus yaitu 3, 500, dan 1000 menunjukkan kapasitansi spesifik berkurang dengan semakin kecilnya jumlah siklus (Gambar 5). Stabilitas siklus polythiophene thin film yang dihasilkan sebesar 85%  menunjukkan bahwa senyawa tersebut memiliki performa kestabilan yang baik dalam aplikasinya sebagai superkapasitor.

Gambar 6. Cyclic Voltamogram elektroda polythiophene pada putaran 3^rd, 500^th, 1000^th dengan laju 50 mVs-1

D. Kesimpulan

Sintesis polythiophene thin film pada proses polimerisasi menggunakan metode SILAR memberikan hasil yang baik dengan penggunaan substrat glass daripada substrat stainless steel. Karakterisasi sifat fisika-kimia dengan XRD, FTIR, SEM, teknik optik dan elektrik memberikan hasil optikal band gap 2.90 eV dan p-type resistivitas yang rendah dari polythiophene thin film. Pengukuran secara elektrokimia menunjukkan kemampuan superkapasitif polythiophene thin film dengan kapasitansi spesifik sebesar 252 Fg-1.