Categories
Nanoteknologi & Material Riset & Inovasi

Riset Fotokatalis untuk Produk Keramik Hias Penjernih Udara

Tangerang Selatan – Humas BRIN. Keramik merupakan produk yang terbuat dari tanah liat melalui proses pembentukan dan pembakaran. Indonesia merupakan salah satu negara pengekspor keramik ke berbagai negara di dunia. Keramik menjadi salah satu prioritas nasional untuk terus dikembangkan dalam memenuhi kebutuhan pasar domestik dan luar negeri.

Adanya pandemi covid-19, pelaku ekonomi sektor usaha kecil, dan menengah (UKM) turut terimbas. Sejumlah UKM yang jumlahnya sangat besar di Indonesia mengalami penurunan omset. Oleh karena itu, di saat virus covid ini mulai mereda, UMKM diharapkan mampu bangkit untuk meningkatkan perekonomian dalam negeri.

Sejalan dengan isu tersebut, Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN) melalui Organisasi Riset Nanoteknologi dan Material (ORNM), mengangkat tema produk UMKM keramik hias. Tema tersebut diulas pada webinar ORNAMAT seri tiga belas, pada Selasa (4/10). Narasumbernya yakni Putu Angga Kristyawan dari Kelompok Riset Keramik Fungsional Kreatif (KRKFK) – Pusat Riset Material Maju.

Kepala ORNM, Ratno Nuryadi menyampaikan bahwa terkait produk UMKM, keramik hias Indonesia merupakan salah satu produk ekspor yang masih diminati. “Walaupun kemarin, pada saat terjadi pandemik Covid-19 ada hantaman. Saat ini usaha mikro kecil menengah (UMKM) keramik khususnya di Bali sudah mulai bangkit lagi,” terang Ratno.

“Untuk mendukung kebangkitan ekonomi ini, maka perlu dilakukan diversifikasi produk keramik salah satunya dengan mengaplikasikan fotokatalis pada produk keramik,” imbuhnya.

Kepala ORNM berharap dua materi ini bisa menambah wawasan dan pengetahuan yang lebih luas kepada para audiens. “Semoga bapak-ibu bisa mengeksplorasi peluang-peluang diskusi yang lebih mendalam dan peluang kolaborasi antara periset, praktisi, akademisi, dan industri,” harapnya.

Dalam kesempatan tersebut, I Putu Angga Kristyawan menjelaskan penelitiannya yang berjudul ‘Pemanfaatan Fotokatalis pada Produk Keramik Hias Kreatif’. “Keramik hias merupakan suatu keramik yang dapat dijadikan pajangan atau pemberikan kesan indah di suatu ruangan,” ungkapnya.

Menurut Angga, sebelum bergabung ke BRIN, tempat risetnya telah lama mengembangkan produk-produk keramik di Bali. “Produk yang dihasilkan antara lain pajangan dan barong untuk suvenir kenegaraan yang memiliki keunikan dari daerah Bali. Selain itu ada produk-produk di masyarakat yang siap untuk dikembangkan,” tuturnya.

Dijelaskan olehnya bahwa peran kelompok risetnya adalah untuk pengembangan bahan, desain, dan proses pembuatan keramik. “Tujuannya adalah untuk membantu UKM yang ada di Indonesia, termasuk UKM keramik di Bali,” jelas Angga.

Pada saat covid-19, lanjutnya, tidak hanya merupakan masalah kesehatan, tetapi juga masalah ekonomi. “Di tengah keterbatasan, kami melakukan kerja sama dengan UKM-UKM di Bali untuk beberapa produk. Seperti tableware (perlengkapan makan) sudah bisa diekspor ke negara Eropa seperti Italia dan Prancis serta Italia,” ucapnya.

Berdasarkan keperluan kerja saat ini yang sebagian masih dilakukan di rumah atau work from home (WFH), Angga beserta tim risetnya berupaya mengembangkan produk yang sesuai untuk kesehatan.

“Penyakit dapat disebabkan oleh bakteri, virus, atau polutan yang berada di sekitar kita, ada dalam udara yang kita hirup sehari-hari, karena ukurannya yang sangat kecil,” paparnya.

“Oleh karena itu, kami mengembangkan produk untuk menjernihkan udara di dalam ruangan. Dari yang kami pelajari, teknologi yang dapat digunakan untuk keramik adalah fotokatalis,” lanjutnya.

Angga dan kelompok risetnya melakukan pemanfaatan keramik pada alat penjernih udara, dengan optimalisasi desain dan material untuk laju degradasi fotokatalisis polutan udara yang tercepat. Sumber cahaya fotokatalis yang digunakan adalah sinar UV dan sinar matahari.

“Formulasi fotokatalis dengan komposisi TiO2, karbon aktif, dan TEOS (tetraethyl orthosilicate), kemudian dimasukkan ke dalam suatu produk keramik hias yang berfungsi sebagai reaktor fotokatalisis,” lanjut Angga.

Hasil yang diperoleh, polutan dapat diturunkan hingga lebih dari 90% menggunakan produk keramik hias ini. “Ke depannya, diharapkan produk ini dapat dikembangkan, baik dari segi material fotokatalis yang digunakan maupun desain produk. Sehingga dapat diperoleh produk yang optimum dari segi teknis dan ekonominya,” ucapnya.

Angga berharap akan ada pihak lain yang tertarik untuk berkolaborasi terkait riset keramik. “Jika ada Bapak Ibu yang tertarik pada keramik, tidak terbatas pada keramik hias atau fotokatalis, bisa mengontak saya untuk pengembangan produk,” ujarnya. (adl, hrd)

Sumber : https://www.brin.go.id/news/110507/riset-fotokatalis-untuk-produk-keramik-hias-penjernih-udara

Categories
Nanoteknologi & Material Riset & Inovasi

Perangkat Fotokalitik untuk Konversi Energi dan Transformasi Kimia

Tangerang Selatan, Humas BRIN. Hanggara Sudrajat, periset Pusat Riset Fisika Kuantum – Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN), pada Selasa (17/5) menceritakan penelitiannya yang berjudul ‘Perangkat Fotokatalitik untuk Konversi Energi dan Transformasi Kimia’. Topik riset tersebut dipresentasikan pada webinar ornamat seri #2 tahun 2022 di lingkungan  Organisasi Riset Nano Teknologi dan Material BRIN.

Hanggara mempresentasikan satu contoh fotokatalis yaitu karbon nitrida (CN) ermuat tembaga oksida, yaitu Cu(I)Ox-C3N4, yang digunakan pada fotoreaktor mikrofluidik.

Pemanenan Energi Surya

Pemanenan energi surya (solar energy harvesting) memiliki tiga rute utama, yaitu solar electric, solar fuel, dan solar thermal. Topik yang ditekuni Hanggara dan tim yaitu solar fuel atau bahan bakar surya. 

Bahan bakar surya prinsipnya meniru apa yang dilakukan tumbuhan hijau pada fotosintesis alami. “Kami meniru apa yang dilakukan tumbuhan hijau dengan harapan dapat mendapatkan efisiensi yang jauh lebih tinggi. Tumbuhan hijau itu kebanyakan hanya bisa menggunakan cahaya di daerah merah, makanya berwarna hijau. Daerah lain pada cahaya tampak belum termanfaatkan oleh tumbuhan” terang Hanggara.

Fotosintesis Artifisial

Pada fotosintesis alami, tumbuhan hijau mengonversi molekul-molekul berenergi rendah, misalnya karbon dioksida , dan air, menjadi molekul yang berenergi tinggi, misalnya sukrosa, dengan tujuan menyimpan energi dari matahari dalam bentuk ikatan kimia.

“Kita tiru bagaimana kloroplas bekerja pada tumbuhan hijau, dan menggantinya secara artifisial dengan sebuah entitas kimia yang kita sebut sebagai katalis. Karena katalisnya ini bekerja berdasarkan pada penyerapan foton, maka kita sebut saja sebagai fotokatalis. Fotokatalis ini sistemnya bisa homogen maupun heterogen, dan bisa berupa, molekul organik maupun anorganik. Itu bergantung dari opsi kita yang harus disesuaikan dengan target reaksinya dan produk fotokimia seperti apa yang diinginkan,” urai Hanggara.

Biasanya untuk molekul-molekul organik seperti senyawa-senyawa kompleks logam transisi, selektivitasnya tinggi, tetapi kurang stabil. Sedangkan  material anorganik seperti oksida logam selektifitasnya rendah namun stabil.

Pada penelitiannya, fotokatalis lebih kerap digunakan, karena relatif mudah sintesisnya dan murah prekursornya. 

“Karena pada prinsipnya kloroplas pada tumbuhan hijau kita tiru (mimicking) prosesnya secara artifisial menggunakan fotokatalis, maka fotokatalis ini kerap disebut sebagai kloroplas artifisial,” kata Hanggara.

Prinsip Kerja Fotokatalis

Prinsip kerja fotokatalis adalah pemanfaatan eksiton, yaitu elektron dan lubang elektron (hole) yang diproduksi oleh katalis ketika menyerap foton, untuk menjalankan berbagai reaksi fotokimia, misalnya a) pemisahan air (water splitting) untuk menghasilkan bahan bakar hidrogen, b) degradasi polutan dan c) konversi karbon dioksida (CO2) menjadi bentuk-bentuk karbon dioksida tereduksi.

“Jadi pada intinya fotokatalis menyerap partikel cahaya atau foton kemudian digunakan untuk mengeksitasi elekctron dan meninggalkan lubang elektron, sehingga elektron dan lubang elektron bisa kita manfaatkan untuk menjalankan berbagai reaksi fotokimia, “ jelasnya.

Ketika elektron dan lubang elektron terproduksi, mereka berpindah ke permukaan partikel katalis secara acak karena tidak ada bias eksternal yang ditambahkan seperti pada perangkat fotovoltaik. Sehingga elektron dan lubang elektron harus diarahkan dan tidak bertemu kembali (ekombinasi). 

Elektron dan lubang elektron diarahkan ke permukaan katalis oleh katalis lain sehingga kita sebut sebagai ko-katalis.

“Ko-katalis ini sangat penting karena menentukan kuantum efisiensi secara keseluruhan. Di bidang fotokatalisis, banyak orang berusaha dengan beragam cara untuk mengembangkan ko-katalis yang mampu untuk mengekstrak elektron dan lubang elektron secara efisien,” ungkap Hanggara.

Perangkat Fotokatalitik

Contoh perangkat fotokatalitik juga mengikuti perkembangan material fotokatalisnya. Misalnya untuk Solar water splitting ada berbagai opsi seperti sistem fotovoltaik, elektrolisis, fotoelektrokimia, dan fotokatalisis

“Fokus riset kami adalah fotokatalis yaitu sistem yang katalisnya berupa partikel atau serbuk (powdered photocatalyst), dan lapis tipis (photocatalyst sheets). Sistem ini sangat sederhana karena tidak memerlukan bias eksternal. Tinggal memasukkan saja serbuk fotokatalisnya ke dalam air kemudian disinari dengam lampu xenon atau sinar matahari langsung, maka akan segera timbul gelembung-gelembung gas hidrogen dan oksigen,” urai Hanggara.

Cu(I)Ox-C3N4 untuk Fotorekator Mikrofluidik

Kembali ke Cu(I)Ox-C3N4. Hanggara dan tim mengambil satu contoh fotokalis yaitu karbon nitrida ermuat tembaga oksida.

Karbon nitrida adalah polimer organik yang dapat disintesis dari prekursor apa saja yang mengandung nitrogen dan karbon sebagai unsur utamanya, misalnya urea. “Beberapa keunggulan karbon nitrida adalah murah, sangat mudah dipreparasi, komposisi, dan morfologi bisa diatur dengan sangat fleksibel, fotostabil, tidak beracun, dan mudah didapatkan bahan bakunya,” terangnya.

“Komposisi juga bisa kita desain sedemikian rupa, sehingga kita bisa mendapatkan berbagai macam variasi karbon nitrida (CN) dengan struktur dan morfologi yang berbeda dan tentu juga foto aktivitasnya akan menjadi berbeda. Makanya kita bisa mengatur sesuai target reaksinya,” tambahnya.

Sebagai satu contoh misalnya karbon nitrida yang termuat tembaga (I) oksida atau Cu (I) dengan konsentrasi sekitar 8%. Preparasi ini sangat mudah, misalnya pakai urea sebagai prekursornya. Kemudian tinggal dipanaskan saja pada suhu 550 °0C atau suhu berapun di atas 400 °C, untuk mendapatkan berbagai macam struktur, komposisi, dan morfologi yang berbeda. Seperti pada penelitian ini, bisa ditambahkan tembaga untuk meningkatkan fotoaktivitas dari Cu(I)Ox-C3N4.

“Jika kita lihat, ini murah proses produksinya dan mudah didapatkan prekursornya. Dua faktor ini sangat penting untuk langkah selanjutnya, karena murah dan bagus, itu menjadi kunci untuk aplikasi di industri,” ucapnya.

“Kalau tidak murah dan tidak bagus, maka orang tidak bisa menjual, sehingga ketika hasil penelitian ke luar dari lab, dia tidak bisa berlanjut ke industri. Jadi prinsipnya harus semurah mungkin dan sebagus mungkin,” tegas Hanggara.

Struktur Elektronik

Kemudian setelah dideposisi dengan tembaga, kita ingin tahu sebenarnya, apa fungsi tembaga? “Seperti yang saya ungkapkan tadi, tembaga ini cukup murah, jadi jika ternyata bisa meningkatkan performa secara signifikan tentu ini merupakan berita bagus karena bisa menggantikan fungsi logam mulia yang selama ini digunakan sebagai ko-katalis seperti misalnya Pt, Ru, Rh dan Re,” kata Hanggara.

Dengan spektroskopi fotoelektron ultraviolet ternyata diketahui bahwa posisi atau potensial dari pita valensinya (VB) cukup rendah (relatif positif), sehingga bisa mendorong berbagai macam reaksi oksidasi untuk keperluan transformasi kimia.

Kemudian dilihat dengan hard-XAS, ternyata tembaga ini ada dalam bentuk embaga bervalensi satu atau Cu(I) oksida, mirip dengan Cu2O.  

Selanjutnya, soft-XAS, mengindikasikan bahwa spesies tembaga oksida ini lebih dominan berinteraksi dengan nitrogen, dibandingkan dengan karbon pada karbon nitrida host-nya, karena nitrogen memiliki 6 pasangan elektron bebas

Mekanisme Fotoaktivasi

Jadi setelah dievaluasi untuk menghasilkan hidrogen melalui reaksi reduksi proton menghasilkan hidrogen, ternyata tembaga  dapat meningkatkan laju reaksinya beberapa kali.

“Tentu kita ingin tahu kenapa seperti itu,  ternyata setelah melalui tahap karakterisasi dengan berbagai teknik karakterisasi lanjut, diketahui bahwa populasi elektron meningkat namun mobilitas elektronnya menurun. Uniknya, waktu hidup (lifetime) dari elektronnya makin lama,” papar Hanggara.

Karakterisasi lebih lanjut dengan spektroskopi fotoakustik menunjukan bahwa populasi perangkap elektron (electron trap) pada karbon nitrida lebih besar setelah termuat tembaga oksida. “Jadi ini menjawab kenapa elektron populasi lebih tinggi namun mobilitas elektron lebih rendah, dan efeknya adalah waktu hidup elektron lebih lama. Hal ini dikarenakan elektron terperangkap oleh spesies tembaga oksida,” lafalnya.

Waktu hidup elektron yang lebih lama akan menaikan probabilitas elektron untuk bereaksi dengan proton menghasilkan hidrogen,” imbuhnya.

Perangkat Berbasis Mikrofluidik

Hanggara dan tim kemudian mengaplikasikan fotokatalis pada reaktor mikrofluidik untuk menjalankan suatu reaksi fotokimia.

Fotokatalisis Cu(I)Ox-C3N4 pada reaktor mikofluidik berpotensi mewujudkan konsep kimia hijau untuk transformasi kimia yang relevan secara industri. Fotokatalis ini murah produksinya dan memiliki selektivitas tinggi.

Dari riset ini dapat diketahui bahwa Cu(I) spesies ini dapat digunakan sebagai ko-katalis, untuk meningkatkan performa karbon nitrida, dengan cara meningkatkan waktu hidup elektron melalui proses electron trapping  pada perangkap dangkal (shallow trap), sehingga potensial .sebagai pengganti logam mulia seperti Pt, Rh, Ru, dan Re yang mahal dan langka.

“Kami berusaha untuk menggunakan larutan yang ramah lingkungan. Rute transformasi kimia (sintesis organik) secara fotokatalisis (misalnya menggunakandengan Cu(I)Ox-C3N4 ) sangat menjanjikan karena kita hanya menggunakan katalis, cahaya, dan air (sebagai pelarut). Katalisnya juga murah, kemudian cahaya ada di mana-mana. Salah satu tantangan terbesar adalah bagaimana menemukan cara yang efisien dan murah untuk konversi temuan di skala lab ke skala industri, pungkas tim kelompok riset perangkat dan teknologi kuantum. (hrd/ ed: adl)

Categories
Nanoteknologi & Material Riset & Inovasi

Forum Ilmiah Sosialisasikan Riset Nanoteknologi dan Material BRIN

Serpong – Humas BRIN. Organisasi Riset Nanoteknologi dan Material (OR NM) Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN) mengadakan Seri Webinar Presentasi Ilmiah Riset dan Inovasi ORNAMAT yang kedua, secara daring pada Selasa (17/5). Acara ini dilaksanakan dalam rangka penguatan iklim riset dan inovasi, akumulasi pengetahuan, serta sarana membuka peluang kolaborasi dengan mitra internal dan eksternal BRIN.

Riset bidang nanoteknologi dan material melingkupi riset dari hulu hingga hilir. Di hulu mulai dari teknologi eksplorasi pertambangan, termasuk penambangan ramah lingkungan.  Dilanjutkan teknologi metalurgi ekstraksi primer dan sekunder, hingga desain dan rekayasa paduan logam. Kemudian pengembangan material maju, kimia maju, teknologi polimer, hingga potensi aplikasi material, dengan berbagai studi terkait teori, komputasi, dan berbagai aplikasi untuk industri.

Kepala OR NM BRIN Ratno Nuryadi dalam sambutannya menyampaikan tujuan webinar ini untuk menampilkan topik riset dan inovasi di OR NM. “Topik dalam webinar ini merupakan pergiliran dari periset yang ada di kelompok riset OR NM. Sehingga di tahun 2022 semuanya bisa mendapat giliran,” ujarnya.

Webinar kali ini menampilkan dua narasumber OR NM BRIN, yaitu Hanggara Sudrajat dari Pusat Riset Fisika Kuantum dan Suryadi dari Pusat Riset Fotonik. “Selain narasumber periset BRIN, baik juga kalau sesekali kita bisa sisipkan, untuk mengundang juga pembicara dari luar BRIN,” imbuhnya.

Dirinya menegaskan bahwa kelompok riset BRIN merupakan tulang punggung dalam mengembangkan riset-riset BRIN saat ini. “Kelompok riset ini turut andil memberikan inovasi dan insolusi terhadap masalah-masalah yang ada di industri, masyarakat, bangsa, dan negara saat ini. Dari presentasi ini diharapkan aktivitas riset dapat dikenal oleh khalayak dan mengembangkan sosiokultural seorang ASN,” ucap Ratno.

Dalam presentasinya, Hanggara menjelaskan tentang rekayasa semikonduktor untuk mengkonversi energi dari cahaya ke kimia atau disebut fotosintesis artifisial. “Ada tiga target reaksi yang dituju, yaitu oksidasi air untuk memproduksi hidrogen, reduksi karbondioksida untuk memproduksi bahan bakar khususnya C1-2, serta photobiorefenery untuk memperoleh valorisasi biomassa,” jelasnya.

Lebih lanjut Hanggara memaparkan bahwa risetnya membutuhkan metode komputasi untuk mendapatkan kandidat material fotokatalis, yang berpotensi untuk bisa diaplikasikan pada skala industri. “Yang paling perlu diperhatikan adalah aman dan murah, apabila ingin meningkatkan ke skala yang lebih besar,” ujarnya.

Pada kesempatan yang sama, Suryadi menyampaikan topik riset terkait kebencanaan yaitu tanah longsor. “Saat ini Indonesia merupakan negara yang rawan bencana dikarenakan letak geografis yang berada di daerah tropis. Berdasarkan pengamatan Badan Nasional Penanggulangan Bencana (BNPB), hampir seluruh wilayah Indonesia ancaman bencana cukup tinggi terutama gempa dan tanah longsor,” terangnya.

Berdasarkan data tersebut, Suryadi beserta tim mengadakan riset tentang sistem monitoring gerakan tanah terhubung jaringan sensor nirkabel. “Kami merancang dan membangun sistem monitoring gerakan tanah, merancang dan membangun perangkat mobile gateway, serta karakteristik dan pengujian sistem yang dikembangkan,” tuturnya. (esw/ ed. adl)

Sumber : https://www.brin.go.id/news/104181/forum-ilmiah-sosialisasikan-riset-nanoteknologi-dan-material-brin