Sintesis CuFeS2 nanomaterial dilakukan melalui metode solvothermal satu pot menggunakan prekursor molekul FeCl2(3-Cl-benztsczH)2 dan Cu(NO3)2·6H2O dalam oleylamine. Karakterisasi menunjukkan pembentukan partikel berbentuk bola dengan ukuran rata-rata 20-25 nm yang sesuai dengan struktur kalkopirit tetragonal CuFeS2. Uji sifat elektrokimia menunjukkan Cu

1. Widi Mulia Nasution – 2110247661
Tugas 1 Kapita Selekta Fisika Material
Pasca Sarjana Fisika Universitas Riau
Sintesis Solvothermal Satu Pot Bimetalik Tembaga Besi
Sulfida (CuFeS2) dan Penggunaannya Sebagai Bahan
Elektroda dalam Aplikasi Superkapasitor
Penulis: Aleem Ansari, Rashmi A Badhe, Dipak G Babar, Shivram S Garje
Jurnal : Applied Surface Science Advances

2. Introduction
Widi Mulia Nasution | 2110247661
SLIDE 2
Kapasitor elektrokimia (EC) banyak digunakan dalam cadangan energi, kendaraan listrik dan perangkat
energi portabel. EC memiliki manfaat seperti tingkat pengisian cepat, kepadatan daya tinggi, daya tahan siklus
panjang, dll.
EC memiliki peran penting untuk dimainkan di bidang penyimpanan energi untuk mengurangi konsumsi energi
secara keseluruhan dan membatasi penggunaan berbagai bahan bakar fosil hidrokarbon.
Saat ini, tantangan utama adalah biaya bahan elektroda yang tinggi dan stabilitas siklus yang rendah dari
superkapasitor dan baterai yang membuat komersialisasi industrinya menjadi sulit. Dengan demikian,
produksi bahan elektroda baru yang memiliki luas permukaan aktif tinggi, stabilitas siklus tinggi, varians
properti struktural selama fase elektrokimia dan laju korosi elektroda rendah dalam larutan elektrolit sangat
penting dalam pengembangan bahan superkapasitor.

3. Introduction
Widi Mulia Nasution | 2110247661
SLIDE 3
Oksida dan sulfida logam transisi memiliki superkapasitor dan sifat seperti baterai. Namun, baru-baru ini lebih
banyak fokus telah ditarik ke sulfida logam transisi (TMS) karena konduktivitas listriknya yang lebih tinggi,
elektronegativitas yang lebih rendah dan pendekatan teoretis sistematis untuk penerapan penyimpanan
energi elektrokimia dibandingkan dengan oksida. Mereka mudah tersedia dalam mineral dan ramah
lingkungan. Misalnya, kalkopirit, CuFeS2.
Meskipun ada beberapa penelitian yang tersedia tentang studi chalcogenides bimettalic berbasis tembaga
sebagai bahan superkapasitor, penyelidikan lebih lanjut perlu dilakukan di bidang ini. Semua metode
preparasi pada penelitian sebelumnya melibatkan penggunaan beberapa reaktan yang memiliki keterbatasan
seperti waktu reaksi yang lama, suhu reaksi yang tinggi, dll.
Pada jurnal ini diteliti rute solvothermal satu pot baru untuk sintesis CuFeS2 nanomaterial dalam oleylamine.
Cu(NO3)2•6H2O dan FeCl2(3-Cl-benztsczH)2, di mana benztsczH = benzaldehida tiosemikarbazon yang telah
digunakan sebagai prekursor molekuler. Sifat elektrokimia dari CuFeS2 nanomaterial yang disintesis
dievaluasi menggunakan tiga sistem elektroda dalam media alkali (6 M KOH).

4. Eksperimen
Widi Mulia Nasution | 2110247661
SLIDE 4
Bahan
Besi Klorida
(FeCl2•4H2O)
Thiosemicarbazide Tetrahydeofuran
(THF)
Metanol Oleylamine (OLA)
98% 99%
99% 98%
Tembaga Nitrat
(Cu(NO3)2•6H2O)
99% 99% -
99%
98% 99%
85% 97%
Kalium Hidroksida
(KOH)
N-Metil-2-Pirolidon
(NMP)
3-Klorobenzaldehid Asetilen Hitam Polivinilidena
Difluorida (PVDF)
Busa Nikel (Ni)

5. Eksperimen
Widi Mulia Nasution | 2110247661
SLIDE 5
Persiapan prekursor molekul
Persiapan ligan
2,13 g (23,37 mmol) tiosemikarbazon
dilarutkan dalam campuran 1:1 air:
metanol (kira-kira 150 ml), 3,28 g
(23,33 mmol) 3-klorobenzaldehida
ditambahkan dengan pengadukan
konstan diikuti penambahan 1 ml
konsentrasi HCl. Pengadukan
dilanjutkan selama 3-4 jam untuk
menyelesaikan reaksi. Padatan yang
diperoleh disaring, dicuci dengan
metanol dingin dan air. Kemudian
dikeringkan dan ditimbang
Persiapan prekursor
molekul
Sintesis kalkopirit,
CuFeS2 bahan nano
Karakterisasi
Persiapan bahan
elektroda
3,856 g (18,024 mmol) 3-Cl-
benztsczH dilarutkan dalam
campuran metanol anhidrat (15
ml) dan THF anhidrat (15 ml)
dalam labu alas bulat. Dalam labu
lain, 0,896 g (4,521 mmol) besi
klorida yang dilarutkan dalam
metanol anhidrat (10 ml) diambil.
Kemudian larutan sebelumnya
ditambahkan kemudian di bawah
atmosfer nitrogen dan campuran
reaksi diaduk selama 48 jam pada
suhu kamar. Setelah menguapkan
pelarut di bawah vakum diperoleh
padatan coklat. Padatan coklat
dicuci dengan n-Heksana dan
dietil eter untuk menghilangkan
pengotor. Produk akhir
dikeringkan di bawah vakum dan
dikarakterisasi (Hasil: 2.125 g,
85%, MP: 230◦C).
0,554 g (1 mmol) FeCl2 (3-Cl-
benztsczH)2 dimana (3-
ClbenztsczH = 3-
chlorobenzaldehyde
thiosemicarbazone) dan 0,241 g
(1 mmol) Cu(NO3)2•6H2O
dilarutkan dalam 20 ml OLA
dalam labu alas bulat leher dua.
Campuran reaksi direfluks
selama 2 jam pada suhu 230◦C
dengan pengadukan terus
menerus di bawah atmosfer
nitrogen. Produk hitam yang
diperoleh diisolasi dengan
sentrifugasi dan dicuci dengan
metanol dan campuran
aseton/heksana. Produk yang
diperoleh dikeringkan di bawah
vakum dan ditimbang.
Analisis unsur menggunakan
FTIR. Analisis
termogravimetri menggunakan
XRD. Analisis (TEM) dan
(HRTEM) dilakukan pada
tegangan operasi 200 kV.
Analisis (FESEM) dan (EDS)
dilakukan dengan operasi 0,1
hingga 30 kV. Pengukuran
luas permukaan dilakukan
pada BELSORP II (Microtrac-
BEL). Keadaan valensi unsur-
unsur bahan yang disintesis
ditentukan dengan (XPS).
Sifat elektrokimia dipelajari
pada sistem tiga elektroda.
Kinerja elektrokimia CuFeS2elektroda
diselidiki menggunakan sistem tiga
elektroda. 80% bahan aktif, 10%
asetilena hitam dan 10% polivinilidena
difluorida digabungkan untuk membuat
elektroda kerja. Campuran digiling
dengan baik, menggunakan Nmethyl-2-
pyrrolidone sebagai pelarut untuk
membuat bubur. Busa Ni yang telah
dibersihkan sebelumnya (1 cm x 1 cm)
digunakan sebagai substrat. Bubur yang
disiapkan dilapisi pada substrat dan
dikeringkan semalaman pada suhu 70◦C
dalam oven vakum. Massa pemuatan
bahan aktif adalah 6 mg cm− 2.
Eksperimen elektrokimia meliputi
voltametri siklik (CV), galvanostatic
charge/discharge (GCD) dan
spektroskopi impedansi elektrokimia
(EIS). Dalam semua percobaan ini
KOH 6 M berair digunakan sebagai
elektrolit.

6. Hasil & Diskusi
Widi Mulia Nasution | 2110247661
SLIDE 6
Karakterisasi Ligan dan Prekursor Molekul

7. Hasil & Diskusi
Widi Mulia Nasution | 2110247661
SLIDE 7
Karakterisasi Ligan dan Prekursor Molekul
Analisis termogravimetri (TGA) dan analisis termogravimetri turunan
(DTG) dari prekursor molekuler dilakukan antara 30 dan 1000 ◦C di
bawah atmosfer nitrogen (Gambar 2.). FeCl2(3-Cl-benztsczH)2 prekursor
molekuler menunjukkan dua langkah dekomposisi. Langkah dekomposisi
pertama adalah karena penghilangan uap air yang teradsorpsi pada
prekursor molekuler. Langkah dekomposisi kedua diamati sekitar 250–
400 ◦C, yang dapat ditugaskan untuk menghilangkan bagian organik.

8. Hasil & Diskusi
Widi Mulia Nasution | 2110247661
SLIDE 8
Analisis XRD
Dekomposisi solvotermal FeCl2(3-Cl-benztsczH)2 dan Cu (NO3)2•6H2O
Prekursor moleku di OLA memberikan CuFeS2 bahan nano. Gambar 3
menunjukkan pola XRD-nya. Puncak difraksi karakteristik pada 2θ =
29,1◦, 33.3◦, 47.8◦, 49.2◦, 57,4◦, dan 58,2◦ sesuai dengan (112), (200),
(220), (204), (312), dan (116) bidang kristal CuFeS2. Bidang-bidang ini
cocok dengan struktur tetragonal kalkopirit CuFeS2. Ukuran kristal
dihitung menggunakan rumus Scherrer ditemukan ~ 41,5 nm

9. Hasil & Diskusi
Widi Mulia Nasution | 2110247661
SLIDE 9
Studi Morfologi CuFeS2 Bahan Nano
Studi detail morfologi dan bidang kristal CuFeS2 nanomaterial
dilakukan dengan menggunakan TEM dan HRTEM. Gambar 4 (a)
menunjukkan pembentukan nanopartikel berbentuk bola.
Diameter rata-rata CuFeS2 partikel nanomaterial dihitung dari
histogram dan ditemukan ~ 20-25 nm Gambar 4(b)
Gambar HRTEM dari CuFeS2 ditampilkan dalam Gambar 4(c).
Jarak interplannar dari pinggiran kisi ditemukan 0,23 nm dan 0,18
nm, yang sesuai dengan (200) dan (204) bidang tetragonal
CuFeS2.
Pola difraksi elektron area (SAED) yang dipilih dari CuFeS2
nanomaterial ditampilkan dalam Gambar 4(d). Ini menunjukkan
adanya cincin difraksi yang terdefinisi dengan baik, karena sifat
polikristalin dari bahan CuFeS2

10. Hasil & Diskusi
Widi Mulia Nasution | 2110247661
SLIDE 10
Studi Morfologi CuFeS2 Bahan Nano
Pemetaan unsur CuFeS2 yang disintesis nanomaterial
terlihat pada (Gambar 6). Hal ini menunjukkan adanya
unsur Cu, Fe dan S yang terdistribusi secara merata.
Gambar 5 menunjukkan . Gambar FESEM dari bahan
nano CuFeS2. Adanya morfologi sferis dengan
aglomerasi dapat terlihat dengan jelas

11. Hasil & Diskusi
Widi Mulia Nasution | 2110247661
SLIDE 11
Analisis BET

12. Hasil & Diskusi
Widi Mulia Nasution | 2110247661
SLIDE 12
Analisis XPS
Komposisi unsur dan bilangan oksidasi Cu, Fe, dan S dalam kalkopirit, CuFeS2
nanomaterial telah ditentukan menggunakan analisis XPS.
Gambar 8(a) mewakili spektrum survei penuh dari CuFeS2 nanomaterial dalam
kisaran 100-1100 eV. Karbon (C) digunakan sebagai acuan standar dalam
spektrum survei penuh. Spektrum survei penuh XPS menunjukkan adanya Cu
2p, Fe 2p, dan S 2p.
Gambar 8(b) menunjukkan adanya puncak akibat Cu 2p. Dua puncak energi ikat
utama pada 932,3 eV dan 952,2 eV yang dapat dikaitkan dengan Cu 2p3/2 dan
Cu 2p1/2, masing-masing dari Cu1+ dapat dilihat. Tidak ada puncak satelit yang
diamati pada 944 eV untuk Cu 2+. Ini menegaskan bahwa keadaan oksidasi Cu
dalam kalkopirit, CuFeS2 adalah Cu1+.
Spektrum XPS Fe 2p (Gambar 8 (c)) menunjukkan dua puncak energi ikat pada
713,5 eV dan 721,0 eV yang dapat dikaitkan dengan Fe3+ 2p3/2 dan Fe3+
2p1/2.
Gambar 8(d) menunjukkan spektrum S 2p XPS di mana puncak yang diamati
pada 161,4 eV dan 162,5 eV konsisten dengan S 2p3/2 dan S 2p1/2. Semua
energi ikat adalah karakteristik dari CuFeS2. Puncak yang terletak pada 164,1 eV
dapat dikaitkan dengan ikatan logam-sulfur (MS). Selain itu, puncak energi
pengikatan minor diamati pada 168,1 eV, yang dimiliki oleh ion sulfur. Dengan
demikian, analisis XPS menunjukkan adanya semua elemen yaitu Cu1+, Fe3+
dan S2− mengkonfirmasi pembentukan CuFeS2 bahan nano.

13. Hasil & Diskusi
Widi Mulia Nasution | 2110247661
SLIDE 13
Studi Superkapasitor (CV)
Gambar 9a dan b mewakili kurva CV dari elektroda CuFeS2 antara
potensial tetap 0 hingga 0,55 V, pada berbagai laju pemindaian 1 hingga
10 mV/s dan 10 – 50 mV/s dalam 6 M KOH, masing-masing. Puncak
redoks yang signifikan diamati pada tingkat pemindaian yang lebih
rendah. Karena kinetika proton yang cepat dalam medan listrik yang kuat,
elektroda CuFeS2 menunjukkan puncak redoks ringan pada tingkat
pemindaian tinggi 50 mV/s (Gambar 9b).
Area di bawah kurva dalam CV dari elektroda CuFeS2 meningkat dengan
meningkatnya laju pemindaian. Puncak redoks yang sesuai yaitu puncak
oksidasi dan reduksi bergeser ke arah potensial yang lebih positif dan
negatif ( Gambar 9a dan b). Ini bisa dimungkinkan karena peningkatan
resistansi internal elektroda dengan peningkatan kecepatan pemindaian.
Hubungan antara arus puncak (Ip) dan kecepatan pemindaian dalam
kurva CV telah digunakan untuk mengungkapkan berbagai jenis
mekanisme penyimpanan muatan.

14. Hasil & Diskusi
Widi Mulia Nasution | 2110247661
SLIDE 14
Studi Superkapasitor (GCD)

15. Hasil & Diskusi
Widi Mulia Nasution | 2110247661
SLIDE 15
Studi Superkapasitor (EIS)
Pengukuran spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) dilakukan dalam
konfigurasi rangkaian terbuka dengan potensi 10 mV dan rentang
frekuensi 0,01 hingga 100 kHz untuk menganalisis kinerja elektrokimia.
Plot yang diperoleh untuk CuFeS2 dengan memasang data EIS pada
rangkaian ekivalen (Gambar 11c). Rangkaian ekivalen ini terdiri dari
resistansi larutan (Rs), resistansi transfer muatan (Rct), elemen kapasitif
(Cdl) and impedansi Warburg (Zw) seperti pada Gambar 11c.
Dalam domain frekuensi tinggi, plot terlihat menyerupai setengah
lingkaran, menunjukkan resistansi transfer muatan rendah (Rct) dari 4,52
yang meningkatkan transpor ionik pada antarmuka elektroda-elektrolit.
Perpotongan horizontal setengah lingkaran dengan sumbu x menunjukkan
hambatan seri ekivalen (RESR) sesuai dengan resistansi keseluruhan yang
terkait dengan bahan aktif/antarmuka kolektor arus dan resistansi intrinsik
antarmuka elektroda/elektrolit. Nilai RESR yang diperoleh dari pengukuran
EIS adalah 2,38. Bagian lurus linier pada daerah frekuensi yang lebih
rendah dikaitkan dengan impedansi Warburg (Zw) yang disebabkan oleh
difusi ion elektrolit dalam bahan elektroda selama reaksi redoks.

16. Kesimpulan
Widi Mulia Nasution | 2110247661
SLIDE 16

17. That’s all. Thank you very much! 
Widi Mulia Nasution - 2110247661
Pasca Sarjana Fisika Universitas Riau