Ekstraksi Silika Lumpur Lapindo Sidoarjo untuk Nanokomposit TiO_2/SiO_2 Sebagai Fotoanoda Dye Sensitizes Solar Cell (DSSC)

Kebutuhan energi listrik semakin meningkat seiring dengan bertambahnya jumlah penduduk diiringi dengan perkembangan sektor industri (Adistia dkk.,2020). Kebutuhan energi listrik diperkirakan akan terus meningkat hingga 28% sampai tahun 2040 (Prakash & Janarthanan, 2023). Peningkatan konsumsi yang semula 1.172,73 GWh pada tahun 2022 menjadi 1.337,25 GWh di tahun 2023 (Kementrian ESDM, 2024). Saat ini PT PLN (Persero) masih menggunakan sumber bahan bakar utama berupa batu bara (Wahyuddin dkk., 2022). Pembakaran batu bara menghasilkan limbah Bahan Berbahaya dan Beracun (B3). Sehingga diperlukan solusi pemanfaatan energi terbarukan, seperti penggunaan sel surya yang memanfaatkan energi matahari (Ferdianto & Rohmawati, 2024). Indonesia merupakan negara yang dilewati oleh garis khatulistiwa, dengan intesitas energi matahari yang cukup besar sekitar 4,8 kWh/m2 per hari (Rozaq & Dwi, 2023).

Sel surya memanfaatkan prinsip kerja fotovoltaik, dengan mengubah energi foton menjadi elektron (Anisa dkk., 2023). Salah satu jenis sel surya yang dapat dikembangkan adalah Dye Sensitized Solar Cells (DSSC) (Devadiga dkk., 2021). Keunggulan DSSC yakni, biaya produksi rendah, ketahanan tinggi, dan tetap bekerja secara optimal meskipun dalam kondisi cahaya yang gelap (Xu dkk., 2024).
Semikonduktor yang sering digunakan adalah TiO2 (Lallo dkk., 2022). TiO2 memiliki keunggulan biaya produksi rendah, aktivitas fotokatalik tinggi karena struktur permukaan berpori, serta ketahanan termal baik (Kanjana dkk., 2021). Namun, nilai band gap yang cukup tinggi dari TiO2 sebesar 3,20 eV membuat daerah penyerapan cahaya terbatas, pada panjang gelombang di bawah 387,5 nm
yang hanya 5% dari energi matahari (Muhammad dkk., 2024). Semikonduktor TiO2 juga memiliki kelemahan berupa tingginya rekombinasi elektron yang menghambat laju elektron. Sehingga diperlukan modifikasi material TiO2 dengan penambahan material lain seperti silikon dioksida (SiO2) atau silika untuk mengurangi jumlah rekombinasi elektron (Asshaari dkk., 2019). Silika memiliki keunggulan luas permukaan tinggi, ketahanan material baik, serta ukuran pori yang dapat diseragamkan (Gao dkk., 2020; Isroni dkk., 2023). SiO2 dapat mengontrol struktural dan morfologi TiO2 untuk meningkatkan efisiensi DSSC (Cardoso dkk., 2019). Silika dapat diperoleh dengan memanfaatkan berbagai sumber material alam seperti dari pasir pantai, abu vulkanik gunung, dan lumpur lapindo (Elvita Eka Nursari dkk., 2025). Salah satu sumber material silika yang dapat dimanfaatkan yaitu lumpur lapindo Sidoarjo.

Lumpur lapindo memiliki kandungan material Besi (Fe) sebesar 36,4% dan silika (SiO2) sebesar 33,0% (Ciptawati dkk., 2022). Rahmayanti dkk menyebutkan bahwa kandungan utama pada lumpur lapindo mengandung silika sampai 53,03% (Rahmayanti dkk., 2020).

Berdasarkan permasalahan yang telah dijelaskan, dapat dilakukan pengembangan berupa pemanfaatan ekstrak silika dari lumpur lapindo Sidoarjo untuk nanokomposit TiO2/SiO2 sebagai fotoanoda pada aplikasi DSSC yang sejalan dengan SDGs nomor 7 dan 9. Lumpur lapindo di Sidoarjo muncul sejak tahun 2006 di Porong, Sidoarjo, Jawa Timur, yang meluap karena pengeboran sumur gas oleh PT Lapindo Brantas, memicu meluapnya lumpur panas bercampur gas dari dalam perut bumi (Ciptawati dkk., 2022). Semburan lumpur panas yang memiliki dampak seperti rusaknya lingkungan dan infrastruktur (Rahmayanti dkk., 2020). Selain dampak negatif dari fenomena semburan lumpur lapindo saat ini ditemukan berbagai kandungan mineral seperti, Fe2O3, SiO2, AL2O3, dan CaO yang dapat diamati di berbagai radius dari pusat semburan lumpur menggunakan uji X-Ray Fluorescence (XRF). Didapatkan kandungan silika terbesar pada radius 1000 m sebesar 45,3%, dan pada uji X-Ray Diffraction (XRD) mendapatkan hasil yang sesuai di mana fase yang mendominasi yakni SiO2 (Ciptawati dkk., 2022; Kristianto & Setyorini, 2024).

TiO2 merupakan semikonduktor oksida logam yang memiliki 3 fase kristal, yaitu rutile, brookite, dan anatase. Fase anatase merupakan fase terbaik yang digunakan untuk aplikasi DSSC karena memiliki keunggulan transportasi muatan yang baik (Eddy dkk., 2023). SiO2 merupakan senyawa anorganik yang akan meningkatkan kestabilan fase anatase semikonduktor TiO2 (Cardoso dkk., 2019). DSSC sel surya generasi ketiga dikenalkan oleh O'Regan dan Gratzel pada tahun 1991 (Raguram & Rajni, 2022).

DSSC dapat terbentuk seperti sandwich yang terdiri dari fotoanoda, dye, elektrolit, dan counter electrode (CE) (Xu dkk., 2024). Secara sederhana, dye mengalami eksitasi karena elektron akan berpindah ke lapisan semikonduktor sehingga terjadi kekosongan elektron dan akan terjadi regenerasi elektron oleh elektrolit (Fatiatun dkk., 2020). Elektron pada semikonduktor akan terus mengalir sampai berkumpul di CE dan akan berinteraksi dengan elektrolit dalam reaksi redoks. Siklus ini akan terus berulang dan menjadi cara kerja dari DSSC (Sekaran & Marimuthu, 2024).

Proses sintesis silika dari ekstraksi lumpur lapindo menggunakan proses sol-gel, dengan melakukan perendaman sambil dikeringkan pada suhu 110C, lumpur kering ditumbuk menjadi bubuk, ditambah larutan alkali. Campurannya disaring dan fitratnya di titrasi pada suhu ruang hingga endapan putih muncul, disaring, dan dicuci dengan air suling selama lima kali. Kemurnian silika dilihat menggunakan XRF. Dengan menggunakan analisis XRF dihasilkan kandungan silika sebesar 50% yang merupakan komponen utama (Rahmayanti dkk., 2020).

Hasil sintesis SiO2 dari ekstrak lumpur lapindo Sidoarjo akan disintesis menjadi nanokomposit TiO2/SiO2 dengan metode hidrotermal. Campuran TiO2/SiO2 direfluks semalam, kemudian dilanjutkan dengan sentrifugasi, serta dicuci dengan etanol dan dikeringkan pada suhu 60C selama 24 jam. Fabrikasi DSSC dilakukan menggunakan metode screen printing pada substrat kaca FTO dan dilanjutkan dengan perendaman dye N-719 selama 24 jam. Platinum dipilih sebagai CE. Hasil dari penambahan SiO2 terbukti dapat meningkatkan lapisan pori dan meningkatkan nilai efisiensi DSSC dari 2,25% menjadi 3,3% didapatkan dari hasil uji I-V (Cardoso dkk., 2019).

Meningkatnya kebutuhan energi listrik di Indonesia mendorong perlunya pemanfaatan energi terbarukan yang ramah lingkungan, seperti pemanfaatan energi matahari. DSSC merupakan solusi potensial karena memiliki keunggulan efisiensi tinggi saat kondisi cahaya rendah, biaya produksi yang rendah, dan proses fabrikasi yang sederhana. Untuk meningkatkan efisiensi DSSC dapat memodifikasi semikonduktor TiO2 dengan penambahan SiO2 yang akan meningkatkan luas permukaan, mengurangi rekombinasi elektron, dan mempertahankan kestabilan fase anatase. Sumber silika dapat berasal dari ekstraksi lumpur lapindo Sidoarjo yang mengandung lebih dari 50% silika dengan metode sintesis sol gel. Kemudian hasil SiO2 dapat dikombinasikan dengan TiO2 menggunakan metode hidrotermal. Pemanfaatan silika dari lumpur lapindo tidak hanya memberikan solusi inovatif, yang mendukung tercapainya SDGs 7 (energi bersih dan terjangkau) dan 9 (industri, inovasi, dan infrastruktur) melalui pengembangan teknologi energi terbarukan berbasis sumber daya lokal.