By Penny Oktaviani* & Atep Kurnia**

Since 2021, the Center for Mineral, Coal, and Geothermal Resources (PSDMBP) of the Geological Agency has been conducting studies on graphene. Graphene is an extremely thin sheet—just one atom thick—composed of carbon atoms tightly bonded in a honeycomb-like structure. It is a remarkable form of carbon: despite its atomic thinness, it is incredibly strong and offers numerous advantages. When multiple layers of graphene are stacked together, they form graphite, the material commonly found in pencil leads (graphenea.com). 

This unique structure distinguishes graphene from other allotropic forms of carbon, such as graphite and diamond. Although all three are composed of the same element—carbon—they differ in atomic configuration. Graphene is a two-dimensional material composed of a single layer of carbon atoms arranged in a honeycomb lattice, while graphite has a three-dimensional structure composed of millions of stacked graphene layers. For instance, one millimetre of graphite consists of approximately three million graphene layers (https://labinsights.nl/en/article/basic-facts-about-graphene). Diamond, by contrast, is formed from tightly packed three-dimensional carbon bonds, making it the hardest naturally occurring material in the world. 

Because of its distinctive properties, graphene is categorized as an advanced material—specifically engineered or modified to exhibit novel characteristics or enhanced performance compared to conventional materials (Kennedy et al., 2019). Within this broader category exists a subgroup called Advanced Carbon Materials, which are carbon-based substances known for their exceptional strength, chemical stability, and conductivity. According to Ikram et al. (2021), this subgroup includes graphene, fullerenes, hierarchical carbon, and carbon nanotubes. 

Initially, graphene was obtained by extracting graphite through chemical processes, one of which is the Hummer’s Method. This method involves an oxidation process using chemicals such as sulfuric acid and potassium permanganate. However, the relatively high cost of graphite powder presents a challenge to the widespread development of graphene. This has prompted researchers to seek alternative carbon sources that are more economical and abundant. One of the alternatives is coal, which can serve as a raw material to replace graphite in graphene production. Research by Wu et al. (2012), Hoang et al. (2018), and Kang et al. (2019) demonstrates that coal can be processed into graphene with promising results. In addition to its lower cost, coal offers the advantage of abundant availability in countries like Indonesia. According to Hoang et al. (2018), coal is considered effective for producing carbon nanomaterials such as CNTs, nanofibers, nanoparticles, nanospheres, graphene, graphene oxide, graphene quantum dots (GQDs), and carbon dots (CDs). Figure 1 shows various types of coal that can be used as precursors in the synthesis of carbon-based nanomaterials.

Figure 1. Various types of coal that can serve as precursors for the synthesis of carbon-based nanomaterials (Hoang et al., 2018).

To Support Coal Downstreaming

Indonesia possesses significant coal potential, with 99.193 billion tons of resources and 36.054 billion tons of reserves (PSDMBP, 2022). In terms of quality, Indonesian coal is predominantly low- to medium calorific value. As a result, this type of coal has a low market value, making it less attractive to investors. To overcome this limitation, coal processing is necessary to enhance its added value. Various coal processing methods exist for increasing added value (PNT), including conversion into methanol, dimethyl ether (DME), humic acid, advanced materials such as graphene, and the development of biosemicokes. 

Therefore, in 2021, to support Indonesia’s coal down streaming program, PSDMBP began conducting studies related to coal characterization, including metallurgy and value-added enhancement. This preliminary study was carried out in collaboration with various institutions, including Gadjah Mada University, the National Agency for Research and Innovation (BRIN), Sari Mutiara Indonesia University, and other institutions that have conducted research on increasing added value. 

The study explored the potential of Indonesian coal to produce graphene. The initial objective was to identify carbon materials in coal that could serve as potential raw materials for graphene, based on fixed carbon (FC) content data obtained from proximate analysis. FC content in several selected Indonesian coal samples ranged from 0.40% to 83.84%, indicating relatively good potential as a raw material for graphene production. The results of this preliminary evaluation showed that the selected coal samples, ranging from lignite to bituminous, have potential for graphene production.

In 2022, PSDMBP conducted a follow-up study to extract graphene from coal. The coal samples were collected from the Muaraenim Formation in Muaraenim Regency, South Sumatra, and represented low, high, and very high calorific values. The extraction was carried out at the Chemical Engineering Laboratory of Sari Mutiara Indonesia University using an ultrasonication method, which is more effective, cost-efficient, and environmentally friendly than the complex Hummer’s method. 

The final product was graphene powder, with graphene quantum dots (GQDs) also produced as a liquid by product. The graphene yield reached 47% for low calorific value coal, 83% for high calorific value coal, and 85% for very high calorific value coal. The GQDs yield has not yet been quantified. After successfully extracting both graphene and GQDs, further analysis was conducted for material characterization. The results showed that coal ranging from low to ultra-high calorific value can be used to produce graphene and GQDs effectively, especially using the ultrasonic method. Low-calorific coal is suitable for high-quality GQDs, while high and very high calorific coal is more suitable for producing few-layer graphene, which can be used in semiconductor applications. Given the high market value of graphene, these findings indicate that Indonesian coal holds significant potential for development into high-value advanced materials.

In 2023, PSDMBP carried out the activities titled "Preliminary Exploration and General Investigation of Coal for Carbon Capture Storage, Advanced Materials, and Agroindustry in Musi Banyuasin Regency, South Sumatra Province" and "Evaluation of Potential for Increasing Added Value of Coal for the Development of Biocoke, Biobriquettes, Agroindustry, and Advanced Materials." In the first activity, specifically related to graphene and GQDs, laboratory tests were conducted on 14 coal samples using a multi-stage ultrasonication method. From 10 grams of sample, graphene, reduced graphene oxide (rGO), and GQDs were successfully obtained, with yields ranging from 80% to 89%. Characterization using FTIR, UV-Vis spectroscopy, and XRD confirmed the presence of GO, rGO, and GQDs. The GQDs produced exhibited yellow, green, and blue fluorescence, reflecting variations in their optical properties. 

In the second activity, 32 coal samples from Musi Banyuasin, Muara Enim, Lahat, East Kotawaringin, and Paser were studied for the development of graphene and humic acid. The extraction process was conducted at the Chemical Engineering Laboratory of Sari Mutiara Indonesia University using a multi-stage ultrasonication method. The extraction yielded two main types of graphene in powder form: graphene and rGO. The rGO yield from low to medium calorific value coal reached 80% to 89%, while the graphene yield from high to very high calorific value coal reached 91% to 97%. Characterization using FTIR, SEM, TEM, XRD, and Raman spectroscopy revealed several key features: SEM showed a more porous and wrinkled surface in the extracted graphene compared to raw coal; TEM revealed a hexagonal structure with stacked few-layer graphene (<10 layers); and XRD and Raman results confirmed the presence of few-layer graphene with an ID/IG ratio of less than 2, indicating good quality with minimal defects.

In 2024, PSDMBP also conducted two activities related to graphene. The first was "Preliminary Exploration of General Coal Prospecting, Metallurgical Coal, and Advanced Materials, Kapur IX Region, Lima Puluh Kota Regency, West Sumatra Province." This activity involved the extraction of graphene and GQDs from seven coal samples at the Chemistry Laboratory of Sari Mutiara Indonesia University. The analysis process this year differed slightly from previous years. The raw coal was first processed into graphite through a carbonation process using pyrolysis techniques. The results showed that the resulting graphite was still in an amorphous form, with yields ranging from 69.00% to 78.00%. This graphite was then extracted into graphene, with yields exceeding 95%. This extraction marks a promising initial step in the development of Kapur IX coal as a raw material for advanced carbon-based materials, particularly coal-derived graphene. 

The second activity was "Evaluation of the Potential for Increasing Coal Added Value for Advanced Material Development." In this activity, the extraction of graphene and its derivatives was conducted using coal samples from the West Sumatra region, particularly from the Ombilin Basin. The samples were collected from the Pesisir Selatan and Sawahlunto areas. The analysis process followed the same procedure as the first activity: the coal was first extracted into graphite and subsequently processed into graphene and graphene oxide (GO). The graphite yield ranged from 58.00% to 79.00%, while the graphene yield ranged from 95% to 98%, and the GO yield ranged from 71% to 90%. Characterization results indicated that the graphene produced generally consisted of few layers—approximately 5 to 6 layers—with a rough and porous structure. Overall, this evaluation demonstrates that coal from West Sumatra holds potential as a raw material for producing coal-derived graphene.

Figure 2. (Left) Produced graphene powder. (Right) GQDs liquid as by product.

Evaluation Results until 2025

Until 2025, PSDMBP has evaluated the potential of advanced materials derived from coal, focusing on three main basins: South Sumatra Basin, Barito Basin, and Ombilin Basin. This evaluation aims to explore the potential of coal as a raw material for graphene, GO, and GQDs through laboratory-based extraction and characterization processes. 

The evaluation results indicate that coal from the South Sumatra Basin can produce graphene with yields ranging from 47% to 97% and GQDs within a concentration range of 201 to 589 ppm. Meanwhile, coal from the Barito Basin shows a relatively consistent graphene extraction yield between 84% and 88%, with GQD concentrations ranging from 313 to 346 ppm. In contrast, the Ombilin Basin recorded the highest yields, with graphene ranging from 95% to 98.6%, GO between 70.5% and 90%, and GQDs ranging from 31 to 206 ppm. 

Based on the analysis of 46 samples, these findings reinforce the potential of coal as a viable source for high-value, carbon-based advanced materials and contribute to supporting national coal downstreaming initiatives.

*Associate Geoscientist at the Center for Mineral, Coal, and Geothermal Resources, Geological Agency.

**First Expert Public Relations Officer at the Center for Mineral, Coal, and Geothermal Resources, Geological Agency.

Peningkatan Nilai Tambah Batubara untuk Pengembangan Material Maju: Grafena dan Turunannya

Oleh. Penny Oktaviani* & Atep Kurnia**

Sejak tahun 2021, Pusat Sumber Daya Mineral, Batubara, dan Panas Bumi (PSDMBP), Badan Geologi melakukan kajian terkait grafena (graphene). Grafena adalah lembaran sangat tipis, bahkan setipis satu lapisan atom, yang tersusun dari atom-atom karbon yang terikat rapat membentuk pola seperti sarang lebah. Grafena merupakan bentuk karbon yang sangat istimewa karena hanya setebal satu lapisan atom, tetapi sangat kuat dan memiliki banyak keunggulan. Jika lapisan-lapisan grafena ini ditumpuk, kita akan mendapatkan material yang dikenal luas sebagai grafit, seperti yang ada di ujung pensil (Jesus de La Fuente, “Understanding graphene”, dalam graphenea.com). 

Struktur unik grafena inilah yang membedakannya dari bentuk alotrop karbon lain seperti grafit dan intan. Ketiganya tersusun dari unsur yang sama, yakni karbon, tetapi memiliki konfigurasi atom berbeda. Grafena adalah material dua dimensi, sedangkan grafit merupakan material tiga dimensi yang terbentuk dari jutaan lapisan grafena secara paralel. Sebagai gambaran, grafit setebal satu milimeter terdiri atas sekitar tiga juta lapisan grafena (https://labinsights.nl/en/article/basic-facts-about-graphene), sedangkan intan tersusun atas ikatan karbon tiga dimensi yang sangat rapat, sehingga dianggap sebagai material alami paling keras di dunia.  

Sifat-sifat grafena menempatkannya dalam golongan material maju (advanced material), yakni bahan yang dirancang atau dimodifikasi secara khusus untuk menampilkan karakteristik baru atau kinerja yang lebih unggul dibanding material konvensional (Kennedy et al., 2019). Dalam kelompok material ini, terdapat kategori Advanced Carbon Materials, yakni material berbasis karbon yang unggul dalam aspek kekuatan, kestabilan kimia, dan konduktivitas. Menurut Ikram, et al. (2021), contoh dari kelompok ini mencakup grafena, fullerenes, hierarchical carbon, dan carbon nanotubes. 

Awalnya, grafena memang diperoleh dengan mengekstraksi grafit melalui proses kimia, salah satunya dengan Metode Hummer, yang melibatkan proses oksidasi menggunakan bahan kimia seperti asam sulfat dan kalium permanganat. Namun, harga graphite powder yang relatif mahal menjadi tantangan tersendiri dalam pengembangan grafena secara luas. Hal ini mendorong para peneliti untuk mencari sumber karbon alternatif yang lebih ekonomis dan mudah diakses. Salah satunya adalah batubara sebagai bahan baku pengganti grafit dalam produksi grafena. Penelitian Wu et al. (2012), Hoang et al. (2018), dan Kang et al. (2019) menunjukkan bahwa batubara dapat diolah menjadi grafena dengan hasil baik. Selain biayanya lebih rendah, ketersediaan batubara yang melimpah di negara-negara seperti Indonesia menjadi keunggulan tersendiri. Menurut Hoang, et al. (2018), batubara diyakini efektif menghasilkan nanomaterial karbon (carbon nanomaterials) seperti CNT, nanofibers/particles/spheres, grafena, grafena oksida, GQDs, dan CDs. Gambar 1 memperlihatkan berbagai jenis batubara yang dapat menjadi prazat dalam sintesis nanomaterial berbasis karbon.

Gambar 1. Berbagai jenis batubara yang dapat menjadi precursor untuk sintesa nanomaterial berbasis karbon (Hoang, et al., 2018).

Untuk Mendukung Hilirasasi Batubara

Indonesia memiliki potensi batubara cukup besar yaitu 99,193 miliar ton sumber daya dan 36,054 miliar ton cadangan (PSDMBP, 2022). Ditinjau dari segi kualitas, batubara Indonesia banyak didominasi oleh yang berkalori rendah sampai sedang. Akibatnya batubara jenis ini memiliki nilai jual yang rendah sehingga kurang menarik minat investor. Untuk mengatasi hal ini, perlu dilakukan pengolahan batubara yang bertujuan untuk meningkatkan nilai tambah batubara. Ada berbagai metode pengolahan batubara untuk peningkatan nilai tambah (PNT) di antaranya diubah menjadi methanol, dimetil eter (DME), asam humat, material maju berupa grafena, dan pengembangan biosemikokas. 

Oleh karena itu, pada tahun 2021, dalam rangka mendukung program hilirisasi batubara Indonesia, PSDMBP mulai melakukan kajian terkait karakterisasi batubara termasuk Metalurgi, dan PNT. Kajian tersebut berupa kajian awal yang dilakukan bersama dengan berbagai lembaga yaitu Universitas Gajah Mada, BRIN, Universitas Sari Mutiara Indonesia dan lembaga lainnya yang telah melakukan penelitian terkait peningkatan nilai tambah. 

Dalam kajian tersebut dilakukan studi potensi grafena pada batubara Indonesia yang dimaksudkan sebagai identifikasi awal terhadap material karbon yang terkandung dalam batubara yang berpotensi sebagai bahan baku grafena berdasarkan data kandungan karbon tertambat (fixed carbon/FC) dari hasil analisis proksimat. Data kandungan FC beberapa data batubara Indonesia terpilih berkisar 0,40% s.d. 83,84% mengindikasikan potensi yang relatif baik sebagai bahan baku pembuatan grafena. Hasil evaluasi awal ini mengindikasikan bahwa data batubara Indonesia terpilih memiliki peringkat lignit s.d. bituminus yang berpotensi untuk menghasilkan grafena. 

Pada tahun 2022, PSDMBP melakukan kajian lanjutan untuk mengekstraksi grafena dari batubara. Sampel batubaranya diambil dari Formasi Muaraenim, Kabupaten Muaraenim, Sumatera Selatan dengan nilai kalori rendah, tinggi, dan sangat tinggi. Pengujian ekstraksinya dilakukan di Laboratorium Teknik Kimia, Universitas Sari Mutiara Indonesia, menggunakan metode ultrasonikasi yang lebih efektif, lebih murah dan lebih ramah lingkungan jika dibandingkan dengan metode Hummers yang kompleks. 

Produk akhir grafena yang dihasilkan berupa serbuk, selain itu dihasilkan juga Graphene Quantum Dots (GQDs) sebagai produk sampingan berupa cairan. Yield grafena yang dihasilkan adalah 47% untuk batubara kalori rendah, 83% untuk batubara kalori tinggi, dan 85% untuk batubara kalori sangat tinggi, sedangkan untuk GQDs pada tahun ini belum dikuantifikasi. Setelah grafena dan GQDs berhasil diekstraksi, selanjutnya dilakukan analisis lanjutan untuk mengkarakterisasi grafena dan GQDs. Hasil kajian menunjukkan bahwa batubara kalori rendah hingga sangat tinggi dapat diekstraksi menjadi grafena dan GQDs dengan hasil yang menjanjikan, terutama melalui metode ultrasonikasi. Batubara kalori rendah cocok dimanfaatkan untuk GQDs berkualitas tinggi, sementara kalori tinggi dan sangat tinggi lebih potensial untuk menghasilkan grafena tipe few-layer yang pemanfaatannya dapat dijadikan semikonduktor. Dengan nilai pasar grafena yang tinggi, potensi ini menunjukkan bahwa batubara Indonesia memiliki peluang besar untuk dikembangkan menjadi material maju bernilai tinggi. 

Pada tahun 2023, PSDMBP melakukan kegiatan “Eksplorasi Pendahuluan Penyelidikan Umum Batubara Untuk Carbon Capture Storage, Material Maju dan Agroindustri Daerah Kabupaten Musi Banyuasin, Provinsi Sumatera Selatan” dan “Evaluasi Potensi Peningkatan Nilai Tambah Batubara Untuk Pengembangan Biokokas, Biobriket, Agroindustri, dan Material Maju”. Pada kegiatan pertama, khususnya untuk grafena dan GQDs dilakukan uji laboratorium terhadap 14 sampel batubara menggunakan metode ekstraksi ultrasonikasi multitahap. Dari 10 gram sampel, diperoleh grafena, reduced graphene oxide (rGO), dan GQDs dengan yield 80–89%. Karakterisasi hasil dilakukan melalui FTIR, spektroskopi UV-Vis, dan XRD yang mengonfirmasi keberadaan GO, rGO, serta GQDs. GQDs yang terbentuk menunjukkan warna kuning, hijau, dan biru, mencerminkan variasi sifat optiknya. 

Kemudian untuk kegiatan kedua yang dikaji adalah 32 sampel batubara dari Musi Banyuasin, Muara Enim, Lahat, Kotawaringin Timur, dan Paser untuk pengembangan grafena dan asam humat. Proses ekstraksi dilakukan di Laboratorium Teknik Kimia Universitas Sari Mutiara Indonesia dengan metode ultrasonikasi multitahap. Hasil ekstraksi menghasilkan dua jenis utama grafena berbentuk serbuk, yaitu grafena dan rGO. Yield rGO dari batubara kalori rendah hingga sedang mencapai 80–89%, sedangkan grafena dari batubara kalori tinggi hingga sangat tinggi mencapai yield 91–97%. Dari karakterisasi produk yang dihasilkan menggunakan metode seperti FTIR, SEM, TEM, XRD, dan Raman spektroskopi menunjukkan bahwa hasil SEM menunjukkan permukaan grafena yang lebih berpori dan berkerut dibanding batubara mentah. TEM menunjukkan struktur heksagonal dengan tumpukan lapisan few-layer graphene (<10 lapisan). Sementara hasil XRD dan Raman membuktikan bahwa grafena yang dihasilkan tergolong few-layer graphene (<10 lapisan) dengan rasio ID/IG < 2, yang menandakan karakteristik yang baik dengan sedikit kecacatan. 

Untuk tahun 2024, PSDMBP juga melakukan dua kegiatan yang berkaitan dengan grafena. Yang pertama, “Eksplorasi Pendahuluan Prospeksi Batubara Umum Batubara Metalurgi dan Material Maju, Daerah Kapur IX, Kabupaten Lima Puluh Kota, Provinsi Sumatera Barat”. Dalam kegiatan ini dilakukan ekstraksi grafena dan GQDs dari tujuh sampel batubara di Laboratorium Kimia Universitas Sari Mutiara Indonesia. Pada tahun ini proses analisis yang dilakukan sedikit berbeda dari tahun-tahun sebelumnya, batubara mentah terlebih dahulu diekstrak menjadi grafit melalui proses karbonasi dengan teknik pirolisis. Hasilnya menunjukkan grafit dari batubara masih dalam bentuk amorf, dengan perolehan sebesar 69,00% - 78,00%. Grafit yang dihasilkan kemudian diekstrak menjadi grafena dengan perolehan di atas 95%. Ekstraksi ini merupakan langkah awal menjanjikan untuk mengembangkan batubara Kapur IX sebagai bahan baku material maju berbasis karbon, terutama grafena dan turunannya. 

Kegiatan kedua “Evaluasi Potensi Peningkatan Nilai Tambah Batubara untuk Pengembangan Material Maju”. Dalam kegiatan ini yang dilakukan adalah ekstraksi grafena dan turunannya dari sampel batubara wilayah Sumatera Barat yang termasuk ke dalam  Cekungan Ombilin. Sampel batubara yang diambil berasal dari daerah Pesisir Selatan dan Sawahlunto. Proses analisis yang dilakukan sama dengan kegiatan pertama, yaitu batubara diekstrak menjadi grafit kemudian diekstrak lagi menjadi grafena dan grafena oksida (GO). Perolehan grafit berkisar dari 58,00% - 79,00%, sedangkan perolehan grafena berkisar dari 95% – 98%, serta perolehan GO berkisar dari 71% - 90%. Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa grafena yang dihasilkan umumnya berupa few layer dengan 5–6 lapisan, berstruktur kasar dan berpori. Secara keseluruhan, evaluasi ini menunjukkan bahwa batubara dari Sumatera Barat memiliki potensi sebagai bahan baku grafena dan turunannya.

Gambar 2. Contoh grafena yang dihasilkan (kiri). Contoh GQDs yang dihasilkan (kanan).

Hasil Evaluasi hingga 2025

Hingga tahun 2025, PSDMBP telah melakukan evaluasi potensi material maju dari batubara dengan fokus pada tiga cekungan utama, yaitu Cekungan Sumatera Selatan, Cekungan Barito, dan Cekungan Ombilin di Sumatera Barat. Evaluasi ini bertujuan untuk mengungkap potensi batubara sebagai bahan baku grafena, GO, dan GQDs melalui proses ekstraksi dan karakterisasi di laboratorium. 

Hasil evaluasi menunjukkan bahwa batubara dari Cekungan Sumatera Selatan mampu menghasilkan grafena dengan kisaran hasil 47 hingga 97% dan GQDs dalam rentang 201 hingga 589 ppm. Sementara itu, batubara dari Cekungan Barito menunjukkan tingkat ekstraksi grafena yang cukup konsisten, yakni antara 84 hingga 88%, dengan GQDs berkisar antara 313 hingga 346 ppm. Di sisi lain, Cekungan Ombilin mencatat hasil tertinggi dengan grafena mencapai 95 hingga 98,6%, GO antara 70,5 hingga 90%, serta GQDs dalam kisaran 31 hingga 206 ppm. 

Dari total 46 sampel yang dianalisis, temuan ini memperkuat potensi batubara sebagai sumber material maju berbasis karbon bernilai tinggi dan mendukung upaya hilirisasi batubara nasional.

*Penyelidik Bumi Ahli Madya di Pusat Sumber Daya Mineral, Batubara, dan Panas Bumi, Badan Geologi.

**Pranata Humas Ahli Pertama di Pusat Sumber Daya Mineral, Batubara, dan Panas Bumi, Badan Geologi.