SINTESIS DAN PENCIRIAN MEMBRAN KOMPOSIT
POLISTIRENA TERSULFONASI-ZEOLIT UNTUK APLIKASI
DIRECT METHANOL FUEL CELL
YURISKA SEKAR RANI
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Sintesis dan Pencirian Membran Polistirena Tersulfonasi-Zeolit untuk Aplikasi Direct Methanol Fuel Cell adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
ABSTRAK
YURISKA SEKAR RANI. Sintesis dan Pencirian Membran Komposit Polistirena Tersulfonasi-Zeolit untuk Aplikasi Direct Methanol Fuel Cell. Dibimbing oleh SRI MULIJANI dan ARMI WULANAWATI.
Penelitian ini memfokuskan pada sintesis dan pencirian membran komposit polistirena tersulfonasi (PSS)-zeolit sebagai membran penukar proton untuk aplikasi direct methanol fuel cell (DMFC). Sulfonasi polistirena dilakukan dengan gas SO3 dari oleum pada suhu 60 C. Membran komposit lalu disintesis dengan
variasi komposisi zeolit 3%, 5%, dan 7%. Keberhasilan proses sulfonasi ditunjukkan oleh nilai derajat sulfonasi tertinggi pada membran PSS dengan konsentrasi polistirena 15%, yaitu sebesar 99.93%. Spektrum inframerah transformasi Fourier membran komposit menunjukkan gugus sulfonat (-SO3)
pada 910.44 cm-1 dan O-Si-O pada 1091 cm-1. Kajian topografi dengan mikroskop gaya atom menunjukkan bahwa gugus sulfonat pada PSS tertutupi oleh zeolit. Water uptake, nilai konduktivitas, dan beda potensial terbesar ditunjukkan oleh membran komposit dengan 5% zeolit, berturut-turut sebesar 10.17%, 2.0339 10
-6
S/cm, dan 15 mV, sehingga membran komposit dapat diaplikasikan dalam sistem DMFC.
Kata kunci: DMFC, komposit, polistirena, sulfonasi, zeolit
ABSTRACT
YURISKA SEKAR RANI. Synthesis and Characterization of Sulfonated Polystyrene-Zeolite Composite Membrane for Direct Methanol Fuel Cell Application. Supervised by SRI MULIJANI and ARMI WULANAWATI.
This study focused on synthesis and characterization of sulfonated polystyrene (SPS)-zeolit composite membrane as a proton exchange membrane for direct methanol fuel cell (DMFC). Sulfonation of polistyrene was done by using SO3 gas from oleum at 60 oC. The composite membrane was then
synthesized with zeolite composition variation of 3%, 5%, and 7%. The success of the sulfonation process was indicated by the highest degree of sulfonation of PSS membrane with 15% concentration of polystyrene, that was 99.93%. The PSS Fourier transform infrared spectra of the composite membranes showed sulfonate group (-SO3) at 910.44 cm-1 and O-Si-O at 1091 cm-1. Topography study by using
atomatic force microscope showed that the sulfonate groups of PSS were covered by the zeolite. The highest water uptake, proton conductivity, and potential difference were showed by the composite membrane with 5% of zeolite, that were 10.17%, 2.0339 10-6 S/cm, dan 15 mV respectively, showing that the PSS membrane can be applied in DMFC system.
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains
pada
Departemen Kimia
SINTESIS DAN PENCIRIAN MEMBRAN KOMPOSIT
POLISTIRENA TERSULFONASI-ZEOLIT UNTUK APLIKASI
DIRECT METHANOL FUEL CELL
YURISKA SEKAR RANI
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR
Judul Skripsi : Sintesis dan Pencirian Membran Komposit Polistirena Tersulfonasi-Zeolit untuk Aplikasi Direct Methanol Fuel Cell Nama : Yuriska Sekar Rani
NIM : G44104032
Disetujui oleh
Dr Sri Mulijani, MS Pembimbing I
Armi Wulanawati, SSi, MSi Pembimbing II
Diketahui oleh
Prof Dr Dra Purwantiningsih Sugita, MS Ketua Departemen
PRAKATA
Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala rahmat dan karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema penelitian yang dilakukan sejak bulan Maret hingga September 2013 adalah fuel cell (sel bahan bakar), dengan judul Sintesis dan Pencirian Membran Komposit Polistirena Tersulfonasi-Zeolit untuk Aplikasi Direct Methanol Fuel Cell.
Penulis banyak mengucapkan terima kasih kepada yang terhormat Ibu Dr Sri Mulijani, MS dan Ibu Armi Wulanawati, SSi, MSi selaku pembimbing yang telah memberikan saran, kritik, ilmu, dan bimbingannya kepada penulis selama penelitian dan penyusunan karya ilmiah ini. Di samping itu, penulis juga mengucapkan terima kasih kepada staf laboratorium, yaitu Pak Uci, Pak Yani, Pak Ismail, Pak Eman, Pak Sawal, Pak Caca, Pak Sobur, Ibu Ai, Pak Jajang (Departemen Fisika), dan Pak Erizal (BATAN Patir) atas segala fasilitas dan kemudahan yang telah diberikan.
Ungkapan terima kasih takterhingga kepada orang-orang tersayang: Bapak, Ibu, Mas Bahtiar, Bagas, Sufi, dan Irul atas nasihat, semangat, dan doa-doa yang telah diberikan. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Yeny dan Kak Tyas selaku rekan penelitian, rekan-rekan Kimia Fisik dan semua pihak yang telah membantu atas kerja sama, doa, kebersamaan, diskusi, dan semangat yang berguna dalam penyelesaian karya ilmiah ini.
Semoga tulisan ini bermanfaat dan dapat menambah ilmu pengetahuan bagi penulis dan pembaca umumnya.
vi
DAFTAR ISI
DAFTAR GAMBAR vii
DAFTAR LAMPIRAN vii
PENDAHULUAN 1
BAHAN DAN METODE 2
Alat dan Bahan 2
Sulfonasi Polistirena 2
Preparasi Membran Komposit 2
Penentuan Derajat Sulfonasi 2
Pencirian Membran 3
Uji Kinerja Membran 3
HASIL DAN PEMBAHASAN 4
Membran Komposit Polistirena Tersulfonasi-Zeolit 4
Derajat Sulfonasi 6
Ciri-ciri Membran 6
Kinerja Membran 8
SIMPULAN DAN SARAN 12
Simpulan 12
Saran 12
DAFTAR PUSTAKA 12
DAFTAR GAMBAR
1 Reaksi sulfonasi polistirena pada posisi orto 5
2 Warna sebelum dan sesudah proses sulfonasi 5
3 Struktur klinoptilolit pada zeolit 6
4 Membran PSS dan PSS-Z 6
5 Spektrum inframerah membran polistirena, PSS, PSS-Z 7% dan
zeolit 7
6 Topografi membran polistirena, PSS, dan PSS-Z 7% 8 7 Kekasaran membran polistirena, PSS, dan PSS-Z 7% 8
8 Bobot jenis membran 9
9 Water uptake membran 10
10 Konduktivitas membran sebelum dan sesudah aktivasi 10
11 Sistem DMFC 11
12 Beda potensial pada berbagai jenis membran yang telah diaktivasi 12
DAFTAR LAMPIRAN
1 Bagan alir penelitian 15
2 Penentuan derajat sulfonasi 16
3 Penentuan bobot jenis 17
4 Penentuan water uptake 18
5 Penentuan konduktivitas proton 19
PENDAHULUAN
Krisis energi merupakan salah satu masalah yang ditimbulkan oleh semakin menipisnya minyak bumi sebagai sumber energi fosil yang diperkirakan akan habis dalam 18 tahun (Suka et al. 2008). Ketersediaan bahan bakar fosil yang semakin sedikit memicu penelitian sumber-sumber energi alternatif yang ramah lingkungan (Hendrana et al. 2007; Akhadi 2009). Salah satu solusi yang dikembangkan di negara maju ialah teknologi fuel cell (sel bahan bakar) dengan memanfaatkan bahan bakar yang terbarukan (Suhada 2001). Teknologi ini lebih efisien serta tidak menimbulkan polusi (Hasan 2007; Pramono et al. 2012).
Salah satu sel bahan bakar yang saat ini sedang dikembangkan adalah direct methanol fuel cell (DMFC) yang menggunakan polimer sebagai membran elektrolit dan bekerja pada suhu kamar dengan kerapatan daya cukup tinggi (Suhada 2001; Kundu et al. 2007). Membran elektrolit harus memiliki permeabilitas metanol rendah, konduktivitas proton tinggi, dan dapat digunakan pada suhu tinggi agar arus listrik yang dihasilkan cukup besar (Agoumba 2004). Membran elektrolit yang banyak digunakan adalah Nafion yang terbuat dari politetrafluoroetilena (PFTE) dengan menambahkan rantai cabang gugus sulfonat (Kundu et al. 2007; Liu et al. 2010). Kelebihan Nafion adalah konduktivitas protonnya tinggi, sebesar 0.086 S/cm pada 30 32 C (Smitha et al. 2005), karena memiliki gugus sulfonat yang mampu menghantarkan proton, serta memiliki ketahanan mekanik termal yang baik pada suhu kamar (Indriyati et al. 2004). Kekurangan membran tersebut selain mahal, juga memiliki permeabilitas metanol yang tinggi, sehingga menurun kinerjanya di atas 80 oC akibat terjadinya methanol cross-over pada katode (Handayani dan Dewi 2007).
Polistirena (PS) dapat dikembangkan sebagai pengganti Nafion karena sifatnya yang tahan terhadap senyawa kimia dan permeabel bagi proton (Suka et al. 2009). PS banyak ditemukan pada styrofoam yang mengandung 90 95% PS serta 5 10% gas n-butana dan n-pentana (BPOM 2008). Namun, struktur PS rapuh pada 100 120 °C sehingga perlu dimodifikasi dengan proses sulfonasi (Pramono et al. 2012). Dalam penelitian sebelumnya Susiyanti (2012) mendapatkan bahwa dengan menggunakan polistirena tersulfonasi (PSS) dari bahan styrofoam pada 30 oC, nilai konduktivitas proton naik dari 0.0114 10-6 S/cm menjadi 1.5511 10-6 S/cm. Salah satu membran komposit yang memberikan konduktivitas proton, permeabilitas, dan kekuatan mekanik yang tinggi ialah membran akrilonitril-butadiena-stirena (ABS)-zeolit pada suhu sulfonasi 60 C. Nilai konduktivitas proton yang dihasilkan mendekati Nafion, yaitu 0.058 S/cm (Handayani dan Dewi 2007). Putro (2013) yang menambahkan zeolit Lampung pada membran kitosan juga melaporkan nilai konduktivitas proton yang baik. Berdasarkan hal ini, penambahan zeolit dan suhu sulfonasi 60
C akan menghasilkan kinerja membran komposit yang lebih baik.
2
BAHAN DAN METODE
Alat dan Bahan
Alat yang digunakan antara lain peralatan kaca, oven, piknometer, neraca analitik, spektrofotometer inframerah transformasi Fourier (FTIR) Prestige-21 (Shimadzu), mikroskop gaya atom (AFM) Nanosurf Easyscan 2, dan LCR-meter HIOKI 3532-50. Bahan yang digunakan adalah limbah styrofoam sebagaisumber polistirena, zeolit (Lampung, aktivasi HCl 3 M, 250 mesh), diklorometana teknis, oleum (asam sulfat berasap), H2SO4, H2O2, kloroform teknis, metanol teknis 3 M,
NaOH teknis, HCl teknis, larutan K3Fe(CN)6 50 mM, larutan K2HPO4 100 mM,
dan air deionisasi.
Sulfonasi Polistirena (Xing et al. 2004)
Styrofoam yang telah dipotong kecil-kecil dilarutkan dengan konsentrasi 5%, 10%, dan 15% dalam kloroform hingga volume larutan 50 mL. Larutan diaduk dengan pengaduk mekanik pada kecepatan skala 1 hingga homogen. Oleum sebanyak 10 mL kemudian dimasukkan ke dalam corong pisah yang dihubungkan dengan labu leher tiga kosong, lalu diteteskan perlahan dan gas SO3
didorong oleh gas nitrogen menuju larutan tersebut. Sintesis dilakukan selama 45 menit di dalam ruang asam. Selanjutnya larutan polistirena tersulfonasi (PSS) dikering-udarakan selama 24 jam.
Preparasi Membran Komposit (Dewi dan Handayani 2007)
PSS kering-udara dilarutkan dalam diklorometana, lalu ditambahkan zeolit (0%, 3%, dan 5% dari bobot PSS). Larutan PSS-zeolit (PSS-Z) diaduk dengan pengaduk mekanik hingga homogen, kemudian dituang di atas pelat kaca yang telah diberi selotip pada keempat sisinya dengan ketebalan yang sama. Membran lalu dicetak dan dikering-udarakan selama 1 hari.
Penentuan Derajat Sulfonasi
Derajat sulfonasi (DS) ditentukan berdasarkan metode yang digunakan oleh Apriliana (2012). Sebanyak 0.1000 g PSS direndam dengan 10 mL NaOH 0.1000 N selama 3 hari, selanjutnya dititrasi dengan HCl 0.1000 N menggunakan indikator fenolftalein (PP) sebanyak 3 tetes. Titrasi dilakukan hingga warna berubah dari merah muda ke takberwarna. Volume HCl yang digunakan untuk titrasi NaOH tanpa sampel merupakan volume blangko, sedangkan volume HCl yang digunakan untuk titrasi NaOH dengan sampel merupakan volume sampel. Derajat sulfonasi ditentukan dengan persamaan 1:
Keterangan: N = normalitas HCl (N) BE = bobot ekuivalen (g/ek)
Pencirian Membran
Analisis dengan Mikroskop Gaya Atom
AFM dapat memberikan gambar dengan resolusi tinggi dan keterulangan yang baik hingga skala subselular pada membran. Membran (PS, PSS, dan PSS-Z) dengan ukuran 1 cm2 dianalisis menggunakan AFM NANOS Scan Panel. Modus tanpa-kontak (non contact mode) digunakan dengan tip tidak menyentuh membran.
Analisis dengan Spektrofotometer Inframerah Transformasi Fourier
Analisis gugus fungsi dilakukan berdasarkan spektrum inframerah membran, yang diperoleh dengan menggunakan spektrofotometer FTIR.
Uji Kinerja Membran
Penentuan Water Uptake
Membran (PS, PSS, dan PSS-Z) masing-masing dipotong dengan ukuran 1 cm2 kemudian dipanaskan dalam oven bersuhu 120 °C selama 24 jam untuk menentukan bobot keringnya. Selanjutnya membran kering direndam dalam air deionisasi pada suhu kamar selama 48 jam dan ditimbang kembali bobot basahnya (Liu et al. 2010). Water uptake membran diperoleh dari persamaan 2:
Water uptake (%)= ... (2) Penentuan Bobot Jenis
Membran dipotong dengan ukuran yang seragam. Bobot kosong piknometer ditimbang (W0), kemudian dimasukkan sepotong sampel dan ditimbang kembali
(W1). Akuades diisi penuh ke dalam piknometer berisi potongan sampel tersebut
hingga tidak terdapat gelembung udara, kemudian ditimbang bobotnya (W2).
Bobot piknometer berisi akuades juga ditimbang (W3). Densitas air (DI) dan
densitas udara (Da) dicatat untuk menentukan faktor koreksi suhu. Bobot jenis komposit PSS-zeolit diperoleh dari persamaan 3:
...(3)
Pengukuran Permeabilitas Metanol (Modifikasi Shin et al. 2005)
4
Pengukuran Konduktivitas Proton (Xing et al. 2004)
Konduktivitas proton dari membran yang melintang diukur menggunakan impedance analyzer LCR-meter. Pertama-tama, elektrode karbon dari baterai dibersihkan dan dibuat pipih pada salah satu sisinya. Elektrode kemudian diaktivasi dengan cara direndam dalam HCl 1 N selama 1 hari, dilanjutkan dalam NaOH 1 N selama 1 hari. Elektrode aktif dicuci dengan air deionisasi sebanyak 3 kali, dan direndam dalam air deionisasi hingga akan digunakan.
Membran diaktivasi dengan cara direndam berturut-turut dalam air deionisasi, dalam H2O2, dan dalam H2SO4, masing-masing selama 1 jam,
kemudian dibilas dengan air deionisasi 3 kali. Membran sebelum dan setelah diaktivasi diukur luasnya sesuai dengan luas elektrode, kemudian diukur ketebalannya dan dijepit di antara 2 elektrode karbon yang telah dihubungkan dengan impedance analyzer LCR-meter. Konduktans membran diukur dan nilai konduktivitas proton ditentukan berdasarkan persamaan 4:
σ = ... (4)
Konduktivitas dalam sistem sel bahan bakar diukur menggunakan 2 bejana. Bejana pertama sebagai anode diisi dengan 100 mL larutan metanol 3 M, bejana kedua sebagai katode diisi dengan 50 mL larutan K3Fe(CN)6 50 mM dan 50 mL
larutan K2HPO4 100 mM. Membran direkatkan pada bagian tengah di antara
kedua bejana tersebut. Elektrode karbon dimasukkan ke dalam kedua larutan, kemudian dihubungkan dengan kutub positif dan negatif. Beda potensial ditentukan menggunakan impedance analyzer LCR-meter.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Membran Komposit Polistirena Tersulfonasi-Zeolit
Membran polistirena tersulfonasi (PSS) dibuat dengan metode inversi fase. Limbah styrofoam yang merupakan sumber polistirena terlebih dahulu dilarutkan dengan kloroform (p.a), lalu disulfonasi untuk menambahkan gugus sulfonat (-SO3H) pada cincin aromatiknya melalui mekanisme reaksi substitusi elektrofilik
(Gambar 1). Adanya gugus SO3H pada cincin aromatik polistirena menambah
Gambar 1 Reaksi sulfonasi polistirena pada posisi orto
Pemilihan pereaksi berperan penting dalam reaksi sulfonasi. Dalam penelitian ini, dialirkan asam sulfat berasap (oleum) menggunakan gas nitrogen pada suhu 60 C selama 45 menit di ruang asam. Penggunaan oleum memiliki kelebihan, yaitu laju reaksi yang lebih cepat dan produk samping yang lebih sedikit ( Indriyati et al. 2004). Selama reaksi, larutan berubah dari tidak berwarna (Gambar 2a) menjadi kuning (Gambar 2b). Hasil sulfonasi dihilangkan pelarutnya pada suhu ruang selama 1 hari, kemudian padatan PSS ditambahkan zeolit 3%, 5%, dan 7% (dari bobot PSS), dilarutkan, dan diaduk perlahan dalam diklorometana hingga membentuk pasta siap cetak. Proses pengadukan secara lambat berperan penting dalam meminimumkan terbentuknya gelembung udara.
(a) (b)
Gambar 2 Warna sebelum (a) dan sesudah (b) proses sulfonasi
6
Gambar 3 Struktur klinoptilolit pada zeolit (merah: Si dan putih: Al) (Valdes et al. 2006)
Molekul zat dengan ukuran yang lebih kecil daripada ukuran diameter pori zeolit dapat melintas, sedangkan yang berukuran lebih besar akan tertahan atau ditolak (Suka et al. 2008). Membran PSS berwarna putih (Gambar 4a), sementara membran PSS-zeolit (PSS-Z) berwarna putih kekuningan (Gambar 4b).
(a) (b)
Gambar 4 Membran PSS (a) dan PSS-Z (b)
Derajat Sulfonasi
Derajat sulfonasi (DS) ditentukan secara titrimetri untuk mengetahui tingkat keberhasilan proses sulfonasi berdasarkan jumlah gugus sulfonat yang terbentuk. Membran PSS (5%, 10% dan 15%) menghasilkan nilai DS berturut-turut sebesar 93.94%, 99.46%, dan 99.93% (Lampiran 2). Membran PSS 10% menghasilkan nilai DS yang hampir sama dengan PSS 15%. Kenaikan nilai DS tidak terlalu besar, hanya 0.47%, berarti pada konsentrasi 15% gugus sulfonat yang terbentuk sudah maksimum sehingga penambahan PS dengan konsentrasi >15% akan tidak terlalu berpengaruh pada nilai DS. PSS yang memiliki nilai DS paling tinggi selanjutnya dipakai untuk pembuatan membran komposit. Hal ini disebabkan semakin tinggi nilai DS, membran akan semakin bersifat hidrofilik sehingga semakin besar perpindahan protonnya.
Ciri-ciri Membran
Gugus Fungsi
daerah serapan inframerah 4000−650 cm-1
. Analisis ini bertujuan menentukan interaksi yang terjadi pada proses pencampuran PSS dengan zeolit. Interaksi secara kimia ditandai dengan munculnya gugus fungsi baru dalam spektrum, sedangkan interaksi fisika ditandai dengan adanya gabungan gugus fungsi dari komponen-komponen penyusunnya.
Analisis spektrum IR membran PSS 15% (Gambar 5b) menunjukkan serapan gugus hidroksil (-OH) pada bilangan gelombang 3526.99 cm-1 ,berupa pita lebar yang tidak ditemukan pada polistirena (Gambar 5a). Serapan gugus sulfonat diperoleh di 994.35 cm-1 untuk vibrasi regang –SO3, dan 1195.92 cm-1
untuk S=O simetri (Gambar 5b). Gugus alkil pada cincin aromatik, yang berupa rantai karbon polistirena merupakan gugus pengarah orto dan para. Serapan di 834.25 cm-1 lebih lemah, mengindikasikan bahwa hanya sedikit gugus sulfonat terikat di posisi para, sedangkan Sebagian besar terikat di posisi orto dan menghasilkan serapan di 681.87 cm-1 (Pavia et al. 2001).
Spektrum komposit PSS-Z 7% (Gambar 5c) menunjukkan serapan pada 1091 cm-1, sesuai dengan spektrum zeolit (Gambar 5d) yang menunjukkan serapan khas pada 1062.82 cm-1 untuk gugus fungsi O-Si-O. Spektrum komposit PSS-Z 7% tidak menunjukkan terbentuknya gugus baru, yang menandakan bahwa pencampuran terjadi secara fisik.
Gambar 5 Spektrum inframerah membran PS (a), PSS (b), PSS-Z 7% (c), dan zeolit (d)
d
c
b
8
Kajian Topografi Membran
Kajian topografi membran PS, PSS, dan PSS-Z 7% dihasilkan dari pengukuran dengan AFM (Gambar 6). Topografi tersebut merupakan tampilan 3 dimensi dari roughness analysis (Ra). Pada topografi PSS (Gambar 6b), terdapat daerah gelap yang mengindikasikan adanya gugus sulfonat di daerah tertentu saja, sedangkan topografi PSS-Z 7% (Gambar 6c) mengindikasikan bahwa gugus sulfonat sudah tertutupi oleh zeolit.
(a) (b) (c)
Gambar 6 Topografi membran PS (a), PSS (b), dan PSS-Z 7% (c). Analisis AFM dapat menunjukkan kekasaran permukaan membran (Lira et al. 2007). Kekasaran tersebut dilihat dari puncak dan lembah yang curam (Gambar 7). Terlihat bahwa membran PS lebih kasar dibandingkan dengan membran PSS dan PSS-Z 7% (7c) sebagai akibat dari sifat hidrofobiknya. Adanya gugus sulfonat pada membran PSS menjadikannya lebih hidrofilik dan dapat menyerap air sehingga puncak dan lembah yang dihasilkan PSS semakin landai. Penambahan zeolit pada PSS-Z 7% meningkatkan kekasaran, tetapi tidak sekasar PS, yang menandakan bahwa membran PSS-Z 7% kurang cocok untuk diaplikasikan sebagai DMFC.
(a) (b) (c)
Gambar 7 Kekasaran membran PS (a), PSS(b), dan PSS-Z 7% (c).
Kinerja Membran
Bobot Jenis
molekul dalam menempati ruang. Apabila suatu molekul mempunyai tingkat keteraturan yang tinggi, maka bobot jenisnya akan semakin meningkat. Hal ini dapat digunakan untuk memprediksi sifat mekanik polimer (Kemala et al. 2010). Penambahan zeolit dengan konsentrasi PSS yang semakin besar didapati meningkatkan kerapatan polimer sehingga bobot jenisnya semakin besar (Gambar 8). Penambahan komposit zeolit 7% menghasilkan bobot jenis terbesar, yaitu 1.4476 g/mL (Lampiran 3). Hal ini disebabkan zeolit yang berfungsi sebagai pengisi rongga sudah berikatan secara fisik dengan PSS dan menembus jejaring polimer. Jarak antarrantai polimer dan volume yang ditempati akan semakin kecil sehingga keteraturan dan kerapatan molekul polimer meningkat.
Gambar 8 Bobot jenis membran Water Uptake
Water uptake ditentukan untuk mengetahui banyaknya air yang dapat diserap oleh membran (Suka et al. 2008). Kandungan air dalam membran cukup penting ditentukan karena berhubungan dengan kemampuan konduktivitasnya saat diaplikasikan sebagai sel bahan bakar. Nilai water uptake membran PS lebih kecil dibandingkan dengan PSS (Gambar 9), karena sifat membran berubah dari hidrofobik menjadi hidrofilik, sehingga semakin banyak air yang diserap. Semakin baik membran menyerap air (mengalami swelling),akan semakin mudah perpindahan proton dalam membran tersebut (Levin et al.2004). Di sisi lain, semakin banyak penambahan zeolit pada membran PSS akan menurunkan nilai water uptake. Nilai water uptake tertinggi dihasilkan oleh membran komposit PSS-Z 5%, yaitu 10.0717 % (Lampiran 4).
10
Gambar 9 Water uptake membran Permeabilitas Metanol
Permeabilitas metanol diuji secara kualitatif untuk mengamati adanya methanol crossover pada membran. Methanol crossover dapat menurunkan kinerja tegangan sel secara keseluruhan akibat hilangnya sebagian kecil bahan bakar yang digunakan dan laju reaksi di katode menjadi lambat (Handayani dan Dewi 2009). Hasil uji menunjukkan bahwa membran mampu menahan methanol crossover yang dibuktikan dengan keringnya tisu ketika diseka pada permukaan bawah membran. Berdasarkan hasil ini, semua membran yang dihasilkan memiliki permeabilitas metanol yang baik.
Konduktivitas Proton
Konduktivitas proton membran menunjukkan kemampuan proton bergerak dari anode ke katode (Handayani et al. 2007). Semakin besar nilai konduktivitasnya, membran tersebut semakin baik untuk digunakan dalam sistem sel bahan bakar (Hendrana et al. 2007). Pengukuran sebelum dan sesudah aktivasi menunjukan perbedaan konduktivitas membran. Aktivasi dengan menggunakan larutan H2O2 dan H2SO4 meningkatkan nilai konduktivitas membran, dengan nilai
konduktivitas proton tertinggi ditunjukkan oleh PSS-Z 5% (Gambar 10). Hasil ini sejalan dengan water uptake, yang menunjukkan bahwa adanya air di dalam membran dapat membantu transfer proton sehingga membran semakin baik untuk diaplikasikan pada sel bahan bakar.
Gambar 10 Konduktivitas membran sebelum dan sesudah aktivasi
Membran yang telah diaktivasi akan memiliki gugus penghantar proton yang lebih aktif sehingga konduktivitas protonnya akan semakin meningkat. Nilai konduktivitas proton cenderung meningkat dengan semakin banyaknya zeolit yang ditambahkan, tetapi menurun pada membran PSS-Z 7%. Pada membran non-aktivasi terjadi penurunan sebesar 11.02% dan pada membran non-aktivasi sebesar 25.69% (Lampiran 5).
Aplikasi DMFC
DMFC adalah tipe utama sistem elektrokimia yang mengambil H+ secara langsung dari metanol. Membran PSS dan komposit PSS-Z diukur kemampuannya sebagai membran elektrolit pada sistem sel bahan bakar. Metanol digunakan sebagai anode dan larutan K3[Fe(CN)6] dalam larutan bufer K2HPO4
sebagai katode (Gambar 11). Penelitian ini memanfaatkan elektrode batang karbon dari baterai yang tidak terpakai lagi. Kelebihan elektrode karbon ini ialah harganya relatif murah dan stabil dalam keadaan anaerob (Liu et al. 2010). Larutan K3[Fe(CN)6] (katode) berfungsi sebagai bahan pengoksidasi. Fe(III) yang
terkandung dalam larutan K3[Fe(CN)6] akan tereduksi menjadi Fe(II) oleh
elektron yang dialirkan dari anode (Sidharta et al. 2007).
Gambar 11 Sistem DMFC
Metanol sebagai bahan bakar secara langsung diubah menjadi energi listrik melalui proses kimia, dengan menggunakan membran sebagai pembatas yang berfungsi mengalirkan proton dari kompartemen anode ke katode. Proton akan melewati membran menuju ke katode, sedangkan elektron yang dihasilkan akan bergerak melalui rangkaian luar dan menuju ke katode pula, untuk melangsungkan proses reduksi (Levin et al. 2004). Aliran elektron dari anode menuju katode ini akan terukur nilai beda potensialnya melalui rangkaian alat LCR-meter.
Reaksi total yang terjadi pada sistem bahan bakar ialah sebagai berikut: Anode : CH3OH + H2O CO2 + 6H++ 6e
Katode : 6 H+ + 6 e + 3/2 O2 3 H2O
12
Nilai beda potensial terbesar diperoleh pada membran PSS-Z 5%, yaitu 15 mV (Lampiran 6). Penambahan zeolit pada PSS-Z 3% menjadi 5% dapat meningkatkan nilai beda potensial, tetapi tidak terlalu besar, peningkatannya sebesar 13.33% (Gambar 12). Besarnya nilai beda potensial akan berbanding lurus dengan nilai konduktivitas membran.
Gambar 12 Beda potensial pada berbagai jenis membran yang telah diaktivasi
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Membran komposit polistirena tersulfonasi-zeolit telah berhasil dibuat, yang ditunjukkan oleh spektrum FTIR dan topografi AFM. Proses sulfonasi dengan gas SO3 dari oleum pada suhu 60 oC dan penambahan komposit zeolit menghasilkan
nilai konduktivitas proton yang lebih baik. Membran PSS-Z 5% menghasilkan nilai konduktivitas dan beda potensial tertinggi, berturut-turut sebesar 2.0339 10-6 S/cm dan 15 mV serta mampu menahan methanol crossover sehingga dapat diaplikasikan untuk sel bahan bakar.
Saran
Membran PSS-zeolit perlu dicirikan lebih lanjut seperti dengan kalorimeter pemayaran diferensial untuk mengukur sifat termoplastik polimer, dan dengan uji kuantitatif permeabilitas metanol. Penggunaan elektrode platinum juga diperlukan untuk meningkatkan proses oksidasi, selain variasi komposit dengan zat aditif yang berbeda.
DAFTAR PUSTAKA
Agoumba D. 2004. Reduction of methanol crossover in direct methanol fuel cell (DMFC) [tesis]. Alabama (US): University of Alabama.
khadi M. 2009. Ekologi Energi. Mengenali Dampak Lingkungan dalam Pemanfaatan Sumber-sumber Energi. Yogyakarta (ID): Graha Ilmu.
Aprilliana SD. 2012. Membran polistirena tersulfonasi untuk aplikasi pada microbial fuel cell [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
[BPOM] Badan Pengawas Obat dan Makanan. 2008. Kemasan Polistirena Foam (Styrofoam). Jakarta (ID): BPOM.
Handayani S, Dewi EL. 2007. Karakterisasi komposit hidrokarbon polimer tersulfonasi (SABS-Z) sebagai alternatif polielektrolit untuk fuel cell. Indones J Mat Sci. 8(2):1-4.
Handayani S, Widodo WP, Dewi EL, Roekmitjati W. 2007. Sintesis dan karakterisasi membran elektrolit polieter-eter keton tersulfonasi, Indones J Mat Sci. 10:79-89.
Hasan A. 2007. Aplikasi fuel cell sebagai energi ramah lingkungan di sektor transportasi dan pembangkit. J Tek Ling. 8(3):277-286.
Hendrana S. Pujiastuti S, Sudirman, Rahayu I, Rustam YH. 2007. Pengaruh suhu dan tekanan proses pembuatan terhadap konduktivitas ionic membran PEMFC berbasis polistirena tersulfonasi. Indones J Mat Sci.8:187-191. Indriyati, Hendrana S, Pujiastuti. 2004. Karakterisasi membran polistirena
tersulfonasi. Di dalam: Prosiding Pertemuan Ilmiah Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan; Serpong, Indonesia. Serpong (ID): LIPI. hlm 92-96. Kemala T. Fahmi MS, Achmadi SS. 2010. Pembuatan dan pencirian polipaduan
polistirena pati. Indones J Mat Sci. 12(1):30-35.
Kundu PP, Kim BT, Ahn JE, Han HS, Shul YG. 2007. Formation and evaluation of semi-IPN of Nafion 117 membrane for direct methanol fuel cell. J Power Sources. 17(1):86-91.
Levin DB, Pitt L, Love M. 2004. Biohydrogen production: prospects and limitations to practical application. Int J Hydrogen Energy. 29(2):173-185. Lira, Santoz L, Azeredo J, Pimentel EY, Elisabete M, Oliveira R. 2007.
Comparative study of silicone-hydrogel contact lenses surfaces before and after wear using atomic force microscopy. J Biomed Mat. Part B: Appl Biomaterials. 85:361-367.doi: 10.1002/jbm.b.30954.
Liu Q, Song L, Zhang Z, Liu X. 2010. Preparation and characterization of the PVDF-based composite membrane for direct methanal fuel cell. Int J Energy & Environ. 1:643-656.
Pavia DL, Lampman GM, Kriz GS. 2001. Introduction to Spectroscopy. Ed ke-3. Washington (US): Thomson Learning.
Pramono E, Wicaksono A, Priyadi, Wulansari J. 2012. Pengaruh derajat sulfonasi terhadap degradasi termal polistirena tersulfonasi. Indones J Appl Phys. 2(2):157-160.
Putro AS. 2013. Membran komposit kitosan-zeolit untuk aplikasi direct methanol fuel cell. [Skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Shin JP, Chang BJ, Kim JH, Le SB, Suh DH. 2005. Sulfonated polystyrene/PTFE composite membrane. J Membrane Sci. 251:247-254.
14
Smitha B, Sridhar , Khan AA. 2005. Solid polymer electrolyte membranes for fuel cell applications—a review. J Membran Sci. 259:10–26.
Suhada H. 2001. Fuel cell sebagai penghasil energi abad 21. J Teknik Mesin. 3(2):92-100.
Suka IG, Simanjuntak W, Dewi El. 2008. Pembuatan membran polimer elektrolit berbasis polistiren akrilonitril (san) untuk aplikasi direct methanol fuel cell. J Sains MIPA. 10:97-103.
Suka IG, Rifán M, Pandiangan KD, Simanjuntak W, Dewi EL. 2009. Sulfonasi membran poliakrilonitril butadiena stirena (ABS) sebagai membran polimer elektrolit direct methanol fuel cell. J Sains MIPA. 15(1):28-34.
Susiyanti HF. 2012. Sintesis dan karakterisasi membran penukar proton polistirena tersulfonasi sebagai bahan perangkat direct methanol fuel cell [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Valdes MG, Perez-Cordoves AI, Dıaz-Garcıa ME. 2006. Zeolites and zeolite -based materials in analytical chemistry. J Trends Anal Chem. 25:24-30. Xing P, Gilles P, Guiver MD, Mikhailenko SD, Keping W, Kaliaguine S. 2004.
Lampiran 1 Bagan alir penelitian
Preparasi
membran polistirena (5%, 10%, dan 15 %
Uji Kinerja Membran: Derajat sulfonosi Bobot jenis Water uptake
Permeabilitas metanol Konduktivitas proton Uji kinerja DMFC Pencirian:
Analisis morfologi (AFM)
Analisis gugus fungsi (FTIR)
Sulfonasi (60 cC, 45 menit)
menit)
Penambahan zeolit (3%, 5%, dan 7% dari bobot polistirena) Polistirena tersulfonasi
16
Lampiran 2 Penentuan derajat sulfonasi
Larutan
Bobot Volume Volume HCl (mL) Derajat
Membran (g)
NaOH 1 N
(mL) Awal Akhir Terpakai
Sulfonasi (%)
PSS 5% 0.1036 10 0.10 5.80 5.70 93.94
PSS 10% 0.1060 10 23.10 28.70 5.60 99.46
PSS 15% 0.1055 10 28.70 34.30 5.60 99.93
Contoh perhitungan untuk DS 5% Diketahui:
Vawal = VHCl blangko = 6.90 mL
Vakhir = VHCl terpakai = 5.70 mL
BE SO3 = 80.06 g/ek
Standardisasi HCl
VNaOH × NNaOH = VHCl × NHCl
10 mL × 0.6990 N = 6.90 mL × NHCl
Lampiran 3 Penentuan bobot jenis
Membran Ulangan Bobot Piknometer (g) D
(g/mL) Rerata
Contoh perhitungan PS ulangan ke-1 :
18
Lampiran 4 Penentuan water uptake Membran Ulangan Bobot kering
Lampiran 5 Penentuan konduktivitas proton
Penentuan konduktivitas untuk membran PS (non-aktivasi)
σ
Keterangan:
Luas permukaan membran (A) = 1.00 cm x 5.00 cm = 5.00 cm2
Lampiran 6 Uji aplikasi sistem DMFC Jenis Membran Beda Potensial
20
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Pekalongan pada tanggal 21 November 1989 dari pasangan Heryanto Prabowo SH dan Dra Eki Widiyati. Penulis merupakan putri pertama dari 4 bersaudara.
Tahun 2007 penulis lulus dari SMA Negeri 3 Slawi dan melanjutkan pendidikannya melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI) di Program Keahlian Analisis Kimia Diploma IPB. Pada tahun yang sama, penulis melanjutkan ke Program Alih Jenis Kimia, Departemen Kimia, IPB.
