MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY
KOMPOSIT
POLISTIRENA TERSULFONASI-NATRIUM ALGINAT
UNTUK APLIKASI
DIRECT METHANOL FUEL CELL
DITA IRYANI
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 Membrane Electrode Assembly Komposit Polistirena Tersulfonasi-Natrium Alginat 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.
Bogor, Agustus 2014
ABSTRAK
DITA IRYANI. Membrane Electrode Assembly Komposit Polistirena Tersulfonasi-Natrium Alginat untuk Aplikasi Direct Methanol Fuel Cell. Dibimbing oleh ARMI WULANAWATI dan SRI MULIJANI.
Kinerja membran polimer elektrolit dapat ditingkatkan dengan membuat membrane electrode assembly (MEA). MEA berbasis membran komposit polistirena tersulfonasi-natrium alginat (PSS-natrium alginat) dibuat dengan mencetak membran komposit teraktivasi bersamaan dengan lapisan katalis Ag/C 20% pada suhu 120-125 °C selama 3 menit. Keberhasilan pembuatan MEA terlihat dari morfologinya yang dicirikan menggunakan mikroskop elektron pemayaran (SEM) dengan terbentuknya lapisan karbon dan membran pada penampang lintang MEA. MEA berbasis PSS-natrium alginat memiliki konduktivitas proton tertinggi, yaitu 2.672 × 10-4 S/cm atau meningkat 83% dari membran PSS-natrium alginat. Hal ini menunjukkan MEA PSS-natrium alginat dapat diaplikasikan pada sistem direct methanol fuel cell dan menghasilkan beda potensial sebesar 423 mV.
Kata kunci: komposit, membrane electrode assembly, natrium alginat, polistirena tersulfonasi, sel bahan bakar metanol.
ABSTRACT
DITA IRYANI. Membrane Electrode Assembly Based on Composite of Sulfonated Polystyrene-Sodium Alginate for Direct Methanol Fuel Cell. Supervised by ARMI WULANAWATI and SRI MULIJANI.
Polymer electrolyte membrane performance could be enhanced by producing a membrane electrode assembly (MEA). MEA based on composite of sulfonated polystyrene and sodium alginate (SPS-sodium alginate) was made by pressing an activated composite membrane with 20% Ag/C catalyst layer at 120-125 °C for 3 minutes. The success of preparing MEA represented by its morphology as characterized using scanning electron microscope (SEM) with the formation of carbon and membrane layers on its cross section. MEA based on SPS-alginate showed the highest proton conductivity of 2.627 × 10-4 S/cm, or increased of 83% as compared with the SPS-alginate membrane. The result indicated that MEA based on SPS-alginate could be applied to direct methanol fuel cell system and produced a potential difference of 423 mV.
MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY
KOMPOSIT
POLISTIRENA TERSULFONASI-NATRIUM ALGINAT
UNTUK APLIKASI
DIRECT METHANOL FUEL CELL
DITA IRYANI
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains
pada
Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR
Judul Skripsi : Membrane Electrode Assembly Komposit Polistirena Tersulfonasi-Natrium Alginat untuk Aplikasi Direct Methanol Fuel Cell
Nama : Dita Iryani
NIM : G44100050
Disetujui oleh
Diketahui oleh
Tanggal Lulus:
Armi Wulanawati, SSi, MSi Pembimbing I
Dr Sri Mulijani, MS Pembimbing II
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas berkat limpahan rahmat dan hidayah-Nya, penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah yang berjudul Membrane Electrode Assembly Komposit Polistirena Tersulfonasi-Natrium Alginat untuk Aplikasi Direct Methanol Fuel Cell. Karya Ilmiah ini disusun berdasarkan penelitian yang dilaksanakan pada bulan Februari hingga Mei 2014 di Laboratorium Kimia Fisik Departemen Kimia IPB.
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Ibu Armi Wulanawati, SSi, MSi dan Ibu Dr Sri Mulijani, MS selaku pembimbing atas bimbingan, semangat dan dukungan yang diberikan kepada penulis. Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada orang tua penulis atas doa, dukungan, dan pengertiannya serta pihak-pihak di Laboratorium Kimia Fisik, antara lain Pak Mail dan Ibu Ai. Pak Yani selaku staf Laboratorium Fisika Membran, serta Mbak Prita (UIN Jakarta) atas bantuannya selama melaksanakan penelitian. Terima kasih juga penulis ucapkan kepada Eva, Vallian, Ginna, Hawari, dan Suci selaku teman seperjuangan yang selalu membantu dan memberi semangat, serta Ignasius Setiadi dan teman-teman kimia 47 lainnya atas doa, bantuan, dan semangat yang diberikan.
Penulis berharap karya ilmiah ini dapat bermanfaat bagi perkembangan ilmu pengetahuan.
Bogor, Agustus 2014
DAFTAR ISI
Sintesis Polistirena Tersulfonasi (PSS) 2
Penentuan Derajat Sulfonasi 2
Pembuatan Membran Komposit 3
Pengukuran Bobot Jenis 3
Pengukuran Water Uptake 3
Pembuatan Membrane Electrode Assembly 3
Pencirian Membran 4
Analisis FTIR 4
Analisis SEM 4
Pengukuran Permeabilitas Metanol 4
Pengukuran Konduktivitas Proton 4
Uji Aplikasi Sistem DMFC 4
HASIL DAN PEMBAHASAN 5
Membran Komposit Polistirena Tersulfonasi-Natrium Alginat 5
Water Uptake 7
Bobot Jenis 8
Analisis Gugus Fungsi 8
Pembuatan Membrane Electrode Assembly 9
Analisis Morfologi Membran 10
Permeabilitas Metanol 12
Konduktivitas Proton 12
Uji Aplikasi Sistem DMFC 13
SIMPULAN DAN SARAN 14
Simpulan 14
Saran 14
DAFTAR PUSTAKA 14
x
DAFTAR GAMBAR
1 Reaksi sulfonasi posisi para 5
2 Ikatan silang polistirena tersulfonasi posisi para 6
3 Struktur alginat 6
4 Membran PSS dan PSS-natrium alginat 7
5 Persentase rerata water uptake 7
6 Rerata bobot jenis membran PS, PSS, dan PSS-natrium alginat 8 7 Spektrum inframerah PS, PSS, natrium alginat, dan PSS-natrium alginat 9 8 Lapisan elektrode berkatalis dan MEA PSS-natrium alginat 10 9 Morfologi permukaan dan penampang lintang membran PSS-natrium
alginat pada perbesaran 10000× 10
10 Morfologi permukaan dan penampang lintang membran PSS-PTFE
pada perbesaran 10000× 11
11 Morfologi penampang lintang MEA PS, PSS, PSS-natrium alginat pada
perbesaran 10000× 11
12 Konduktivitas proton membran PSS-natrium alginat pada elektrode
karbon dan logam 12
13 Peningkatan konduktivitas proton pada elektrode karbon dan logam 13
14 Bejana sistem DMFC 13
DAFTAR LAMPIRAN
1 Diagram alir penelitian 16
2 Data penentuan derajat sulfonasi 17
3 Data penentuan water uptake 18
4 Data penentuan bobot jenis 19
5 Data analisis FTIR 20
6 Data penentuan konduktivitas proton 21
7 Data peningkatan konduktivitas 22
1
PENDAHULUAN
Angka kebutuhan energi listrik masyarakat terus mengalami peningkatan setiap tahunnya. Menurut Badan Pusat Statistik, pada tahun 2012 kebutuhan listrik rumah tangga di Indonesia mencapai 41.5% dari kebutuhan total. Angka tersebut mengalami kenaikan sebanyak 3% semenjak tahun 2005 (BPS 2012). Seiring dengan peningkatan yang terus terjadi, kondisi pembangkit listrik yang telah tersedia belum optimal dan tidak menjamin terpenuhinya semua kebutuhan karena berasal dari bahan yang tidak terbarukan. Sejauh ini pasokan terbesar energi listrik di Indonesia berasal dari pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) berbahan bakar batubara (KESDM 2012), yang merupakan salah satu bahan bakar fosil tak terbarukan dan pemanfaatan batubara sebagai bahan bakar juga menimbulkan dampak negatif terhadap lingkungan (Aziz et al. 2006). Oleh sebab itu, dibutuhkan suatu energi alternatif yang ramah lingkungan serta dapat terbarukan.
Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) adalah sel bahan bakar berbasis metanol. DMFC merupakan salah satu sumber energi alternatif yang ramah lingkungan dan dapat diperbaharui. Secara umum suatu sel bahan bakar terdiri atas katode, anode, dan keduanya dipisahkan dengan suatu membran polimer elektrolit (Tricoli dan Carreta 2002). Membran polimer elektrolit menjadi komponen penting dalam sel bahan bakar karena kemampuannya sebagai media transfer proton. Efisiensi yang dihasilkan dari sistem ini dapat mencapai 40-50% dari daya total (Prihatiningsih et al. 2009). Namun angka tersebut masih belum mencukupi kebutuhan komersial, sehingga dikembangkan upaya untuk meningkatkan efisiensi sistem sel bahan bakar. Salah satu upaya tersebut adalah meni
Peningkatkan kinerja membran polimer elektrolit dengan membuat Membrane Electrode Assembly (MEA). MEA merupakan membran polimer elektrolit yang dicetak bersamaan dengan lapisan elektrode berkatalis. Pemanfaatan MEA pada sistem sel bahan bakar dapat meningkatkan efisiensi sekitar 10-20% karena adanya katalis yang mempercepat reaksi di anode (Peck et al. 1999).
Nafion merupakan contoh membran elektrolit komersial. Nafion atau politetrafloroetilena (PTFE) dengan rantai cabang mengandung gugus asam sulfonat memiliki konduktivitas proton yang sangat baik, yaitu 0.082 S/cm pada suhu 25 ºC (Shin et al. 2005). Namun nilai konduktivitas proton Nafion dapat menurun pada suhu tinggi dan akibat adanya methanol crossover yang menyebabkan berkurangnya jumlah bahan bakar (Handayani dan Dewi 2008). Kini banyak dikembangkan membran polimer elektrolit alternatif yang stabil terhadap panas dan tidak mengalami methanol crossover.
Polistirena merupakan polimer yang tersusun dari monomer stirena atau yang lebih dikenal dengan styrofoam. Polistirena termasuk ke dalam polimer hidrofobik dan memiliki stabilitas termal yang baik. Upaya meningkatkan hidrofilisitas polistirena dapat dilakukan dengan memodifikasi gugus benzena pada polistirena dengan gugus-gugus penambah kepolaran, seperti gugus sulfonat (-SO3) (Shin et al. 2005). Proses modifikasi ini dikenal sebagai proses sulfonasi.
2
rendah dibandingkan dengan konduktivitas proton Nafion. Untuk meningkatkan konduktivitas proton PSS, dilakukan penambahan bahan aditif yang bersifat polar seperti natrium alginat. Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Anggraini (2013), konduktivitas proton yang dihasilkan PSS yang dikomposit natrium alginat adalah 4.1825 × 10-6 S/cm dengan beda potensial sebesar 20 mV pada suhu 60 ºC. Nilai tersebut menunjukkan kenaikan konduktivitas akibat penambahan komposit, namun belum mendekati nilai konduktivitas Nafion.
Berdasarkan uraian tersebut, pada penelitian ini dibuat membrane electrode assembly berbasis polistirena tersulfonasi yang dikomposit natrium alginat dengan katalis Ag/C. Tujuan penelitian ini adalah mempelajari pengaruh pembuatan membrane electrode assembly terhadap kinerja membran komposit polistirena tersulfonasi-natrium alginat pada sistem DMFC.
BAHAN DAN METODE
Bahan dan Alat
Bahan-bahan yang digunakan adalah polistirena, natrium alginat, AgNO3,
karbon grafit, kertas karbon, kloroform, oleum, diklorometana, NaOH 1 N, HCl 1 N, metanol, larutan K3Fe(CN)6, larutan Na2HPO4, fenolftalein, dan akuades.
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah peralatan gelas, oven, labu leher tiga, waterbath ultrasonik, piknometer, hotpress, neraca analitik, elektrode karbon, besi, tembaga, SEM JEOL JSM 836 OLA, FTIR Shimadzu Prestige-21, dan LCR-meter HIOKI 3532-50.
Metode
Sintesis Polistirena Tersulfonasi (PSS) (Modifikasi Peixiang et al. 2004)
Polistirena tersulfonasi (PSS) dibuat dengan mereaksikan 15 gram polistirena dalam 50 mL kloroform dengan 10 mL oleum serta gas N2 pada suhu
60 ºC dan pengadukan konstan selama 30 menit di lemari asam. Larutan polistirena yang telah tersulfonasi dikeringkan pada suhu kamar selama 24 jam. Setelah 24 jam, padatan yang terbentuk dicuci dengan air hingga pH netral dan dikeringkan dalam oven pada suhu 30 ºC.
Penentuan Derajat Sulfonasi (Martins et al. 2007)
Derajat sulfonasi (DS) ditentukan dengan metode titrasi. Sebanyak 0.1 g PSS direndam dalam 10 mL NaOH 1 N selama 3 hari, kelebihan NaOH dititrasi dengan HCl menggunakan indikator fenolftalein. NaOH yang digunakan distandardisasi terlebih dahulu. Derajat sulfonasi diperoleh melalui persamaan 1.
DS = ( - e ) × 100% Keterangan:
Vawal = Volume HCl blangko (mL)
3
Vakhir = Volume HCl sampel (mL)
N = Normalitas HCl (N) BE = Bobot ekuivalen (g/ek)
Pembuatan Membran Komposit (Dewi dan Handayani 2007)
Natrium alginat dengan konsentrasi 3%(b/b) dari bobot PSS ditambahkan ke dalam PSS yang dilarutkan dalam diklorometana. Campuran diaduk dengan pengaduk magnet hingga homogen. Setelah homogen membran dicetak di atas pelat kaca.
Pengukuran Bobot Jenis
Bobot jenis ditentukan dengan metode piknometri. Membran PSS-Natrium alginat dipotong dengan ukuran yang seragam, kemudian dimasukkan ke dalam piknometer yang telah diketahui bobot kosongnya (w0). Bobot piknometer dan
sampel dicatat sebagai (w1). Kemudian piknometer yang berisi sampel
ditambahkan akuades hingga tidak terdapat gelembung udara dan ditimbang bobotnya (w2). Bobot piknometer berisi air juga ditimbang dan bobotnya dicatat
sebagai (w3). Bobot jenis sampel dihitung menggunakan persamaan 2.
[ ] da
Pengukuran water uptake membran PSS-Natrium alginat dilakukan dengan mengeringkan membran berukuran 1×1 cm2 dalam oven bersuhu 120 ºC selama 24 jam lalu ditimbang sebagai wkering. Selanjutnya, membran direndam dalam
akuades selama 24 jam. Setelah itu membran dikeluarkan dari air dan dilap menggunakan tisu lalu dilakukan ditimbang sebagai wbasah. Persentase water
uptake diperoleh melalui persamaan 3.
%Water uptake = -
Pembuatan Membrane Electrode Assembly (Wisojodharmo dan Dewi 2008)
Tinta katalis dibuat dengan mencampurkan 20% katalis Ag/C dengan 5% larutan PSS - natrium alginat dengan pelarut diklorometana dan diaduk hingga membentuk bubur. Lapisan elektrode dibuat dengan mengoleskan campuran tinta katalis di permukaan kertas karbon. MEA dibentuk dengan menghimpitkan membran PSS - natrium alginat yang telah diaktivasi dengan dua lapisan elektrode berkatalis dan dicetak menggunakan hotpress selama 3 menit.
(2)
4
Pencirian Membran
Analisis dengan Menggunakan Spektrofotometer Inframerah Transformasi Fourier (FTIR)
Analisis gugus fungsi dilakukan menggunakan spektrofotometer FTIR dengan resolusi 4 dan payar 32. Analisis menggunakan FTIR dilakukan untuk mengetahui perubahan gugus fungsi dari membran PSS dan PSS-Natrium alginat.
Analisis dengan Menggunakan Miksrokop Elektron Pemayaran (SEM)
Analisis menggunakan SEM (Scanning Electron Microscope) dilakukan untuk melihat morfologi dari masing-masing membran yang dibuat berdasarkan bagian muka dan penampang lintang untuk melihat lapisan membran.
Pengukuran Permeabilitas Metanol
Permeabilitas metanol diuji secara kualitatif untuk melihat metanol yang lewat melalui membran. Bejana diisi dengan 160 mL metanol dan rekatkan membran di ujung bejana. Selanjutnya, posisi sistem dibalik agar metanol berada diatas membran selama 30 menit, kemudian bagian bawah membran dilap dengan tisu untuk melihat metanol yang terdifusi melalui membran.
Pengukuran Konduktivitas Proton
Membran berukuran (6x1) cm2 yang telah diaktivasi diapit dua elektrode karbon serta besi dan tembaga yang dihubungkan dengan kutub positif dan negatif dari alat LCR-meter, sehingga muncul nilai konduktansi membran. Konduktivitas proton dapat diperoleh melalui persamaan 4.
σ = G
Keterangan :
σ : k nduk ivi r n S/c A : luas permukaan (cm2)
l : jarak antar kedua electrode (cm) G : nilai konduktansi (S)
Uji Aplikasi Sistem DMFC
Pengukuran beda potensial listrik dalam sistem sel bahan bakar dilakukan menggunakan 2 sistem bejana, yaitu sistem anode dan katode. Bejana pertama sebagai sistem anode berisi 160 mL metanol 0.3 N sedangkan bejana kedua sebagai sistem katode berisi campuran 80 mL larutan K3Fe(CN)6 1 mM dan 80
mL larutan Na2HPO41 mM. Membran direkatkan pada bagian tengah kedua
bejana tersebut. Beda potensial listrik diukur dengan menghubungkan elektrode yang dimasukan ke dalam kedua bejana yang terhubungkan dengan kutub positif dan negatif dari impedance analyzer.
5
HASIL DAN PEMBAHASAN
Membran Komposit Polistirena Tersulfonasi-Natrium Alginat
Sintesis polistirena tersulfonasi (PSS) dilakukan dengan penambahan oleum sebagai agen pensulfonasi dan gas nitrogen yang mendorong gas SO3 ke dalam
larutan polistirena pada suhu 60 °C. Selama proses sulfonasi berlangsung, larutan polistirena mengalami perubahan warna dari tidak berwarna menjadi kekuningan yang menandakan telah masuknya gugus –SO3 ke dalam polistirena. Selain
menggunakan oleum, proses sulfonasi dapat dilakukan menggunakan agen pensulfonasi lainnya seperti H2SO4 dengan bantuan katalis P2O5 (Bozkurt 2005).
Penggunaan oleum sebagai agen pensulfonasi lebih menguntungkan karena waktu reaksi yang dibutuhkan lebih cepat, bahan yang dibutuhkan sedikit, dan rendemen yang dihasilkan lebih banyak.
Proses sulfonasi termasuk reaksi substitusi elektrofilik aromatik karena terjadinya substitusi atom -H yang terikat pada salah satu atom C aromatik polistirena dengan gugus –SO3 yang bertindak sebagai elektrofilik (McMurry
2008). Reaksi sulfonasi pada struktur polistirena memungkinkan substitusi terjadi
pada posisi orto- dan para- karena adanya gugus etilena yang memberikan efek dorongan elektron pada cincin aromatik. Namun reaksi substitusi lebih mudah terjadi pada posisi para- karena adanya halangan sterik pada posisi orto- (McMurry 2008). Reaksi sulfonasi pada posisi para ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1 Reaksi sulfonasi posisi para
6
Gambar 2 Ikatan silang polistirena tersulfonasi posisi para
Keberhasilan sulfonasi dapat ditunjukkan dengan derajat sulfonasi (DS). Besarnya nilai DS menandakan banyaknya gugus sulfonat (–SO3) yang mensubstitusi atom –H pada gugus aromatik. Derajat sulfonasi untuk PSS yang dihasilkan sebesar 21.35% (Lampiran 2). Hal tersebut menunjukkan bahwa sekitar 21% dari total rantai polistirena telah tersubstitusi gugus –SO3. Besarnya nilai DS dipengaruhi
oleh suhu, waktu, dan jumlah agen pensulfonasi (Martins et al. 2007). Nilai DS menunjukkan kemampuan menyerap air pada membran yang berfungsi sebagai media perpindahan proton. Tidak hanya proses sulfonasi, penambahan komposit juga dapat meningkatkan sifat-sifat membran. Menurut Anto (2013) dan Anggraini (2013), penambahan natrium alginat dapat meningkatkan hidrofilisitas membran dan nilai konduktivitas protonnya. Natrium alginat memiliki gugus garam karboksilat yang mudah terurai menjadi ion di dalam air (Gambar 3).
Gambar 3 Struktur alginat
7
sedangkan membran komposit PSS-natrium alginat memiliki tekstur kasar di permukaan (Gambar 4b).
Gambar 4 Membran (a) PSS, (b) PSS-natrium alginat
Water Uptake
Kemampuan menyerap air atau water uptake suatu membran mencirikan hidrofilisitas membran tersebut. Sifat tersebut berbanding lurus dengan kemampuan membran sebagai media transfer proton. Namun ketika hidrofilisitas suatu membran sangat tinggi, membran tersebut dapat larut dengan air dan tidak dapat digunakan sebagai media transfer proton pada sel bahan bakar. Polistirena merupakan material dengan hidrofilisitas yang rendah. Oleh sebab itu, proses sulfonasi dan penambahan komposit natrium alginat dapat meningkatkan sifat hidrofilisitas dari polistirena. Data pada Lampiran 3 menunjukkan nilai persen water uptake sebesar 0.69%, 5.15%, dan 13.38% berturut-turut untuk PS, PSS, PSS–natrium alginat. Berdasarkan data tersebut, diketahui bahwa gugus sulfonat dan natrium alginat dapat meningkatkan daya serap air membran PS berturut-turut 8 dan 20 kali lebih besar. Gugus sulfonat merupakan salah satu gugus higroskopis dandapat meningkatkan sifat hidrofilisitas membran. Membran PSS yang ditambahkan komposit natrium alginat memiliki nilai water uptake tertinggi karena sifat dari natrium alginat yang cenderung polar. Peningkatan nilai water uptake ditunjukkan Gambar 5.
Gambar 5 Persentase rerata water uptake
8
Bobot Jenis
Bobot jenis atau densitas menunjukkan kerapatan dari membran yang dihasilkan. Semakin rapat suatu struktur maka nilai bobot jenisnya akan meningkat (Kemala et al. 2011). Masuknya gugus sulfonat yang cukup besar mempengaruhi struktur PS yang teratur menjadi kurang teratur atau acak serta memungkinkan terjadinya interaksi antarmolekul (Pramono et al. 2012). Selain itu penambahan komposit natrium alginat dapat meningkatkan kerapatan membran karena fungsinya sebagai pengisi pori-pori PSS. Berdasarkan data pada Lampiran 4, dapat dilihat membran PSS-natrium alginat memiliki bobot jenis tertinggi, yaitu 1.1611 g/mL. Peningkatan nilai bobot jenis ditunjukkan pada Gambar 6.
Gambar 6 Rerata bobot jenis membran PS, PSS, dan PSS-natrium alginat
Analisis Gugus Fungsi
9
Natrium alginat memiliki daerah serapan khas untuk garam karboksilat pada bilangan gelombang 1600-1400 cm-1 (Pavia et al. 2009). Berdasarkan Gambar 7, natrium alginat memiliki serapan pada daerah 1614.92 cm-1 untuk regang asimetrik garam karboksilat dan 1423.75 cm-1. Natrium alginat diduga hanya berinteraksi secara fisik dengan PSS, dibuktikan tidak munculnya serapan baru pada membran PSS-natrium alginat di daerah 1600-1400 cm-1 yang menunjukkan serapan khas garam karboksilat (Gambar 7).
Gambar 7 Spektrum inframerah PS, PSS, natrium alginat, dan PSS-natrium alginat
Membrane Electrode Assembly
Membrane Electrode Assembly (MEA) dibuat dengan menghimpitkan membran dengan tinta katalis yang tersangga pada lapisan kertas karbon. Tinta katalis yang dibuat merupakan campuran antara AgNO3, karbon grafit, dan larutan
membran yang selanjutnya dicetak pada permukaan kertas karbon (Gambar 8a). Campuran tinta katalis dapat mempercepat proses oksidasi metanol pada sistem DMFC. Katalis yang dimaksud adalah Ag/C. Kemampuan MEA mengkatalisis proses oksidasi terjadi karena adanya Ag yang bersifat oksidator. Selain Ag, dapat digunakan logam-logam lain yang bersifat oksidator seperti Cu, Pt, dan Au untuk menghasilkan kinerja MEA yang optimum. Katalis yang sering digunakan adalah Pt, namun pada penelitian ini digunakan Ag karena potensial reduksi Ag tidak jauh berbeda dengan Pt, yaitu 0.80 V untuk Ag dan 1.18 V untuk Pt. Selain itu, ketersediaan Ag dalam bentuk garam lebih mudah ditemukan.
Komposisi campuran katalis yang dibuat dapat mempengaruhi kinerja MEA yang dihasilkan. Menurut Wisojodharmo dan Dewi (2008), campuran dengan perbandingan 20% katalis dan 5% larutan membran menghasilkan kinerja optimum dari MEA. Semakin tinggi konsentrasi katalis yang terdapat pada MEA, maka proses oksidasi akan semakin cepat. Namun apabila konsentrasi katalisnya terlalu tinggi maka kinerja membran sebagai media transfer proton yang terdapat pada MEA akan tertutupi. MEA dibuat dengan menghimpitkan membran yang
Bilangan gelombang (cm-1)
% T
ran
sm
10
telah diaktivasi diantara dua lapisan elektrode berkatalis. Ketiganya dicetak dengan bantuan suhu tinggi sehingga dihasilkan MEA (Gambar 8b).
Gambar 8 (a) Lapisan elektrode berkatalis, (b) MEA PSS-natrium alginat
Analisis Morfologi Membran
Analisis morfologi membran dilakukan menggunakan scanning electron microscope (SEM). Analisis ini bertujuan mengetahui morfologi dari membran yang dibuat. Hasil pencitraan permukaan membran komposit PSS-natrium alginat menunjukkan hasil permukaan yang halus dan tidak terlihat pori, sehingga membran tersebut tergolong ke dalam membran non-pori (Gambar 9a). Penambahan natrium alginat ke dalam PSS akan membentuk rongga-rongga pada struktur PSS. Hal tersebut ditunjukkan oleh hasil analisis penampang lintang membran, terlihat rongga yang terbentuk antara PSS dan natrium alginat (Gambar 9b).
Gambar 9 Morfologi (a) permukaan dan (b) penampang lintang membran PSS-natrium alginat pada perbesaran 10000×
Hal ini juga terlihat pada penelitian Shin et al. (2005) untuk membran PSS-PTFE. Menurut Shin et al. (2005), membran PSS termasuk ke dalam membran non-pori dengan permukaan yang halus (Gambar 10a) dan penambahan zat aditif
(a) (b)
11
ke dalam membran akan membentuk rongga-rongga pada strukturnya (Gambar 10b). Rongga yang terbentuk ini akan memudahkan transfer proton pada sistem sel bahan bakar (Shin et al. 2005).
Gambar 10 Morfologi (a) permukaan dan (b) penampang lintang membran PSS-PTFE (Shin et al. 2005) pada perbesaran 10000×
Analisis morfologi pada MEA juga dilakukan untuk mengetahui morfologi penampang lintang dari MEA yang dihasilkan. Menurut Kim et al. (2008), salah satu indikator keberhasilan pembuatan MEA adalah terbentuknya lapisan katalis dan lapisan membran yang terlihat pada penampang lintang membran. Berdasarkan hasil pencitraan yang diperoleh, terlihat bahwa ketiga MEA yang dihasilkan masing-masing terdiri atas lapisan karbon dan lapisan membran. Lapisan karbon yang terlihat menunjukkan lapisan katalis yang terbentuk. Perbedaan morfologi MEA terlihat pada lapisan membrannya. Lapisan membran pada MEA PS menunjukkan bentuk yang menjari (Gambar 11a), sesuai dengan morfologi dari PS yang memiliki struktur teratur dan menjari. Lapisan membran pada MEA PSS terlihat lebih mengembang yang menandakan adanya gugus –SO3
pada PS (Gambar 11b). Adanya gugus –SO3 pada struktur PS membuat struktur
PS menjadi lebih acak (Pramono et al. 2012). Lapisan membran pada MEA PSS-natrium alginat menunjukkan butiran PSS-natrium alginat yang tidak larut terlihat mengisi rongga yang terbentuk akibat adanya penambahan natrium alginat pada membran PSS (Gambar 11c).
Gambar 11 Morfologi penampang lintang MEA (a) PS, (b) PSS, (c) PSS-natrium alginat pada perbesaran 10000×
(a)
(a) (b)
12
Permeabilitas Metanol
Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) adalah sel bahan bakar berbasis metanol sebagai bahan bakar. Permeabilitas metanol merupakan kemampuan metanol berdifusi melewati membran dari kompartemen anode ke katode (methanol crossover). Methanol crossover terjadi pada membran berpori dan apabila terjadi hal tersebut maka bahan bakar akan berkurang dan energi yang dihasilkan tidak optimal (Handayani dan Dewi 2008). Berdasarkan pengujian yang dilakukan diperoleh hasil tidak terjadi peristiwa methanol crossover pada semua membran yang ditandai keringnya permukaan membran. Hal tersebut menunjukkan bahwa membran yang dihasilkan dapat digunakan pada aplikasi DMFC.
Konduktivitas Proton
Nilai konduktivitas proton menunjukkan kemampuan membran untuk melewatkan proton dari anode ke katode. Konduktivitas proton diukur menggunakan elektrode karbon dan logam. Logam yang digunakan adalah besi di katode dan tembaga di anode. Nilai konduktivitas proton berbanding lurus dengan nilai water uptake membran itu sendiri. Persentase water uptake tertinggi dimiliki membran PSS-natrium alginat. Nilai konduktivitas proton membran tersebut juga lebih tinggi dibandingkan PSS dan PS pada kedua elektrode (Lampiran 6). Berdasarkan data pada Lampiran 6, terlihat konduktivitas proton tertinggi dihasilkan melalui pengukuran dengan elektrode logam, sebab daya hantar logam lebih baik dibandingkan karbon. Selain itu resistensi logam lebih rendah dari pada karbon, yaitu 1.72×10-9 Ωm, 9×10-9 Ωm, dan 3.5×10-5 Ωm berturut-turut untuk tembaga, besi, dan karbon. Nilai konduktivitas proton membran PSS-natrium alginat yang diukur menggunakan elektrode logam adalah 1.24×10-4 S/cm, 1.461×10-4 S/cm, dan 2.672×10-4 S/cm berturut-turut untuk membran non-aktivasi, aktivasi, dan MEA. Nilai konduktivitas proton tertinggi ditunjukkan oleh MEA PSS-natrium alginat karena MEA tersusun atas lapisan elektrode berkatalis yang mengandung Ag sehingga dapat mempercepat proses oksidasi. Peningkatan nilai konduktivitas proton membran PSS-natrium alginat ditunjukkan pada Gambar 12.
13
Pembuatan MEA meningkatkan konduktivitas membran berkisar 40-140% (Gambar 13). Berdasarkan data pada Lampiran 7, peningkatan terbesar dihasilkan PSS yaitu 120-140%. Hal ini disebabkan ketebalan MEA dan kekentalan tinta katalis yang dibuat berbanding lurus dengan konduktivitas proton yang dihasilkan (Kim et al. 2008).
Gambar 13 Peningkatan konduktivitas proton pada elektrode karbon ( ) dan logam ( )
Aplikasi Sistem DMFC
Pengujian sistem DMFC dilakukan menggunakan sebuah bejana sederhana yang terdiri dari dua bejana. Bejana A berisi metanol sebagai bahan bakar dan bejana B berisi larutan K3Fe(CN)6 dan larutan Na2HPO4. Bejana sistem
ditunjukkan pada Gambar 14.
Gambar 14 Bejana sistem DMFC
Pemilihan bahan bakar bergantung dari kemudahan bahan teroksidasi serta banyaknya sediaan hidrogen. Metanol memiliki potensial reduksi lebih rendah dibandingkan air, sehingga lebih mudah teroksidasi menghasilkan elektron dan proton. Reaksi oksidasi metanol di anode menghasilkan CO2, elektron, dan
proton, selanjutnya CO2 akan terlepas sedangkan proton berdifusi melewati
membran ke katode. Elektron yang terkumpul di anode mengalir ke katode dengan bantuan elektrode dan menghasilkan beda potensial. Reaksi yang terjadi di anode ditunjukkan pada reaksi berikut
14
Anode : Katode :
Reaksi keseluruhan :
Beda potensial tertinggi dihasilkan oleh MEA PSS-natrium alginat, yaitu 423 mV. Hal ini disebabkan adanya katalis yang mempercepat reaksi oksidasi metanol. Selain itu, pemilihan elektrode juga mempengaruhi energi listrik yang dihasilkan. Berdasarkan data pada Lampiran 8 terlihat bahwa beda potensial yang dihasilkan dengan elektrode logam lebih besar dari karbon. Hal ini disebabkan adanya tambahan potensial dari elektrode besi akibat reaksi oksidasi reduksi pada logam besi dan larutan ferisianida.
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Membrane electrode assembly (MEA) berbasis polistirena tersulfonasi (PSS) yang dikomposit natrium alginat berhasil dibuat dengan proses hotpress bersamaan dengan lapisan katalis Ag/C 20%. Konduktivitas proton tertinggi dihasilkan MEA berbasis PSS-natrium alginat melalui pengukuran dengan elektrode logam, yaitu 2.672 × 10-4 S/cm dengan peningkatan sebesar 82.89% dari membran non-MEAnya. Tanpa adanya methanol crossover MEA PSS-natrium alginat ini baik digunakan pada aplikasi DMFC dan menghasilkan beda potensial sebesar 423 mV.
Saran
Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut mengenai MEA dengan material awal yang lebih hidrofilik dan melakukan modifikasi penambahan beberapa zat yang meningkatkan kepolaran membran.
DAFTAR PUSTAKA
Anggraini Y. 2013. Membran komposit polistirena tersulfonasi-natrium alginat untuk aplikasi direct methanol fuel cell [skripsi]. Bogor (ID): IPB.
Anto R. 2013. Membran komposit kitosan-natrium alginat untuk aplikasi direct methanol fuel cell [skripsi]. Bogor (ID): IPB.
Aziz M, Ardha N, Tahli L. 2006. Karakterisasi abu terbang PLTU suralaya dan evaluasinya untuk refraktori COR. J TEKMIRA. 36(1):1-8.
Bozkurt A. 2005. Anhydrous proton conductive polystyrene sulfonic acid membranes. Turk J Chem. 29:117-123.
[BPS]. Badan Pusat Statistik. 2012. Neraca Listrik Nasional. Jakarta (ID): BPS. CH3OH + 3/2 O2 CO2 + 2H2O
CH3OH + H2O CO2 + 6H++ 6e
15
Dewi EL, Handayani S. 2008. Karakterisasi komposit hidrokarbon polimer tersulfonasi (sABS-Z) sebagai alternatif polielektrolit untuk fuel cell .JUSAMI. Edisi Khusus Desember 2008(1):1-4.
Handayani S, Dewi EL. 2008. Pengaruh suhu operasi terhadap karakteristik membran elektrolit polieter eter keton tersulfonasi. JUSAMI. Edisi Khusus Desember 2008 (9):43-47.
Kemala T, Sjahriza A, Fclani N. 2011. Sifat mekanis polipaduan polistirena pati menggunakan zat pemlastis epoksida minyak jarak pagar. Di dalam Delvira N, editor. Prosiding Seminar Himpunan Kimia Indonesia. Pekanbaru, 18-19 Juli 2011. Pekanbaru Dewan Riset Nasional ISSN: 2086-4310.
[KESDM]. Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral. 2012. Kebutuhan Listrik Per Jenis Pembangkit. Jakarta (ID): Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral.
Kim S, Byung KA, Mench MM. 2008. Physical degradation of membrane electrode assemblies undergoing freeze/thaw cycling: diffusion media effects. J Power Sources. 179:140-146.
Martins CR, Hallwass F, Almeida YMB, Paoli MA. 2007. Solid state 13C NMR analysis of sulfonated polystyrene. Ann Magn Reson. 6:46-55.
McMurry J. 2008. Organic Chemistry. Washington (US): Thomson Learning. Pavia DL, Lampman GM, Kriz GS, Vyvyan JR. 2009. Introduction to
Spectroscopy. Ed ke-4.Washington (US): Thomson Learning.
Peck DH, Chun YG, Kim CS, Jung DH, Shin DR. 1999. Preparation and performance evaluation of membrane electrode assemblies for polymer electrolyte fuel cell. J New Mat Elect Syst. 2(2):121-124.
Peixiang X, Robertson GP, Guiver MD, Mikhailenko SD, Wang K, Kaliaguine S. 2004. Synthesis and characterization of sulfonated poly(ether ether ketone) for proton exchange membranes. J Membrane Sci. 229(1):95-106.
Pramono E, Wicaksono A, Priyadi, Wulansari J. 2012. Pengaruh derajat sulfonasi terhadap degradasi termal polistirena tersulfonasi. Indo J Appl Phys. 2(2):157-163.
Prihatiningsih MC, Yohan, Kundari NA. 2009. Studi pendahuluan preparasi membran untuk sel bahan bakar membran elektrolit polimer. JFN. 2(2):157-178.
Shin JP, Chang BJ, Kim JH, Le SB, Suh DH. 2005. Sulfonated polystyrene/PTFE composite membrane. J Membrane Sci. 251(1):247-254.
Susiyanti HF. 2012. Sintesis dan karakterisasi membran penukar proton polistirena tersulfonasi sebagai bahan bakar perangkat direct methanol fuel cell [skripsi]. Bogor (ID): IPB.
Tricoli V, Carreta N. 2002. Polymer electrolyte membranes formed of sulfonated polyethylene. Electrochem Commun. 4(3):272-276.
16
LAMPIRAN
Lampiran 1 Diagram alir penelitian
Sulfonasi
Tentukan derajat sulfonasi Penambahan komposit
Pembuatan membran electrode assembly
1. Bobot jenis 2. Water uptake 3. FTIR
Polistirena (PS)
Polistirena tersulfonasi (PSS)
Membran Polistirena tersulfonasi
(PSS)-Natrium alginat
1. SEM
2. Permeabilitas metanol 3. Konduktivitas proton 4. Aplikasi Fuel Cell
17
Lampiran 2 Data penentuan derajat sulfonasi
Membran Ulangan
Bobot membran
(g)
V NaOH 1 N (mL)
V HCl (mL) Derajat Sulfonasi (%) Awal Akhir terpakai
PSS
1 0.1004 10.00 0.00 9.75 9.75 20.03
2 0.1005 10.00 9.75 19.40 9.65 28.02 3 0.1006 10.00 19.40 29.20 9.80 16.00 Rerata 21.35
Contoh perhitungan (ulangan 1)
Diketahui : [HCl] = 1.0050 N BE SO3 = 80 g/eq
V NaOH blangko = 10.00 mL
DS (%) = [ ]
100% =
100% DS (%) = 20.03%
18
Lampiran 3 Data penentuan water uptake
Membran Ulangan Bobot membran (g) Water Uptake (%)
Rerata Water Uptake (%) Kering Basah
PS
1 0.0142 0.0143 0.70
0.69
2 0.0152 0.0153 0.66
3 0.0139 0.0140 0.72
PSS
1 0.0066 0.0068 3.03
5.15
2 0.0042 0.0045 7.14
3 0.0038 0.0040 5.26
PSS-Alg
1 0.0144 0.0155 7.64
13.38
2 0.0133 0.0155 16.54
3 0.0094 0.0109 15.96
Contoh perhitungan (PS)
Water uptake (%) =
100% =
100% Water uptake (%) = 0.70 %
19
Lampiran 4 Data penentuan bobot jenis
20
Lampiran 5 Data analisis FTIR
Membran Bilangan gelombang (cm-1) Gugus fungsi
PS
757.30 -700.93 Vibrasi C-H (oop) monosubstitusi 1601.24 - 1452.24 Regang C=C aromatic
1943.64 - 1722.41 Benzena monosubstitusi 2925.44 -2849.83 Regang C-H (sp2) 3081.80-3026.08 Regang C-H (sp3)
PSS
1274.09 Regang S=O asimetrik
1119.99 Regang S=O simetrik
757.30 -700.93 Vibrasi C-H (oop) monosubstitusi 1601.24 - 1452.24 Regang C=C aromatic
1727.71-1668.69 Benzena disubstitusi –p 2925.44 -2849.83 Regang C-H (sp2) 3081.80-3026.08 Regang C-H (sp3)
Natrium alginat
1614.92 Regang asimetrik garam karboksilat 1423.75 Regang simetrik garam karboksilat
3448.95 -OH terikat
PSS-Natrium alginat
1274.09 Regang S=O asimetrik
1119.99 Regang S=O simetrik
757.30 -700.93 Vibrasi C-H (oop) monosubstitusi 1601.24 - 1452.24 Regang C=C aromatic
21
Lampiran 6 Data penentuan konduktivitas proton
Elektrode Perlakuan Membran Konduktansi (G) (mS) Contoh perhitungan membran PS nonaktivasi elektrode karbon
σ = G
= S c c
22
Lampiran 7 Data peningkatan konduktivitas proton
Elektrode Membran δ n n ME
Contoh perhitungan peningkatan membran PS elektrode karbon:
Peningkatan (%) =
Peningkatan (%) =
= 41.49%
Lampiran 8 Data penentuan beda potensial dalam sistem DMFC
Membran
PSS-Alginat 0.095 0.364
MEA PS 0.085 0.332
MEA PSS 0.150 0.350
23
