Repository FMIPA 1
PEMBUATAN DAN PENGUKURAN SIFAT KELISTRIKAN MEMBRAN FUEL CELL DENGAN STRUKTUR
SUPRAMOLEKULAR DAN IKATAN SILANG
Siti Anisa1*) Erwin1 Sunit Hendrana2
1Jurusan Fisika FMIPA Universitas Riau
Kampus Binawidya. Km 12,5 Panam, Pekanbaru 28293
2Pusat Penelitian Fisika-LIPI
JL. Cisitu 21/154D Sangkuriang, Bandung 40135
ABSTRACT
Electrolyte membrane of fuel cells has been fabricated using sulfonated polystyrene (sPS) and Politilena-grafiting-Maleic Anhydride (PE-g-MAH) through an addition of supramolecular and divinyl benzene solution. The process of fabricating of the membrane was started from the preparation of supramolecular solution, since the solution is very dilute so that it was difficult to form then it is necessary to make a small container which has some porous (matrix) on it. Then, supramolecular solution was dropping into the matrix until the solution completely even. Next, the matrix had to be compressed while the temperature remained constant at 180 0C, and finally, by addition of divinyl benzene solution serves as a crosslinking. The observation using optical microscope reveals that the membrane surface appears more homogeneously. There results also show some changes in the infrared spectral peaks after adding a solution of divinyl benzene using Fourier-Transform Infra Red (FTIR). Measurements using Scanning Electron Microscopy (SEM) show that the effect of addition of divinyl benzene solution on membrane results more compatibly between the materials used.
The result of ionic conductivity measurement was slightly increased, namely into 8.91x10-5 S/m, compared to that without addition of divinyl benzene solution.
Keywords : Polystyrene sulfonated , PE-g-MAH , divinyl benzene, and Nyquist plot.
ABSTRAK
Telah dibuat membran elektrolit fuel cell dari bahan polistirena tersulfonasi (sPS) dan Politilena-grafiting-anhidrida maleat (PE-g-MAH) dengan penambahan larutan supramolekular dan larutan divinil benzena. Proses pembuatan membran dimulai dari penyiapan larutan supramolekular, dikarenakan larutan supramolekular sangat encer sehingga sulit untuk di bentuk maka dibuat sebuah tempat atau wadah yang berpori (matriks), kemudian dilakukan penetesan larutan supramolekular ke matriks, dilakukan homogenesasi supaya bahan menyatu secara merata, kemudian dilakukan pemadatan pada suhu 1800C, dan yang terakhir penambahan larutan divinil benzena yang berfungsi
Repository FMIPA 2 sebagai pengikat silang. Pengamatan membran menggunakan mikroskop optik menujukan perubahan yang lebih baik pada permukaan membran yaitu terlihat lebih homogen. Hasil pengukuran membran dengan melihat gugus fungsi menggunakan alat Fourier-Transform Infra Red (FTIR), menunjukan ada beberapa perubahan pada puncak spektrum inframerah setelah penambahan larutan divinil benzena. Pengukuran dengan menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM) terlihat bahwa pengaruh penambahan larutan divinil benzena, membran terlihat lebih kompatibel antara bahan- bahan yang digunakan, begitu juga dengan hasil pengukuran konduktivitas ionik, nilainya sedikit meningkat yaitu menjadi 8.91x10-5 S/m, dibandingkan dengan konduktivitas ionik tanpa penambahan larutan divinil benzena.
Kata kunci : Polistirena tersulfonasi, PE-g-MAH, Divinil benzena dan Plot Nyquist
PENDAHULUAN
Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) merupakan salah satu jenis fuel cell yang dapat dioperasikan pada suhu rendah (80-1050C), menggunakan bahan bakar berupa gas hidrogen, membran polimer sebagai elektrolit dan elektroda karbon berpori yang terbuat dari platina. Membran polimer berfungsi sebagai elektrolit yang dapat menghantarkan proton tetapi tidak dapat menghantarkan elektron.
Nafion merupakan polimer yang banyak digunakan sebagai bahan membran penghantar proton pada PEMFC, namun nafion memiliki harga yang sangat mahal, dan menghasilkan gas yang mengandung fluorin selama proses penggunaanya (Smita. dkk, 2003) selain itu, nafion memiliki kemampuan yang terbatas untuk pengembangan fuel cell efisiensi tinggi melalui operasi pada suhu diatas suhu titik didih air. Dalam hal ini, Polistirena tersulfonasi (sPS) mulai mendapat perhatian sebagai membran polimer fuel cell karena dapat digunakan untuk aplikasi pada suhu tinggi (120°C).
Polietilena-grafting-anhidrida maleat (PE-g-MAH) merupakan salah satu bahan yang digunakan pada
membran polistrena tersulfonasi.
Material ini berfungsi untuk mengarahkan gugus sulfonat dengan konsep supramolekular (Onggo, 2010).
Divinil benzena memiliki titik didih 1950C, tidak larut dalam air dan larut dalam etanol dan eter, dan memiliki titik nyala 760C, digunakan dalam industri plastik untuk mengikat silang dan memodifikasi material- material serta untuk membantu proses kopolimerisasi, dapat juga meningkatkan resistansi terhadap tekanan retak, bahan kimia, panas distorsi, kekerasan dan kekuatan (James, 2005).
METODE PENELITIAN a. Bahan
Bahan-bahan yang digunakan terdiri dari polistirena, polistirena tersulfonasi (sPS), dan Polietilena- grafting-anhidrida maleat (PE-g-MAH) untuk membuat matriks. Larutan supramolekular sebagai ikatan supramolekular untuk meningkatkan konduktivitas membran. Larutan divinil benzena sebagai ikatan silang agar membran tidak rapuh dan meningkatkan
sifat mekanik membran.
Repository FMIPA 3 b. Pembuatan Membran
Membran dibuat dengan komposisi polistirena, polistirena tersulfonasi, PE-g-MAH dilakukan dengan metode penggerusan (crushing) kemudian penambahan larutan supramolekular dan larutan divinil benzena dilakukan dengan cara penetesan.
Pembuatan membran untuk menghomogenkan ketebalannya menggunakan hotroll (homogenesasi) dengan suhu 800C dibawah titik leleh dari bahan-bahan yang digunakan pada membran, hal ini dimaksudkan agar membran tidak mengalami pengkerutan Membran dihot press pada suhu 1800C dengan tekanan 50 kgf/cm2, yang bertujuan agar membran lebih homogen, sehingga diharapkan dapat meningkatkan nilai konduktivitasnya.
c. Karakterisasi
Analisis gugus fungsi menggunakaan Fourier-Transform Infra Red (FTIR), melihat struktur morfologi dengan Scanning Electron Microscope (SEM) sedangkan untuk melihat pori- pori permukaanya menggunakan mikroskop optik, dan diuji konduktivitas ioniknya dengan Electrochemical Impedance Spectroscope (EIS).
HASIL DAN PEMBAHASAN
Membran yang dibuat pada penelitian ini berbahan polistirena tersulfonasi (sPS) dan Polietilena- grafting-anhidrida maleat (PE-g- MAH), dengan larutan supramolekular sebagai peningkat konduktivitas ionik dan larutan divinil benzena sebagai ikatan silang agar membran tidak rapuh
dan meningkatkan sifat mekanik membran. Membran yang telah dibuat akan dikarakterisasi dan dianalisis untuk mengetahui sifatnya.
1. Mikroskop Optik
Pori-pori pada permukaan membran dilihat dengan menggunakan mikroskop optik, berikut gambar permukaan membran dari setiap proses pembuatanya:
Gambar 1 (a) Matriks Anilion, (b) Membran Anilion dihomogenesasi, (c) membran Anilion pemadatan, (d)membran Anilion dengan penambahan divinil benzena pada pembesaran 80x mm.
Terlihat pada Gambar 1 (a), pada matriks terdapat bintik-bintik yang kemungkinan besar adalah pori-pori.
Pori-pori ini akan berfungsi sebagai wadah dari larutan supramolekular sehingga memudahkan proses penguapan pelarutnya. Gambar 1 (b) merupakan gambar membran Anilion setelah dilakukan homogenesasi terlihat
Repository FMIPA 4 lebih homogen, selain itu terdapat
gumpalan, ini diduga polistirena dan Pe- g-MAH karena pada saat Hot roll digunakan suhu 800C dibawah titik leleh kedua bahan tersebut, selain itu terjadi degradasi termal polimer sPS pada suhu 1000C (Mulyana, 2005).
Gambar 1 (c) yang dihotpress pada suhu 1800C membran mengalami pelelehan dan semua bahan-bahan menyatu sehingga membran lebih homogen.
Gambar 1 (d) keadaan membran setelah penambahan larutan divinil benzena, lebih kuat dan padat. Hal ini, dapat dijelaskkan pada penampang morfologi menggunakan SEM (Scanning Electron Microscope).
2. Scanning Electron Microscope (SEM)
Keadaan penampang morfologi membran Anilion dengan larutan supramolekular, terdapat bagian yang belum kompatibel namun, batasan- batasanya atau boundary nya dapat menyatu, hal ini terbukti dengan tidak adanya rongga antara bagian-bagian tersebut (Sardiman, 2015) dengan penambahan divinil benzena sifat yang tidak kompatibel tersebut dapat hilang, hal ini dapat diterangkan bahwa divinil benzena mungkin bersifat melarutkan kedua bahan (sPS dan PE-g-MAH) yang tidak kompatibel. Pada saat penambahan larutan divinil benzena dapat melakukan penetrasi kedalam kedua bahan tersebut sebelum terjadi ikatan silang pada perlakuan panas selama proses pembuatan membran, terlihat pada Gambar 2.
Gambar 2 Foto pengukuran penampang morfologi membran Anilion dengan penambahan larutan divinil benzena pembesaran 1.000x.
Distribusi sPS dan PE-g-MAH yang homogen, diharapkan dapat meningkatkan nilai konduktifitas ioniknya. Bukti bahwa larutan divinil benzena kompatibel dengan bahan- bahan yang digunakan, dapat dilihat pada uji FTIR sedangkan untuk membuktikan peningkatan nilai konduktivitas dilakukan uji EIS.
3. Fourier-Transform Infra Red (FTIR)
Analisis FTIR mengidentifikasi gugus fungsi yang terdapat pada membran. Spektrum inframerah untuk membran Anilion dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3 Spektrum Inframerah antara bilangan gelombang 4000 – 500 cm-1 dengan % transmisi dari membran Anilion dengan larutan supramolekular dan larutan divinil benzena.
Repository FMIPA 5 Gambar 3 menunjukan adanya
serapan energi pada bilangan gelombang 2800-3100 cm-1 berupa ikatan hidroksil (O-H) yang berasal dari sPS dan PE-g-MAH. Puncak yang muncul pada 1560-1610 cm-1 merupakan gugus fungsi C=C, dan serapan yang muncul pada bilangan gelombang 1690-1760 cm-1 merupakan vibrasi C=O dari PE-g-MAH. Gugus sulfonat (SO3H) pada bilangan gelombang 1000-1200 cm-1 (Onggo, 2010) berasal dari sPS. Larutan divinil benzena terlihat pada bilangan gelombang 680-780 cm-1 dengan gugus fungsi C-H .
Penambahan larutan divinil benzena menunjukan perubahan pada beberapa puncak terlihat melebar, dibandingkan dengan hanya menggunakan larutan supramolekular saja (Sardiman, 2015), perubahan ini menunjukan bahwa larutan divinil benzena terdistribusi merata pada membran.
4. Konduktivitas Ionik
Nilai konduktivitas ionik membran yang terbuat dari polistirena tersulfonasi (sPS) dan PE-g-MAH dengan struktur supramolekular adalah 9.49x10-3 S/cm (Sardiman, 2015), setelah penambahan larutan divinil benzena yang merupakan struktur ikatan silang memiliki konduktivitas sebesar 8.91x10-3 S/cm,. Hal ini membuktikan bahwa ikatan silang dapat meningkatkan nilai konduktivitas membran.
KESIMPULAN
1. Larutan divinil benzena yang berfungsi sebagai ikatan silang membuat sifat mekanik dari membran lebih padat dan tidak
rapuh. Penambahan larutan divinil benzena dapat memberikan kompatibilitas yang lebih baik pada membran yang dibuat. Hal ini ditunjukan dengan hasil pengukuran SEM.
2. Pengamatan permukaan membran dengan menggunakan mikroskop optik terlihat perubahan-perubahan yang lebih baik, yaitu membran terlihat lebih homogen dan padat.
3. Hasil pengukuran dengan menggunakan SEM (Scanning Electron Microscope) menunjukan gambar penampang morfologi dengan penambahan larutan divinil benzena, terlihat distribusi sPS dan PE-g-MAH lebih homogen, sehingga dapat meningkatkan nilai konduktivitasnya.
4. Kompatibilitas yang baik pada membran terlihat juga pada hasil FTIR (Fourier-Transform Infra Red) menunjukan perubahan pada beberapa puncak spektrum inframerah yaitu terlihat lebih melebar.
5. Nilai konduktivitas pada membran Anilion yang dibuat dari bahan polistirena tersulfonasi (sPS) dan Polietilena-grafting-anhidrida
maleat (PE-g-MAH) dengan struktur supramolekular dan ikatan silang dari larutan divinil benzena memiliki nilai konduktivitas yang lebih baik yaitu 8.91x10-3 S/cm, dibandingkan tanpa larutan divinil benzena yaitu sebesar 9.49x10-3 S/cm (Sardiman, 2015).
DAFTAR PUSTAKA
James, D.H. 2005. Styrene. Wenheim :Wiley-VCH.
Mulyana, E.C.2005. Pembuatan dan Karakterisasi Membran Sel Bahan Bakar Berbasis Polistirena
Repository FMIPA 6 Tersulfonasi. Thesis, S-1 Universitas
Padjadjaran,Bandung.
Onggo, Holia. 2010. Peningkatan Performa Polistirena Tersulfonasi (sPS) sebagai Membran Fuelcell dengan Sulfonasi Terkontrol Gas- Cair, laporan Penelitian. PPF- LIPI, Bandung.
Sardiman. 2015. Pembuatan dan pengukuran Karakteristik
Membran Fuel Cell dengan Struktur Supramolekular. FMIPA- UR, Pekanbaru.
Smita B., Sridhar S., Khan A.J., 2003.
Synthesis & Characterization of PVA/STA Composite Polymer Electrolyte Membrane for Fuel Cell Aplication Jurnal Membrane Science, 225, 63-76.
