PENGARUH PENAMBAHAN La2O3 TERHADAP KONDUKTIVITAS IONIK KERAMIK CSZ SEBAGAI ELEKTROLIT PADAT.

(1)

Padilah Muslim, 2014

PENGARUH PENAMBAHAN La₂O₃ TERHADAP KONDUKTIVITAS IONIK KERAMIK CSZ SEBAGAI ELEKTROLIT PADAT Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu

PENGARUH PENAMBAHAN La2O3 TERHADAP KONDUKTIVITAS IONIK KERAMIK CSZ SEBAGAI ELEKTROLIT PADAT

SKRIPSI

Diajukan untuk Memenuhi Sebagian dari Syarat untuk Memperoleh Gelar Sarjana Sains

Jurusan Pendidikan Fisika Program Studi Fisika

oleh

Padilah Muslim

0900618

PROGRAM STUDI FISIKA JURUSAN PENDIDIKAN FISIKA

FAKULTAS PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA

(2)

PENGARUH PENAMBAHAN La₂O₃ TERHADAP KONDUKTIVITAS IONIK KERAMIK CSZ SEBAGAI ELEKTROLIT PADAT Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu

Pengaruh Penambahan La

₂

O

₃

terhadap

Konduktivitas Ionik Keramik

CSZ sebagai

Elektrolit Padat

Oleh Padilah Muslim

Sebuah skripsi yang diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana pada Fakultas Pendidikan Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Desember 2013

Hak Cipta dilindungi undang-undang.

(3)

(4)

PENGARUH PENAMBAHAN La2O3 TERHADAP KONDUKTIVITAS IONIK KERAMIK CSZ SEBAGAI

ELEKTROLIT PADAT

Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu

PENGARUH PENAMBAHAN La2O3 TERHADAP KONDUKTIVITAS IONIK

KERAMIK CSZ SEBAGAI ELEKTROLIT PADAT

Nama : Padilah Muslim

Pembimbing : 1. Drs. Dani Gustaman Syarif, M.Eng 2. Dr. Andhy Setiawan, M.Si

Penguji : 1. Drs. Dani Gustaman Syarif, M.Eng 2. Dr. Dadi Rusdiana, M.Si

3. Drs. Yuyu Rachmat Tyubi, M.Si

ABSTRAK

Penelitian tentang pengaruh penambahan La2O3 terhadap konduktivitas ionik CSZ

sebagai elektrolit padat untuk SOFC telah dilakukan. Pelet CSZ-La2O3 dibuat

dengan cara kompaksi 4 ton/cm2 dan penyinteran pada suhu 1450 0C selama 4 jam dengan konsentrasi La2O3 dalam % berat sebesar 0%, 1% dan 3%. Analisis

struktur kristal menunjukkan bahwa setiap pelet membentuk struktur kristal kubik. Analisis struktur mikro menunjukkan terjadi peningkatan pertumbuhan butir dan pengurangan porositas setelah penambahan La2O3. Analisis rapat massa

menunjukkan terjadi peningkatan rapat massa seiring bertambahnya konsentrasi La2O3. Diketahui bahwa penambahan La2O3 dapat meningkatkan konduktivitas

ionik CSZ.

(5)

ELEKTROLIT PADAT

EFFECT OF La2O3 ADDITION ON IONIC CONDUCTIVITY OF CSZ AS

SOLID ELECTROLYTE

Name : Padilah Muslim

Advisers : 1. Drs. Dani Gustaman Syarif, M.Eng 2. Dr. Andhy Setiawan, M.Si

Reviewers : 1. Drs. Dani Gustaman Syarif, M.Eng 2. Dr. Dadi Rusdiana, M.Si

3. Drs. Yuyu Rachmat Tyubi, M.Si

ABSTRACT

A research about effect La2O3 additiion on ionic conductivity of CSZ as solid

electrolyte for SOFC has been done. Pellets of CSZ-La2O3 have been pressed at 4

ton/cm2 and sintered at 1450 0C for 4 hours with La2O3 concentrations in wt%

were 0%, 1% and 3%. Crystal structure analysis showed that every CSZ pellet formed cubic crystal structure. Micro structure analysis showed that the addition of La2O3 increased grain size and reduced pores CSZ pellets. Density analysis

showed that the density of CSZ pellets increased after addition of La2O3. It was

known that addition of La2O3 increased the ionic conductivity of CSZ.

(6)

PENGARUH PENAMBAHAN La₂O₃ TERHADAP KONDUKTIVITAS IONIK KERAMIK CSZ SEBAGAI ELEKTROLIT PADAT

DAFTAR ISI

F. Struktur Organisasi Skripsi ... 6

BAB II KAJIAN PUSTAKA ... 7

A. Solid Oxide Fuel Cells ... 7

B. Elektrolit Padat ... 11

C. Konduktivitas Ionik ... 12

D. Calcia-Stabilized Zirconia (CSZ) ... 16

E. Pengaruh Penambahan Lanthanum Oxide terhadap Konduktivitas Ionik Elektrolit Padat ... 19

F. Keramik ... 20

G. Zirconia ... 21

(7)

BAB III METODE PENELITIAN ... 26

A. Alat ... 26

B. Bahan ... 27

C. Waktu dan Tempat Penelitian ... 27

D. Desain Penelitian ... 27

1. Alur Pembuatan Serbuk Calcia-Stabilized Zirconia (CSZ) ... 28

2. Alur Pembuatan Pelet Calcium-Stabilized Zirconia (CSZ) dengan La2O3 ... 30

E. Analisis Struktur Kristal Elektrolit Padat CSZ dengan Penambahan La2O3 ... 32

F. Analisis Struktur Mikro Elektrolit Padat CSZ dengan Penambahan La2O3 ... 33

G. Penentuan Rapat Massa Elektrolit Padat CSZ dengan Penambahan La2O3 ... 33

H. Konduktivitas Ionik Elektrolit Padat CSZ dengan Penambahan La2O3 .. 34

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 37

(8)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Karakteristik zirconia ... 22 Tabel 2.2 Karakteristik calcia ... 24

Tabel 4.1 Pengaruh La2O3 terhadap parameter kisi dan ukuran butir CSZ . 38 Tabel 4.2 Jari-jari ion Zr4+ dan La3+ ... 39

(9)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Konsep SOFC dengan konduktor ion oksigen ... 11

Gambar 2.2 Skema TPB (a) Reaksi reduksi pada katoda dan (b) reaksi oksidasi pada anoda ... 12

Gambar 2.3 Diagram fase zirconia dengan penambahan calcia ... 15

Gambar 2.4 Ca2+ dalam ZrO2 ... 16

Gambar 2.5 Cacat Schottky dan cacat Frenkel ... 17

Gambar 2.6 Rangkaian ekuivalen untuk elektrolit padat ... 19

Gambar 2.7 Plot Nyquist untuk elektrolit padat ... 19

Gambar 2.8 Struktur kristal kubik zirconia ...... 22

Gambar 2.9 Struktur kristal calcia ... 23

Gambar 3.1 Diagram pembuatan serbuk CSZ ... 28

Gambar 3.2 Diagram pembuatan peletCSZ dengan penambahan La2O3 ... 30

Gambar 3.3 (a) Pelet sebelum (b) sesudah pelapisan perak tampak atas dan bawah (c) tampak samping ... 34

Gambar 3.4 (a) Diameter pelet tampak atas (b) tebal pelet tampak samping 35 Gambar 4.1 Pola difraksi elektrolit padat CSZ dengan penambahan La2O3 37

Gambar 4.2 Struktur permukaan patahan elektrolit padat CSZ dengan penambahan (a) 0% La2O3 (b) 1% La2O3 (c) 3% La2O3 ... 39

Gambar 4.3 Grafik rapat massa elektrolit padat CSZ terhadap konsentrasi La2O3 ... 40

Gambar 4.4 Grafik resistivitas imajiner (Z’) terhadap resistivitas riil (Z) elektrolit padat CSZ pada suhu 500 0C ... 41

Gambar 4.5 Grafik konduktivitas ionik terhadap konsentrasi La2O3 elektrolit padat CSZ pada suhu 500 0C ... 42

Gambar 4.6 Grafik konduktivitas ionik terhadap suhu elektrolit padat CSZ untuk 3% La2O3 ... 43

Gambar 4.7 Grafik ln .T terhadap 1/T CSZ dengan penambahan La2O3 .... 43

(10)

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Data Struktur Kristal ... 53

Lampiran 2 Data Struktur Mikro ... 55

Lampiran 3 Data Rapat Massa ... 57

Lampiran 4 Data Sifat Listrik ... 58

Lampiran 5 Dokumentasi Kegiatan ... 61

(11)

BAB I PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Kebutuhan energi listrik mengalami peningkatan seiring bertambahnya populasi manusia. Di Indonesia, data dari Direktorat Jendral Ketenagalistrikan

Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral pada tahun 2012 menunjukkan bahwa rasio elektrifikasi (rasio kebutuhan listrik dibanding pemenuhan) di Indonesia dari tahun 1980 hingga 2012 mengalami peningkatan dari 8% menjadi 75,8% (DJK KESDM, 2012). Untuk itu diperlukan penambahan energi listrik guna mengimbangi kebutuhan tersebut.

Selama ini terdapat beberapa pembangkit tenaga listrik yang menggunakan bahan bakar seperti nuklir, fosil, batu-bara dan lain-lain. Akan tetapi, bahan bakar tersebut bersifat irreversibel dan suatu saat akan habis. Berdasarkan hal tersebut, diperlukan alternatif penambahan sumber energi. Salah satu alternatif itu adalah pemanfaatan solid-oxide fuel cells (SOFC) sebagai penghasil energi untuk melengkapi pembangkitan energi oleh pembangkit energi listrik yang telah ada.

SOFC adalah suatu alat yang dapat mengubah energi kimia menjadi energi listrik. SOFC sangat cocok sebagai pembangkit listrik. Selain ramah lingkungan,

SOFC memiliki beberapa keunggulan dibanding sistem konvensional seperti emisi gas CO2, CO, NOx, SO2 yang rendah dan memiliki efisiensi yang tinggi

(Stambouli dan Traversa, 2002; Syarif et al, 2013; Taroco et al, 2011; Wang, 2010; Zhuo et al, 2012). SOFC konvensional dioperasikan pada suhu tinggi yaitu 800-1000 0C (Syarif et al, 2013; Wang, 2010). Pengoprasian pada suhu tinggi menyebabkan SOFC mudah rusak dan membutuhkan material dengan harga yang tinggi (Wang, 2010). Pengoprasian SOFC pada suhu lebih rendah dan memiliki efisiensi yang tinggi akan berpengaruh pada biaya produksi energi listrik yang lebih rendah atau ekonomis.

(12)

hidrogen ke seluruh permukaan dan menghantarkan elektron yang dibebaskan dari molekul gas hidrogen sebagai energi listrik pada rangkaian eksternal (Stambouli dan Traversa, 2002). Katode berperan sebagai kutub positif yang mendistribusikan gas oksigen yang masuk dari udara ke seluruh permukaan dan

menghantarkan elektron dari rangkaian eksternal. Elektron ini akan bereaksi dengan molekul gas oksigen menghasilkan ion oksigen (Stambouli dan Traversa,

2002). Elektrolit padat berperan mengalirkan ion dari katoda menuju anoda dan menjaga keseimbangan muatan listrik secara keseluruhan (Wang, 2010). Elektrolit padat juga mencegah adanya kontak ohmik antara anoda dengan katoda karena dapat menahan gerakan elektron (Stambouli dan Traversa, 2002).

Elektrolit padat merupakan salah satu komponen utama pada SOFC yang mempengaruhi suhu operasinya (Stambouli dan Traversa, 2002). Salah satu cara untuk menurunkan suhu operasi SOFC yaitu dengan meningkatkan konduktivitas ionik elektrolit padat (Syarif et al, 2010). Peningkatan konduktivitas ionik elektrolit dapat dilakukan dengan cara penambahan aditif (Syarif et al, 2013). Agar dapat digunakan pada SOFC, elektrolit tersebut harus memiliki konduktivitas ionik melebihi 10-2 S/cm pada suhu rendah yaitu ~500 0C (Rosseinsky et al, 2008).

Meterial yang berperan sebagai elektrolit padat di antaranya

yttria-stabilized zirconia (YSZ) dan calcia-yttria-stabilized zirconia (CSZ) (Marques dan

Figueiredo, 2013; Syarif et al, 2013; Dudek et al, 2006). Sebagai elektrolit pada SOFC, YSZ telah diteliti pada penelitian sebelumnya dan hasilnya menunjukkan

bahwa YSZ memiliki konduktivitas ionik cukup besar yaitu 10-1 S/cm pada suhu 1000 0C (Marques dan Figueiredo, 2013) dan 3.10-4 S/cm pada suhu 500 0C (Syarif, 2013). Akan tetapi, YSZ memiliki kekurangan yaitu pada harga produksi yang tinggi. Oleh karena itu, penelitian lain perlu dilakukan untuk menemukan elektrolit padat yang memiliki nilai ekonomis lebih tinggi dan memiliki sifat listrik yang baik.

(13)

ekonomis CSZ memiliki harga produksi yang lebih rendah bila dibandingkan dengan YSZ karena ketersediaan bahan baku (pasir zirkon lokal dan calcium

carbonat) yang melimpah (Kantor Menteri Negara Lingkungan Hidup, 1999;

Poernomo, 2012). CSZ adalah salah satu keramik yang memiliki konduktivitas

ionik yang cukup besar. Konduktivitas ionik CSZ telah diteliti sebelumnya dan memiliki konduktivitas ionik 5,2.10-2 S/cm pada suhu 1000 0C (Dudek et al,

2006).

Konduktivitas ionik CSZ dapat ditingkatkan dengan penambahan aditif. Penelitian yang telah dilakukan menunjukkan bahwa penambahan erbia (Er2O3) dan ceria (CeO2) dapat meningkatkan konduktivitas ionik CSZ (Uslu et al, 2013). Akan tetapi, kedua material tersebut terutama Er2O3 memiliki kelimpahan yang sedikit dan berbiaya tinggi (Barbalace, 2013). Maka, penelitian lain dilakukan guna menemukan aditif yang dapat meningkatkan konduktivitas ionik CSZ selain Er2O3 dan CeO2. Salah satu upaya tersebut adalah dengan penambahan lanthanum

oxide (La2O3). La2O3 merupakan senyawa oksida dari unsur tanah jarang (Soe et

al, 2008). Secara teori, La2O3 dapat menciptakan kekosongan-kekosongan pada kisi oksigen di dalam kristal CSZ. Dengan adanya kekosongan-kekosongan tersebut menyebabkan ion oksigen bergerak mengisi kisi-kisi yang kosong sehingga La2O3 dapat meningkatkan konduktivitas ionik CSZ.

Penelitian tentang La2O3 sebagai aditif telah dilakukan sebelumnya dan hasilnya menunjukkan bahwa La2O3 dapat meningkatkan konduktivitas ionik pada keramik 8YSZ (Syarif et al, 2013). Berdasarkan penelitian tersebut, penambahan

1% dan 3% La2O3 diharapkan dapat meningkatkan konduktivitas ionik CSZ tanpa menurunkan sifat fisis lainnya. Dengan konduktivitas ionik yang tinggi pada suhu rendah (<500 0C) atau intermediet (500-800 0C), CSZ memiliki potensi yang besar untuk digunakan sebagai elektrolit padat pada SOFC.

B. Rumusan Masalah

(14)

C. Batasan Masalah

Pengaruh penambahan La2O3 terhadap konduktivitas ionik elektrolit padat CSZ dipelajari dengan cara memvariasiakan komposisi berat L2O3 yang ditambahkan ke dalam CSZ yaitu 1% dan 3% dengan suhu penyinteran 1450 0C

selama 4 jam. Besaran fisis yang diuji untuk memperoleh konduktivitas ionik CSZ adalah resistansi, sudut θ, luas permukaan dan ketebalan. Pengujian konduktivitas ionik dilakukan pada rentang suhu 300 – 700 0C. Sebagai salah satu kriteria elektrolit padat yang baik pada aplikasi SOFC yaitu memiliki nilai konduktivitas ionik yang tinggi pada suhu rendah (<500 0C) atau intermediet (500 – 700 0C). Selain itu, pengujian dilakukan terhadap sifat lain yang memungkinkan berhubungan dengan konduktivitas ionik yaitu analisis struktur kristal, struktur mikro dan rapat massa.

Analisis struktur kristal dilakukan untuk mengetahui keterkaitannya terhadap perubahan konduktivitas ionik. Analisis ini diperlukan untuk mengetahui struktur kristal CSZ. Apabila terdapat struktur kristal lain setelah penambahan La2O3 maka struktur kristal tersebut turut mempengaruhi perubahan konduktivitas ionik CSZ dan apabila sebaliknya maka struktur kristal ini tidak mempengaruhi perubahan konduktivitas ionik CSZ.

Analisis struktur mikro dilakukan untuk mengetahui keterkaitannya terhadap perubahan konduktivitas ionik. Analisis struktur mikro diperlukan untuk

mengetahui adanya pertumbuhan butir dan porositas yang terbentuk setelah penambahan La2O3 pada elektrolit padat CSZ. Apabila terdapat pertumbuhan butir

dan pengurangan porisitas maka hal ini yang menyebabkan peningkatan konduktivitas ionik dan apabila sebaliknya hal ini pula yang menyebabkan penurunan konduktivitas ionik.

(15)

menyebabkan ion yang bergerak di dalam elektrolit menjadi sedikit sehingga konduktivitas ioniknya pun akan rendah.

Dari perubahan konduktivitas ionik terhadap suhu dapat diperoleh energi aktivasi yang menunjukkan karakteristik listrik lain. Energi aktivasi ini berkaitan

dengan suhu. Energi aktivasi diperlukan untuk mengetahui seberapa besar energi yang diperlukan agar ion-ion dapat bergerak ke daerah kosong dalam cacat kristal.

D. Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh penambahan La2O3 terhadap struktur kristal, mikro, rapat massa dan konduktivitas ionik elektrolit padat CSZ.

E. Manfaat Penelitian

Manfaat penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Bagi mahasiswa, penelitian ini dapat dijadikan wadah untuk mengaplikasikan mengenai teori-teori yang diperoleh selama kegiatan belajar di dalam maupun di luar kelas. Selain itu, dengan penelitian ini dapat menumbuhkan minat untuk melakukan penelitian lainnya baik pada topik sama atau yang berbeda. 2. Bagi ilmuan, penelitian ini dapat menjadi referensi untuk penelitian

selanjutnya dengan topik yang sama meliputi alat, bahan, metode serta hasil

yang diperoleh. Dengan demikian diharapkan muncul penelitian serupa dengan material yang berbeda guna memperoleh hasil yang lebih baik.

3. Bagi dosen, penelitian ini dapat digunakan sebagai referensi ketika hendak melakukan penelitian pada topik yang serupa. Penelitian ini juga dapat dijadikan sebagai referensi bahan ajar bagi mahasiswanya.

(16)

F. Struktur Organisasi Skripsi

Struktur organisasi skripsi ini adalah sebagai berikut:

1. BAB I PENDAHULUAN

Pada bab ini menjelaskan tentang latar belakang masalah, rumusan

masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian dan struktur organisasi skripsi.

2. BAB II KAJIAN PUSTAKA

Pada bab ini menjelaskan tentang pustaka yang berkaitan dengan penelitian ini. Kajian pustaka ini meliputi solid oxide fuel cells, elektrolit padat, konduktivitas ionik, calcia-stabilized zirconia, pengaruh penambahan

lanthanum oxide terhadap konduktivitas ionik elektrolit padat, keramik,

zirconia dan calcia.

3. BAB III METODE PENELITIAN

Pada bab ini menjelaskan tentang metode dan desain penelitian yang akan dilakukan guna memperoleh data untuk selanjutnya akan diolah. Terdiri dari langkah pembuatan serbuk CSZ, pembuatan pelet CSZ-La2O3, penentuan rapat massa, karakterisasi (analisis struktur kristal dan mikro) dan pengambilan data listrik guna memperoleh konduktivitas ioniknya. Selain itu,

dalam bab ini disertai lokasi dan waktu dalam melaksanakan penelitian.

4. BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

Pada bab ini menyajikan tentang hasil penelitian berupa data struktur kristal, struktur mikro, rapat massa, dan sifat listrik serta pembahasan meliputi analisis terhadap data-data tersebut.

5. BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

(17)

BAB III

METODE PENELITIAN

Metode penelitian yang digunakan yaitu eksperimen. Pembuatan serbuk

CSZ menggunakan cara sol gel. Pembuatan pelet dilakukan dengan cara kompaksi dan penyinteran dari serbuk calcia-stabilized zirconia (CSZ) dengan penambahan

La2O3. Penyinteran dilakukan pada suhu 1450 0C selama 4 jam.

A. Alat

(18)

22. LCR meter.

B. Bahan

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut.

1. Serbuk ZrCl4 (Merck) 68,78705792 g. 2. Serbuk CaO 3,63316 g.

3. Serbuk Asam sitrat (Merck) 75,5963 g. 4. Serbuk La2O3 (Merck).

5. Larutan Alkohol (PS-Microlabtech). 6. Larutan NH4OH (Merck).

7. Aquades.

8. Larutan HCL (Merck) 5M 20 ml.

9. Pasta Perak (Electronic Materials Division).

C. Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian direncanakan akan dilaksanakan pada: Waktu Pelaksanaan : Mei – Juli 2013

Tempat Pelaksanaan : Laboratorium Fisika Bahan Gd. F Pusat Tenaga Nuklir Bahan dan Radiometri Batan Tenaga Nuklir Nasional (PTNBR- BATAN).

Jl. Tamansari No. 71 Bandung 40135.

D. Desain Penelitian

(19)

1. Alur Pembuatan Serbuk Calcia-Stabilized Zirconia (CSZ)

Gambar 3.1 Diagram pembuatan serbuk CSZ

Berdasarkan alur diagram tersebut, pembuatan serbuk CSZ dapat

dijelaskan sebagai berikut.

a) Penimbangan serbuk ZrCl4, CaO dan asam sitrat

Pada tahap ini, serbuk ZrCl4, CaO dan asam sitrat dengan perbandingan mol ZrCl4 dengan CaO adalah 82:18 %. Dari perbandingan tersebut diperoleh massa serbuk ZrCl4, CaO dan asam sitrat berturut-turut 68.78705792 g, 3.63316 g dan 75.5963 g.

b) Pencampuran bahan membentuk sol

Pada tahap ini, serbuk asam sitrat dilarutkan terlebih dahulu dalam aquades 200 ml. Selanjutnya serbuk CaO dilarutkan dalam HCl 5M 10 ml hingga larutan berubah menjadi kuning. Setelah itu, masukkan ke dalam

ZrCl4 Asam Sitrat CaO + HCl

Larutkan dengan aquades hingga membentuk sol

Pengukuran pH sol dan pembentukan gel

Kalsinasi

Serbuk CSZ

(20)

larutan asam sitrat hingga keduanya tercampur. Masukan ZrCl4 ke dalam larutan asam sitrat secara perlahan-lahan. Aduk hingga membentuk sol. c) Pengukuran pH sol dan pembentukan gel

Pada kondisi awal, pH sol bernilai rendah karena pengaruh asam sitrat.

Untuk menaikannya, tambahkan NH4OH (basa) hingga pH-nya mencapai 5. Setelah itu, sol dipanaskan dengan suhu 100 0C hingga membentuk gel.

d) Kalsinasi

Setelah terbentuk gel yang berwarna putih, proses berlanjut menuju kalsinasi pada suhu 800 0C selama 3 jam. Hasilnya terbentuk CSZ yang berwarna putih. Hasil kalsinasi selanjutnya digerus hingga terbentuk serbuk CSZ.

e) Karakterisasi

(21)

2. Alur Pembuatan Pelet Calcia-Stabilized Zirconia (CSZ) dengan penambahan La2O3

Gambar 3.2 Diagram pembuatan pelet CSZ dengan penambahan La2O3

Berdasarkan alur diagram tersebut, pembuatan pelet CSZ dengan penambahan La2O3 dapat dijelaskan sebagai berikut.

a) Penimbangan serbuk CSZ dan La2O3

Serbuk CSZ dan La2O3 ditimbang dengan perbandingan % berat berturut-turut adalah 100:0, 99:1 dan 97:3. Total berat untuk masing-masing komposisi tersebut adalah 1.67 g.

CSZ La2O3 0% wt, 1% wt dan 3% wt

Pencampuran dengan alkohol dan pengeringan

Penggerusan dan pembagian campuran ke dalam 5 bagian

Kompaksi membentuk pelet dan penyinteran

Pengamplasan pelet dan pengukuran diameter, tebal dan massa

Pelapisan permukaan pelet dengan pasta perak

Analisis struktur kristal, mikro dan konduktivitas ionik

(22)

b) Pencampuran serbuk CSZ dan La2O3

Pencampuran kedua serbuk tersebut menggunakan alkohol sebagai pelarutnya sebanyak 20 ml dan keringkan campuran tersebut pada suhu 100 0

C. Teknik tersebut dilakukan karena atom zirconium dan lanthanum

memiliki jari-jari atom yang tidak terlalu jauh berbeda.

c) Penggerusan dan pembagian berat berdasarkan perbandingan pada poin (a)

Penggerusan dilakukan karena campuran yang mengering membentuk gumpalan. Agar terbentuk pelet yang baik, serbuk harus dibuat sehalus mungkin. Bagi dari setiap komposisi ke dalam lima bagian. Setiap bagian tersebut menuju proses kompaksi 4 ton/cm2 dengan diameter 1.1 cm. Pelet yang terbentuk kemudian menuju penyinteran pada suhu 1450 0C selama 4 jam.

d) Pengamplasan pelet dan pengukuran diameter, tebal dan massa

Setelah penyinteran, permukaan pelet akan menjadi tidak rata akibat penyusutan volume. Pelet tersebut kemudian diamplas guna mendapatkan permukaan yang rata. Dengan permukaan yang rata dapat diperoleh diameter, tebal yang baik. Ukur diameter, tebal dan massa masing-masing pelet.

e) Penghitungan volume dan rapat massa masing-masing pelet

Data berupa diameter dan tebal dapat digunakan untuk menghitung volume. Dengan memperoleh volume dan massa maka dapat diperoleh nilai

rapat massa pelet tersebut.

f) Pelapisan permukaan pelet dengan pasta perak

Pelapisan perak bertujuan sebagai kontak ohmik ketika pengukuran impedansi. Pelapisan dilakukan pada permukaan salah satu pelet dari masing-masing komposisi dengan pasta perak menggunakan teknik screen printing. Setelah selesai, dilanjutkan dengan pembakaran pada suhu 600 0C selama 5 menit agar pasta perak mengering dan menempel pada permukaan pelet. g) Pengukuran impedansi

(23)

h) Analisis struktur kristal dan mikro

Pelet yang tidak dilapisi perak dijadikan sampel untuk dianalisis menggunakan XRD dan SEM. XRD digunakan untuk menentukan struktur, orientasi bidang pada setiap puncak-puncak intensitas, parameter kisi kristal

CSZ.SEM digunakan untuk mengetahui pertumbuhan butir, batas butir dan porositas akibat penambahan aditif.

E. Analisis Struktur Kristal Elektrolit Padat CSZ dengan Penambahan La2O3

Analisis struktur kristal menggunakan X-Ray Diffraction (XRD). CSZ (18% mol) dan La2O3 masing-masing memiliki struktur kristal kubik (Stanford Materials, 2013) dan heksagonal (Winter, 2012). Dengan penambahan La2O3 1% dan 3% dapat diketahui apakah terbentuk struktur kristal atau fase lain dalam CSZ atau hanya terbentuk satu struktur kristal atau fase dalam CSZ. Selain itu, dengan XRD ini dapat diketahui parameter kisi CSZ setelah penambahan La2O3.

Fenomena difraksi sinar-X terjadi bila memenuhi aturan (hukum Bragg):

2d sin = (3.2)

Untuk menentukan Kisi Bravais dari struktur kubik dapat digunakan aturan seleksi dari nilai h2+k2+l2 yaitu :

(24)

FCC : 3,4,8,11,12,16,19,20,24,…

Rasio dari

dikali bilangan pertama dari aturan seleksi harus mendekati bilangan bulat. Data yang diperoleh berupa sudut 2θ untuk setiap puncak-puncak intensitas. Untuk menentukan ukuran butir (L) maka digunakan persamaan

Scherrer

.

F. Analisis Struktur Mikro Elektrolit Padat CSZ dengan Penambahan La2O3

Analisis struktur mikro menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM). Morfologi dari CSZ dapat dianalisis untuk mengetahui pertumbuhan dan butir, batas butir dan porositas yang terbentuk setelah penambahan La2O3. Analisis kualitatif dilakukan dengan menentukan ukuran butir dan pori ke dalam ukuran kecil, sedang dan besar untuk masing-masing sampel. Data ini juga dapat digunakan untuk menganalisis pengaruh penambahan La2O3 terhadap

konduktivitas ionik CSZ.

G. Penentuan Rapat Massa Elektrolit Padat CSZ dengan Penambahan La2O3

CSZ dan La2O3 masing-masing memiliki rapat massa 5.57 g/cm3 (Martin

et al, 1993) dan 6.5 g/cm3 (Winter, 2013). Dari nilai tersebut, penambahan La2O3 diharapkan dapat meningkatkan rapat massa CSZ. Penghitungan rapat massa dapat dirumuskan sebagai berikut (Tipler, 1998):

(3.1)

Keterangan:

a) ρ = rapat massa (g/cm3).

(25)

Pengukuran massa dilakukan menggunakan neraca digital dan penghitungan volume dilakukan berdasarkan pengukuran diameter dan ketebalan secara langsung seperti yang ditunjukan oleh gambar 3.4.

H. Konduktivitas Ionik Elektrolit Padat CSZ dengan Penambahan La2O3

Preparasi sampel berupa pelapisan kedua permukaan dengan pasta perak

menggunakan teknik screen printing. Tujuannya sebagai kontak ohmik pada pelet. Pelapisan diupayakan setipis mungkin agar hambatan dari perak dapat diabaikan serta harus meliputi seluruh permukaan agar impedansi yang terukur mewakili seluruh bagian sampel seperti yang ditunjukan pada gambar 3.3.

Gambar 3.3 (a) Pelet sebelum (b) sesudah pelapisan perak tampak atas dan bawah (c) tampak samping

Pengaruh penambahan La2O3 terhadap konduktivitas ionik CSZ akan dihitung dari impedansi yang terukur. Konduktivitas memiliki hubungan dengan impedansi yang dirumuskan sebagai berikut (Resnick dan Halliday, 1984):

(3.6)

yang mana ρ dapat dirumuskan sebagai berikut:

(3.7)

Keterangan:

(26)

c) R = Hambatan (Ω).

d) A = Luas permukaan (cm2). e) l = Tebal (cm).

Luar permukaan dan ketebalan dapat diperoleh melalui pengukuran

diameter dan ketebalan pelet secara langsung yang ditunjukan pada gambar 3.4.

Gambar 3.4 (a) Diameter pelet tampak atas (b) tebal pelet tampak samping

Dalam mengukur impedansi terdapat beberapa parameter sebagai berikut: a) Suhu pemanasan pelet, yaitu dimulai dari 700 hingga 300 0C dengan

penurunan 50 0C.

b) Frekuensi yang digunakan pada LCR meter, yaitu 20, 30, 50, 70, 100, 300, 500, 700, 1k, 3k, 5k, 7k, 10k, 30k, 50k, 70k, 100k, 300k, 500k, 700k, 1M, 2M, 3M, 4M dan 5M hertz (Hz).

Langkah-langkah untuk menentukan konduktivitas ionik yaitu sebagai

berikut:

a) Data yang diperoleh dari pengukuran ini berupa impedansi real (Z) dan fase

(). Z imaginer diperoleh dari perkalian Z real dengan tan .

b) Resistivitas real () dan imaginer (’) diperoleh dengan mengalikan

impedansi/hambatan dengan faktor luas/tebal (A/l) melalui persamaan 3.7. Sehingga diperoleh grafik resistivitas imaginer terhadap resistivitas real.

Nilai  yang diperoleh merupakan grafik hasil perpotongan dengan sumbu X

menggunakan software Z-View. Titik potong ini merupakan resisitivitas ionik elektrolit padat.

(27)

d) Konduktivitas ionik elektrolit padat memiliki hubungan dengan suhu yang dapat plot dalam suatu grafik. Keterkaitan antara kedua besaran ini diperoleh berdasarkan hubungan Arrhenius (Syarif et al, 2013):

σ = e p - _ka (3.8)

.

e) Berdasarkan persamaan 3.8 juga dapat diperoleh energi aktivasi elektrolit

padat. Dapat diuraikan dari persamaan 3.8:

Ln =

(3.9)

Ln σ. – Ln A =

(3.10)

Ln σ. = + Ln A (3.11)

Dengan membuat grafik antara Ln σ. terhadap 1/ sehingga energi aktivasi

(28)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

A. Kesimpulan

Berdasarkan hasil dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa penambahan 1% dan 3% La2O3 tidak mengubah struktur kristal tetapi dapat

memperbesar ukuran butir, mengurangi porositas dan memperbesar rapat massa CSZ. Perubahan-perubahan tersebut secara keseluruhan meningkatkan konduktivitas ionik CSZ.

B. Saran

1. Perlu meningkatkan tekanan pada proses kompresi untuk mengurangi porisitas elektrolit padat CSZ sehingga diperoleh rapat massa yang lebih besar.

2. Perlu meningkatkan konsentrasi La2O3 untuk meningkatkan konduktivitas ionik elektrolit padat CSZ.

(29)

ELEKTROLIT PADAT

DAFTAR PUSTAKA

Barbalace, K. L. 2013. Periodic Table of Elements. Element Erbium – Er

[Online]. Tersedia: http://environmentalchemistry.com/yogi/periodic/Er. html [4 Desember 2013]

Barbalace, K. L. 2013. Periodic Table of Elements. Element Erbium – Er

[Online]. Tersedia: http://environmentalchemistry.com/yogi/periodic/Er. Html [4 Desember 2013]

Bazant. 2011. Equivalent Circuit Models. Lecture 6: Impedance of Electrodes.

MIT Student and MZB.

Callister, W. D. 2007. Materials Science and Engineering An Introduction. New

York: John Willey & Sons, Inc.

Carter, C. B. dan Norton, M. G. 2007. Ceramic Materials Science and

Engineering. Springer.

Chaouchi, A. dan Kennour, S. 2012. Impedance Spectroscopy Studies on Lead

Lree (Ba0.85Ca0.15)(Ti0.9Zr0.1)O3 Ceramics. Processing and Application of

Ceramics. 6, (4), 201–207.

Chesnaud, A. 2009. Use of a New Graphical Representation of Impedance Data

to Investigate Bulk and Grain Boundaries Conductivities. Application to

Ti-Substituted Nd4O2(Ga2O7) Materials. Centre des Matériaux,

Mines-ParisTech, BP87, 91003 Evry Cedex, France

Clegg, W. J. 2012. Materials Science: Ceramics. Department of Materials Science and Metallurgy, University of Cambridge.

Direktorat Jendral Ketenagalistrikan Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral (DJK KESDM). 2012. Rasio elektrifikasi nasional (1980 – 2012).

Jakarta.

Dudek, M. et al. 2006. Calcium Zirconate as A Solid Electrolyte for

Electrochemical Devices Applied in Metallurgy. Materials Science-Poland.

(30)

ELEKTROLIT PADAT

Duangmanee, T. et al. 2008. Electrical Property of Thick Film Electrolyte for

Solid Oxide Fuel Cell. Journal of Metals, Materials and Minerals. 18, (2),

7-11.

Fiqrotul. 2011. Karakteristik Struktur, Sifat Keramik dan Teknik Pemrosesan

Keramik. Wordpress [Online]. Tersedia: http://fiqrotul.wordpress.com/

2011/12/14/karakteristik-struktur-dan-sifat-keramik [29 Juni 2013]

Goodenough, J. B. 1997. Ceramic Solid Electrolytes. Solid State Ionics. 94, 17-25.

Gores, H. J. dan Barthel, J. M. G. 1995. Nonaqueous Electrolyte Solutions: New

Materials for Devices and Processes Based on Recent Applied Research.

Pure &Applied Chermistry. 67, (6), 919-930.

Halliday, D. dan Resnick, R. 1984. Fisika. Edisi Ketiga. Jilid 2. Jakarta: Erlangga. Hench, L. L. 1991. Bioceramics: From Concept to Clinic. Journal American

Ceramic Society. 74, (7), 1487-1510.

Indayaningsih, N. et al. 2003. Pembuatan Komponen SOFC dan

Penggabungannya dalam Pembentukan Sel Bahan Bakar. Prosiding

Pemaparan Litbang IPT 2003: Buku I. A. 105 – A. 115.

Ishikawa, H. et al. 2006. Combustion Synthesis of Doped Lanthanum Gallate as an Electrolyte for Solid Oxide Fuel Cells. Materials Transactions. 47, (1),

149-155.

Ismunandar. 2004. Keramik. Kimianet [Online]. Tersedia: http:// www.kimianet.lipi.go.id/utama.cgi?artikel&1100398016&2 [1 Juli 2013] Kantor Menteri Negara Lingkungan Hidup. 1999. Kawasan Kars di Indonesia:

Potensi dan Pengelolaan Lingkungannya. Jakarta.

Martin, U., Boysen, H. dan Frey, F. 1993. Acta Crystallographica B, 49, 403 [Online]. Tersedia:

staff.aist.go.jp/nomura-k/common/struc-coord/ZrO2-CaO-c.htm [11 September 2013]

Marques, F. M. B. dan Figueiredo, F. M. L. 2013. Electrolytes for solid oxide fuel

(31)

ELEKTROLIT PADAT

Muccillo, R., Netto, R. C. B. Dan Muccillo, E. N. S. 2001. Synthesis and

Characterization of Calcia Fully Stabilized Zirconia Solid Electrolytes.

Materials Letters. 49, 197-201.

Nurhayati, S. 2012. Pengaruh Suhu Sinter terhadap Karakteristik Keramik CSZ

dengan Penambahan Natrium Karbonat untuk Elektrolit Padat. Universitas

Pendidikan Indonesia: Tidak diterbitkan.

Poernomo, H. 2012. Informasi Umum Zirkonium. Yogyakarta: Badan Tenaga Nuklir Nasional Pusat Teknologi Akselerator Dan Proses Bahan.

Rosseinsky, M. J. et al. 2008. Interstitial Oxide Ion Conductivity in the Layered

Tetrahedral Network Melilite Structure. Nature Materials. 7, 498-504.

Ruswanti, E. 2012. Pengaruh Penambahan Nickel Oxide (NiO) Terhadap

Konduktivitas Ionik Keramik Calcia Stabilized Zirconia (CSZ) Untuk

Elektrolit Solid Oxide Fuel Cell (SOFC). Bandung: Universitas Pendidikan

Indonesia.

Septawendar, R., Purwasasmita, B. S. dan Sutardi, S. 2013. Effect of the

Hydrolysis Catalyst NH4OH on the Preparation of Calcia Stabilized

Zirconia with Sugar as A Masking Agent at Low Temperatures. Journal of

the Australian Ceramic Society. 49, (1), 101- 108.

Shakhashiri. 2009. Lime: Calcium Oxide – CaO. Chemical of The Week.

Chemistry 103-1.

Shen, Q. et al. 2009. Change of Phase Composition in Calcia-Stabilized Zirconia

Cermics Using a Boric Acid Additive. Journal of The Ceramics Society of

Japan. 117, (4), 449-451.

Soe, N. N., Shwe, L. T. dan Lwin, K. T. 2008. Study on Extraction of Lanthanum

Oxide from Monazite Concentrate. World Academy of Science, Engineering

and Technology. 46, 124-145.

Stambouli, A. B. dan Traversa, E. 2002. Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs): A

Review of An Environmentally Clean and Efﬁcient Source of Energy. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 6, 433–455.

(32)

ELEKTROLIT PADAT

Stouten, H. 2006. Calcium Oxide.Health-Based Recommended Occupational

Exposure Limit. Dutch Expert Committee on Occupational Standards. 8-13.

Subiyanto, H. dan Subowo. 2003. Pengaruh Temperatur Sintering terhadap Sifat

Mekanik Keramik Insulator Listrik. Jurnal Teknik Mesin. 3, (1), 16-19.

Syarif, D. G. et al. 2010. Synthesis of 8YSZLSGM Composite Thick Film

Ceramics for Solid Electrolyte From Nanopowder Utilizing Local Zircon

Prepared Using Sol Gel Process, AIP Conference Proceedings. 1284, 46-50

Syarif, D. G. et al. 2013. Effect of LSGM Addition on Electrical Characteristic of

8YSZ Ceramics for Solid Electrolyte. Journal of The Australian Ceramic

Society. 49, (2), 52-59.

Taroco, H. A. et al. 2011. Ceramic Materials for Solid Oxide Fuel Cells. Brasil: Department of Chemistry, Universidade Federal de Minas Gerais.

Tipler, P. A. 1998. FISIKA. Untuk Sains dan Teknik. Jakarta: Erlangga.

Uslu, I. et al. 2013. Synthesis and Characterization of Erbia and Ceria Doped

Calcia Stabilized Nanocrystalline Zirconia Based Ceramics. Journal

Sol-Gel Science Technology. 65, 112–120.

Vella, L. 2010. Debye Length. Physics Forums [Online]. Tersedia: http:// www.physicsforums.com /showthread.php?t=75706 [5 November 2013] Vila, J. et al. 2007. Temperature Behavior of the Electrical Conductivity of

Emim-Based Ionic Liquids in Liquid and Solid States. Portugaliae Electrochimica

Acta. 25, 163-172.

Wang, X. 2010. Ionic Conducting Composite as Electrolyte for Low Temperature

Solid Oxide Fuel Cells. Sweden: Functional Materials Division, School of

Information and Communication Technology, Royal Institute of

Technology.

West, A. R. 1999. Basic Solid State Chemistry. New York: John Wiley & Sons,

Inc.

(33)

ELEKTROLIT PADAT

Winter, M. 2012. Zirconium Compounds: Zirconium Oxide. WebElements

[Online]. Tersedia: www.webelements.com/compounds/zirconium/

zirconium_oxide.html [22 Juli 2013]

Winter, M. 2012. Zirconium: The Essentials. WebElements [Online]. Tersedia: www.webelements.com/compounds/zirconium/ [22 Juli 2013]

Winter, M. 2012. Compounds of Lanthanum: Lanthanum (III) Oxide.

WebElements [Online]. Tersedia: www.jpkc.whut.edu.cn/web18/main/

wangluo/webelements/webelements/compounds/text/la/la2o3-1312818. html [29 Juli 2013]

Yanagida, H., Koumoto, K. dan Miyayama, M. 1996. The Chemistry of Ceramics. New York: John Wiley & Sons.

Zhang, F. et al. 2007. In Study of the Crystallization from Amorphous to Cubic

Zirconium Oxide: Rietveld and Reverse Monte Carlo Analyses. Chem.

Mater. 19, (13), 3118-3126.

(34)