Repository FMIPA 1 FABRIKASI DAN KARAKTERISASI MEMBRAN SEL BAHAN BAKAR
DENGAN STRUKTUR SUPRAMOLEKULAR Sardiman1, Mbantun Ginting2, Sunit Hendrana3
1Mahasiswa Jurusan Fisika
2Bidang Fisika Zat Padat
3Peneliti Fisika-LIPI
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Kampus Bina Widya Pekanbaru 28293, Indonesia
ABTRACT
The production of fuel cell membranes based on sulfonated polystyrene (sPS) with recurrent smoothly method has been conducted. The membrane-based polistren sulfonated matrix is made of a mixture of 0.5 grams sPSBM, 0.5 PE-g-MAH and 1 gram PSBM, the mixture is compacted by using hotpress with temperatures of 1050 C at a pressure of 20 kgf / cm2. Matrix is dropped with supramolecular solution while heated at a temperature of 800 C and contolled for not being cracked. The membrane that has been spilled solution of supramoleculer is smoothed again. The purpose of refining the material to the membrane is to spread more evenly so as to increase the conductivity of the membrane, and the membrane process of refining and compaction is done repeatedly. At the final stage, the membrane that has been compacted is then thinned by using a press machine, so that the membrane is thinner. The membrane is observed with an optical microscope to observe at the distribution of the material. The test group of membrane function uses Fourier-Transform Infra Red (FTIR). Testing the structure morphology and distribution of material on the membrane uses a Scanning Electron Microscope (SEM). Testing membranes ionic conductivity uses Electrohemical impedance spectroscope (EIS). The result showed that the distribution of membrane material has been uneven, but in SEM it still observes evenly spread the material. In FTIR, it looks the energy absorption at wave numbers between 2800-3100 cm-1 in the form of bonding hydroxyl (OH) derived from sPS and PE-g-MAH of supramolecular solution. Membrane ionic conductivity values are calculated by using the for 9:51 x 10-5 S/m. In the manufacture of membranes for fuel cells spread by of materials is essential in improving the conductivity. By refining and compaction system repeatedly will facilitate to make a membrane a uniform material distribution that will enhance the value of the conductivity of the membrane.
Keywords : Sulfonated Polystyrene, fuel cell, conductivity
Repository FMIPA 2 ABSTRAK
Telah dilakukan pembuatan membran sel bahan bakar berbasis polistiren tersulfonasi (sPS) dengan metode pengurusan berulang. Membran berbasis polistren tersulfonisasi dibuat dari matrik campuran 0.5 gram sPSBM, 0,5 PE-g-MAH dan 1 gram PSBM, campuran bahan dipadatkan menggunakan hotpress dengan suhu sebesar 1050 C pada tekanan 20 kgf/cm2. Matrik ditetesi dengan larutan supramolekuler sambil dipanaskan pada suhu 800 C, pengontrolan suhu dilakukan agar membra tidak retak, membran yang telah ditetesi larutan supramolekuler dihaluskan kembali. Tujuan penghalusan agar persebaran bahan pada membran lebih merata sehingga mampu meningkatkan nilai konduktivitas membran, proses penghalusan dan pemadatan membran dilakukan secara berulang-ulang. Pada tahap akhir membran yang telah didapatkan kemudian ditipiskan menggubakan mesin press agar membran lebih tipis. Membran diamati dengan mikroskop optik untuk melihat persebaran bahan pada membran yang telah dbuat, pengujian gugus fungsi membran menggunakan Fourier-Transfrom Intra Red (FTIR).
Pengujin struktur merfologi dan persebaran bahan pada membran menggunakna alat Scening Electron Microscope (SEM). Pengujian konduktivitas ionik membran menggunakan Electrochemical Impedance Spectroscope (EIS). Hasil pengujian mikroskop optik memperlihatkan persebaran bahan pada membran sudah merata, namun pada pengujian SEM masih terlihat adanya daerah yang persebaran bahanya belum merata. Pada pengujian FTIR terlihat adanya serapan energi pada bilangan gelombang antara 2800-3100 cm-1 berupa ikatan hidroksil (O-H) yang berasal dari sPS dan PE-g-MAH dari larutan supramolekular. Nilai konduktivitas ionik membran yang dihitung menggunakan alat sebesar 9.51x 10-5 S/m, nilai konduktivitas ini masih jauh dibandingan dengan nilai konduktivitas Nafion 3.26 x 10-1 S/m. Dalam pembuatan membran untuk sel bahan bakar persebaran bahan merupakan hal yang penting dalam neningkatkan konduktivitas, dengan sistem penghalusan dan pemadatan secara berulang akan memmudahkan membuat membran yang memiliki persebaran bahan yang merata sehingga akan meningkatan nilai konduktivitas membran.
Kata kunci : polistiren tersulfonisasi, sel bahan bakar, konduktivitas PENDAHULUAN
Sel bahan bakar adalah sebuah perangkat elektrokimia yang mengubah energi kimia menjadi energi lisrtik secara kontinu, membran polimer merupakan komponen terpenting dalam sistem kerja sel bahan bakar karena reaksi elektrokimia menjadi energi listrik berlangsung didalam membran.
Saat ini nafion merupakan membran utama yang digunakan pada sel bahan bakar polimer namun membran ini harganya sangat mahal.
Membran berbasis polisterena tersulfonisasi merupakan alternatif membran selain membran nafion.
Proses pembuatan membran perlu memperhatikan persebaran bahan didalam membran, persebaran yang merata dapat meningkatkan nilai konduktivitas dari membran sehingga perlu digunakan suatu teknik pembuatan membran yang mampu membuat persebaran bahan lebih merata yaitu dengan metode pengerusan berulang.
Tujuan penelitian ini adalah penguasaan teknologi pembuatan membran berbasis
Repository FMIPA 3 polistiren tersulfonisasi dengan metode
penggerusan berulang sehingga didapat membran dengan nilai konduktivitas yang memenuhi krakteristik Nafion.
METODE PENELITIAN 1. Alat dan Bahan
Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini berupa neraca digital, mortar, hotpress, cold press, hot plate stirrer, hot rolling press mikroskop optik Mikroskop optik Nikon FX-35DX, FTIR 4300, SEM
SU3500 dari HITACHI,
Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), Larutan Poloisterena Tersulfonisasi, polyethylene-grafted-Maleic Anhydride (PE-g-MAH), Sulfonate Polystirene Bimodal (sPSBM) dan Polystirene Bimodal (PSBM).
2. Skema Peneitian
Gambar 1. Skema Penelitian Gambar 1 memperlihatkan skema dari pembuatan membran sampai
dengan karakterisasi, pada tahapan pertama pembuatan matrik polimer yang terbuat dari campuran sPSBM, PSBM dan PE-g-MAH lalu dipress dengan hot press pada suhu 1050C pada tekanan 20kgf/cm2, dan waktu 60 detik.
Selanjutnya matrik ditetesi larutan supramolekular dan dipanaskan dengan hot plate stirirer pada suhu 800 C sehingga terbentuklah membran.
Memnbran yang telah terbentuk dihotroll pada suhu 800 C, membran diamati dengan mikroskop optik jika belum terbentuk persebaran bahan yang merata maka akan dilakukan pengerusan dan press kembali dengan suhu yang ditingkat kan menjadi 1200 C, membran yang telah digerus secara merulang akan dipadatkan dengan Hot Press pada suhu 800 C, tekanan 500kgf/cm2, dan waktu 20 detik dengan Spacer 0.5 cm. Tahapan akhir membran diamati dengan Mikroskop Optik dikarakterisasi dengan Scanning Electorn Microscope (SEM) untuk melihat persebran bahan secara mikro, Fourier Transform Infra Red (FTIR) untuk melihat persebaran gugus fungsi pada membran dan Electrochemical Impedance Spectroscope (EIS) untuk menganalisa sifat kelistrikan membran.
HASIL DAN PENBAHASAN
Data dalam penelitian ini berupa foto membran yang memperlihatkan persebaran bahan didalam membran, SEM menunjukkan persebaran bahan secara mikro, pengamatan FTIR berupa grafik persebaran gugus fungsi dan EIS menghasilkan grafik Nyquist yang menunjukkan adanya daerah konduktivitas pada membran.
Repository FMIPA 4 Gambar 1. Bentuk permukaan matrik
yang diamati dengan Mikroskopi Optik
Gambar 2. Foto permukaan membran setelah penetesan larutan supramolekular
Gmabar 3. Foto permukaan membran setelah homogenisasi
Gambar 4. Bentuk permukaan membrane setelah proses pemadatan.
Gambar 1 memperlihatkan bentuk permukaan matrik yang memiliki banyak pori-pori, pori-pori pada matrik ini yang nantinya akan menjadi wadah ketika partikel larutan supramolekuler diteteskan kedalam matrik.
Gambar 2 menunujukkan permukaan membran setelah penetesan larutan supramolekuler, membrane terlihat masih belum homogeny hal ini ditunjukkan dengan adanya perbedaan warna pada membran. Terdapat tiga warna yang berbeda seperti biru, kuning, dan kemerahan.
Gambar 3 menunjukkan bentuk permukaan membran setelah homogenisasi terlihat membrane memilki warna yang sudah homogen.
Hal ini ditunjukkan dari warna permukaan membran yang tidak berbeda lagi, warna membran terlihat sudah satu warna.
Gambar 4 merupakan membrane setelah proses pemadatan kembali, terlihat membrane sudah homogeny hal ini juga terlihat dari warna membrane yang sudah satu warna hal ini terjadi karena proses pemadatan dan pengerusan berulang-ulang sehingga bahan tercampur merata.
Repository FMIPA 5 Gambar 5. Foto pengamatan morfologi
membran pada perbesaran 200 kali
Gambar 6. Foto pengamatan morfologi membran pada perbesaran 1000 kali
Gambar 5 menunjukan adanya komponen-komponen dengan berat molekul kecil yang berupa gumpalan yang diperkirakan partilek larutan supramolekular. Terlihat bulatan tersebut menggupal seperti membentuk sebuah jalur, hal tersebut menunjukan bahwa larutan supramolekular terdistribusi dengan cukup baik dan merata hal ini karena adanya pengurusan ulang dan hotroll secara berulang-ulang pada saat pembuatan membrane sehingga larutan supramolekular dapat menebus masuk
dalam pori-pori membrane dan tersebar cukup baik dalam membran.
Gambar 6 merupakan foto pengamatan Scening Electron Microscope (SEM) dengan merupakan daerah yang belum kompatibel, namun sebagian besar daerah yang berada dibatas-batas garis bagian yang belum kompatibel sudah dapat menyatu yang dapat dilihat dengan tidak adanya rongga antara dua bagian tersebut.
Daerah yang tidak kompatibel ini akan menyebabkan terhambatnya aliran ion yang bergerak.
Gambar 7. Spektrum FTIR membran Gambar 7 merupakan spektrum yang mengidentifikasikan gugus fungsi kandungan dalam membran yang menunjukan adanya serapan 5nergy pada bilangan gelombang antara 2800- 300 cm-1 berupa ikatan (O-H) yang berasal dari sPS dan PE-g-MAH dari larutan supramolekular. 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 berasal dari sPS.
Repository FMIPA 6 Gambar 8. Grafik Nyquist yang
menujukan adanya daerah Warburg
Gambar 8 memperlihatkan grafik Niquist yang memperlihatkan adanya dua daerah yaitu daerah setengah lingkaran dan daerah linier, daerah setengah lingkaran merupakan daerah sifat listrik material yang dikarakterisasi dan tahanan antara muka dan antara material dengan elektroda.
Daerah linear pada kurva nyquist disebut daerah Warburg, daerah Warburg merupakan daerah yang memperlihatkan tahanan elektroda.
Gambar 9. Grafik Nyquist membran Gambar 9 merupakan grafik Nyquist yang didapat dari hasil ekstrapolasi setengah lingkaran, pada pola setengah lingkaran merupakan daerah impendansi total didaerah tersebut. Data impendansi total pada zona setengah lingkaran ini yang akan
digunakan untuk mendapatkan nilai konduktivitas.
KESIMPULAN
Nilai konduktivitas pada membran yang diukur dengan alat sebesar 9,51 x 10-5 S/m dan nilai konduktivitas membran nafion 3.26 x 10-1 S/m. Sedangkan nilai konduktivitas membran yang dihitung berdasarkan rumus adalah sebesar 2.08 x 10-5 S/m.
Pada pengujian FTIR grafik menunjukan adanya serapan energi pada bilangan gelombang antara 2800 - 3100 cm-1 berupa ikatan hidroksil (OH) yang berasal dari sPS dan PE-g-MAH dari larutan supramolekular. 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 berasal dari sPS.
Pada pembuatan membran dilakukan pengerusan dan hotroll secara berulang-ulang yang bertujuan untuk membuat persebaran bahan pada membran lebih merata. Hal ini dapat dilihat pada pengamatan mikroskop optik yang memperlihatkan adanya perbedaan sebelum membran digerus dan di hotpress secara berulang, terlihat pada membran yang telah digerus dan di hotroll bentuknya lebih homogen.
DAFTAR PUSTAKA
Abdulah, M., Khairurijal., Nurhasanah, I., Sriyanti, I., Marully, R.A.
2009 nano Partikel Seria yang Didop Neodymium untuk Aplikasi Solid Oxide Fuel Cell (SOFC). Jurnal ilmu
Repository FMIPA 7 pengetahuan dan teknologi
TELAAH 2:21 – 26
Dhuhita, A. 2010. Karakterisasi dan Uji Kinerja Speek, CSMM dan Nafion untuk Aplikasi Direct Methanol Fuel Cell (DMFC).
Skripsi jurusan kimia FMIPA.
Universitas Diponegoro, Semarang
Ginting, I., Simanjuntak , W., Dewi, L.E. 2010. Pembuatan Membran Polimer Elektrolit
Berbasis Polistiren Aklinotril (SAN) untuk aplikasi Direct Methanol Fuel Cell. Jurnal Natur Indonesia 13:1-6
Haryanto, M.L., Setiawan, H., Ilmiah, S., Mabruroh. L., Aliyatulmuna, A., Fansuri, H. 2011. Pengaruh Komposisi Fe Terhadap Konduktivitas Ion Oksigen pada oksida Perovskit La07Sr03Co1-yFeyO3-8. Prosiding Seminar Nasional Kimia unesa 44-50
Hartono, S., Handayani, S., Marlina, L., Latifah. 2007. Pengaruh Silika Pada MembranElektrolit Berbasis Polieter Keton. Jurnal Sains Materi Indonesia 8: 205 – 208
Hendrana, S., Kartini, R., Rahayu, I., Sudirman. 2007. Sifat Membran Berbasis Polistiren Tersulfonisasi dengan Penambahan Aditif. Jurnal Sains Materi Indonesia 8: 139 – 143
Kunchoro, D.D. 2008. Simulasi Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) sebagai Pembangkit Listrik Perumahan. Skripsi
Jurusan Kimia FMIPA, Universitas Indonesia, Jakarta.
Lim, M. 2011. Pembuatan dan Karakterisasi Komposit Membran Peek Silika/Clay untuk Aplikasi Direct Methanol Fuel Cell (DMFC). Thesis Magister Teknik Kimia Fakultas Teknik,Universitas Indonesia, Jakarta.
Nurdin, I., Damayanti, A., Lade, O.M.R., Widiantmoko, P. 2005.
Pengaruh Penambahan Propana Dalam Bahan Bakar Terhadap Karakteristik Sel Tunama Oksida Padat. Jurnal Teknik Kimia Indonesia 4: 159-166 Prihandoko, B., Sadeli, Y., Dani, S.
2011. Pengaruh variasi partikel 10 % carbon black pada pelat bipolar PEMFC dengan grafit EAF. Jurnal ilmu pengetahuan dan teknologi TELAAH 29:9 – 14
Tribowo, J. 2011. Rekayasa Bahan LixTiMnyFez(PO4)3 Sebagai Katoda Solid Polimer Battery Lithium. Thesis Magister Teknik Metalurgi dan Material Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Jakarta.
Yohan,. Nur., R.M., Hendrajaya, L., Siradj, E.S. 2005. Sintesis Baha Membran Sel Bahan Bakar:
Kopolimerisasi Stirena Pada FilimEtfe Dengan Teknik Iradiasi Awal. Makara 9: 72-77 Youvival, M. 2006. Polymer Electrolyte
Membrane Fuel Cell Dan Pembahasan Umpan Hidrogen.
Jurnal Ilmiah Teknologi Energi 53-54
