1
Fotokatalitik Produksi Hidrogen dari Air Menggunakan Glukosa Sebagai Donor Elektron pada Fotokatalis Pt/La-NaTaO3
Husni Husin*1,2, Adi Salamun1,2, Mukhlisien2 1
Program Magister Teknik Kimia, Universitas Syiah Kuala 2
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala
Jalan Tgk. Syeh Abdurrauh No.7, Darussalam Banda Aceh, Indonesia, 23111 e-mail:husni_husin@che.unsyiah.ac.id
Fikri Hasfita3 3
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik,, Universitas Malikussaleh, Lhoekseumawe, Aceh Utara 24300, Indonesia
e-mail:itaku_hf@yahoo.com
Abstrak
Hidrogen adalah sumber energi ideal masa depan, bersih, dan ramah lingkungan. Penelitian ini bertujuan untuk mengevaluasi pengaruh penggunaan glukosa sebagai donor elektron terhadap aktifitas fotokatalik produksi hidrogen dari air pada fotokatalis lantanum-natrium tantalum oksida bermuatan platinum (Pt/La-NaTaO3). Fotokatalis La-NaTaO3 disintesis dengan metode sol-gel, sedangkan ko-katalis Pt dideposisi pada permukaan La-NaTaO3 dengan cara impregnasi. Sampel fotokatalis dikarakterisasi dengan metode x-ray difractometer (XRD) dan scanning electron microscopy (SEM). Hasil rekaman XRD menunjukkan bahwa katalis memiliki kristalinitas yang tinggi. Hasil perbandingan spektrum XRD sampel dengan XRD NaTaO3 standar mengindikasikan bahwa bentuk struktur katalis dominan orthorhombic. Dari gambar SEM menampilkan ukuran partikel sampel antara 50-250 nm. Partikel Pt tidak terdeteksi dari gambar SEM maupun XRD karena jumlahnya sangat sedikit, yaitu antara 0,5% berat. Uji kinerja fotokatalis dievaluasi terhadap produksi hidrogen dari air menggunakan glukosa sebagai donor elektron (sacrificial reagent). Reaksi dilangsungkan dalam reaktor tertutup, sistem sirkulasi gas, dan disinari dengan lampu merkuri (Hg). Produksi hidrogen pada katalis La-NaTaO3 dari air murni mencapai 0,38 (mmol/g.jam), selanjutnya meningkat menjadi 2,69 (mmol/g.jam) setelah penambahan glukosa 10% berat. Peningkatan produksi hidrogen dari larutan air-glukosa hingga 20,3 (mmol/g.jam) setelah dideposisi Pt sebagai ko-katalis pada permukaan ko-katalis La-NaTaO3. Hidrogen dari air dapat menjadi kandidat energi masa depan, bersih, dan ramah lingkungan.
Kata Kunci: hidrogen, fotokatalis, La-NaTaO3, ko-katalis, platinum, energi bersih. Abstract
Hydrogen was an ideal energy source of the future, clean, and environmentally friendly. The aims of this study to investigate the effects of glucose as an electron donor on the photocatalytic activities for hydrogen production from water over lanthanum-doped sodium tantalum oxide platinum deposited photocatalyst (Pt/La-NaTaO3). The La-NaTaO3 photocatalyst was synthesized by sol-gel method, while the Pt co-catalyst deposited on the surface of La-NaTaO3 by means of impregnation route. The photocatalyst were characterized by XRD, and SEM measurement. From XRD analysis showed that the photocatalyst has an orthorhombic structure with high crystallinity. SEM images of the La-NaTaO3 sample showing the particle size ranging between 50-250 nm. The Pt particles were not detected from SEM images and XRD pattern because of very low concentration (0.5wt%). The photocatalyst performance was evaluated on hydrogen production from water using glucose as an electron donor (sacrificial reagent). The reaction was carried out in a closed reactor and the gas circulation system, illuminated with mercury (Hg) lamp. The hydrogen production from pure water on La-NaTaO3 catalyst reaches of 0,38 (mmol/g.h), subsequently increased to 2.69 (mmol/g.h) after the addition of 10 wt,% of glucose in pure water. Remarkable enhanced of hydrogen production of 20,3 (mmol/g.h) after Pt deposited on the surface of the La-NaTaO3 catalyst. Hydrogen from water can be candidates of energy future, clean, and environmentally friendly.
.
Keywords: hydrogen, photocatalyst, La-NaTaO3, co-catalyst, platinum, green energy.
PENDAHULUAN
Krisis energi dunia dewasa ini telah memberi dorongan yang kuat pada penelitian sumber energi alternatif. Energi fosil utamanya minyak bumi masih menjadi tulang punggung APBN maupun pemasok energi. Di sisi lain, penurunan produksi minyak nasional mengalami penurunan secara alamiah, mengingat usia industri migas ini sudah lebih dari 100 tahun (Anonimous, 2012). Penurunan energi fosil tersebut, perlu dikompensasi dengan energi alternatif atau non-fosil yang pengembangan dan peningkatannya masih terus ditingkatkan.
Penemuan dan penggunaan bahan bakar baru dengan kandungan energi yang lebih tinggi telah menunjukkan peningkatan seiring dengan kemajuan teknologi dan pertumbuhan penduduk di seluruh dunia. Berbagai sumber energi terbarukan telah dipamerkan (Antoniadou and Lianos, 2009). Metode pemanfaatan biomassa ramah lingkungan dan terbarukan, seperti: fermentasi biomassa untuk menghasilkan hidrogen dan bahan bakar, metil ester kedelai (biodiesel) dapat digunakan untuk kendaraan diesel konvensional. Biomassa menyumbang sekitar 12% pasokan energi dunia saat ini. Ketertarikan terhadap penggunaan bahan bakar terbarukan dimulai dengan penggunaan langsung dari minyak nabati sebagai pengganti diesel. Namun, penggunaan langsung dari minyak nabati di mesin diesel menghadapi banyak masalah, seperti: daya output dan efisiensi panas mesin lebih rendah, ring oli, penebalan atau gel dari minyak pelumas sebagai akibat dari kontaminasi oleh minyak nabati dan lain-lain. Kelemahan lain dari minyak nabati, terutama lemak hewani memiliki viskositas yang tinggi (ca. 11-17 kali lebih tinggi dari solar) dan volatilitas yang lebih rendah. Sifat ini dapat menyebabkan deposit karbon dalam mesin karena pembakaran tidak sempurna.
Oleh karena itu, pencarian sumber energi alternatif terus ditelususuri, antara lain bahan bakar hidrogen dari air melalui reaksi fotokatalitik pada semikonduktor oksida logam dengan memanfaatkan energi matahari (Husin et al., 2014) (Antony et al., 2012). Energi hidrogen dari air merupakan teknologi sangat menjanjikan mengingat bahan baku tersedia melimpah.
Prinsip dasar reaksi fotokatalitik pada semikonduktor adalah seperti berikut ini. Semikonduktor terdiri dari valence
band (VB) dikenal dengan pita valensi penuh dan conduction band (CB) atau pita konduksi kosong. Selisih energi antara valence band dan conduction band disebut energi band gap
(Eg).
Gambar 1. Prinsip dasar reaksi fotokatalitik air menjadi hidrogen pada semikonduktor .
Ketika semikonduktor disinari oleh cahaya yang memiliki energi sama atau lebih besar dari energi band gap semikonduktor, maka akan meregenerasi pasangan electron (e-)
dan hole (h+) sebagai muatan negatif dan positif yang berada pada bagian valence band. Elektron selanjutnya dieksitasi ke
conduction band, sementara hole tetap berada di valence band. Hole (h+ VB) merupakan oksidan kuat, sedangkan elektron (e -CB) merupakan reduktan yang baik. Karena keduanya memiliki struktur elektronik, semikonduktor dapat bertindak sebagai mediator dalam proses redoks menurut mekanisme dengan karakteristik tiap-tiap tahapan pada Gambar 1 (Strataki et al., 2007). Hole bereaksi dengan air dan senyawa organik menghasilkan ion H+ dan oksigen pada valence band. Ion H+ selanjutnya direduksi oleh elektron pada conduction band menjadi hidrogen. Untuk mereduksi proton dan mengoksidasi ion oksigen diperlukan energi yang cukup. Selain itu, tingkat energi valence band dan conduction band harus kompatibel dengan spesies yang akan direduksi atau dioksidasi. Posisi conduction band harus lebih negatif dari potensial reduksi H+/H2, dan posisi valence band harus lebih positif dari potensial oksidasi O2/H2O .
Proses fotokataltik produksi H2 telah menarik perhatian yang signifikan karena energi matahari tersedia melimpah dan berpotensi untuk meregenerasi bahan bakar bersih dan terbarukan. Produksi H2 melalui dekomposisi air yang disebut “water splitting” (WS) secara termodinamika dibatasi oleh energi bebas Gibbs (237 kJ / mol, 1.23 eV. Namun demikian, penggunaan energi surya untuk memproduksi H2 secara fotokatalitik merupakan topik yang menarik, walaupun efisiensi reaksi ini dilaporkan sangat rendah.
Bebagai upaya terus difokuskan pada peningkatan efisiensi produksi H2 secara fotokatalitik yang dipengaruhi oleh metode sintesis, katalis, iluminasi cahaya, suhu, pH, dan elektron donor. Rekombinasi elektron dan hole pada permukaan fotokatalis merupakan salah satu hambatan utama dalam meningkatkan aktivitas fotokatalitik (Seger and Kamat, 2009; Yu et al., 2013). Dengan demikian, untuk kebanyakan sistem produksi hidrogen, biasanya ditambahkan sacrificial ragents sebagai donor elektron untuk menjerat hole sebagai fasilitator transfer muatan. Selain itu, peran donor elektron juga untuk menghindari fotokorosi dan melepaskan elektron pada fotokatalis agar produksi H2 menjadi efisien. Jika tidak adanya donor elektron, efisiensi produksi hidrogen secara fotokatalitik sangat rendah, karena terjadi rekombinasi photoinduced elektron dan hole pada permukaan semikonduktor.
Dalam beberapa tahun terakhir, produksi hidrogen dari turunan biomassa (misalnya metanol, gliserol, glukosa, polisakaridadan lain-lain ) sangat strategis dan menjanjikan dari sudut pandang termodinamika kimia , karena memiliki redoks potensial standar dari -0,02 - 0,26 V (Melero, et al., 2012) (Speltini et al., 2014). Biomassa, yaitu glukosa, merupakan sumber daya terbarukan serbaguna digunakan sebagai sacrificial reagent kali ini. Penggunaan glukosa pada evolusi H2 dibandingkan dengan proses tanpa glukosa. Tulisan ini melaporkan proses produksi hidrogen menggunakan glukosa turunan biomassa melalui proses fotokatalitik pada semikonduktor Pt/La-NaTaO3.
3 METODE
Bahan-bahan yang digunakan
Pada penelitian ini menggunakan bahan-bahan meliputi: tantalum klorida (TaCl5, 99%), Lantanium nitrat heksahidrat (La(NO3)3. 6H2O, 98,0%), asam sitrat anhidrat (C6H8O7, 99,5%), Natrium hidroksida (NaOH, 99,9%), amoniak (NH3, 35%), etanol (C2H5OH), 96%), co-katalis Platinum (Pt), gas Ar (80%), glukosa, air suling, gas argon (Ar 99.99%), dan gas Nitrogen (N2).
Preparasi Katalis
Katalis La-doped NaTaO3 (LaxNa(1-x)TaO3) disintesis melalui prosedur sol-gel menggunakan etanol sebagai pelarut. Sintesis dilakukan dengan cara berikut ini (Husin et al., 2011a): TaCl5 dilarutkan dalam etanol, sedangkan NaOH dilarutkan dalam aquades (NaOH. Larutkan La(NO3)2.2H2O ke dalam beaker glass sesuai jumlah 2,0 % mol dilarutkan dalam aquades. Campuran diaduk dalam gelas kimia menggunakan magnetic stirrer. Sambil diaduk terus, siapkan lautan 50 ml asam sitrat, selanjutnya teteskan perlahan-lahan ke dalam larutan untuk menghasilkan sol pada suhu kamar. pH larutan diatur sampai 4 menggunakan larutan NH4OH untuk mengionisasi asam sitrat. Campuran tersebut kemudian dipanaskan dan temperatur dipertahankan konstan pada 80 oC sampai terbentuk gel putih. Kemudian gel dikeringkan dalam oven pada suhu 110 oC selama lebih kurang 8 jam, selanjutnya dilakukan pre-kalsinasi pada suhu 450 oC dan akhirnya dilanjutkan kalsinasi pada suhu 800 oC selama 8 jam dengan dialiri udara. Sampel fotokatalis dikarakterisasi dengan X-ray diffractometer (XRD), dan Scanning electron microscopy (SEM).
Pemuatan Pt sebagai kokatalis bertujuan untuk mempromosi hidrogen. Pt disiapkan dengan metode impregnasi pada semikonduktor La-NaTaO3. Senyawa H2PtCl6.6H2O sebagai prekursor Pt dilarutkan ke dalam etanol. Misalnya, sebanyak 1% Pt dari berat katalis di tetes demi tetes ke dalam reaktor yang berisi larutan pereaksi sebelum reaksi fotokatalitik dilaksanakan. Uji Kinerja Katalis
Produksi H2 dilangsungkan dalam reaktor gelas pyrex. Fotokatalis dalam bentuk bubuk sebanyak 0,3 g didispersi ke dalam 300 ml air yang mengandung 10% berat glukosa menggunakan pengaduk magnetik. Sebelum disinari cahaya, udara di dalam reaktor dibersihkan dengan dialirkan gas Ar. Sumber radiasi menggunakan lampu merkuri 400 W bertekanan sedang (λ 250-300 nm). Sebelum disinari cahaya, udara di dalam reaktor dibersihkan dengan dialirkan gas Ar (purging). Produksi H2 dapat diamati dengan timbulnya gelembung-gelembung udara pada alat kolektor gas untuk mengetahui jumlah produksi gas selama reaksi berlangsung.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Morfologi Pt/La/NaTaO3 diobservasi dengan Scanning electron microscopy (SEM). Gambar 2 mendemonstrasikan bentuk struktur dari sampel katalis La/NaTaO3,
Gambar 2. Hasil rekaman SEM sample Pt/La-NaTaO3.
Dari gambar tampak ukuran partikel La/NaTaO3 berkisar 50-250 nm. Ukuran partikel ini tergolong kecil dibandingkan dengan hasil peneltian yang dilaporkan oleh group penelitian lainnya (Porob and Maggard, 2006). Dari Gambar SEM dapat diamati bahwa partikel katalis berbentuk ortorhombic. Partikel Pt tidak terdeteksi dari Gambar SEM karena jumlah dan ukurannya sangat sedikit.
Gambar 3. Spektrum XRD sample Pt/La-NaTaO3.
Permukaan katalis terlihat bersih dan mulus mengindikasikan sampel memiliki kristalinitas yang tinggi. Katalis yang memiliki kristalinitas yang tinggi diharapkan dapat meningkatkan aktivitas fotokatalitik produksi hydrogen (Husin et al., 2014).
Gambar 3 menunjukkan pola XRD Pt/La-NaTaO3. Dari spektrum XRD sampel terindikasi bahwa katalis sampel memiliki profil yang sama dengan NaTaO3 standar dan dapat diindeks sebagai struktur NaTaO3 ortorhombic sesuai dengan standar data file (JCPDS Card: 72-1192). Puncak yang tajam dan sempit menunjukkan kristalisasi tinggi dari produk katalis. Tidak ada puncak pengotor yang teramati dalam pola difraksi baik ion logam La3+ maupun logam mulia Pt. Fakta ini mengindikasikan bahwa produk tersebut benar-benar fase ortorhombic dan ion doping berhasil disubtitusi ke dalam kisi NaTaO3 (Husin et al., 2011a).
Gambar 4. Produksi hidrogen menggunakan La-NaTaO3 pada berbagai konsentrasi glukosa.
Gambar 4 menunjukkan laju evolusi hidrogen larutan air-glukosa sebagai fungsi waktu iradiasi pada katalis Pt/La-NaTaO3 dan berbagai konsentrasi glukosa. Dari hasil pengamatan selama 4 jam menampilkan bahwa 5% glukosa dalam air dapat mendorong produksi hidrogen yang cukup baik. Hal ini diamati bahwa peningkatan konsentrasi glukosa dari 5% sampai 10% menyebabkan peningkatan evolusi hidrogen dari 8,71 (mmol h-1g-1) menjadi 20.3 (mmol h-1g-1). Fakta ini mengindikasikan bahwa glukosa dalam air bertindak sebagai sacrificial reagent bereaksi dengan hole menghasilkan ion H+. Selanjutnya ion H+ direduksi oleh electron menghasilkan gas hidrogen sebagai energi bersih dan ramah lingkungan (Wang et al., 2013) (Husin et al., 2014).
Gambar 5. Produksi hidrogen dari air murni dan larutan air-glukosa pada katalis La-NaTaO3 dan Pt/La-NaTaO3
Produksi hidrogen dari air murni pada katalis La-NaTaO3 mencapai 0,38 (mmol h-g-1). Ketika ditambahkan etanol sebanyak 10%, laju produksi hidrogen meningkat hingga 2,69 (mmol h-1g-1). Fakta ini menjelaskan fungsi glukosa yang bertindak sebagai sacrificial reagent atau donor elektron, dan mencegah rekombinasi elektron-hole. Peningkatan produksi hidrogen sangat signifikan ketika Pt dideposisi pada katalis La-NaTaO3. Temuan ini mengindikasikan fakta bahwa glukosa bertindak sebagai sacrificial reagent, sementara Pt bertindak sebagai penjerat elektron, hal ini dapat mencegah rekombinasi elektron-hole. Akan tetapi, hidrogen tidak terdeteksi ketika menggunakan air murni pada katalis Pt/La-NaTaO3. Fakta ini kemungkinan hidrogen berinteraksi dengan oksigen terjadi reaksi balik membentuk air (Husin et al., 2011b).
KESIMPULAN
Pengaruh penggunaan glukosa sebagai donor elektron terhadap aktifitas fotokatalik produksi hidrogen dari air pada La-NaTaO3 dan Pt/La-NaTaO3 telah dievaluasi. Produksi hidrogen dari air murni pada katalis La-NaTaO3 mencapai 0,38 (mmol h-g-1). Ketika ditambahkan glukosa sebanyak 10%, laju produksi hidrogen meningkat hingga 2,69 (mmol h-1g-1). Peningkatan produksi hidrogen sangat signifikan ketika Pt dideposisi pada katalis La-NaTaO3. Glukosa bertindak sebagai sacrificial reagent, sementara Pt bertindak sebagai penangkap elektron sehingga mencegah rekombinasi elektron-hole. Akan tetapi, hidrogen tidak terdeteksi ketika menggunakan air murni pada katalis Pt/La-NaTaO3 karena terjadi reaksi balik antara hidrogen dan oksigen pada platinum.
5 UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Kementerian Riset-Teknologi dan Pendidikan dan Kebudayaan Republik Indonesia atas bantuan dana penelitian melalui Riset Hibah Pascasarjana Tahun 2015. Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada saudara Yuliana Sy atas bantuannya dalam pelaksanaan penelitian ini.
DAFTAR PUSTAKA
Anonimous. 2012. Energi/www.ngdir.ir. In.
Antoniadou M, Lianos P. 2009. Near Ultraviolet and Visible light photoelectrochemical degradation of organic substances producing electricity and hydrogen. J. Photochem. Photobiol. A 204:69-74.
Antony RP, Mathews T, Ramesh C, Murugesan N, Dasgupta A, Dhara S, Dash S, Tyagi AK. 2012. Efficient photocatalytic hydrogen generation by Pt modified TiO2 nanotubes fabricated by rapid breakdown anodization. International J. of Hydrogen Energy 37:8268-8276.
Husin H, Chen HM, Su WN, Pan CJ, Chuang WT, Sheu HS, Hwang BJ. 2011a. Green fabrication of La-doped NaTaO3 via H2O2 assisted sol-gel route for photocatalytic hydrogen production. Appl. Catal., B: Environmental 102:343-351.
Husin H, Hwang BJ, Su W-N. 2011b. Photocatalytic of hydrogen production from water over Ni/NiO core/shell nanoparticle-loaded La0.02Na0.98TaO3. In: Annual International Conference (AIC) 2011. Universitas Syiah Kula Banda Aceh. Husin H, Pontas K, Sy Y, Syawaliah, Saisa. 2014.
Synthesis of Nanocrystalline of Lanthanum Doped NaTaO3 and Photocatalytic Activity for Hydrogen production. Journal Engineering Technology Sciences 46:322-331.
Melero, J.A., Lglesias,J., A. Garcia, Energy Environ. Sci 5 (2012) 7393–7420.
Porob DG, Maggard PA. 2006. Flux syntheses of La-doped NaTaO3 and its photocatalytic activity. Journal of Solid State Chemistry 179:1727-1732.
Seger B, Kamat PV. 2009. Fuel Cell Geared in Reverse: Photocatalytic Hydrogen Production Using a TiO2/Nafion/Pt Membrane Assembly with No Applied Bias. The Journal of Physical Chemistry C 113:18946-18952.
Speltini A, Sturini M, Maraschi F, Dondi D, Serra A, Profumo A, Buttafava A, Albini A. 2014. Swine sewage as sacrificial biomass for photocatalytic hydrogen gas production: Explorative study. International Journal of Hydrogen Energy 39:11433-11440.
Strataki N, Bekiari V, Dimitris I, Kondarides, Lianos P. 2007. Hydrogen production by photocatalytic alcohol reforming employing highly efficient nanocrystalline titania films. Applied Catalysis B: Environmental 77:184-189.
Wang Q, An N, Bai Y, Hang H, Li J, Lu X, Liu Y, Wanga F, Li Z, Lei Z. 2013. High photocatalytic hydrogen production from methanol aqueous solution using the photocatalysts CuS/TiO2. Int J Hydrogen Energy 3 8 1073-1079.
Yu Z, Meng J, Li Y, Li Y. 2013. Efficient photocatalytic hydrogen production from water over a CuO and
carbon fiber comodified TiO2
nanocomposite photocatalyst. International Journal of Hydrogen Energy 38:16649-16655.
