2020 : FABRIKASI MEMBRAN KOMPOSIT BERBASIS NANO SELULOSA DAN MATERIAL ANORGANIK ASAM FOSFOTUNGSTAT TERMODIFIKASI UNTUK APLIKASI SEL BAHAN BAKAR (FUEL CELL)

Drs. Lukman Atmaja M.Si., Ph.D
Prof. Dr. Djoko Hartanto M.Si
Dr. Bambang Sudarmanta ST., MT.

External link

Type

RESEARCH

Keywords

-


Abstract

Sel bahan bakar merupakan sel elektrokimia yang dapat mengkonversi energi kimia menjadi energi listrik melalui reaksi reduksi-oksidasi (redoks) dan telah dikembangkan dalam beberapa tahun terakhir sebagai alternatif yang menjanjikan untuk menghasilkan energi listrik ramah lingkungan. Sel bahan bakar memiliki kelebihan dalam tingkat efisiensi yang tinggi (>80% untuk konversi listrik) dan ramah lingkungan (tingkat reduksi polusi 90%) sehingga tidak menimbulkan dampak lain seperti polusi udara dan pemanasan global. Terdapat beberapa macam sel bahan bakar (fuel cell) berdasarkan jenis elektrolit yang digunakan. Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) merupakan salah satu jenis sel bahan bakar yang menggunakan metanol dan air sebagai bahan bakarnya. Dalam DMFC terdapat beberapa komponen penting salah satunya adalah membran elektrolit. Parameter-parameter membran elektrolit untuk DMFC adalah memiliki nilai konduktivitas proton dan selektivitas yang tinggi, permeabilitas metanol rendah, memiliki ketahanan termal dan mekanik yang baik, menghasilkan energi listrik yang tinggi, dan mudah difabrikasi (Zhang dan Shen, 2012). Membran polielektrolit komersil yang digunakan untuk sel bahan bakar adalah Nafion yang berbasis asam perflourosulfonat. Membran ini diaplikasikan untuk sel bahan bakar karena memiliki nilai konduktivitas proton yang tinggi. Namun, kinerja membran Nafion akan semakin menurun seiring dengan kenaikan suhu operasi termasuk penurunan nilai konduktivitas proton dan permeasi metanol yang besar. Dengan adanya beberapa kekurangan dari membran Nafion, alternatif-alternatif membran polielektrolit lain terus dikembangkan. Membran elektrolit berbasis polimer yang memiliki kinerja yang baik dalam suhu tinggi merupakan salah satu langkah untuk mengembangkan membran elektrolit untuk sel bahan bakar. Membran yang digunakan untuk aplikasi sel bahan bakar minimal memiliki konduktivitas proton yang tinggi dan permeabilitas metanol rendah. Material nano yang berasal dari bahan alam dapat digunakan sebagai starting material untuk fabrikasi membran komposit sehingga struktur nano yang dimiliki oleh membran dapat memperkecil nilai permeabilitas metanolnya. Dalam usulan penelitian ini, material nano selulosa sebagai matriks polimer dan material anorganik tahan panas sebagai filler akan diinkoporasikan untuk membentuk membran komposit berkinerja tinggi. Membran komposit akan difabrikasi dengan metode paling mutakhir dan kondisi-kondisi optimum tertentu, serta dilakukan modifikasi terhadap matriks polimer nano selulosa maupun filler anorganik. Sinergi antara dua modifikasi tersebut menjadi satu sistem dalam membran komposit merupakan langkah alternatif dan terobosan dalam mengembangkan membran sel bahan bakar yang akan dieksplorasi secara rinci. Penggunaan material nano dan filler anorganik termodifikasi untuk membran sel bahan bakar sangat terbatas. Selulosa yang dibentuk menjadi nano selulosa dan dimodifikasi dengan senyawa organik lain seperti imidazole dapat memberikan dampak yang signifikan terhadap kinerja membran karena imidazole cenderung memiliki banyak pasangan elektron bebas yang digunakan sebagai lintasan proton. Di sisi lain, material anorganik asam fosfotungstat juga banyak digunakan sebagai filler. Namun, modifikasi terhadap pori asam fosfotungstat sangat terbatas digunakan dalam sel bahan bakar. Keterlibatan imidazole dalam nano selulosa dan bentuk pori asam fosfotungstat terutama bentuk pori meso dapat mempengaruhi kinerja suatu material. Oleh karena itu, pengaruh imidazole dalam nano selulosa dan asam fosfotungstat bentuk mesopori akan diperiksa secara detail pada penelitian ini. Penelitian ini dibagi menjadi dua tahap yaitu (1) inkorporasi antara nano selulosa dengan asam fosfotungstat, dan (2) nano selulosa termodifikasi imidazole yang diinkorporasikan dengan mesopori asam fosfotungstat. Pada akhir penelitian, kedua hasil tersebut akan dilakukan verifikasi energi listrik dengan single cell test yang akan dilakukan di Universiti Teknologi Malaysia (UTM), Johor Bahru. Secara garis besar, membran yang telah difabrikasi akan dilakukan tiga tahap karakterisasi yaitu karakterisasi mengenai sifat-sifat starting material membrannya (meliputi morfologi dan pori, sifat ketahanan termal, bentuk fasa dan kristalnya), sifat-sifat membran yang berkaitan dengan kinerjanya sebagai sel bahan bakar (meliputi konduktivitas proton, permeabilitas metanol, selektivitas, water dan methanol uptake), dan konfirmasi energi listrik dengan DMFC single cell test. Semua rangkaian penelitian akan dilakukan selama 2 tahun yang melibatkan 2 mahasiswa S2. Luaran yang ditargetkan meliputi 2 seminar internasional (Regional Congress on Membrane Technology 2020, Kuala Lumpur, Malaysia), 2 buku tesis, 1 jurnal intenasional terindeks Scopus Q1 (Journal of Power Sources), 1 jurnal internasional terindeks Scopus Q2 (Journal of Membrane Science and Research), dan 1 paten.