Top Banner
2 Tinjauan Pustaka 2.1 Sel Bahan Bakar (Fuel Cell) 2.1.1 Pengertian Sel bahan bakar (fuel cell) merupakan alat penghasil listrik dengan hidrogen sebagai bahan bakarnya. (6) Selain hidrogen, dibutuhkan juga oksigen dari udara sebagai oksidatornya. Saat menghasilkan arus listrik, gas hidrogen dan oksigen akan diubah oleh sel bahan bakar menjadi air. (17) Berbeda dengan baterai, sel bahan bakar tidak perlu diisi ulang (recharging) selama bahan bakar dan oksidatornya terus disuplai dari luar. (18) Satu unit sel bahan bakar yang terdiri atas 2 lembar elektroda platina (Pt) dan elektrolit disebut sel tunggal. Tegangan yang diperoleh dari 1 buah sel tunggal ini berkisar 1 volt, sama dengan sel kering. Untuk mampu menghasilkan tegangan lebih tinggi yang dinginkan maka sel tersebut dapat disusun secara seri atau pararel. Kumpulan dari banyak sel tunggal ini disebut stack. Untuk membuat stack, selain dibutuhkan sel tunggal satuan, juga diperlukan sel separator. (6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove, seorang ahli fisika berkebangsaan Inggris, pada tahun 1839. Sel yang diperkenalkan saat itu masih sangat sederhana, seperti ditunjukkan oleh Gambar 2.1. (18) Elektroda Pt Sumber arus DC Elektrolit Gambar 2.1 Sel elektolisis 5
29

2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

Mar 04, 2018

Download

Documents

ngotruc
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

2 Tinjauan Pustaka

2.1 Sel Bahan Bakar (Fuel Cell)

2.1.1 Pengertian

Sel bahan bakar (fuel cell) merupakan alat penghasil listrik dengan hidrogen sebagai bahan

bakarnya.(6) Selain hidrogen, dibutuhkan juga oksigen dari udara sebagai oksidatornya. Saat

menghasilkan arus listrik, gas hidrogen dan oksigen akan diubah oleh sel bahan bakar

menjadi air.(17) Berbeda dengan baterai, sel bahan bakar tidak perlu diisi ulang (recharging)

selama bahan bakar dan oksidatornya terus disuplai dari luar.(18)

Satu unit sel bahan bakar yang terdiri atas 2 lembar elektroda platina (Pt) dan elektrolit

disebut sel tunggal. Tegangan yang diperoleh dari 1 buah sel tunggal ini berkisar 1 volt,

sama dengan sel kering. Untuk mampu menghasilkan tegangan lebih tinggi yang dinginkan

maka sel tersebut dapat disusun secara seri atau pararel. Kumpulan dari banyak sel tunggal

ini disebut stack. Untuk membuat stack, selain dibutuhkan sel tunggal satuan, juga

diperlukan sel separator.(6)

2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar

Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove, seorang ahli

fisika berkebangsaan Inggris, pada tahun 1839. Sel yang diperkenalkan saat itu masih sangat

sederhana, seperti ditunjukkan oleh Gambar 2.1. (18)

Elektroda Pt

Sumber arus DC

Elektrolit

Gambar 2.1 Sel elektolisis

5

Page 2: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

Dengan memberikan tegangan melewati dua elektroda, dapat dihasilkan hidrogen dan

oksigen (proses ini disebut elektrolisis, yang sebenarnya telah ditemukan oleh William

Nicholson pada tahun 1800). Proses yang terjadi pada sel bahan bakar merupakan kebalikan

dari proses ini. Dengan adanya elektroda platina, yang berfungsi sebagai katalis, bila

diumpankan gas hidrogen pada anoda dan gas oksigen pada katoda, elektrolisis akan berjalan

ke arah kebalikannya dan aliran listrik dapat dihasilkan melewati sirkuit antara kedua

elektroda tersebut.

Francis Bacon (1904-1992), seorang pria berkebangsaan Inggris, adalah orang pertama yang

berhasil membuat sel bahan bakar pada tahun 1932. Bacon menggunakan gas O2 dan H2

murni, elektroda nikel, dan elektrolit basa (KOH), yang kemudian disebut Alkaline Fuel Cell

(sel bahan bakar tipe basa). 27 tahun kemudian, Bacon dan rekan-rekannya baru berhasil

membuat sel bahan bakar dengan daya 5 kW, menunjukkan betapa sulitnya membuat

perkembangan di bidang ini.

Berselang setelah ditemukan Alkaline Fuel Cell, di tahun 1950-an, perusahaan Amerika

Serikat, General Electric (GE), berhasil mengembangkan sel bahan bakar tipe baru, dengan

membran polimer sebagai elektrolitnya, yang kemudian disebut Proton Exchange Membrane

Fuel Cell (PEMFC). PEMFC yang ditemukan oleh GE mampu menghasilkan sekitar 1 kW,

dan memiliki keunggulan pada design, lebih compact, bila dibandingkan sel bahan bakar

yang ditemukan oleh Bacon saat itu.

Sel bahan bakar mulai mendapat perhatian ketika NASA mulai menggunakan sel bahan

bakar buatan GE sebagai sumber energi pada komputer dan alat komunikasinya pada tahun

1965. Program Gemini mereka menggunakan PEMFC. Sedangkan program Apollo,

termasuk yang mengangkut Neil Amstrong dan rekan-rekannya ke bulan, menggunakan

Alkaline Fuel Cell (AFC). NASA menggunakan AFC hingga tahun 1990-an lalu beralih

kembali ke PEMFC karena PEMFC saat itu telah mengalami berbagai perbaikan yang

akhirnya menjadi lebih cocok dan efektif untuk pesawat mereka.

Kini, perkembangan sel bahan bakar berkembang sangat pesat, terutama di bidang otomotif

dan alat elektronik. Misalnya mobil keluaran Honda yang menggunakan sel bahan bakar

(Gambar 2.2) dan yang terbaru saat ini adalah sel bahan bakar menggunakan film keramik

yang disebut Low Temperature Co-fired Ceramic (LTCC) (Gambar 2.3). LTCC memang

terbuat dari keramik, tetapi LTCC terlihat seperti film fleksibel yang dapat dengan mudah

ditekuk dan akan kembali lagi ke bentuk asalnya karena sebenarnya material LTCC terdiri

dari 50 % keramik dan 50 % polimer. (18,22,23)

6

Page 3: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

Gambar 2.2 Mobil sel bahan bakar Honda

Sel bahan bakar LTCC dapat menggunakan berbagai macam bahan bakar – terutama

hidrogen dan metanol, serta bahan bakar lain seperti asam format. Asam format merupakan

sumber energi yang sangat baik, tetapi dapat menyebabkan korosi pada material sel bahan

bakar biasa. Namun, material keramik pada LTCC dapat tahan terhadap asam

format.(6,18,19,20)

Sejumlah 50 mL bahan bakar yang terdiri atas 67 % metanol dalam air kini dapat untuk 27

jam waktu bicara pada telepon seluler atau 1 hingga 2 bulan dalam keadaan standby. Dalam

rangkaian sel bahan bakar mikro ini, terdapat prosesor bahan bakar tempat berlangsungnya

reaksi reformasi kukus. Di sini campuran metanol dan air akan bereaksi dalam saluran

mikro seukuran rambut manusia yang telah dilapisi atau diisi oleh katalis. Dari reaksi

tersebut akan dihasilkan gas hidrogen yang akan memasuki sel bahan bakar dan bereaksi

dengan gas oksigen menghasilkan arus listrik dan air.(21)

Gambar 2.3 Sel bahan bakar terbaru

(a) Sel bahan bakar mikro (LTCC); (b) telepon seluler yang menggunakan sel bahan bakar mikro

(LTCC) (Dalam keadaan standby, telepon seluler ini dapat bertahan 1 hingga 2 bulan)

7

Page 4: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

2.1.3 Prinsip Kerja

Fuel cell terdiri atas anoda, katoda, elektrolit, dan katalis. Di anoda, dengan bantuan katalis

bahan bakar (umumnya gas hidrogen) mengalami oksidasi membentuk dua ion H+. Reaksi

yang terjadi di anoda adalah sebagai berikut:

H2 2H+ + 2e-

Ion H+ yang dihasilkan akan melewati membran elektrolit dan menuju katoda, sedangkan

elektonnya akan bergerak melalui sirkuit luar dan menghasilkan arus listrik, lalu bergerak

lagi menuju katoda. Di katoda, ion H+, oksigen, dan elektron bereaksi menghasilkan air,

H2O. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:

1/2O2 + H+ + 2e- H2O

Sehingga, total reaksi keseluruhan adalah 2H2 + O2 → 2H2O.

Reaksi lengkapnya adalah sebagai berikut:

Anoda : 2H2 4H+ + 4e- Eo = 0 V

Katoda : O2 + 4H+ + 4e- 2H2O Eo = 1,23 V

Reaksi keseluruhan : 2H2 + O2 2H2O (2,3,6,24,25)

Anoda Katoda

Membran

Gambar 2.4 Prinsip kerja sel bahan bakar

8

Page 5: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

2.1.4 Jenis-Jenis

Sel bahan bakar diklasifikasikan berdasarkan jenis elektrolitnya. Hal inilah yang

menentukan jenis reaksi kimia yang terjadi di dalam sel, jenis katalis yang diperlukan,

rentang suhu operasi sel, jenis bahan bakar, dan faktor-faktor lainnya. Karakteristik tersebut

menentukan aplikasi yang sesuai untuk masing-masing sel bahan bakar. Di bawah ini

merupakan beberapa jenis sel bahan bakar yang saat ini masih dalam tahap pengembangan.

1. PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) — atau sering juga disebut Polymer

Electrolyte Membrane Fuel Cells — memiliki berbagai kelebihan dibandingkan jenis sel

bahan bakar lainnya. Antara lain PEMFC memiliki berat dan volume yang kecil, lebih

efisien, dan suhu operasinya rendah, yaitu sekitar 80°C. Rendahnya suhu operasi ini

menyebabkan singkatnya waktu pemanasan (warm-up time).(24) PEMFC menggunakan

polimer padat sebagai elektrolit dan karbon berpori yang mengandung katalis platina sebagai

elektroda. Untuk beroperasi, PEMFC hanya membutuhkan hidrogen, oksigen dari udara

bebas, dan tidak memerlukan fluida yang bersifat korosif seperti beberapa jenis sel bahan

bakar lainnya. Karena singkatnya waktu pemanasan dan bobotnya yang ringan, PEMFC

sangat cocok untuk digunakan pada kendaraan dan alat-alat elektronik.

Proses yang terjadi saat PEMFC beroperasi adalah sebagai berikut:

a. Gas hidrogen sebagai bahan bakar dialirkan menuju anoda, sedangkan gas oksigen dari

udara bebas dialirkan menuju katoda.

b. Di anoda, katalis platinum menyebabkan hidrogen pecah menjadi ion hidrogen yang

bermuatan positif (H+) dan elektron yang bermuatan negatif (e-).

c. Membran pada PEMFC hanya melewatkan ion H+ menuju katoda, sedangkan elektron

akan melewati sirkuit luar menuju katoda dan menghasilkan arus listrik.

d. Di katoda, elektron dan ion H+ bergabung dengan gas oksigen dari udara membentuk air

yang akan keluar dari sel bahan bakar.

9

Page 6: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

Skema kerja PEMFC dapat dilihat pada Gambar 2.5.(17)

Katoda Elektrolit Anoda

Gambar 2.5 Skema kerja PEMFC

2. AFC (Alkaline Fuel Cell)

Tipe sel ini adalah jenis yang tertua. AFC digunakan pada pesawat luar angkasa Amerika

Serikat sejak 1960-an. AFC sangat mudah terkontaminasi oleh CO2, sehingga memerlukan

gas hidrogen dan oksigen murni. Keracunan CO2 pada sel ini mempengaruhi operasi dan

usia sel. Sel bahan bakar ini menggunakan larutan kalium hidroksida dalam air sebagai

elektrolit. AFC beroperasi pada 100ºC dan 250ºC. Kini, terdapat AFC yang beroperasi pada

suhu rendah, yaitu antara 23ºC hingga 70ºC. Namun, sel jenis ini harganya sangat mahal,

sehingga tidak cocok untuk dikomersialkan.

Proses yang terjadi saat AFC beroperasi adalah sebagai berikut:

a. Gas hidrogen sebagai bahan bakar dialirkan menuju anoda, sedangkan gas oksigen

dialirkan menuju katoda.

b. Di anoda, katalis platinum menyebabkan hidrogen pecah menjadi ion hidrogen yang

bermuatan positif (H+) dan elektron yang bermuatan negatif (e-).

c. Ion H+ akan bereaksi dengan ion OH- dari elektrolit dan membentuk air, sedangkan

elektron akan melewati sirkuit luar menuju katoda dan menghasilkan arus listrik.

d. Di katoda, elektron akan bergabung dengan oksigen dan air untuk membentuk ion OH-

yang bergerak menyeberangi elektrolit menuju anoda untuk memulai proses selanjutnya.

10

Page 7: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

Skema kerja AFC dapat dilihat pada Gambar 2.6.(17)

Anoda Elektrolit

Elektrolit

Gambar 2.6 Skema kerja AFC

3. PAFC (Phosphoric-Acid Fuel Cell)

PAFC sangat potensial digunakan untuk pembangkit tenaga listrik berskala kecil. Suhu

operasinya lebih tinggi daripada PEMFC, sehingga memerlukan waktu pemanasan yang

lama. Hal ini menyebabkan PAFC tidak cocok digunakan di kendaraan. Selain itu sel ini

memiliki berat dan volume yang besar, serta harga yang mahal.

PAFC menggunakan asam fosfat sebagai elektrolit dan karbon berpori yang mengandung

katalis platinum sebagai elektroda. Asam fosfat tersebut terdapat pada matriks silikon

karbida yang berikatan dengan Teflon.

Proses yang terjadi saat PAFC beroperasi adalah sebagai berikut:

a. Gas hidrogen sebagai bahan bakar dialirkan menuju anoda, sedangkan gas oksigen dari

udara bebas dialirkan menuju katoda.

b. Di anoda, katalis platinum menyebabkan hidrogen pecah menjadi ion hidrogen yang

bermuatan positif (H+) dan elektron yang bermuatan negatif (e-).

c. Asam fosfat sebagai elektrolit hanya melewatkan ion H+ menuju katoda, sedangkan

elektron akan melewati sirkuit luar menuju katoda dan menghasilkan arus listrik.

d. Di katoda, elektron dan ion H+ bergabung dengan gas oksigen dari udara membentuk air

yang akan keluar dari sel bahan bakar.

11

Page 8: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

Skema kerja PAFC dapat dilihat pada Gambar 2.7.(17)

Katoda Elektrolit Anoda

Gambar 2.7 Skema kerja PAFC

4. SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)

SOFC menggunakan keramik yang keras dan tak berpori sebagai elektrolitnya (umumnya

zirkonium oksida). Sel ini beroperasi pada suhu tinggi sekitar 1000oC. Tingginya suhu ini

menyebabkan SOFC tidak membutuhkan logam mulia sebagai katalisnya, sehingga dapat

menurunkan harga jualnya. SOFC juga dapat mengubah bentuk bahan bakar dalam sel,

sehingga tidak dibutuhkan reformer pada sistemnya. Namun, tingginya suhu yang

diperlukan untuk mengoperasikan SOFC memiliki kekurangan, antara lain waktu pemanasan

(warm-up time) yang lama dan dibutuhkannya sistem pengamanan panas di bagian luarnya.

Oleh karena itu, SOFC tidak sesuai untuk diaplikasikan pada kendaraan dan alat elektronik.

Walaupun demikian, sel ini sangat sesuai digunakan untuk pembangkit tenaga listrik

berskala besar, sehingga dapat menyediakan listrik untuk pabrik maupun sebuah kota.

SOFC juga merupakan sel bahan bakar yang paling tahan terhadap sulfur dan karbon

monoksida (CO).

Proses yang terjadi saat SOFC beroperasi adalah sebagai berikut:

a. Gas hidrogen sebagai bahan bakar dialirkan menuju anoda, sedangkan gas oksigen dari

udara bebas dialirkan menuju katoda.

b. Di katoda, katalis menyebabkan elektron dari sirkuit luar bergabung dengan oksigen dan

membentuk ion oksigen bermuatan negatif (O2-).

c. Ion O2- mengalir melalui elektrolit menuju anoda.

12

Page 9: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

d. Di anoda, katalis menyebabkan hidrogen bereaksi dengan ion O2- membentuk air dan

elektron.

e. Elektron akan melalui sirkuit luar menuju katoda dan menghasilkan arus listrik.

Skema kerja SOFC dapat dilihat pada Gambar 2.8.(17)

Katoda Elektrolit Anoda

Gambar 2.8 Skema kerja SOFC

5. MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)

MCFC menggunakan elektrolit yang terdiri dari campuran lelehan garam karbonat yang

tersuspensi pada pori matriks keramik inert litium aluminium oksida (LiAlO2). Sel ini juga

sangat sesuai digunakan untuk pembangkit tenaga listrik berskala besar. Suhu operasinya

sekitar 600oC, lebih rendah daripada SOFC. Hal ini menyebabkan tidak diperlukannya

material khusus untuk MCFC, sehingga harganya bisa lebih murah.

Seperti SOFC, MCFC juga resisten terhadap CO dan CO2, tetapi tidak terlalu resisten

terhadap sulfur dan partikulat dari batu bara. Kelemahan utama dari MCFC adalah usianya

yang tidak terlalu panjang. Tingginya suhu operasi sel dan elektrolit yang korosif dapat

mengurangi usia MCFC.

Proses yang terjadi saat MCFC beroperasi adalah sebagai berikut:

a. Gas hidrogen sebagai bahan bakar dialirkan menuju anoda, sedangkan gas oksigen dari

udara bebas, CO2, dan elektron dari sirkuit luar dialirkan menuju katoda.

b. Di katoda, oksigen, CO2, dan elektron bereaksi membentuk ion oksigen yang bermuatan

positif dan ion karbonat yang bermuatan negatif (CO32-).

c. Ion karbonat bergerak melalui elektrolit menuju anoda.

13

Page 10: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

d. Di anoda, katalis mendorong hidrogen untuk bergabung dengan ion karbonat membentuk

air, CO2, dan melepaskan elektron yang akan mengalir melalui sirkuit luar.

e. CO2 yang terbentuk di anoda didaur ulang kembali menuju katoda.

Skema kerja MCFC dapat dilihat pada Gambar 2.9.(17)

Anoda Elektrolit Katoda

Gambar 2.9 Skema kerja MCFC

Perbandingan skema kerja keseluruhan sel dapat dilihat pada Gambar 2.10.(18)

Katoda

Elektrolit Anoda

Gas Sisa

Udara

Gas Sisa

Arus

Bahan Bakar

Gambar 2.10 Skema kerja keseluruhan jenis sel bahan bakar

14

Page 11: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

2.2 Sumber-Sumber Hidrogen untuk Sel Bahan Bakar

Hidrogen sebagai sumber energi mulai dikenal sejak 1874. Saat itu Jules Verne menulis

novel yang berjudul “The Mysterious Island”. Pada novel tersebut diceritakan tentang energi

yang bersumber pada air dan hidrogen. Namun pada saat itu, hidrogen sebagai sumber

energi masih dianggap cerita fiksi belaka. Padahal pada tahun 1830, teknologi yang

menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar telah ditemukan.(26)

Namun, terdapat beberapa kendala dalam menerapkan hidrogen sebagai bahan bakar, antara

lain harga hidrogen murni yang sangat mahal, ketersediaannya yang terbatas, serta

penyimpanannya yang relatif sulit. Stasiun pengisian bahan bakar hidrogen (gambar) juga

berbahaya karena bila terjadi kebocoran dapat berakibat sangat fatal.

Terdapat beberapa metode untuk memproduksi hidrogen, antara lain elektrolisis air [yang

terdiri dari pemecahan air secara biologi (biological water-splitting), fotoelektrolisis, dan

pemecahan air menggunakan panas matahari (solar thermal water splitting)], reformasi

biomasa, dan reformasi bahan bakar fosil (minyak bumi, batubara, dan gas alam).(26)

Sayangnya metode-metode tersebut menghabiskan biaya yang sangat tinggi karena alat yang

dibutuhkan sangat rumit. Metode yang cukup populer yaitu reformasi metana (gas alam).

Namun, metode ini dapat menghasilkan hasil samping yang tidak diinginkan, yaitu CO2.

Saat ini sedang dilakukan penelitian mengenai perilaku hidrida logam dan campuran kaya

hidrogen seperti sodium borohidrida (NaBH4) pada penyimpanan bertekanan tinggi.(3)

Tetapi lagi-lagi terbentur masalah pada pengaplikasiannya karena harga jualnya yang mahal.

Hidrogen bisa juga didapatkan dari metanol.(9) Metanol, selain merupakan sumber yang

terbarukan, juga murah, dan mudah mendapatkannya. Bahkan, metanol bisa didapatkan dari

selulosa (jenis polisakarida yang ada di hampir semua tumbuhan) dengan reaksi enzimatik,

dari hasil samping distilasi kayu, dan dari metabolisme anaerob beberapa jenis bakteri. Hal

tersebut menunjukkan bahwa metanol tidak akan pernah habis dari muka bumi ini. Selain

itu, konversi metanol menjadi hidrogen berlangsung pada suhu yang tidak terlalu tinggi

(200-400oC). Rasio H/C yang tinggi pada metanol juga menyebabkan terbentuk gas

hidrogen dengan konsentrasi tinggi dari metanol (efisiensinya mencapai 75%).(8,10,26) Oleh

karena itu, metanol sangat cocok bila digunakan sebagai sumber hidrogen pada sel bahan

bakar.

15

Page 12: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

Gambar 2.11 Stasiun pengisian bahan bakar hidrogen

2.3 Reaksi Konversi Metanol Menjadi Hidrogen

Ada empat reaksi yang menghasilkan hidrogen dari metanol, yaitu dekomposisi metanol

(DM), oksidasi parsial metanol (OPM), dan reformasi kukus metanol (RKM) atau Steam

Reforming of Methanol (SRM), dan reformasi kukus metanol oksidatif (RKMO). Keempat

reaksi tersebut dijelaskan lebih lanjut di bawah ini.

a. Dekomposisi Metanol (DM)

Reaksi yang terjadi pada dekomposisi metanol (DM) adalah sebagai berikut:

CH3OH ≡ 2H2 + CO ∆H° = +128 kJ mol-1

Dapat dilihat bahwa proses ini sangat endotermik dan menghasilkan gas karbon monoksida

(CO) yang dapat meracuni katalis pada sel bahan bakar. Oleh karena itu, proses ini tidak

sesuai digunakan pada sel bahan bakar.(10)

b. Oksidasi Parsial Metanol (OPM)

Reaksi yang terjadi pada oksidasi parsial metanol (OPM) adalah sebagai berikut:

CH3OH + 1/2O2 2H2 + CO2 ∆Ho = -155 kJ mol-1

Berbeda dengan DM, reaksi OPM merupakan reaksi yang eksoterm. Panas yang dihasilkan

dari reaksi tersebut dapat mengakibatkan sintering (penggumpalan) dari partikel katalis,

16

Page 13: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

sehingga katalis menjadi terdeaktivasi. Jumlah hidrogen maksimal, yaitu sekitar 66% hanya

dapat dipenuhi bila oksigen yang digunakan untuk reaksi merupakan oksigen murni. Jika

reaksi OPM diterapkan dalam kendaraan yang menggunakan sel bahan bakar, hidrogen yang

diproduksi hanya sekitar 41% karena oksigen yang digunakan bukan oksigen murni,

melainkan oksigen dari udara bebas. Deaktivasi juga akan terjadi saat menggunakan udara

bebas sebagai reaktan karena senyawa sulfur dan klorin dari udara akan dapat meracuni

material katalis.(10)

c. Reformasi Kukus Metanol (RKM)

Dibandingkan dengan kedua reaksi di atas, reaksi RKM lebih baik karena dapat

menghasilkan gas hidrogen dengan konsentrasi tinggi (75%) dan gas karbon monoksida

dengan konsentrasi yang sangat rendah.(9) Selain itu, selektivitasnya terhadap gas karbon

dioksida juga sangat tinggi.(10) Reaksi yang terjadi pada RKM adalah sebagai berikut:

CH3OH + H2O ≡ 3H2 + CO2 ∆Ho = 49,4 kJ mol-1 (27)

Pemaparan lebih jauh mengenai reaksi RKM dapat dilihat pada sub.bab 2.7.

d. Reformasi Kukus Metanol Oksidatif (RKMO)

Cara ini merupakan kombinasi antara reaksi reformasi kukus metanol dan oksidasi parsial

metanol. Reaksi yang terjadi pada RKMO adalah sebagai berikut:

CH3OH+(1 – x)H2O+ ½ x O2 ≡ (3 – x) H2+CO2 (3)

Dengan cara ini, panas yang dihasilkan dari reaksi oksidasi parsial metanol dapat digunakan

pada reaksi reformasi kukus metanol.(27)

2.4 Katalis RKM

Katalis adalah suatu zat yang mempercepat laju reaksi kimia pada suhu tertentu, tanpa

mengalami perubahan atau terpakai oleh reaksi itu sendiri. Katalis memungkinkan reaksi

berlangsung lebih cepat atau memungkinkan reaksi pada suhu lebih rendah akibat perubahan

yang dipicunya terhadap pereaksi. Katalis menyediakan suatu jalur pilihan dengan energi

aktivasi yang lebih rendah dan mengurangi energi yang dibutuhkan untuk berlangsungnya

reaksi.(26,27)

Katalis dapat dibedakan ke dalam dua golongan utama: katalis homogen dan katalis

heterogen. Katalis heterogen adalah katalis yang ada dalam fase berbeda dengan pereaksi

dalam reaksi yang dikatalisisnya, sedangkan katalis homogen berada dalam fase yang sama.

17

Page 14: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

Satu contoh sederhana untuk katalisis heterogen yaitu bahwa katalis menyediakan suatu

permukaan di mana pereaksi-pereaksi (atau substrat) untuk sementara terjerap. Ikatan dalam

substrat-substrat menjadi lemah sedemikian sehingga memadai terbentuknya produk baru,

ikatan antara produk dan katalis lebih lemah, sehingga akhirnya terlepas.

Katalis untuk sintesis metanol dari hidrogen dan karbon dioksida ternyata dapat juga

digunakan untuk katalis RKM karena reaksi RKM merupakan reaksi kebalikan dari reaksi

sintesis metanol.(28) Katalis yang umum digunakan adalah katalis berbasis logam Cu karena

katalis tersebut mampu memberikan aktivitas dan selektivitas yang tinggi pada suhu operasi

rendah dibandingkan dengan katalis berbasis logam lainnya.(11)

Pada tahun 1980-an, Takezawa melaporkan penelitian mereka tentang katalis Cu/SiO2 yang

dibandingkan dengan katalis Pt/SiO2. Ternyata katalis Cu/SiO2 dengan persen berat Cu lebih

besar atau sama dengan 10% atau dikalsinasi pada suhu yang tinggi memiliki selektivitas

yang lebih tinggi dan aktivitasnya lebih baik karena adanya CuO yang terreduksi menjadi Cu

selama reaksi RKM.(29)

Lindstrom telah meneliti bahwa semakin banyak jumlah mol Cu pada katalis untuk RKM,

maka katalis akan semakin selektif terhadap CO2, menghasilkan gas hidrogen dengan

konsentrasi lebih tinggi pada seluruh rentang suhu. Seluruh katalis yang mengandung

jumlah Cu yang besar dan menggunakan penyangga zirkonia diuji aktivitasnya dan ternyata

menghasilkan gas hidrogen di atas 60% pada temperatur rendah. Hasil percobaan dari

Linstrom dapat dilihat pada Tabel 2.1.(30)

Tabel 2.1 Hasil percobaan Linstrom

Di sisi lain, hasil analisis EXAFS (Extended X-Ray Absorption Fine Structure) Szizybalski

menunjukkan bahwa semakin besar jumlah oksigen dalam kumpulan logam Cu, maka

aktivitas pada reaksi RKM akan makin meningkat. Setelah beberapa saat yang cukup lama

(673 K, 2% volume H2/He), katalis masih tetap aktif. Konsentrasi Cu juga memegang

Katalis

aSe: Selektivitas CO2

Komposisi (%mol)

18

Page 15: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

peranan penting. Pada konsentrasi Cu yang rendah (lebih rendah dari 15%), akan dicapai

interaksi yang terbaik.(10)

2.4.1 Zirkonia (ZrO2) sebagai penyangga katalis reaksi RKM

Selama ini, katalis yang banyak digunakan, baik untuk RKM maupun sintesis metanol,

lah diteliti katalis RKM berbasis Cu dengan penyangga zirkonia (ZrO2). Zirkonia

rapa orang penulis juga menyebutkan kegunaan dari penyangga zirkonia untuk katalis,

n penyangga ZrO2

Gamba /ZrO2

Naiknya aktivitas katalitik setelah dialiri gas oksigen berhubungan dengan adanya transisi

adalah Cu/ZnO/Al2O3. Namun, katalis ini tidak tahan lama, memiliki ketahanan termal yang

rendah, menghasilkan gas CO dengan konsentrasi tinggi, dan mengalami deaktivasi selama

reaksi.(10,12)

Kini te

memiliki konduktivitas ionik dan kekuatan mekanik yang tinggi. Bila dibandingkan dengan

Cu/ZnO/Al2O3, katalis dengan penyangga zirkonia memiliki kestabilan yang jauh lebih lama,

sehingga tidak mudah untuk terdeaktivasi, kemungkinan karena zirkonia lebih efektif untuk

mencegah sintering Cu. Selain itu penyangga zirkonia dapat menekan pembentukan gas

CO.(9,10,13)

Bebe

yaitu dapat menurunkan temperatur reduksi CuO secara drastis. Hasil ini menunjukkan

bahwa adanya interaksi Cu/penyangga, yang menjembatani reduksi tembaga (II) oksida.

Alasan yang tepat dari hasil ini masih menjadi kontroversi banyak pihak.(10)

Szizybalski menjelaskan bahwa oksigen yang dialirkan pada permukaa

dapat menstabilkan oksidasi parsial oksida Cu. Skema representasi partikel Cu pada

penyangga ZrO2 dalam katalis Cu/ZrO2 dapat dilihat pada Gambar 2.12.(10)

r 2.12 Skema representasi partikel Cu pada penyangga ZrO2 dalam katalis Cu

a) setelah direduksi oleh hidrogen; b) setelah dialiri gas oksigen pada umpan RKM.

dari permukaan mikrostruktur partikel Cu ideal (Gambar 2.12 a) menjadi partikel Cu yang

lebih acak (terstabilkan oleh oksigen), sehingga menghasilkan bentuk permukaan yang

19

Page 16: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

termodifikasi. Bentuk permukaan seperti b merupakan bentuk yang lebih aktif pada reaksi

RKM. Cara sintesis katalis (seperti kopresipitasi dan impregnasi), pemilihan bahan

prekursor, dan terkadang langkah-langkah sintesis (seperti pencucian dan kalsinasi), juga

menentukan aktivitas katalis. Bila dibandingkan dengan katalis Cu/ZnO/Al2O3, katalis

dengan penyangga zirkonia tersebut terbukti lebih aktif, menghasilkan gas CO lebih sedikit,

dan stabil lebih lama. Penelitian yang dilakukan Szizybalski tersebut menggunakan metanol

dan air yang diumpankan ke reaktor sebanyak 1:1 dengan laju 0,07 mL/menit. Oksigen

ditambahkan ke campuran reaktan tersebut dengan laju 50 mL/menit selama 5 menit.(10)

Hasil penelitian Szizybalski didukung oleh Dutta yang meneliti TPR (Temperature

Hasil analisis TPR akan me ksida, keadaan elektronik,

Programmed Reduction) dari katalis Cu/ZrO2. Hasil TPR tersebut dapat dilihat pada

Gambar 2.13.

Gambar 2.13 Hasil analisis TPR Dutta

nunjukkan temperatur reduksi dari o

dan interaksi katalis dengan penyangganya. Puncak ganda pada daerah sekitar 160oC terjadi

karena Cu2+ Cu+ Cuo mengalami kontak yang kuat dengan penyangga ZrO2. Intensitas

puncak kedua di daerah sekitar 190-200oC akan semakin besar seiring dengan meningkatnya

konsentrasi Cu. Hal tersebut disebabkan oleh masih adanya endapan CuO yang berinteraksi

dengan ZrO2.(31)

20

Page 17: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

Breen dan Ross melaporkan bahwa aktivitas katalis Cu/ZrO2 meningkat dengan

meningkatnya jumlah Cu pada kondisi RKM (H2O:CH3OH = 1,3:1). Dilaporkan juga

bahwa tidak ada CO yang terdeteksi dalam jumlah yang signifikan sampai pada suhu 280oC.

Penambahan alumina dan oksida zink pada katalis tersebut ternyata dapat meningkatkan

dispersi Cu. Katalis dengan performa terbaik ada pada katalis Cu-Zn-Zr-Al.(32)

2.4.2 Zirkon (ZrSiO4) sebagai sumber zirkonia

Zirkonia umumnya diproduksi dari zirkon (ZrSiO4). Untuk memproduksi zirkonia dari

zirkon, langkah pertama yang dilakukan adalah mengubah zirkon menjadi zirkonil klorida,

seperti ditunjukkan pada Gambar 2.14. (33)

Zirkon (ZrSiO4) + NaOH

↓ Dilelehkan

Na2ZrO3

↓ + HCl

ZrOCl2 ·8H2O

Gambar 2.14 Diagram pembuatan zirkonil klorida dari zirkon

Terdapat dua metode untuk membuat zirkonia dari zirkonil klorida, yaitu dekomposisi termal

dan presipitasi.

a. Pertama-tama zirkonil klorida (ZrOCl2.8H2O) dipanaskan hingga 200°C. Awal mulanya

akan terjadi dehidrasi pada zirkonil klorida dan menjadi ZrOCl2 terdehidrasi. Langkah

selanjutnya, ZrOCl2 terdekomposisi menjadi gas klorin dan menjadi zirkonia pada

temperatur yang lebih tinggi. Setelah dikalsinasi, dilakukan proses penyeragaman ukuran

pada butiran zirkonia, menggunakan proses seperti ball milling, menjadi ukuran partikel

yang diinginkan, umumnya hingga 325 mesh. Metode ini cukup ekonomis untuk

dilakukan. Namun, sulit untuk dapat menghasilkan zirkonia dengan kemurnian tinggi

dan ukuran partikel yang seragam menggunakan metode ini.

21

Page 18: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

b. Pada metode presipitasi, digunakan reaksi kimia untuk mendapatkan zirkonium

hidroksida sebagai intermediet. Proses ini dapat dideskripsikan pada Gambar 2.15.

ZrOCl2 ·8H2O

Larutan

↓ + Presipitat NH4OH

Intermediet Zr(OH)4

↓ Dicuci

Cl--bebas presipitat

↓ Filtrasi

Butiran basah Zr(OH)4

↓ Pendinginan kering (N2 cair)

Butiran kering Zr(OH)4

↓ Kalsinasi

Butiran zirkonia ZrO2

Gambar 2.15 Diagram pembuatan zirkonia dari zirkonil klorida dengan metode presipitasi

22

Page 19: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

Pada metode ini, ukuran dan bentuk partikel dapat dimodifikasi dengan mengontrol proses

presipitasi dan kondisi kalsinasi. Kemurnian zirkonia yang dihasilkan juga dapat

dikontrol.(14) Zirkon juga dapat direduksi mengunakan karbon pada suhu 1400-1650oC

menjadi zirkonia ZrO2.(33) Namun, semua proses di atas membutuhkan perlakuan tertentu

yang menambah harga jual dari zirkonia.

2.4.3 Zirkon (ZrSiO4) sebagai penyangga katalis reaksi RKM

Agar dapat menjadi penyangga katalis, sifat-sifat material yang dibutuhkan antara lain

memiliki tingkat kekerasan (hardness) yang sangat tinggi, inert, memiliki titik leleh yang

sangat tinggi, dan memiliki luas permukaan yang besar (10-3000 m2/g). Diharapkan pada

penyangga akan terjadi dispersi optimal dari fasa aktif dan stabilisasi terhadap sintering.(34)

Zirkon memiliki beberapa kelebihan, antara lain tingkat kekerasan (hardness) yang sangat

tinggi dan stabilitas termal yang sangat baik. Tingkat kekerasan dan stabilitas termal yang

baik merupakan sifat fisik yang sangat penting karena proses fabrikasi katalis akan

berlangsung pada perubahan tekanan dan temperatur yang drastis yang dapat menyebabkan

putusnya ikatan-ikatan pada permukaan material katalis.(16) Oleh karena itu zirkon dapat

dijadikan sebagai penyangga katalis. Namun selama ini zirkon belum pernah dijadikan

sebagai penyangga katalis.

Zirkon, atau disebut juga zirkonium silikat (ZrSiO4) tergolong ke dalam kelas neosilikat dari

mineral silikat. Zirkon mengandung tetrahedral SiO4 yang terisolasi (Gambar 2.16). Tiap

atom zirkonium terletak antara 8 atom oksigen yang tersusun pada sudut ZrO8 dodekahedral

triangular. Pada strukturnya, terdapat sharing sisi tepi SiO4 tetrahedral dan ZrO8

dodekahedral.

Zr

Gambar 2.16 Struktur zirkon

23

Page 20: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

Zirkon merupakan hasil samping dari pertambangan timah. Keberadaan zirkon di alam

sangat melimpah. PT Timah Tbk. sendiri menghasilkan zirkon sekitar 200 ton per tahun.

Karena memiliki koefisien ekspansi termal yang rendah dan ketahanan termal yang tinggi,

zirkon banyak ditemui pada berbagai industri keramik dan barang pecah belah.(35)

2.5 Metoda Sintesis Katalis RKM

Terdapat bermacam-macam metode sintesis katalis. Pemilihan metode yang digunakan

tergantung pada kebutuhan dan dipengaruhi oleh banyak faktor, antara lain sifat kimia dari

komponen katalis, prekusor, perbedaan komposisi, sifat fisik dan kondisi reaksi yang

digunakan untuk menghilangkan kontaminan.(36) Terdapat dua metode yang paling sering

digunakan untuk sintesis katalis RKM, yaitu impregnasi dan kopresipitasi.

2.5.1 Impregnasi

Pengertian dari impregnasi adalah proses penjenuhan total sesuatu menggunakan zat tertentu.

Misalnya penjenuhan kapas menggunakan eter.(37) Banyak katalis yang disintesis dengan

metode ini. Metode ini merupakan teknik preparasi katalis yang paling sering digunakan

daripada metode lainnya. Alasan utamanya adalah karena kemudahan dalam pengerjaannya.

Tujuannya adalah untuk mengisi pori-pori menggunakan larutan garam logam dengan

konsentrasi tertentu.(38) Setelah diimpregnasi, langkah selanjutnya adalah pengeringan dan

pemanasan pada suhu tinggi (kalsinasi), sehingga terjadi dekomposisi prekursor menjadi

spesi aktif.(8)

Terdapat dua metode impregnasi, yaitu impregnasi basah (wet impregnation) dan impregnasi

kering (dry impregnation).(39) Pada impregnasi basah, jumlah larutan prekursor fasa aktif

ditambahkan ke penyangga melebihi volume pori penyangga. Walaupun metode ini adalah

yang termudah, tetapi dapat menghasilkan deposisi prekursor fasa aktif yang sangat banyak

pada bagian luar penyangga setelah dikeringkan dan menghasilkan distribusi fasa aktif mirip

kulit telur pada bagian luar penyangga. Distribusi seperti ini bermanfaat bila dilihat dari sisi

aplikasi karena dapat mengurangi kebutuhan penetrasi reaktan ke dalam katalis, sehingga

dapat meningkatkan aktivitas katalis. Namun lama kelamaan dapat terjadi abrasi pada

permukaan katalis selama reaksi. Oleh karena itu metode impregnasi lain dikembangkan

untuk mengatasi masalah ini, yaitu impregnasi kering. Metode ini sering juga disebut

impregnasi tetes menggantung (incipient wetness impregnation). Pada metode ini, jumlah

larutan prekursor fasa aktif yang ditambahkan sama dengan jumlah volume penyangga.

Kondisi pengeringan sangat mempengaruhi distribusi prekursor fasa aktif pada material

24

Page 21: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

penyangga. Oleh karena itu, perlu dilakukan kontrol laju pengeringan. Ilustrasi metode

impregnasi ditunjukkan oleh Gambar 2.17. (34)

Larutan garam

logam

Penyangga terimpregnasi

Kalsinasi

T = 400oC

Reduksi

Katalis Aktif

Penyangga

Gambar 2.17 Ilustrasi metode impregnasi

2.5.2 Kopresipitasi

Kopresipitasi menurut kamus Oxford adalah proses yang menyebabkan suatu zat dari bentuk

cairan menjadi berbentuk padat. Pada metode ini komponen-komponen prekursor katalis

dicampurkan kemudian diendapkan bersama-sama pada pH tertentu dengan penambahan

bahan pengendap. Pengendapan ini dikarenakan oleh pengaruh ion senama yang

ditambahkan pada larutan. Hal ini tentu saja membuat zat yang kelarutannya kecil untuk

mengendap lebih dahulu.(3) Tujuan utama kopresipitasi adalah untuk menghasilkan

campuran yang merata antar komponen katalis dan pembentukan partikel yang sangat kecil

untuk menyediakan luas permukaan yang luas.(40)

Contoh gambaran umum kopresipitasi menurut Purnama adalah sebagai berikut. Larutan

Cu(NO3)2/Zn(NO3)2 dan larutan kopresipitat (Na2CO3) dicampurkan bersama pada

temperatur yang lebih tinggi dari lingkungan sekitarnya, misalnya 65oC, sambil terus diaduk.

Kemudian, endapan yang terbentuk disaring, dicuci dengan aquades, dan dikeringkan pada

suhu 120oC selama beberapa jam. Prekursor lalu dikalsinasi pada suhu 350oC. Parameter

reaksi seperti pH, temperatur, waktu atau lamanya proses, urutan pencampuran, pengadukan,

dan pencucian menjadi sangat berpengaruh pada struktur dan aktivitas katalis.(9) Ilustrasi

metode kopresipitasi ditunjukkan oleh Gambar 2.18. (34)

25

Page 22: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

Larutan garam logam

Perubahan

T, pH, konsentrasi

Penurunan kelarutan logam

Gambar 2.18 Ilustrasi metode kopresipitasi

2.6 Karakterisasi Katalis RKM

Karakterisasi katalis dapat dilakukan dengan metode difraksi sinar-X untuk mengetahui fasa

ruah, ukuran partikel, dan struktur katalis; dan BET untuk mengetahui luas permukaan

katalis.

2.6.1 Difraksi Sinar-X

Gambar 2.19 Penataan tipe geometri Bragg-Brentano pada analisis XRD

Penataan tipe geometri Bragg-Brentano pada analisis XRD diberikan pada Gambar 2.19.

Dengan penataan tersebut, maka akan dapat mengukur refleksi geometri. Sinar datang dan

sampel memenuhi sudut Bragg θ (theta). Setelah sinar datang didifraksikan pada sampel,

detektor mengukur intensitas sinar yang dipantulkan. Sinar datang dan sinar pantul

memenuhi sudut 2θ. Puncak pada pola sinar X akan diduplikasikan agar memenuhi

persamaan Bragg, yaitu nλ = 2 dhkl sin θ, di mana λ = panjang gelombang, dhkl = jarak

antarbidang hkl, θ = sudut difraksi, hkl = indeks Miller.

26

Page 23: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

Pola difraksi yang didapat merupakan representasi dari garis difraksi pada sudut 2θ, dan

intensitasnya. Posisi puncak memuat informasi mengenai parameter lattice. Jarak garis

difraksi (contohnya pada Gambar 2.20) biasa disebut Full Width at Half Maximum (FWHM).

Bersama dengan intensitas, parameter ini menentukan ketajaman garis difraksi. Rumus dari

Scherrer dapat memperkirakan ukuran kristal dengan menghubungkan luas puncak yang

melebar dengan ketebalan kristal. Rumus Scherrer adalah sebagai berikut:

dengan β = FWHM, λ = panjang gelombang, K = faktor bentuk kristal: 0,89 untuk bentuk

kubik and 0.94 untuk bentuk bulat, L = ketebalan kristal, θ = sudut Bragg.

Gambar 2.20 Contoh pola difraksi sinar-X

Intensitas puncak tergantung dari distribusi kerapatan elektronnya (struktur kristal). Struktur

kristal sendiri ditentukan dari kisi kristal, simetri, penataan dan posisi atomnya. Intensitas

puncak dapat menjadi indikator untuk kristalinitas sampel. Dengan semua data di atas, maka

informasi pola difraksi, parameter kisi, dan ukuran kristal bisa didapatkan.(10)

2.6.2 Adsorpsi Isoterm Brunauer Emmett Teller (BET)

Firmansyah menyebutkan bahwa peristiwa adsorpsi gas pada permukaan padatan dapat

dimanfaatkan untuk penentuan luas permukaan padatan jika adsorpsi gas dapat membentuk

lapisan tunggal pada permukaan padatan. Penentuan luas permukaan ini dilakukan dengan

pendekatan isoterm adsorpsi BET (Brunauer-Emmet-Teller). Dalam eksperimen, penentuan

luas permukaan dilakukan dengan mengalirkan gas nitrogen ke permukaan padatan pada

suhu tertentu. Luas permukaan dapat ditentukan dari perbandingan volume/jumlah partikel

teradsorpsi yang membentuk lapisan tunggal (Vm) seperti persamaan berikut.

)1)(1( CXxXCX

VmV

+−−=

27

Page 24: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

dengan X = P/Po, P adalah tekanan gas yang teradsorpsi, Po adalah tekanan gas yang

membentuk lapisan tunggal, dan C adalah konstanta adsorpsi-desorpsi (C = Kads/Kdes).

Persamaan di atas dapat disesuaikan dengan hasil eksperimen yang menghasilkan data

berupa P atau V dengan cara membuat resiprok kedua sisi persamaan tersebut kemudian

mengalikan kedua sisi dengan Vm dan X/(1-X), sehingga didapat persamaan sebagai berikut.

cVmXc

cVmVXX )1(11

1−

+=−

Persamaan akhir tersebut dapat diterapkan pada plot (x/1-x)1/V terhadap X, sehingga Vm

dan c dapat ditentukan. Melalui dua nilai tersebut, luas permukaan dapat ditentukan.(8)

2.7 Uji Aktivitas Katalis RKM

Setelah dilakukan sintesis dan karakterisasi katalis, langkah selanjutnya adalah menguji aktif

tidaknya katalis tersebut untuk reaksi yang dikatalisisnya. Untuk reaksi RKM, skema

diagram kerjanya ditunjukkan pada Gambar 2.21. Metanol dan air diuapkan menggunakan

evaporator dan dibawa menggunakan gas nitrogen lalu bereaksi dalam reactor yang dibantu

oleh katalis. Gas hasil reaksi dianalisis menggunakan alat kromatografi gas. (30)

Gambar 2.21 Diagram alir RKM

1: Gas pembawa (Nitrogen)

2: Tank bahan bakar (air dan metanol)

3: Pompa

4: Pengontrol laju alir

5: Evaporator

6 : Reaktor

7 : Termokopel

8 : Alat GC

9 : Komputer untuk analisis hasil GC

10: Komputer untuk analisis hasil pengukuransuhu reaktor

28

Page 25: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

2.7.1 Faktor-Faktor Penentu Aktivitas

a. Proses sintesis

Sintesis katalis RKM menggunakan metode kopresipitasi lebih disukai karena biasanya lebih

mudah untuk memperoleh fasa aktif katalis berkonsentrasi tinggi dibandingkan dengan

sintesis menggunakan metoda impregnasi.(40) Firmansyah telah meneliti bahwa pH

pengendapan berpengaruh terhadap distribusi komponen katalis pada permukaannya.(8)

b. Proses kalsinasi

Kalsinasi dibutuhkan untuk mengubah kristal-kristal yang ada pada katalis. Perubahan ini

terjadi karena atom-atom karbon, hidrogen dan oksigen dapat teruapkan menjadi air dan

karbon dioksida. Fasa setelah kalsinasi dapat bertahan lama untuk penyimpanan tetapi tidak

aktif.(40)

c. Proses reduksi

Salah satu langkah penting setelah sintesis dan kalsinasi katalis berbasis Cu adalah reduksi

dari oksida Cu. Proses reduksi oksida Cu tersebut tergantung dari fasa, loading dan dispersi

prekursor, suhu kalsinasi, interaksi oksida Cu dengan zat penyangga, serta ukuran dan

morfologi dari oksida Cu.(41) Sedangkan konsentrasi dan laju alir reduktor, laju pemanasan,

desain reaktor, dan properti dari katalis juga memegang peranan penting.(10)

CuO dapat terreduksi secara optimal menjadi Cu menggunakan gas hidrogen pada suhu 146-

154oC.(42) Tahap reduksi adalah tahap yang sangat penting. Kesalahan pada tahap ini

mengakibatkan katalis menjadi tidak aktif.

d. Stabilitas

Katalis sangat rentan terhadap deaktivasi. Kondisi yang salah serta adanya racun atau

inhibitor dalam umpan dapat mendeaktivasi katalis. Menurut Twigg, deaktivasi pada katalis

dapat disebabkan oleh racun katalis, sintering termal, pembentukan karbon, dan kerusakan

fisik katalis.(36)

1. Racun katalis

Deaktivasi katalis berbasis Cu umumnya disebabkan oleh zat kimia sepert sulfur dan klorida

yang dapat meracuni katalis. Racun katalis merupakan suatu agen yang bereaksi permanen

dengan fasa aktif katalis. Belerang merupakan racun yang sangat kuat bagi setiap katalis

berbasis tembaga.

2Cu(s) + H2S(g) → Cu2S(s) + H2(g) ∆Ho = -59,4 kJ/mol

29

Page 26: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

Keberadaan belerang perlu dihindari di dalam reaktor karena tembaga sulfida (Cu2S)

cenderung tidak stabil dan masih dapat bereaksi kembali.

Senyawa klorida juga merupakan racun bagi katalis karena dapat bereaksi dalam bentuk

asam klorida sesuai dengan reaksi di bawah ini.

Cu(s) + HCl(g) → CuCl(s) + 0,5 H2(g) ∆Ho = -43,5 kJ/mol

CuCl yang dihasilkan dari reaksi ini memiliki titik leleh yang rendah (430°C) dan interaksi

antar CuCl memiliki pergerakan yang tinggi pada kondisi operasi reaksi. Pergerakan yang

tinggi ini mengakibatkan rusaknya struktur kristal katalis, menyebabkan sintering dan

berkurangnya aktivitas katalis. Oleh karena itu, kehadiran senyawa klorida (≥1 ppm) di

dalam reaktor sebaiknya dihindari.(40)

2. Sintering termal

Agrell et.al. (2002) memberikan urutan kestabilan untuk logam: Ag < Cu < Au < Pd < Fe <

Ni < Co < Pt < Rh < Ru < Ir < Os < Re. Berdasarkan urutan tersebut, dapat dilihat bahwa

tembaga tidak stabil dan sangat rawan terhadap sintering termal. Tembaga juga memiliki

titik leleh yang cukup rendah, sehingga reformasi kukus harus berlangsung pada suhu yang

rendah.(40)

3. Pembentukan karbon

Twigg menemukan adanya pembentukan karbon pada reaksi reformasi kukus metanol. Hal

ini dapat disebabkan oleh terjadinya reaksi disproporsionasi karbon monoksida dan reaksi

karbon monoksida dengan hidrogen:

2CO → CO2 + C

CO + H2 → C + H2O

Reaksi ini sangat mungkin terjadi pada suhu yang rendah. Katalis yang sudah ditutupi oleh

karbon akan menjadi kurang aktif.(40)

4. Kerusakan fisik

Kerusakan fisik katalis dapat berupa pecahnya katalis akibat vibrasi atau perubahan suhu

drastis. Katalis berbasis tembaga umumnya rentan terhadap penyimpangan suhu yang akan

memicu sintering termal kristalit tembaga, sehingga dapat menurunkan aktivitas katalis.

Kontrol terhadap suhu menjadi penting untuk mencegah proses deaktivasi ini. Menurut

Catillon, penggunaan katalis tembaga tanpa menggunakan penyangga yang berdaya tahan

tinggi dapat menjadi masalah pada penerapan kendaraan bermotor.(43)

30

Page 27: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

e. Temperatur reaksi RKM

Menurut penelitian Zhang, konversi metanol dan selektifitas CO akan meningkat seiring

dengan meningkatnya temperatur. (3)

Konversi MeOH Konsentrasi CO Konsentrasi H2

Gambar 2.22 Pengaruh temperatur terhadap aktivitas katalis

f. Komposisi umpan

Zhang juga menemukan bahwa semakin banyak air yang diumpankan maka semakin besar

pula konversi metanol yang diperoleh. Selektivitas CO juga semakin kecil seiring dengan

semakin banyaknya air yang diumpankan. Mereka juga menyarankan untuk menggunakan

rasio air : metanol = 1-1,5.(3)

Konversi MeOH Konsentrasi CO Konsentrasi H2

Gambar 2.23 Pengaruh komposisi umpan terhadap aktivitas katalis

31

Page 28: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

g. Waktu Kontak

Zhang juga meneliti tentang pengaruh waktu pemakaian katalis. Semakin tinggi waktu

pemakaian katalis di reaktor maka konversi menurun. Hal ini disebabkan oleh katalis yang

telah terdeaktivasi.(3)

Waktu/jam

Gambar 2.24 Pengaruh waktu pemakaian katalis terhadap aktivitas katalis

2.7.2 Parameter Unjuk Kerja Aktivitas Katalis

a. Konversi Metanol

Katalis yang disintesis diujikan pada alat reformasi kukus metanol agar diketahui aktivitas

dan selektivitasnya. Komposisi gas keluaran hasil reformasi dianalisis menggunakan Gas

Chromatography (GC). Aktivitas katalis ditentukan dari tingkat konversi metanol tiap

metanol umpan. Sedangkan selektivitas dari katalis diketahui melalui perbandingan jumlah

hidrogen terbentuk terhadap jumlah metanol yang terkonversi.(3)

Konversi dapat dihitung dengan persamaan berikut:

masuk

keluarmasuk

OHmolCHOHmolCHOHmolCH

X3

33 −=

; X = aktivitas katalis

b. Selektivitas CO

Keberadaan CO dapat merusak elektroda platina pada sel bahan bakar. Oleh karena itu,

pembentukan CO harus ditekan. Semakin sedikit produksi CO, yaitu sekitar 10-20 ppm,

maka semakin baik pula katalis tersebut.(3)

32

Page 29: 2 Tinjauan Pustaka - · PDF filediperlukan sel separator.(6) 2.1.2 Sejarah dan Perkembangan Sel Bahan Bakar Konsep sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh William R. Grove,

Perolehan selektivitas CO dapat dihitung dengan persamaan berikut:

3 3x

masuk keluar

mol xSmolCH OH molCH OH

=− ; Sx = selektivitas terhadap x (CO)

33