Top Banner
Jurnal Sains Materi Indonesia Indonesian Journal of Materials Science Vol. 14, No. 1, Oktober 2012, hal : 24 - 28 ISSN : 1411-1098 24 PENDAHULUAN Elektrokatalis merupakan salah satu komponen penting dalam sistem Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) yang menjadi media transport 3 fasa dalam sistem reaksi elektrokimia yaitu gas, proton dan elektron [1]. Pada saat ini, elektrokatalis PEMFC berbasis karbon Vulkan XC-72 (Pt/C) banyak digunakan pada Gas Diffusion Electrode (GDE) komersial. Tingkat komersialisasi PEMFC yang mahal lebih disebabkan oleh Akreditasi LIPI Nomor : 395/D/2012 Tanggal 24 April 2012 PENGARUH KONSTANTA DIELEKTRIK DAN DISPERSITAS PARTIKEL TERHADAP HYDROPHOBICITY ELEKTROKATALIS BERBASIS CARBON NANOTUBE Rike Yudianti, Holia Onggo danAnung Syampurwadi Pusat Penelitian Fisika (P2F) - LIPI Jl. Cisitu No. 21/15D, Sangkuriang, Bandung 40231 Diterima: 10 Mei 2012 Diperbaiki: 30 Juli 2012 Disetujui: 11 September 2012 ABSTRAK PENGARUH KONSTANTA DIELEKTRIK DAN DISPERSITAS PARTIKEL TERHADAP HYDROPHOBICITY ELEKTROKATALIS BERBASIS CARBON NANOTUBE. Pada penelitian ini dilakukan pembuatan lapisan elektrokatalis berbasis Carbon Nanotube (CNT) dengan teknik filtrasi untuk meningkatkan sifat hydrophobicity. Sifat hydrophobicity elektrokatalis diperlukan untuk mengurangi penggunaan hydrophobic agent, yaitu PolyTetraFluoroEthylene (PTFE) yang ditambahkan pada elektrokatalis komersial Pt/C untuk mengatasi air yang dihasilkan di elektroda. Pembuatan lapisan elektrokatalis dilakukan dengan metode filtrasi dari elektrokatalis terdispersi menggunakan membran hidrofilik. Beberapa teknik pembuatan dan formulasi larutan dilakukan untuk meningkatkan hydrophobicity tanpa mengurangi performanya. Pada kondisi larutan padat antara pelarut yang mempunyai konstanta dielektrik () >10 dengan ionomer nafion akan menghasilkan hydrophobicity yang tinggi (>90 o ). Sedangkan pada kondisi colloidal state antara pelarut dengan konstanta dielektrik () <10 dan ionomer nafion cenderung tidak mengubah sifat hydrophobicity (<90 o ). Sifat hydrophobicity elektrokatalis diukur dengan teknik Half Angle menggunakan Contac Angle Meter. Perubahan morfologi permukaan lapisan elektrokatalis akibat penambahan nafion dan dispersi partikel CNT diamati dengan Scanning Electron Microscope. Hubungan antara penambahan larutan nafion dan hydrophobicity film dibahas pada makalah ini. Kata kunci: Hydrophobicity, CNT, Elektrokatalis, Solution state, Colloidal state ABSTRACT EFFECT OF DIELECTRIC CONSTANT AND DISPERSION OF PARTICLE ON HYDROPHOBICITY OF CARBON NANOTUBE BASED ELECTROCATALYST FILM. Preparation Carbon Nanotube (CNT) based of electrocatalyst film using filtration methode is recently performed. Hydropobicity of electrocatalyst is prerequisite to eliminating PolyTetraFluoroEthylene (PTFE) treament as hydrophobic agent that commonly performed on the comercial electrocatalyst. The preparation was carried out using hydrophilic membrane to obtaining good electrocatalyst film. Technique of preparation and formulation of dispersed solution were optimized to improve hydrophobicity of electrocatalyst film without decreasing its performance. The results indicate that the hidrophobic electrocatalyst film (>90 o ) is obtained by contribution of solvents which have dielectric constant () >10. The solvents are able to form solution state and totally dissolve of nafion ionomer inducing coverage of carbon fiber surface. Hydropobicity of electrocatalyst film tend to be lower (<90 o ) in colloidal state by contribution of tetrahydrofuran and chloroform as solvent. Evaluation of hydrophobicity of electrocatalyst film was conducted by contact angle meter using half angle technique. Change of morphological surface of electrocatalyst film on the effect of nafion treatment and dispersion of CNT was analyzed by Scanning Electron Microscope. Relationship between nafion treatment and hydrophobicity of electrocatalyst film was discussed in this paper. Keywords: Hydrophobicity, CNT, Electrocatalyst, Solution state, Colloidal state
5

PENGARUH KONSTANTA DIELEKTRIK DAN DISPERSITAS …PENGARUH KONSTANTA DIELEKTRIK DAN DISPERSITAS PARTIKEL TERHADAP HYDROPHOBICITY ELEKTROKATALIS BERBASIS CARBON NANOTUBE...

Nov 27, 2020

Download

Documents

dariahiddleston
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: PENGARUH KONSTANTA DIELEKTRIK DAN DISPERSITAS …PENGARUH KONSTANTA DIELEKTRIK DAN DISPERSITAS PARTIKEL TERHADAP HYDROPHOBICITY ELEKTROKATALIS BERBASIS CARBON NANOTUBE RikeYudianti,HoliaOnggodanAnungSyampurwadi

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials Science

Vol. 14, No. 1, Oktober 2012, hal : 24 - 28

ISSN : 1411-1098

24

PENDAHULUAN

Elektrokatalis merupakan salah satu komponenpenting dalam sistem Proton Exchange Membrane FuelCell (PEMFC) yang menjadi media transport 3 fasadalam sistem reaksi elektrokimia yaitu gas, proton dan

elektron [1]. Pada saat ini, elektrokatalis PEMFC berbasiskarbon Vulkan XC-72 (Pt/C) banyak digunakan pada GasDiffusion Electrode (GDE) komersial. Tingkatkomersialisasi PEMFC yang mahal lebih disebabkan oleh

Akreditasi LIPI Nomor : 395/D/2012

Tanggal 24 April 2012

PENGARUH KONSTANTA DIELEKTRIK DAN DISPERSITASPARTIKEL TERHADAP HYDROPHOBICITY

ELEKTROKATALIS BERBASIS CARBON NANOTUBE

RikeYudianti, Holia Onggo danAnung SyampurwadiPusat Penelitian Fisika (P2F) - LIPI

Jl. Cisitu No. 21/15D, Sangkuriang, Bandung 40231

Diterima: 10 Mei 2012 Diperbaiki: 30 Juli 2012 Disetujui: 11 September 2012

ABSTRAK

PENGARUH KONSTANTA DIELEKTRIK DAN DISPERSITAS PARTIKEL TERHADAPHYDROPHOBICITY ELEKTROKATALIS BERBASIS CARBON NANOTUBE. Pada penelitian inidilakukan pembuatan lapisan elektrokatalis berbasis Carbon Nanotube (CNT) dengan teknik filtrasi untukmeningkatkan sifat hydrophobicity. Sifat hydrophobicity elektrokatalis diperlukan untuk mengurangi penggunaanhydrophobic agent, yaitu PolyTetraFluoroEthylene (PTFE) yang ditambahkan pada elektrokatalis komersialPt/C untuk mengatasi air yang dihasilkan di elektroda. Pembuatan lapisan elektrokatalis dilakukan denganmetode filtrasi dari elektrokatalis terdispersi menggunakan membran hidrofilik. Beberapa teknik pembuatandan formulasi larutan dilakukan untuk meningkatkan hydrophobicity tanpa mengurangi performanya. Padakondisi larutan padat antara pelarut yang mempunyai konstanta dielektrik () >10 dengan ionomer nafion akanmenghasilkan hydrophobicity yang tinggi (>90o). Sedangkan pada kondisi colloidal state antara pelarut dengankonstanta dielektrik () <10 dan ionomer nafion cenderung tidak mengubah sifat hydrophobicity (<90o). Sifathydrophobicity elektrokatalis diukur dengan teknik Half Angle menggunakan Contac Angle Meter. Perubahanmorfologi permukaan lapisan elektrokatalis akibat penambahan nafion dan dispersi partikel CNT diamatidengan Scanning Electron Microscope. Hubungan antara penambahan larutan nafion dan hydrophobicity filmdibahas pada makalah ini.

Kata kunci: Hydrophobicity, CNT, Elektrokatalis, Solution state, Colloidal state

ABSTRACT

EFFECT OF DIELECTRIC CONSTANT AND DISPERSION OF PARTICLE ONHYDROPHOBICITY OF CARBON NANOTUBE BASED ELECTROCATALYST FILM. PreparationCarbon Nanotube (CNT) based of electrocatalyst film using filtration methode is recently performed.Hydropobicity of electrocatalyst is prerequisite to eliminating PolyTetraFluoroEthylene (PTFE) treament ashydrophobic agent that commonly performed on the comercial electrocatalyst. The preparation was carriedout using hydrophilic membrane to obtaining good electrocatalyst film. Technique of preparation and formulationof dispersed solution were optimized to improve hydrophobicity of electrocatalyst film without decreasing itsperformance. The results indicate that the hidrophobic electrocatalyst film (>90o) is obtained by contributionof solvents which have dielectric constant () >10. The solvents are able to form solution state and totallydissolve of nafion ionomer inducing coverage of carbon fiber surface. Hydropobicity of electrocatalyst filmtend to be lower (<90o) in colloidal state by contribution of tetrahydrofuran and chloroform as solvent.Evaluation of hydrophobicity of electrocatalyst film was conducted by contact angle meter using half angletechnique. Change of morphological surface of electrocatalyst film on the effect of nafion treatment anddispersion of CNT was analyzed by Scanning Electron Microscope. Relationship between nafion treatmentand hydrophobicity of electrocatalyst film was discussed in this paper.

Keywords: Hydrophobicity, CNT, Electrocatalyst, Solution state, Colloidal state

Page 2: PENGARUH KONSTANTA DIELEKTRIK DAN DISPERSITAS …PENGARUH KONSTANTA DIELEKTRIK DAN DISPERSITAS PARTIKEL TERHADAP HYDROPHOBICITY ELEKTROKATALIS BERBASIS CARBON NANOTUBE RikeYudianti,HoliaOnggodanAnungSyampurwadi

Pengaruh Konstanta Dielektrik dan Dispersitas Partikel terhadap Hidropobisitas Elektrokatalis berbasis Carbon Nanotube(Rike Yudianti)

25

mahalnya nanopartikel platina dalam sistem elektrokatalisPt/C. Beberapa usaha dilakukan untuk mengurangi hargakomersialisasinya yaitu dengan mengurangi penggunaanplatina sebagai sistem alloy berupa Pt/Co, Pt/Mn ataumeningkatkan efisiensi penggunaan platina nanopartikeldengan mengganti support elektrokatalis karbon VulkanXC-72 dengan nanomaterial karbon berupa CarbonNanotube (CNT) [2,3] dan carbon nanofiber [4]. Hal inidilakukan untuk meningkatkan efisiensi penggunaanplatina tanpa mengurangi kinerja elektrokatalis.

Kekurangan lain dari sistem elektrokataliskomersial Pt/C adalah adanya hydrophobic treatmentdengan PolyTetraFluoroEthylene (PTFE) sekaligussebagai binder yang dapat mengganggu aliran elektronselama proses elektrokimia berlangsung. CNTmerupakan material pendukung yang dianggap tepatuntuk meningkatkan efisiensi aliran elektron dan sifathidropobiknya. Kelebihan sifat mekanik, termal danelektronik CNT menjadikannya sebagai alternatifpengganti karbon Vulkan-XC-72 [5].

Pada penelitian ini, pembuatan lapisan hidropobikdari elektrokatalis berbasis CNT dilakukan dengan teknikfiltrasi menggunakan membran hidrofilik. Sifat hidropobikelektrokatalis dicapai untuk membantu menghilangkanair di elektroda dan membantu transport massa dalamsistem PEMFC tanpa PTFE.

Sifat hydrophobicity dipengaruhi parameter jenispelarut, nafion ionomer dan waktu sonikasi, dibahaspada tulisan ini. Penambahan nafion terhadap morfologipermukaan elektrokatalis akibat waktu sonikasi dandispersitas partikel memberikan pengaruh terhadapkecepatan proses filtrasi yang juga dibahas kaitannyadengan sifat hydrophobicity. Sifat hydrophobicity danmorfologi permukaan elektrokatalis akan diukur denganteknik Half Angle menggunakan Contact Angle Meterdan Scanning Electron Microscope (SEM).

METODE PERCOBAAN

Pada penelitian ini digunakan elektrokatalisberbasis Carbon Nanotube (CNT) dengan Pt loading23,2% yang disintesis dengan metode polyol [6]. CNTdiperoleh dari Chengdu Alpha Nano Tech. Co. Ltd.dengan kemurnian 95 %, diameter luar 50 nm dan panjang5m. Larutan nafion (5,0%) digunakan untuk memberikankemampuan transfer proton (H+) dalam sistemelektrokatalis. Pelarut organik seperti etanol, kloroform,aseton, isopropanol dan tetrahidrofuran digunakansebagai pelarut nafion. Lapisan elektrokatalis dibentukdengan teknik filtrasi menggunakan membranpolikarbonat dan PolyTetraFluoroEthylene denganukuran pori 0,2 m.

Pembuatan Lapisan Elektrokatalis

Elektrokatalis yang mengandung 23,2 % Ptdidispersikan dalam etanol dan disonikasi dengan

ultrasonikasi Branson selama 30 menit dan 90 menit.Sementara itu 25,0 % dari larutan nafion 5,0 %(wt/v)dilarutkan dalam pelarut organik (aseton, tetrahidrofuran,isopropanol, kloroform) dalam agitasi magnetik selama10 menit hingga 30 menit. Proses filtrasi dilakukanmenggunakan membran polikarbonat atau PTFE denganukuran pori 0,2 m. Larutan nafion dilapiskan padapermukaan elektrokatalis dengan air brusher padakecepatan filtrasi tertentu. Pengeringan lapisanelektrokatalis dilakukan dalam oven vakum pada suhu30 oC selama 24 jam.

Pengukuran Sifat Hidropobisitas danPengamatan Morfologi PermukaanElektrokatalis

Hidropobisitas diuji dengan mengukur sudutkontak (Contact Angle) menggunakan alat TantecContact Angle Meter dengan cara Half Angle Technique.Aquabidest sebanyak 15 L diteteskan pada permukaansampel yang diletakkan secara mendatar. Sudut kontakdiamati setelah 10 detik , 60 detik, 120 detik dan 180 detikpenetesan dilakukan. Sudut kontak diukur sebanyak duakali dengan posisi penetesan yang berbeda-beda untukmengetahui homogenitas permukaan.

Untuk mengetahui perbedaan morfologipermukaan dari elektrokatalis yang dilapisi dan tidakdilapisi larutan nafion, pengamatan permukaan sampeldengan ukuran 0,1 cm2 dilakukan dengan ScanningElectron Microscope (SEM), JSM-6360LA padategangan 20 kV. Untuk mendapatkan permukaankonduktif dan menghindari charging muatan, emasdilapiskan pada permukaan sampel.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Evaluasi sifat hydrophobicity lapisanelektrokatalis berbasis Carbon Nanotube (CNT) (Pt/CNT) yang dibuat dengan metode filtrasi dilakukandengan tujuan meningkatkan kinerja elektrokatalisdengan mengurangi pemakaian PolyTetraFluoroEthylene (PTFE) sebagai hydrophobic agent yang akanmempengaruhi transport massa. Hal yang mempengaruhisifat hydrophobicity akan dievaluasi dan diamati untukmenghasilkan sifat hydrophobicity yang tinggi (>90).

Untuk mengetahui pengaruh pelarut nafionionomer terhadap sifat hydrophobicity lapisanelektrokatalis yang dihasilkan ditentukan pelarut yangtepat digunakan dalam pembuatan lapisannya. Padanafion dan loading katalis yang sama (0,2 mg/cm2 dan0,8 mg/cm2), digunakan beberapa jenis pelarut organikyaitu tetrahidrofuran, kloroform, aseton dan isopropilalkohol. Pelarut-pelarut ini memberikan pengaruh yangberbeda terhadap sifat hydrophobicity (Gambar 1).

Isopropanol memberikan sifat hydrophobic yanglebih tinggi dibandingkan pelarut lainnya. Dispersiionomer nafion pada partikel elektrokatalis merupakan

Page 3: PENGARUH KONSTANTA DIELEKTRIK DAN DISPERSITAS …PENGARUH KONSTANTA DIELEKTRIK DAN DISPERSITAS PARTIKEL TERHADAP HYDROPHOBICITY ELEKTROKATALIS BERBASIS CARBON NANOTUBE RikeYudianti,HoliaOnggodanAnungSyampurwadi

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials Science

Vol. 14, No. 1, Oktober 2012, hal : 24 - 28

ISSN : 1411-1098

26

faktor yang penting untuk menghasilkan kerapatan dayaMembrane Electrode Assembly (MEA) yang tinggi [7].Nafion akan membentuk solution state dalam pelarutyang mempunyai konstanta dielektrik () > 10 danmembentuk colloidal state dalam pelarut yangmempunyai konstanta dielektrik () antara 3 dan 10 [8].Isopropanol mempunyai =18,3 >10 yang mengakibatkannafion ionomer akan larut secara keseluruhan membentuksolution state. Solution state terjadi juga pada asetonyang mempunyai > 21 yang mengakibatkan nafionionomer mempunyai viskositas rendah dan menutupipermukaan fiber CNT. Konsentrasi nafion memberikanpengaruh yang penting terhadap keseimbangankonduktifitas proton dan sifat hidropobitasnya.Pelarut yang menghasilkan colloidal state adalahkloroform dengan = 4 dan tetrahidrofuran dengan =7,5. Colloidal state akan mengadsorbsi Pt/CNTmenjadi ukuran yang lebih besar. Kondisi ini akanmenambah porositas elektroda dan menekan sifathydrophobicity. Meningkatnya sifat hydrophobicitykemungkinan diperoleh dari lapisan film nafionionomernya yang terbentuk dipermukaan fiber.

Walaupun demikian, elektrokatalis Pt/CNT yangmengandung 0,2 mg/cm2 nafion iononer (tanpa PTFEtreatment) mempunyai hydrophobicity yang lebih tinggidibandingkan dengan Gas Diffusion Electrode (GDE)komersial yang sudah ditambahkan hydrophobic agentdan nafion ionomer. Hal ini menunjukkan bahwa CNTmempunyai prospek untuk meningkatkan sifathydrophobicity elektrokatalis dibandingkan karbonVulkan-XC72.

Meningkatnya sifat hydrophobicityelektrokatalis dengan menggunakan isopropanol,menjadi alasan digunakannya isopropanol padapembuatan elektrokatalis selanjutnya. Untukmembandingkan sifat hydrophobicity antara lapisanelektrokatalis berbasis CNT dan karbon Vulkan-XC72,pembuatan lapisan katalis berbasis karbon VulkanXC-72 dilakukan dengan teknik filtrasi. Namun padakenyataannya, lapisan elektrokatalis berbasis karbonVulkan-XC-72 tidak dapat terbentuk bahkan cenderunghancur pada saat pengeringan dilakukan (Gambar 2(a)).

Karbon Vulkan XC-72 yang berbentuk partikelmerupakan penyebab hal ini terjadi sehingga diperlukanPTFE sebagai hydrophobic agent sekaligus sebagaibinder [7]. Hal ini berbeda dengan lapisan elektrokatalisberbasis CNT. CNT yang berbentuk karbon fiber,mudah membentuk matriks tanpa penambahan nafion(Gambar 2(b)) dan bahkan tanpa penambahan PTFE(Gambar 2(b) dan Gambar 2(c)). Penambahan nafionpada lapisan elektrokatalis, selain berfungsimeningkatkan konduktivitas proton, juga akanmenambah sifat hydrophobicitynya. Gambar 2memperlihatkan secara visual sudut kontak antara airdan permukaan sampel tanpa nafion (Gambar 2(b)) akanlebih kecil dibandingkan dengan lapisan tipis yangditambahkan nafion (Gambar 2(c)). Hal ini menunjukkanbahwa penambahan nafion menghasilkan elektrokatalisdengan hydrophobicity yang lebih tinggi dibandingkantanpa nafion.

Gambar 3 menunjukkan data kuantitatif dari sifathydrophobicity lapisan elektrokatalis yang dipengaruhioleh penambahan nafion dan waktu sonikasi (30 menitdan 90 menit). Pada waktu sonikasi 90 menit denganloading katalis yang sama yaitu 0,8 mg/cm2, telahdihasilkan sudut kontak rata-rata 56,7o (tanpa nafion)dan cenderung meningkat menjadi 100,0o dengan

Gambar 1. Pengaruh pelarut nafion terhadap Sifathidropobisitas lapisan elektrokatalis (Pt/CNT) yang dibuatdengan teknik filtrasi dan Pt/C Komersial.

94,4

55,6 55,5

113,4

45,7

0

20

40

60

80

100

120

Aseton Tetrahidrofuran Kloroform Isopropanol GDE komersial

Pelarut Nafion

Su

du

tK

on

tak

(o

)

Gambar 2. (a). Lapisan tipis elektrokatalis Pt/C danPt/CNT yang dibuat dengan teknik filtrasi Pt/C,(b). Pt/CNT tanpa larutan nafion dan (c). Pt/CNT denganlarutan nafion.

air(c)

air(b)

(a)

Page 4: PENGARUH KONSTANTA DIELEKTRIK DAN DISPERSITAS …PENGARUH KONSTANTA DIELEKTRIK DAN DISPERSITAS PARTIKEL TERHADAP HYDROPHOBICITY ELEKTROKATALIS BERBASIS CARBON NANOTUBE RikeYudianti,HoliaOnggodanAnungSyampurwadi

Pengaruh Konstanta Dielektrik dan Dispersitas Partikel terhadap Hidropobisitas Elektrokatalis berbasis Carbon Nanotube(Rike Yudianti)

27

penambahan 0,2 mg/cm2 nafion loading. Hal yang samaterjadi juga pada waktu sonikasi 30 menit, dihasilkan sifathydrophobicity 67,7o (tanpa nafion) dan meningkattinggi menjadi 113,4o setelah nafion ionomerditambahkan. Hal ini menunjukkan bahwa penambahannafion dapat meningkatkan sifat hydrophobicitynya.Meningkatnya sifat hydrophobicity elektrokatalissetelah penambahan nafion disebabkan oleh structuralbackbone dari nafion yaitu PTFE yang bersifathidropobik, dimana nafion adalah kopolimer daritetrafluoroetilen tersulfonasi dan fluoropolimer. Analisisstruktur nafion menggunakan 19F dan 19F-13C solid stateNMR di 295 K menunjukkan bahwa rotasi uniaksial (fastuniaxial rotations) dari PTFE adalah sama dengannafion [9].

Secara empiris, waktu sonikasi 30 menit dan90 menit akan mempengaruhi kecepatan filtrasi denganrata-rata kecepatan 6,4 mL/menit hingga 6,9 mL/menit,karena ini berkaitan dengan dimensi partikel yangdihasilkan. Waktu sonikasi 90 menit menghasilkandimensi partikel lebih kecil yang memerlukan 3 tahapproses filtrasi. Sedangkan waktu sonikasi 30 menit,dimana aglomerasi partikel kemungkinan besar masihterjadi hanya memerlukan satu tahap proses filtrasi.

Hubungan waktu sonikasi dan dispersitaspartikel telah dijelaskan oleh peneliti sebelumnya [10].Pada dasarnya waktu sonikasi tidak memberikanpengaruh yang besar terhadap hydrophobicity. Namunlebih tingginya sifat hidropobik elektrokatalis yangdisonikasi 30 menit lebih disebabkan oleh lebih besarnyaliving time larutan nafion pada permukaan elektrokatalisterhadap tekanan filtrasi. Sebagai akibatnya film nafionlebih dikonsentrasikan pada permukaan elektrokatalis.Sedangkan waktu sonikasi 90 menit yang menghasilkanukuran partikel yang lebih kecil akan lebihmendistribusikan nafion ionomer ada seluruh permukaanfiber CNT. Lebih terkonsentrasinya larutan nafion padapermukaan elektrokatalis akan menambah sifathydrophobicity.

Selain menimbulkan perubahan sifathydrophobicity, penambahan nafion juga menimbulkanperubahan morfologi permukaan elektrokatalis. PadaGambar 4 ditunjukan morfologi permukaan lapisaneletrokatalis. Pada dasarnya, lapisan elektrokatalis tanpa

penambahan nafion menunjukkan morfologi yang samadengan CNT, menunjukkan topografi fiber CNT yangkasar dan membentuk pori antar fibernya. Fiber CNTmembentuk suatu matriks yang kuat dan tidak hancursetelah proses pengeringan. Kondisi ini menimbulkanpengaruh yang berbeda dibandingkan karbon VulkanXC-72. Penambahan nafion akan menutupi karbon fiberatau bahkan akan membentuk matriks yang menutupipori antar fibernya, tergantung dari konsentrasi nafion.

Gambar 3. Pengaruh penambahan nafion dan waktusonikasi terhadap sudut kontak.

67,7

113,4

56,7

100,0

0

20

40

60

80

100

120

tanpa nafion Nafion tanpa nafion Nafion

Su

du

tK

on

tak

(o

)

Waktu sonikasi 30 menit

Waktu sonikasi 90 menit

(a)

Gambar 4. Morfologi permukaan elektrokatalis yangdipengaruhi oleh nafion (a). tanpa nafion (30 menit),(b). dengan nafion (30 menit), (c). tanpa nafion(90 menit) dan (d). dengan nafion (90 menit)

(c)

(d)

(b)

Page 5: PENGARUH KONSTANTA DIELEKTRIK DAN DISPERSITAS …PENGARUH KONSTANTA DIELEKTRIK DAN DISPERSITAS PARTIKEL TERHADAP HYDROPHOBICITY ELEKTROKATALIS BERBASIS CARBON NANOTUBE RikeYudianti,HoliaOnggodanAnungSyampurwadi

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials Science

Vol. 14, No. 1, Oktober 2012, hal : 24 - 28

ISSN : 1411-1098

28

Hal ini sesuai dengan penelitian sebelumnya, bahwakonsentrasi nafion terlalu rendah mengakibatkan partikelkatalis tidak konduktif terhadap proton dan tidakterjadinya kontak dengan membran elektrolit [11]. Jikanafion terlalu banyak, maka konduktivitas elektron antarapartikel eletrokatalis dan backing layer akan terhambat.Konsentrasi nafion yang optimal dalam sistemelektrokatalis akan menghasilkan keseimbangan antarakonduktivitas proton, elektron dan difusi gas sebagaithree transport proccess.

Sonikasi 30 menit dan 90 menit memberikanpengaruh pada dispersitas fiber (Gambar 4(a) danGambar 4(c)). Gambar 4(a) menunjukkan lebih banyakluas area yang belum terdispersi (ditunjukan olehlingkaran putih) dibandingkan dengan Gambar 4(c).Kondisi ini tentunya mempengaruhi porositas yangdibentuk oleh fiber. Hal ini menjadi penyebab perbedaanproses filtrasi. Pada penambahan nafion, aglomerasi fibermemberikan living time nafion yang lebih lama padapermukaan elektrokatalis terhadap tekanan filtrasisehingga terbentuk ketidakhomogenan lapisan nafion.Hal ini ditunjukkan oleh adanya partikel berukuran 10nm hingga 250 nm sebagai nafion ionomer (Gambar 4(b)).Penambahan nafion pada fiber yang terdispersimenyebabkan nafion terdistribusi secara homogenmenutupi fiber CNT membentuk lapisan film nafionsecara kontinyu pada permukaan elektrokatalis(Gambar 4(d)). Lapisan film nafion ini sangat pentinguntuk pembuatan MEA yang bersifat adesif terhadappermukaan elektroda.

Dari keseluruhan hasil menunjukkan adanyaketerkaitan antara morfologi permukaan, nafion ionomerdan sifat hydrophobicity . Selain menghasilkanhydrophobicity yang tinggi, elektrokatalis memerlukankinerja yang baik. Oleh karena itu informasi kinerja secarakualitatif tentang reaksi elektrokimia berkaitan denganElectrochemical Surface Area (ESCA) dari nanopartikelkatalis (Pt) yaitu kemampuan nanopartikel platina untukdesorpsi dan adsorpsi hidrogen, perlu dilakukan.

KESIMPULAN

Secara keseluruhan hasil menunjukkan bahwajenis pelarut, penambahan nafion dan dispersitasCarbon Nanotube (CNT) secara sinergi mempunyaiperanan yang penting dalam pembentukanhydrophobicity lapisan elektrokatalis yang dibuatdengan teknik filtrasi. Pelarut organik isopropanoldengan konstanta dielektrik tinggi (>10) yang akanmemberikan kondisi solution state dengan nafion,sangatlah diperlukan untuk meningkatkan sifat

hydrophobicity lapisan elektrokatalis. Selain itu,penambahan nafion pada permukaan elektrokatalis yangmasih mengandung aglomerat partikel (dengan waktusonikasi 30 menit) justru menghasilkan sifathydrophobicity yang lebih tinggi (113,4o) dibandingkanelektrokatalis yang terdispersi cukup baik (waktusonikasi 90 menit) yaitu 100,0o.

UCAPAN TERIMAKASIH

Penulis mengucapkan terimakasih kepadaLembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) atasdana penelitian yang diberikan melalui ProgramKompetitif 2012, Sub Program Material Maju danNanoteknologi, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia.

DAFTAR ACUAN

[1]. LITSTER S, MCLEAN G, Journal ofPower Sources,130 (2004)61-76

[2]. KANNAN R., PILLAI V. K., J. Indian Inst. Sci.,89-4 (2009) 425-436

[3]. MATSUMOTO T., KOMATSU T., NAKANO H.,ARAI K., NAGASHIMAY., YOO E.,YAMAZAKIT., KIJIMA M., SHIMIZU H., TAKASAWA Y,NAKAMURA, J., Catalyst Today, 90 (2004)277-281

[4]. KNUPP S. L., LI W., PASCHOS O., MURRAY T.M., SNYDER J., HALDAR P., Carbon, 46 (2008)1276-1284

[5]. DRESSELHAUS M. S., DRESSELHAUS G.,CHARLIER J. C, HERN´ANDEZ E., Phil. Trans. R.Soc. Lond. A, (2004) 2065-2098

[6]. YUDIANTI R, ONGGO H., INDRIYATI,SUDIRMAN., Nanoscience and Nanotechnology,2 (6) (2012)

[7]. HUANG D. C., YU P.J., LIU F. J., HUANG S. L.,HSUEH K. L., CHEN Y. C., WU C. H., CHANG W.C., TSAU F. H., Int. J. Electrochem. Sci., 6 (2011)2551-2565

[8]. SHIN S.J., LEE J.K., HAH.Y., HONG S.A., CHUNH.S., OH I.H., J. Power Sources, 106 (2002)146-152

[9]. CHEN Q., SCHMIDT-RO K., MacromolecularChemistry and Physics, 208 (19-20) (2007)2189-2203

[10]. ONGGO H., Prosiding Seminar Nasional Fisika,(2011)234-241

[11]. PASSALACQUAE., LUFRANO F., SQUADRITOG., PATTI A., GIORGI L., Electrochimica Acta,46 (2001) 799-805