SIMULASI PENGARUH OPTIMALISASI STRUKTUR KARBON NANOTUBE PADA PENINGKATKAN ENERGI ADSORPSI HIDROGEN

Transkripsi

1 SIMULASI PENGARUH OPTIMALISASI STRUKTUR KARBON NANOTUBE PADA PENINGKATKAN ENERGI ADSORPSI HIDROGEN Supriyadi a), Nasruddin b), Engkos A. Kosasih b) dan Ihsan Ahmad Zulkarnain b) a) Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Industri, Universitas Trisakti Jl, Klyai Tapa No. 1, Grogol, Jakarta Barat b) Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia Kampus Baru UI, Depok Abstrak Teknik penyimpanan hidrogen dengan metoda adsorpsi dianggap sebagai salah satu metoda yang paling aman dan sangat menjanjikan untuk diaplikasikan di masa mendatang. Untuk mencapai target yang ditetapkan olek Departemen Energi Amerika Serikat sebesar 9,0 wt% pada tahun 2015 berbagai upaya untuk mencari material yang potensial sebagai media untuk media penyimpan hidrogen terus dilakukan. Salah satu material yang sangat menarik untuk diteliti adalah karbon nanotube. Karbon nanotube dikenal sebagai material yang memiliki luas permukaan dan volume pori yang besar. Penelitian untuk meningkatkan performa karbon nanotube untuk menyimpan dan melepas hirogen saat dibutuhkan masih menjadi tema yang sangat menarik untuk dikaji hingga saat ini. Studi eksperimental dari banyak penelitian yang telah dilakukan menunjukkan bahwa besarnya energi adsorpsi karbon nanotube terhadap hidrogen masih sangat beragam, oleh karenanya diperlukan berbagai kajian untuk memvalidasi hasil eksperimen tersebut. Salah satu metoda yang banyak dilakukan adalah studi komputasi. Dalam penelitian ini studi komputasi dilakukan dengan menggunakan simulasi dinamika molekul. Parameter yang akan menjadi fokus utama penelitian adalah diameter, panjang dan chiralitas karbon nanotube. Dengan menggunakan ketiga parameter tersebut akan disimulasikan struktur karbon nanotube yang memiliki energi adsorpsi optimum. Energi adsorpsi yang diperoleh terkait langsung dengan jari-jari kesetimbangan adsorpsi yang selanjutnya akan dijadikan sebagai parameter utama untuk menentukan kapasitas adsorpsi terhadap hidrogen. Kata Kunci: hidrogen, karbon nanotube, energi adsorpsi, kapasitas, adsorpsi, simulasi dinamika molekul Pendahuluan Sumber energi alternatif yang banyak menarik perhatian pada saat ini adalah sumber energi dari sel bahan bakar hidrogen. Sebagai teknologi konversi energi, hidrogen sangat efisien karena memiliki efisiensi termal yang tinggi (Supriyadi, 2013). Hidrogen juga ramah terhadap lingkungan karena sisa pembakaranya berupa air. Berbagai keunggulan ini menjadikan hidrogen sebagai sumber energi yang sangat potensial untuk diaplikasikan di masa mendatang (Supriyadi & Nasruddin, 2011). Kendala utama mengapa hidrogen belum dapat diaplikasikan untuk kendaraan karena dibutuhkan kondisi tekanan yang tinggi dan temperatur yang sangat rendah untuk menyimpan hidrogen (Cho & Park, 2007). Oleh karena itu perlu dicari metoda untuk mengatasi kendala ini, salah satunya adalah dengan metoda adsorpsi yaitu menyimpan hidrogen dalam bahan berpori (adsorben). Pada saat hidrogen terserap dalam pori kepadatannya akan mendekati nilai densitasnya dalam fase cair. Kondisi tersebut menambah keyakinan para peneliti bahwa metoda adsorpsi dapat meningkatkan kapasitas penyimpanan hidrogen lebih baik jika dibandingkan dengan sistem penyimpanan hidrogen pada tangki bertekanan. Upaya untuk meningkatkan kapasitas penyimpanan hidrogen pada berbagai material terus dikembangkan (untuk memenuhi target yang ditetapkan Departemen Energi Amerika Serikat sebesar 6,5 wt %) dan dalam beberapa tahun belakangan, usaha yang sangat serius terus dilakukan dengan fokus untuk mencari material baru yang mampu menyimpang hidrogen dengan kapasitas yang besar [He 2010]. Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti KE08-1

2 Salah satu kriteria agar material memiliki kapasitas adsorpsi hidrogen yang bagus adalah adanya luas permukaan serta volume pori yang besar. Adsorben berbahan baku karbon, khususnya karbon aktif dan karbon nanotube (CNT) dipandang memenuhi syarat tersebut. Banyak upaya dilakukan untuk meningkatkan kapasitas penyimpanan Hidrogen pada CNT. Faktor utama yang dapat meningkatkan kapasitas penyimpanan hidrogen antara lain: tingkat kemurnian unsur karbon dalam adsorben, struktur mikro dari adsorben dan adanya unsur katalis (umumnya dari jenis logam) sebagai unsur doping yang diharapkan dapat menyerap lebih banyak hidrogen pada permukaan CNT (Reyhani, Nozad Golikand, Mortazavi, Irannejad, & Moshfegh, 2010). Dalam tulisan ini pembahasan ditekankan pada pengaruh struktur CNT terutama diameter CNT terhadap kapasitas adsorpsi hidrogen melalui pendekatan energi adsorpsi. Studi Pustaka Metode adsorpsi hidrogen dalam material berpori dipandang sebagai metoda non konvensional yang dapat menjawab berbagai kekurangan dari berbagai metoda yang sudah dikembangkan sebelumnya (Nasruddin & Kosasih, 2012). Keunggulan utamanya adalah relatif aman dalam aplikasi dan biaya operasional yang relatif murah. Secara grafimetrik molekul karbon juga termasuk jenis yang ringan dengan demikian keberadaannya tidak memberikan tambahan berat total tangki penyimpanan secara signifikan. Kondisi ini sangat menjajikan untuk diaplikasikan pada sistem penyimpanan hidrogen sebagai bahan bakar. Kapasitas penyimpanan hydrogen dengan metode adsorpsi dalam karbon aktif lebih besar dibandingkan dengan metode gas bertekanan. Pada kondisi yang sama, yaitu temperatur 77⁰C dan tekanan 50 bar, hidrogen dapat disimpan dalam metode adsorpsi sebesar 35 Kg/m 3 sedangkan dalam metode gas bertekanan sebesar 17 Kg/m 3. Walaupun begitu metode adsorpsi ini dapat menjadi kurang efisien pada tekanan yang cukup tinggi (di atas 100 bar) karena sudah mengalami kejenuhan sehingga kapasitas penyimpanannya menjadi lebih kecil dibandingkan dengan metode gas bertekanan pada tekananyang sama (Poirier et al., 2004). Penelitian dengan topik ini masih berlanjut hingga tahun 2012 dan melakukan penelitian dengan lebih fokus pada kondisi yang dipersyaratkan DoE, yaitu penelitian pada pengukuran temperatur K pada tekanan atm (Zhao et al., 2012). Berbagai hasil eksperimen yang telah dilakukan untuk mengetahui besarnya hidrogen yang mampu terserap oleh CNT memberikan hasil yang sangat bervariasi, hal ini berarti masih banyak peluang untuk mengkaji kapasitas adsorpsi hidrogen pada kondisi yang bervariasi pula. Dari hasil yang telah didapat melalui eksperimen tersebut, beberapa diantaranya telah diperkuat dengan dengan hasil yang didapat dengan menggunakan metode komputasi baik simulasi dinamika molekuler (DM), metode grand canonical monte carlo (GCMC) maupun density functional theory (DFT). Penelitian pada beberapa tahun kedepan dalam bidang adsorpsi secara umum akan mengacu kepada target-target yang telah ditentukan oleh DoE, dengan beberapa kriteria antara lain: (i). Favorabel entalpi dari adsorpsi dan desorpsi hidrogen; (ii). Laju kinetik adsorpsi dan desorpsi yang cepat; (iii). Kepadatan gravimetrik dan volumetrik yang tinggi; (iv). Waktu siklus adsorpsi dan desorpsi yang tahan lama; (v). Kuat secara mekanik dan tahan lama dan (vi). Aman dalam kondisi normal (Ahluwalia, Hua, & Peng, 2012). CNT merupakan salah satu fokus penelitian untuk menyimpan hidrogen dan upaya untuk meningkatkan kapasitasnya masih terus dilakukan. Target secara spesifik telah ditetapkan agar tercapai kondisi termodinamik optimal untuk proses adsorpsi yaitu: (i). kondisi energi ikatan optimal sebesar 5 40 kj/mol H 2 pada temperatur ruang, tekanan kurang dari 100 atm dan temperatur sistem < 70 o C; (ii). Perlakuan sistem meliputi stabilisasi dan fungsionalisasi struktur terkait diameter dan chiralitas CNT; (iii). Optimalisasi energi adsorpsi, pada adsorpsi fisis sebesar 4 kj/mol. Adapun untuk adsorpsi kimiawi kajian difokuskan pada mekanisme spillover; (iv). Optimalisasi energi adsorpsi dengan metal doping. (DoE Final Report 2012). Hingga tahun 2013 masih banyak peneliti yang menggeluti penelitian untuk mengkaji karakteristik Boron dalam Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti KE08-2

3 kaitannya dengan peningkatan kapasitas hidrogen, antara lain (Jana, Sun, Chen, & Chen, 2013). Disain Komputasi Material yang banyak digunakan untuk adsorpsi antara lain, zeolit, aerogel, karbon aktif, metal hidrida, dan material nano seperti CNT. Dalam penelitian ini material yang akan disimulasikan adalah CNT jenis zig-zag yang memiliki chiralitas (10, 0). Kapasitas adsorpsi juga sangat erat kaitannya dengan konsidi sistem dan parameter yang paling berpengaruh adalah tekanan dan temperatur, sedangkan dalam simulasi volume sistem selalu dijaga konstan. Sesuai dengan target yang ditetapkan DoE, dalam penelitian ini simulasi dilakukan pada tekanan atm dengan temperatur antara o K. Ruang simulasi dibatasi pada ukuran kotak dengan volume 981,92 nm 3 dan dimensi 6,46 nm x 6,46 nm x 23,52 nm. Dengan kondisi ini maka jumlah atom hidrogen yang disimulasikan ber-jumlah antara atom. Dalam penelitian ini unsur doping yang disimulasikan hanyalah Lithium dan Magnesium. Dengan demikian ada 3 kondisi yang akan menjadi fokus kajian yaitu CNT murni, Li-CNT dan Mg-CNT. Variasasi simulasi difokuskan pada proporsi dan distribusi unsur doping dengan fraksi jumlah atom 5 20 %. Model material adsorben divariasikan berbagai karakteristiknya. Model tersebut kemudian akan diteliti struktur elektronnya dan diestimasi nilai energi adsorpsinya terhadap hidrogen dengan menggunakan kalkulasi mekanika quantum. Hasil estimasi nilai energi adsorpsi ini selanjutnya dapat digunakan untuk memperkirakan nilai besar kapasitas adsorpsi hidrogen. Pada tahap berikutnya, hasil estimasi nilai energi adsorpsi dengan kalkulasi mekanika quantum tersebut akan digunakan untuk menentukan nilai parameter potensial yang akan digunakan untuk menjalankan Simulasi DM. Nilai parameter potensial tersebut akan ditentukan sedemikian rupa sehingga nilai energi adsorpsi hidrogen pada Simulasi DM sesuai dengan hasil kalkulasi mekanika quantum. Simulasi DM yang menggunakan parameter potensial berdasarkan kalkulasi mekanika quantum ini akan menghasilkan data-data termodinamik sistem simulasi serta data besar kapasitas penyimpanan hidrogen pada material tersebut. Data-data itu kemudian akan diolah untuk mendapatkan grafik kapasitas adsorpsi isotermal. Diameter CNT dapat mempengaruhi energi adsorpsi hidrogen. Untuk Li-CNT dan Mg-CNT secara struktur memiliki komposisi molekul yang berbeda dengan CNT, perbedaan struktur ini diperkirakan akan memberikan nilai energi adsorpsi yang berbeda pula dan umumnya akan bergantung pada diameternya. Dengan melakukan berbagai variasi diameter untuk CNT, Li-CNT dan Mg-CNT, diharapkan dapat ditemukannya diameter yang menghasilkan energi adsorpsi hidrogen paling optimal. Doping Lithium pada CNT dapat membuat CNT menjadi bermuatan sehingga meningkatkan polarisabilitasnya dan meningkatkan kapasitas adsorpsi hidrogen (Im, Chang Kang, Bai, Suh, & Lee, 2011). Perbedaan struktur elektron Li-CNT dan Mg-CNT dengan CNT diperkirakan akan menyebabkan doping Lithium pada Li-CNT akan menghasilkan fenomena yang berbeda pula. Oleh karena itu, dengan memvariasikan rasio doping Lithium pada Li-CNT, diharapkan dapat ditemukannya rasio doping Lithium pada Li-B-CNT yang dapat menghasilkan kapasitas penyimpanan hidrogen yang optimal. Hasil dan Pembahasan Dalam tulisan ini digunakan simulasi dinamika molekul untuk menyelidiki sifat dan karakteristik keseimbangan adsorpsi hidrogen pada CNT. Metode ini digunakan untuk menyelidiki lintasan, kecepatan, momentum, dan sifat dinamis hidrogen dalam kotak simulasi. Langkah pertama dalam model simulasi adalah merumuskan karakteristik atom setiap partikel. Perangkat lunak Avogadro digunakan untuk menentukan sifat atom berdasarkan sifat kimianya. Langkah penting berikutnya adalah menentukan kondisi awal untuk simulasi. Kondisi awal ini terkait dengan kondisi stabil sebelum proses dimulai. Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti KE08-3

4 Penempatan unsur doping logam pada bagian luar permukaan CNT berdasarkan energi minimum yang dapat dicapai antara unsur doping dan karbon. Kondisi kesetimbangan ini terjadi pada saat interaksi gaya antara karbon dan unsur doping cenderung nol. Hasil proses adsorpsi fisis Hidrogen pada CNT pada awalnya tidak selalu konstan setiap waktunya, selanjutnya cenderung meningkat dan perlahan stabil ketika sudah mencapai kondisi kesetimbangan adsorpsi. Jumlah adsorbat yang telah stabil menunjukkan sistem sudah berada pada kondisi kesetimbangan adsorpsi. Pada saat menjalankan simulasi ada tiga parameter utama yang menentukan keakuratan hasil perhitungan antara lain time step, waktu simulasi dan kondisi kesetimbangan. Time step akan menentukan seberapa sering data termodinamik dicatat dalam jumlah langkah yang dihitung per satuan waktu, semakin kecil time step akan menghasilkan data simulasi yang semakin akurat dengan konsekuensi waktu simulasi yang semakin panjang. Waktu simulasi menentukan berapa lama system akan disimulasikan, semakin lama waktu simulasi ditentukan umumnya akan memberikan hasil simulasi yang semakin baik. Namun demikian kondisi yang paling krusial untuk diperhatikan adalah kondisi kesetimbangan. Jika kondisi kesetimbangan sudah dicapai dengan waktu simulasi tertentu, maka penambahan waktu yang diberikan tidak akan banyak memberikan pengaruh terhadap hasil simulasi. Beberapa ukuran termodinamik yang diamati kondisi kesetimbangannya antara lain temperature, tekanan, energi kinetik dan energi total. Dalam gambar 1 di bawah dapat dilihat bahwa semakin halus time step memberikan fluktuasi energi total yang lebih kecil. Hal ini berarti bahwa kondisi kesetimbangan akan lebih stabil. Dalam simulasi ini diambil time step moderat sebesat 0,1 dan 0,05. Gambar 1. Fluktuasi energi adsorpsi pada berbagai variasi running step Ukuran termodinamik yang juga penting untuk diamati adalah tekanan dan temperatur. Time step dan waktu simulasi kita tentukan sampai kondisi kesetimbangan tercapai. Gambar 2 di bawah menunjukkan kondisi fluktuasi tekanan dibandingan dengan kondisi kesetimbangannya. Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti KE08-4

5 Gambar 2. Fluktuasi tekanan pada saat simulasi Kesetimbangan energi total dapat dikatakan ukuran termodinamik yang mewakili kondisi sistem secara keseluruhan. Oleh karena itu kondisi tersebut merupakan hal yang sengat penting untuk diamati. Simulasi dinamika molekul akan memberikan hasil paling baik manakala waktu simulasi diambil nilai maksimal dari semua kondisi kesetimbangan yang ada, sebaliknya time step diambil nilai minimumnya. Pada Gambar 3 dapat dilihat fluktuasi energi total pada berbagai waktu simulasi yang bervariasi. Gambar 3. Fluktuasi energi total pada berbagai waktu simulasi Untuk menghitung kapasitas adsorpsi hidrogen pada CNT dan CNT yang didoping dengan Lithium dan Magnesium ditentukan juga dengan menghitung banyaknya hidrogen yang berada pada jarak kesetimbangan energi adsorpsi. Hasil tersebut dihitung pada saat kapasitas adsorpsi sudah mencapai titik kesetimbangan yang berarti sistem sudah mengalami saturasi. Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti KE08-5

6 Gambar 4. Adsorpsi kesetimbangan hidrogen k selama simulasi pada Li-CNT pada temperatur 298 K dan tekanan 45 atm. Gambar 5. Kurva isoterm physisorption hidrogen di Mg-CNT pada temperatur 298 K. Gambar 6. Fluktuasi tekanan dan tekanan kesetimbangan selama simulasi Hidrogen physisorption pada Magnesium kation didoping CNT pada temperatur kamar 298 K Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti KE08-6

7 Gambar 7. Perbandingan kurva Isoterm Hidrogen physisorption pada CNT, Lithium kation doped CNT, dan Magnesium kation didoping CNT. Pengaruh kehadiran Lithium ditunjukkan pada Gambar 7 yang menggambarkan perbandingan konsentrasi adsorpsi hidrogen pada CNT tanpa dan dengan doping Lithium pada berbagai temperatur. Hasil ini menunjukkan keberadaan Lithium pada CNT dapat meningkatkan kapasitas adsorpsi gas hidrogen oleh CNT. Keberadaan Lihium sebagai doping pada permukaan CNT dapat meningkatkan energi potensial minimum pada daerah sekitar CNT yang menyebabkan semakin banyaknya molekul gas hidrogen yang dapat teradsorp pada permukaan CNT. Gambar 7 menunjukkan kapasitas adsorpsi Hidrogen pada CNT dengan doping Lithium dan Magnesium. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa kehadiran lithium dapat meningkatkan kapasitas adsorpsi hidrogen hingga 100% dan kehadiran magnesium dapat meningkatkan kapasitas adsorpsi hidrogen hingga 200%. Kesimpulan Dari hasil kajian di atas dapat disimpulkan bahwa kehadiran unsur doping dapat meningkatkan energi adsorpsi CNT terhadap hidrogen yang berkorelasi langsung terhadap peningkatan kapasitas adsorpsi hidrogen pada CNT. Kehadiran lithium dapat meningkatkan kapasitas adsorpsi hidrogen hingga 100% dan kehadiran magnesium dapat meningkatkan kapasitas adsorpsi hidrogen hingga 200%. Daftar Pustaka Ahluwalia, R., Hua, T., & Peng, J. (2012). On-board and Off-board performance of hydrogen storage options for light-duty vehicles. International Journal of Hydrogen Energy, 37(3), Cho, J. H., & Park, C. R. (2007). Hydrogen storage on Li-doped single-walled carbon nanotubes: Computer simulation using the density functional theory. Catalysis Today, 120(3 4), doi: Im, J. S., Chang Kang, S., Bai, B. C., Suh, J.-K., & Lee, Y.-S. (2011). Effect of thermal fluorination on the hydrogen storage capacity of multi-walled carbon nanotubes. International Journal of Hydrogen Energy, 36(2), doi: Jana, D., Sun, C.-L., Chen, L.-C., & Chen, K.-H. (2013). Effect of chemical doping of boron and nitrogen on the electronic, optical, and electrochemical properties of carbon nanotubes. Progress in Materials Science, 58(5), Nasruddin, & Kosasih, E. A. (2012). Simulasi Dinamika Molekular Adsorpsi Hidrogen pada Carbon Nanotubes (CNT) Dengan Variasi Panjang. Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti KE08-7

8 Poirier, E., Chahine, R., Benard, P., Cossement, D., Lafi, L., Melancon, E.,... Desilets, S. (2004). Storage of hydrogen on single-walled carbon nanotubes and other carbon structures. Applied Physics A, 78(7), Reyhani, A., Nozad Golikand, A., Mortazavi, S. Z., Irannejad, L., & Moshfegh, A. Z. (2010). The effects of multi-walled carbon nanotubes graphitization treated with different atmospheres and electrolyte temperatures on electrochemical hydrogen storage. Electrochimica Acta, 55(16), doi: Supriyadi. (2013). Simulasi Karakteristik Adsorpsi Hidrogen pada Karbon Nanotube Jenis Armchair dengan Chiralitas (3, 3), (6, 6) dan (9, 9) pada Temperatur Ruang. Sinterin, Universitas Andalas(Padang). Supriyadi, & Nasruddin. (2011). Pemilihan Algoritma dan Model Potensial pada Simulasi Dinamika Molekular Tabung Nano Karbon sebagai Media Penyimpan Hidrogen Zhao, W., Fierro, V., Zlotea, C., Izquierdo, M., Chevalier-César, C., Latroche, M., & Celzard, A. (2012). Activated carbons doped with Pd nanoparticles for hydrogen storage. International Journal of Hydrogen Energy, 37(6), Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti KE08-8