PENGARUH PENAMBAHAN SILAN TERHADAP KARAKTERISTIK MEMBRAN KITOSAN-ABU LAYANG/CTAB SEBAGAI MEMBRAN ELEKTROLIT

Transkripsi

1 PENGARUH PENAMBAHAN SILAN TERHADAP KARAKTERISTIK MEMBRAN KITOSAN-ABU LAYANG/CTAB SEBAGAI MEMBRAN ELEKTROLIT Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains Program Studi Kimia oleh Diana Isnaeni JURUSAN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG 2016

2 ii

3 iii

4 iv

5 MOTTO DAN PERSEMBAHAN Motto:.) 6 إ ن م ع ال ع س ر ي س ر ا )اإلنشرة : 1. Sesungguhnya bersama kesulitan ada kemudahan (Al-Insyirah: 6). 2. Learn from yesterday, live for today, hope for tomorrow (Albert Enstein). 3. Bertanggung jawab, bekerja keras dan selalu bersyukur. Persembahan: 1. Orang tuaku yang saya cintai, Bapak Sa idu dan Ibu Warsiti. 2. Mbak Wiwin, Kakak Muhtarom, Adikku Ferdi dan keponakanku Firda. 3. Keluarga besarku dari keluarga Ibu dan Bapak yang saya sayangi. 4. Almamater Universitas Negeri Semarang. v

6 PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT, karena berkat rahmat, taufik dan hidayah-nya sehingga penulisan skripsi yang berjudul Pengaruh Penambahan Silan Terhadap Karakteristik Membran Kitosan- Abu Layang/CTAB Sebagai Membran Elektrolit dapat diselesaikan dengan baik. Skripsi ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat menyelesaikan pendidikan strata satu (S1) Jurusan Kimia FMIPA Unnes. Penulisan skripsi ini tidak akan terealisasikan tanpa bantuan, dukungan dan dorongan dari semua pihak, baik dalam penelitian maupun penyusunan skripsi ini. Oleh karena itu, penulis sangat berterimakasih kepada: 1. Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Semarang beserta jajarannya. 2. Dr. Nanik Wijayati, M.Si selaku Ketua Jurusan Kimia dan Dr. Jumaeri, M.Si selaku Ketua Program Studi Kimia. 3. Kepala Laboratorium Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Semarang yang telah memberikan izin penelitian. 4. Ella Kusumastuti, M.Si dan Dr.Triastuti Sulistyaningsih, M.Si selaku Dosen Pembimbing yang selalu memberikan bimbingan, arahan, dukungan dan motivasi kepada penulis. 5. Dr. F. Widhi Mahatmanti, M.Si selaku Dosen Penguji Utama yang telah memberikan saran dan evaluasi dalam penyusunan skripsi. vi

7 6. Bapak dan Ibu Dosen Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Semarang yang telah membekali ilmu kepada penulis dalam penyusunan skripsi. 7. Teknisi dan Laboran Laboratorium Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Semarang yang telah membantu penulis dalam penelitian. 8. Rekan-rekan sesama tim riset Fuel Cell yang telah banyak membantu selama proses studi literatur. 9. Teman-teman Kimia Unnes 2012 yang selalu memberikan semangat dan tempat sharing ilmu. 10. Teman-teman kos Griya Ayu seperjuangan yang telah memberikan semangat dan hiburan di saat jenuh mengerjakan skripsi. 11. Semua pihak yang telah membantu penulis dalam penyusunan skripsi yang tidak dapat dituliskan satu persatu Dalam penulisan skripsi ini tentunya masih banyak terdapat kekurangan. Sehingga penulis mengharap adanya kritik yang tentunya akan membuat skripsi ini menjadi lebih baik lagi. Semarang, Agustus 2016 Penulis vii

8 ABSTRAK Isnaeni, Diana Pengaruh Penambahan Silan Terhadap Karakteristik Membran Kitosan-Abu Layang/CTAB sebagai Membran Elektrolit. Skripsi, Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Semarang. Dosen Pembimbing: Ella Kusumastuti, S.Si, M.Si dan Dr. Triastuti Sulistyaningsih, M.Si. Kata Kunci: abu layang, agen pengkopling silan, kitosan, dan membran elektrolit. Membran elektrolit merupakan komponen penting dalam fuel cell, karena berfungsi sebagai sarana transportasi ion hidrogen (H + ) yang dihasilkan dari reaksi oksidasi di anoda dan juga sebagai pembatas antara kedua elektroda. Pada penelitian ini telah berhasil dilakukan sintesis membran yang terdiri dari kitosan sebagai matriks organik dan abu layang yang dimodifikasi dengan CTAB dan silan (GPTMS) sebagai filler. Abu Layang dimodifikasi dengan agen pengkopling silan (GPTMS) agar interaksi antarmuka antara matriks organik dengan filler anorganik meningkat. Tujuan penelitian ini yaitu untuk mengetahui pengaruh penambahan silan (5%, 10%, 20%, dan 30%) terhadap karakteristik membran yang meliputi water uptake, sifat mekanik (kuat tarik, persentase perpanjangan dan modulus young), konduktivitas proton, permeabilitas metanol, dan selektivitas membran. Penelitian yang dilakukan terdiri dari: preparasi abu layang, modifikasi permukaan abu layang menggunakan CTAB, pengkoplingan abu layang dengan GPTMS, sintesis membran dengan metode inversi fasa dan karakterisasi membran. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penambahan silan dapat meningkatkan kuat tarik membran, persentase perpanjangan membran mengalami penurunan, dan modulus young menunjukkan peningkatan. Penambahan silan juga dapat meningkatkan konduktivitas proton dan menurunkan permeabiitas metanol, akan tetapi pada konsentrasi silan di atas 10% konduktivitas proton menurun dan permeabilitas metanol meningkat. Membran terbaik diperoleh pada penambahan silan 10% dengan nilai kuat tarik 23,10 MPa, persentase perpanjangan 3,17%, modulus young 6,72 MPa, konduktivitas proton 8,00 x 10-4 S/cm, permeabilitas metanol 3,37 x 10-7 cm 2 /s, dan selektivitas membran 2,12 x 10 3 S s/cm 3. Hasil analisis FTIR membran kitosan-abu layang/ctab-silan 10% menunjukkan hanya terjadi interaksi secara fisik karena tidak ada perubahan peak yang signifikan. Sedangkan hasil analisis morfologi membran dengan SEM menunjukkan interaksi yang lebih baik karena distribusi partikel merata dan tidak terdapat aglomerasi. viii

9 ABSTRACT Isnaeni, Diana Effect of Silane Addition on Chitosan-Fly Ash/CTAB as Electrolyte Membran.. Final Project, Chemistry Department, Faculty of Mathematics and Natural Science. Semarang State University. Advisor: Ella Kusumastuti S.Si, M.Si and Dr. Triastuti Sulistyaningsih, M.Si. Keywords: electrolyte membrane, chitosan, fly ash, silane coupling agent. Electrolyte membrane is an important component in fuel cell system, because the function of electrolyte membrane as transportation path of hydrogen ion which is produced from reaction of oxidation in anode and also as circuit between electrode both. In this research, electrolyte membrane is composed of chitosan as organic matrix and fly ash which is modified with CTAB and silane (GPTMS) as inorganic filler. Fly ash is modified using silane (GPTMS) as coupling agent to improve interfacial morphology between organic matrix and inorganic filler. This research aims to know effect of silane addition based on its characteristics such as water uptake, mechanical properties, proton conductivity, methanol permeability, and selectivity membrane. The steps that have been done include silica preparation from fly ash, modification of silica surface with CTAB, silica coupling process with GPTMS, synthesis of membranes with inversion phase method, and membrane characterization. The result showed that with silane addition can increase of tensile strength, elongation of break decrease, and the modulus young showed increase. Silane addition can increase proton conductivity and decrease methanol permeability, but at silane addition more 10% proton conductivity is decrease and methanol permeability is increase. Water uptake decrease together with silane addition. The best membrane was obtained by 10% silane addition with tensile strength 23,10 MPa, elongation of break 3,17%, elasticity 6,72 MPa, proton conductivity 8,00 x 10-4 S/cm, methanol permeability 3,37 x 10-7 cm 2 /s, and membrane selectivity 2,12 x 10 3 S s/cm 3.The result of FTIR analysis on membrane C-FA/CTAB-Silane 10% showed that it was only occured physical interaction because there was no peak difference significantly. Whereas the result of morphology analysis membrane with SEM showed the better interaction because distribution of particles is spread evently and there was no agglomeration. ix

10 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i Halaman PERNYATAAN... ii PERSETUJUAN PEMBIMBING... iii PENGESAHAN... iv MOTTO DAN PERSEMBAHAN... v PRAKATA... vi ABSTRAK... viii ABSTRACT... ix DAFTAR ISI... x DAFTAR TABEL... xii DAFTAR GAMBAR... xiii DAFTAR LAMPIRAN... xv BAB 1. PENDAHULUAN Latar Belakang Rumusan masalah Tujuan Manfaat... 5 BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) Membran Polielektrolit Kitosan Silika Abu Layang (Fly Ash) Surfaktan Cetyltrimetil ammonium bromide (CTAB) Agen Pengkopling Silan Karakterisasi Analisis Kandungan Kimia Abu Layang dengan XRF Analisis Sifat Mekanik Membran Tensile Strenght/Kuat Tarik Presentase Perpanjangan/Elongation of Break Elastisitas (Modulus Young) Uji Daya Serap Membran terhadap Air (Water Uptake) Analisis Konduktivitas Proton dengan EIS Analisis Permeabilitas Metanol dengan Metode Difusi Sel x

11 Selektivitas Membran Analisis Gugus Fungsi dengan FTIR Analisis Morfologi dengan SEM BAB 3. METODE PENELITIAN Lokasi Penelitian Variabel Penelitian Alat dan Bahan Cara Kerja Preparasi Abu Layang Modifikasi Permukaan Abu Layang dengan CTAB Pengkoplingan Abu Layang dengan Silan Pembuatan Membran Karakterisasi Membran BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Preparasi Silika Abu Layang Modifikasi Permukaan Abu Layang Analisis FTIR Abu Layang Termodifikasi CTAB Analisis SEM Abu Layang Termodifikasi CTAB Pengkoplingan Abu Layang dengan Silan Analisis FTIR Abu Layang Terkopling Silan Sintesis Membran Kitosan-Abu Layang/CTAB Karakterisasi Membran Sifat Mekanik Membran Daya Serap Membran terhadap Air (Water Uptake) Konduktivitas Proton Permeabilitas Metanol Selektivitas Membran Analisis Gugus Fungsi Membran dengan FTIR Analisis Morfologi dengan SEM BAB 5. PENUTUP Simpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xi

12 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Komposisi Kimia Abu Layang Batubara Tabel 2.2 Daftar Spektrum Inframerah Tabel 3.1 Variasi Komposisi Silan-Silika Abu Layang Tabel 4.1 Hasil Analisis XRF Kandungan Kimia Abu Layang Tabel 4.2 Hasil Analisis FTIR Abu Layang Sebelum dan Sesudah Dimodifikasi CTAB Tabel 4.3 Hasil Analisis FTIR Abu Layang/CTAB dengan Berbagai Konsentrasi Silan Tabel 4.4 Perbandingan Nilai Konduktivitas Proton Membran Tabel 4.5 Perbandingan Nilai Permeabilitas Metanol Membran Tabel 4.6 Perbandingan Nilai Selektivitas Membran Tabel 4.7 Hasil Analisis FTIR Membran xii

13 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Prinsip Kerja DMFC... 7 Gambar 2.2 Struktur Kimia Kitosan Gambar 2.3 Struktur Kimia CTAB Gambar 2.4 Tahap Reaksi Pembentukan Ikatan Antara Silan dengan Silika Abu Layang Gambar 2.5 Seperangkat Alat Uji Permeabilitas Metanol Gambar 2.6 Prinsip Kerja SEM Gambar 3.1 Bentuk Membran Untuk Analisis Sifat Mekanik Gambar 3.2 Alat Uji Sifat Mekanik Membran Gambar 3.3 Alat Uji Konduktivitas Proton Gambar 3.4 Alat Uji Permeabilitas Metanol Gambar 3.5 Alat Uji Morfologi Membran Gambar 4.1 Abu Layang (a) Sebelum dan (b) Sesudah Dipreparasi Gambar 4.2 Filtrat Hasil Leaching Abu Layang Gambar 4.3 Abu Layang Termodifikasi CTAB (a) 0% dan (b) 4,10 % Gambar 4.4 Proses Interaksi Abu Layang dengan CTAB Gambar 4.5 Spektra FTIR Abu Layang Sebelum dan Sesudah Dimodifikasi dengan CTAB Gambar 4.6 Morfologi Abu Layang Termodifikasi CTAB 0% dan 4,1% Gambar 4.7 Abu Layang Terkopling Silan dengan Berbagai Konsentrasi Gambar 4.8 Interaksi Silika Abu Layang dengan Agen Pengkopling Silan Gambar 4.9 Spektra FTIR Abu Layang Terkopling Silan Gambar 4.10 Pengadukan Larutan (a) Kitosan, (b) Silika dan (c) Kitosan-Silika Gambar 4.11 Larutan Dope dan Membran Kering dalam Cetakan Gambar 4.12 Grafik Hubungan Variasi Konsentrasi Silan Terhadap Kuat Tarik Membran xiii

14 Gambar 4.13 Grafik Hubungan Variasi Konsentrasi Silan Terhadap Persentase Pemanjangan Membran Gambar 4.14 Grafik Hubungan Variasi Konsentrasi Silan Terhadap Modulus Young Membran Gambar 4.15 Grafik Hubungan Variasi Konsentrasi Silan Terhadap Water Uptake Proton Membran Gambar 4.16 Grafik Hubungan Variasi Konsentrasi Silan Terhadap Konduktivitas Proton Membran Gambar 4.17 Ilustrasi Transport Proton Mekanisme Grotthus dan Vehicle Gambar 4.18 Grafik Hubungan Variasi Konsentrasi Silan Terhadap Permeabilitas Metanol Membran Gambar 4.19 Ilustrasi Transport Proton dan Massa dalam Membran Gambar 4.20 Grafik Hubungan Variasi Konsentrasi Silan Terhadap Selektivitas Membran Membran Gambar 4.21 Spektra FTIR Membran Gambar 4.22 Morfologi Membran Kitosan-Abu Layang dengan Penambahan Silan (a) 0%, (b) 10%, dan (c) 30% xiv

15 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Diagram Alir Penelitian Lampiran 2. Perhitungan Pembuatan Larutan Lampiran 3. Data Hasil Analisis Kandungan Kimia Abu Layang dengan X-ray Fluoresence (XRF) Lampiran 4. Data Hasil Uji Sifat Mekanik Membran Lampiran 5. Data Hasil Uji Konduktivitas Proton dengan EIS Lampiran 6. Data dan Hasil Uji Permeabilitas Metanol Lampiran 7. Perhitungan Selektivitas Membran Lampiran 8. Data Hasil Uji Water Uptake Lampiran 9. Dokumentasi Penelitian xv

16 BAB 1 PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Kemajuan teknologi yang pesat menuntut penyediaan energi yang melimpah seiring dengan perkembangan aktivitas manusia. Energi yang digunakan oleh masyarakat saat ini berasal dari bahan bakar fosil, yaitu bahan bakar minyak, gas dan batu bara. Sisi negatif bahan bakar fosil antara lain merusak lingkungan, tidak terbaharukan (non renewable) dan tidak berkelanjutan (unsustainable) (Direktur jenderal listrik dan pemanfaatan energi, 2006). Salah satu alternatif untuk mengatasi masalah tersebut adalah dengan mengembangkan sel bahan bakar (fuel cell). Fuel cell merupakan sumber energi yang mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Fuel cell ini terdiri dari katoda, anoda dan membran elektrolit yang memisahkan katoda dan anoda (Suhada, 2001). Membran elektrolit merupakan salah satu komponen penting dalam fuel cell karena berfungsi sebagai sarana transportasi ion hidrogen (H + ) yang dihasilkan dari reaksi oksidasi di anoda dan juga sebagai pembatas antara kedua elektroda tersebut (Im, 2011). Berdasarkan jenis elektrolit yang digunakan, salah satu jenis sel bahan bakar yang sedang diteliti secara intensif adalah sel dengan bahan bakar metanol yang dikenal secara luas sebagai Direct Metanol Fuel Cell (DMFC). DMFC menggunakan polimer sebagai membran elektrolit dan biasanya sel ini beroperasi 1

17 2 pada suhu kamar dengan kerapatan daya yang cukup tinggi. Secara umum DMFC ini digunakan untuk keperluan energi alat-alat portable seperti handphone, laptop, kalkulator dan juga sebagai mesin penggerak fuel cell pada kendaraan bermotor (Im, 2011). Saat ini membran yang banyak digunakan adalah membran elektrolit komersial Nafion yang terbuat dari fluoro polimer dengan menambahkan rantai cabang yang mengandung gugus sulfonat. Kemampuan Nafion sebagai penghantar proton sudah cukup baik dengan konduktivitas proton 0,082 S/cm (Handayani & Dewi, 2007). Namun demikian, permasalahan utama dari Nafion untuk pemakaian pada DMFC yaitu adanya permeabilitas metanol melalui membran (methanol crossover) yang sulit dihindari. Permeabilitas metanol ini dapat menyebabkan hilangnya sebagian kecil bahan bakar yang digunakan dan menyebabkan laju reaksi di katoda menjadi lambat yang berarti menurunkan kinerja voltase sel secara keseluruhan (Im, 2010). Berbagai usaha telah dilakukan untuk menciptakan membran elektrolit pengganti Nafion. Salah satunya dengan memanfaatkan polimer alam yaitu kitosan yang dimodifikasi dengan filler anorganik, contohnya silika. Sumber silika yang melimpah dan relatif murah dapat diperoleh dari abu layang (fly ash). Penggunaan filler anorganik dengan ukuran yang lebih kecil dapat meningkatkan performa dan kinerja membran (Wardani, 2015). Wang et al. (2008) membuat membran komposit kitosan/ HZSM-5 dengan variasi ukuran partikel yaitu 5, 2, dan 0,4 μm. Berdasarkan data yang diperoleh diketahui bahwa telah terjadi peningkatan daya serap air dan konduktivitas proton, serta penurunan

18 3 permeabilitas metanol seiring dengan berkurangnya ukuran partikel HZSM-5. Hal ini juga dibuktikan dengan penelitian Lestari (2015) melakukan modifikasi permukaan abu layang CTAB untuk memperkecil ukuran silika. Variasi CTAB yang digunakan yaitu 0; 0,82; 1,64; 2,46; 3,28; 4,10 (% b/b). Membran terbaik diperoleh pada modifikasi abu layang dengan CTAB 4,10% dengan konduktivitas proton 5,71 x 10-5 S/cm, permeabilitas metanol 2,89 x 10-9 cm 2 /s, dan selektivitas membran 1,97 x 10 4 S s/cm 3. Meskipun selektivitas membran yang dihasilkan lebih besar dari Nafion, nilai konduktivitas proton membran sangat kecil karena mendekati syarat minimal membran elektrolit (1 x 10-5 S/cm). Pada penelitian akan dilakukan pengkoplingan abu layang menggunakan silan. Menurut Ismail et al. (2002) Kehadiran silan dapat meningkatkan adhesi antara matriks polimer dengan filler sehingga interaksi yang terjadi semakin kuat dan dapat meningkatkan sifat mekanik maupun sifat membran elektrolit. Wang et al. (2010) melakukan modifikasi zeolit-β dengan GPTMS untuk meningkatkan kompatibilitas antara matriks polimer dan filler anorganik. Penelitian ini dilakukan dengan variasi zeolit-β. Hasil optimum diperoleh pada konsentrasi 10% dengan permeabilitas metanol 4,4 x 10-7 cm 2 /s dan konduktivitas proton sebesar 0,0131 S/cm. Lin et al. (2010) juga melakukan penelitian tentang membran elektrolit DMFC dari SPAEK-C dengan penambahan silan (GPTMS). Variasi konsentrasi silan yaitu 0%, 5% dan 10% b/b. Hasil optimum diperoleh pada penambahan 5% dengan konduktivitas proton sebesar 0,155 S/cm dan permeabilitas metanol 2,99 x 10-7 cm 2 /s. Selain itu membran mengalami peningkatan kuat tarik yaitu 48 MPa dibandingkan dengan Nafion 30,3 MPa.

19 4 Pada penelitian ini akan dilakukan modifikasi abu layang dengan konsentrasi CTAB 4,10%, kemudian dilanjutkan dengan pengkoplingan abu layang menggunakan silan. Variasi silan yang digunakan yaitu sebesar 0, 5, 10, 15, 20, dan 30 (% b/b dari silika abu layang) mengacu pada penelitian Wang et al. (2010) dan Lin et al. (2010). Tujuan penelitian yaitu mengetahui efek penambahan silan terhadap sifat membran kitosan-abu layang/ctab yang meliputi uji sifat mekanik (kuat tarik, persentase perpanjangan, dan modulus young), water uptake, konduktivitas proton, permeabilitas metanol, dan selektivitas membran. Membran kitosan-abu layang (K-AL), membran kitosanabu layang/ctab-silan 0% (K-AL/CTAB-Silan 0%), dan membran yang memiliki selektivitas tertinggi dan terendah akan dianalisis gugus fungsi menggunakan FTIR dan analisis morfologi menggunakan SEM Rumusan Masalah 1. Bagaimana pengaruh penambahan silan terhadap sifat mekanik (kuat tarik, persentase perpanjangan dan modulus young), water uptake, konduktivitas proton, permeabilitas metanol, dan selektivitas membran kitosan-abu layang/ctab? 2. Bagaimana karakteristik membran terbaik ditinjau dari analisis gugus fungsi dan morfologi membran?

20 Tujuan 1. Mengetahui pengaruh penambahan silan terhadap sifat mekanik (kuat tarik, elongasi dan modulus young), water uptake, konduktivitas proton, permeabilitas metanol, dan selektivitas membran kitosan-abu layang/ctab. 2. Mengetahui karakteristik membran terbaik ditinjau dari analisis gugus fungsi dan morfologi membran Manfaat 1. Meningkatkan nilai ekonomis limbah abu layang yang masih jarang pemanfaatannya. 2. Menghasilkan membran elektrolit yang baik untuk aplikasi DMFC. 3. Dapat dijadikan rujukan untuk pengembangan sel bahan bakar lebih lanjut. 4. Salah satu upaya pengolahan abu layang agar tidak terakumulasi di lingkungan.

21 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Direct Metanol Fuel Cell (DMFC) Fuel cell yang banyak digunakan dan menarik perhatian saat ini adalah DMFC. Selain dapat dioperasikan pada suhu rendah, salah satu bahan bakarnya yaitu metanol merupakan sumber energi yang dapat diperbaharui (Handayani et al., 2007). Direct metanol fuel cell (DMFC) merupakan salah satu dari beberapa jenis sel bahan bakar yang menggunakan membran penukar proton (proton exchange membran (PEM) sebagai penghubung antara reaksi di katoda dan anoda. Sesuai dengan namanya DMFC memanfaatkan metanol untuk menghasilkan energi. Jadi metanol tidak perlu diubah dahulu menjadi bentuk lain sebelum dapat menghasilkan energi. Inilah yang dimaksud dengan kata-kata direct (Im, 2011). Jenis sel bahan bakar yang lain yaitu Alkaline Fuel Cell (AFC) dengan elektrolit larutan alkalin (seperti NaOH, KOH), Polymer Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) dengan elektrolit polymer electrolyte membrane, Phosporic Acid Fuel Cell (PAFC) dengan larutan elektrolit asam, Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) dengan elektrolit garam molten carbonat, dan Solid Oxyde Fuel Cell (SOFC) yang memiliki ion keramik/elektrolit oksida padat (Ye et al., 2012). 6

22 7 Gambar 2.1 Prinsip Kerja DMFC (Ye et al., 2012) Prinsip kerja DMFC dapat diilustrasikan pada Gambar 2.1 yang menunjukkan metanol dan air pada anoda akan mengalami oksidasi menghasilkan ion hidrogen (H + ) dan elektron (e - ) seperti pada persamaan (2.1). Elektron yang terlepas akan mengalir melewati suatu lintasan listrik sepanjang anoda menuju katoda. Ion hidrogen akan mengalir menuju katoda melewati membran elektrolit. Pada katoda, elektron dan ion hidrogen akan bereaksi dengan oksigen membentuk air dan melepaskan panas (persamaan 2.2) (Othman et al., 2010). Reaksi yang terjadi sebagai berikut : Anoda : CH 3OH + H 2O CO 2 + 6H + +6e - (2.1) Katoda : 3/2 O 2 + 6H + +6e - 3 H 2O (2.2) Reaksi keseluruhan : CH 3OH + 3/2 O 2 CO H 2O (2.3) Secara umum DMFC ini digunakan untuk keperluan energi alat-alat portable seperti handphone, laptop, kalkulator dan juga sebagai mesin penggerak fuel cell pada kendaraan bermotor (Im, 2011).

23 Membran Polielektrolit Membran didefinisikan sebagai suatu batas antara dua fasa yang dapat melewatkan spesi-spesi tertentu secara selektif. Kata selektif berhubungan dengan proses pada suatu membran, yaitu kemudahan suatu membran dalam melewatkan spesi tertentu terhadap spesi yang lainnya. Bentuk membran bisa tebal atau tipis, homogen atau heterogen, transport aktif atau pasif. Transport pasif dapat berjalan dengan adanya perbedaan konsentrasi, perbedaan tekanan, dan perbedaan suhu (Mulder, 1996). Membran polielektrolit merupakan salah satu komponen penting dalam sistem fuel cell. Membran polimer elektrolit adalah membran yang memiliki gugus ionik terikat pada rantai polimer. Gugus ionik terikat (fixed charges group) ini berinteraksi kuat dengan ion-ion yang berbeda muatan/ion lawan (counterion). Pada air atau pelarut lainnya yang memiliki kepolaran tinggi, polielektrolit akan terionisasi. Polielektrolit yang memiliki gugus terikat bermuatan negatif disebut sebagai membran penukar kation karena membran tersebut mampu menukarkan ion lawan yang bermuatan negatif (anion) (Setyogroho, 2008). Membran yang paling banyak digunakan untuk aplikasi fuel cell adalah Nafion. Kemampuan Nafion sebagai membran sudah menunjukkan kinerja yang baik pada PEMFC tetapi jika dihubungkan dengan aplikasi pada DMFC menyebabkan terjadinya methanol crossover. Methanol crossover tidak hanya menyebabkan sebagian kecil bahan bakar (metanol) yang digunakan hilang tetapi juga menyebabkan katoda tergenang. Hal ini mengakibatkan laju reaksi di katoda menjadi lebih lambat yang berarti menurunkan kerja voltase sel secara

24 9 keseluruhan (Im, 2011). Dalam rangka mengurangi methanol crossover melalui membran ada dua pendekatan yang dilakukan yaitu modifikasi struktur membran konvensional yaitu Nafion atau pengembangan membran polimer elektrolit dengan modifikasi tertentu (Hartanto et al., 2007). Karakteristik membran Nafion antara lain: memiliki konduktivitas proton 0,082 S/cm (Im, 2011), permeabilitas metanol 6,21 x 10-6 cm 2 /s, kuat tarik 30,3 MPa (Lin et al., 2010), temperatur kerja hanya tahan hingga suhu 80 o C, dan tidak ekonomis (700 USD/m 2 ) (Dhuhita & Dewi, 2010). Sedangkan untuk mengembangkan polimer pengganti Nafion mengacu pada beberapa target diantaranya adalah permeabilitas metanol <5,6 x 10-6 cm 2 /s, konduktivitas proton >80 ms/cm, stabil pada suhu >80 o C, dan biaya produksi rendah (Dewi, 2009). Membran dapat dibuat dari bahan organik maupun anorganik atau kombinasi antara keduanya (membran komposit). Teknik pembuatan membran diantaranya sintering, stretching, track-etching, template leaching, coating, phase inversion (inversi fasa) (Mulder, 1996). Inversi fasa adalah suatu proses yang menggambarkan transformasi polimer dari fasa cair ke fasa padat dengan kondisi terkendali. Proses pemadatan dimulai dengan perubahan satu fase cair menjadi dua fase cair yang saling bercampur. Pada tahap tertentu selama proses pemisahan, salah satu dari fase cair (fase polimer konsentrasi tinggi) akan mengeras sehingga terbentuk susunan yang padat. Dengan mengendalikan tahap awal transisi fasa, morfologi membran dapat diatur yaitu membran berpori maupun tidak berpori (Im, 2011).

25 10 Konsep inversi fasa mencakup berbagai teknik yang berbeda seperti pengendapan dengan penguapan pelarut, pengendapan dengan penguapan terkendali, pengendapan termal, pengendapan dari fase uap dan pengendapan dengan perendaman. Mayoritas membran inversi fasa dibuat dengan teknik perendaman (Mulder, 1996). Dalam metode ini adalah suatu polimer dilarutkan dalam pelarut dan larutan polimer dituang pada tempat yang sesuai, misalnya plat kaca atau jenis yang lain (Im, 2011) Kitosan Kitosan atau poli-(2-amino-2-deoksi-(1-4)-d-glukopiranosa) mempunyai rumus molekul (C6H11NO4)n. Sumber kitosan dapat ditemukan pada udangudangan, serangga, organ molusca dan fungi (Ma & Yogeshwar, 2013). Kitosan merupakan biopolimer alam yang diturunkan dari proses deasetilasi kitin, suatu komponen utama dari kulit udang. Kitosan memiliki sifat yang baik seperti biokompatible, non toksik, biodegradable, dan hidrofolik sehingga dapat digunakan dalam berbagai aplikasi (Ye et al., 2012). Gambar 2.2 Struktur Kimia Kitosan (Prameswari, 2013) Gambar 2.2 menunjukkan struktur kimia senyawa kitosan yang memiliki rumus molekul (C6H11NO4)n. Kitosan memiliki gugus amina (NH2) dan hidroksil (OH - ). Adanya gugus tersebut menyebabkan kitosan mempunyai reaktivitas kimia

26 11 yang tinggi dan penyumbang sifat polielektrolit kation, sehingga dapat berperan sebagai anion exchange (Handayani et al., 2007). Dalam aplikasi DMFC, membran elektrolit membutuhkan rendahnya methanol crossover, jika digunakan Nafion permeabilitasnya tinggi. Kitosan dapat mengurangi methanol crossover sehingga menarik untuk digunakan dalam aplikasi DMFC (Ma & Yogeshwar, 2013). Wang et al. (2008) berhasil mensintesis membran kitosan/zeolit-β. Kondisi optimum diperoleh pada penambahan zeolit-β 30% dengan permeabilitas metanol 7,04 x 10-6 cm 2 /s. Akan tetapi, konduktivitas proton kitosan/zeolit-β (1,7 x 10-2 S/cm) lebih rendah dibandingkan dengan kitosan murni (2,1 x 10-2 S/cm) Silika Abu Layang (Fly Ash) Abu layang merupakan limbah padat pembakaran batubara pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) dan mempunyai komponen utama berupa SiO2 dan Al2O3 (Sutarno et al., 2003). Abu layang memiliki ukuran butiran yang halus berwarna keabu-abuan dan diperoleh dari hasil pembakaran batubara (Wardani, 2008). Abu layang adalah abu batubara yang berupa serbuk halus yang tidak terbakar, dengan distribusi ukuran μm dan relatif homogen. Abu layang mempunyai warna yang lebih terang (keabu-abuan) bila dibandingkan abu dasar dan merupakan komponen terbesar abu batubara, yaitu kira-kira 85% dari total abu layang yang dihasilkan (Heri & Putranto, 2007).

27 12 Menurut penelitian Syukur (2015), Komposisi kimia unsur-unsur utama dari abu layang seperti Tabel 2.1. Tabel 2.1 Komposisi Kimia Abu Layang Batubara No Komponen Konsentrasi (%) 1 SiO2 44,94 2 Al2O3 19,10 3 Fe2O3 14,25 4 CaO 6,64 5 MgO 4,53 6 Na2O 4,14 7 K2O 2,38 8 SO3 1,33 9 TiO2 1,11 (Sumber: Syukur, 2015) Pada Tabel 2.1 menunjukkan bahwa kandungan abu layang terbanyak yaitu SiO2 sebanyak 44,94%. Menurut Wang et al. (2008) penambahan abu layang mampu meningkatkan interaksi dengan membran kitosan melalui ikatan hidrogen. Kuatnya interaksi tersebut dapat menghalangi pergerakan rantai polimer dan meningkatkan tegangan antarmuka yang menyebabkan rantai polimer dengan permukaan silika menjadi kaku, Volume rongga pada membran menurun sehingga dapat menahan difusi metanol pada membran Surfaktan Cetyl trimetil ammonium bromide (CTAB) Bahan pengaktif permukaan atau dikenal dengan surfaktan adalah molekul yang memiliki kecenderungan teradsorb pada permukaan dan perbatasan (interfaces). Berdasarkan muatan hidrofilnya, surfaktan dapat dikelompokkan dalam 4 jenis, yaitu surfaktan kationik, anionik, non-ionik dan zwiterionik (Barrabino, 2011).

28 13 Surfaktan terdiri dari dua bagian dengan polaritas yang berbeda yaitu bagian non-polar (hidrofobik) dan bagian polar (hidrofilik). Ketika surfaktan dilarutkan dalam suatu pelarut, maka energi permukaan larutan tersebut akan berkurang sejalan dengan meningkatnya konsentrasi surfaktan yang diberikan. Pengurangan energi permukaan tersebut akan berhenti ketika konsentrasi kritis/ Critical Micellar Concentration (CMC) dari surfaktan tercapai, dan energi permukaan akan cenderung konstan dengan penambahan konsentrasi surfaktan. Ketika konsentrasi kritis telah tercapai, maka surfaktan-surfaktan akan membentuk kumpulan surfaktan yang disebut misel (Fahyuan et al., 2013). CTAB memiliki rumus kimia (C 16 H 33 )N(CH 3 ) 3 Br. CTAB memiliki 2 struktur kimia ganda, ujung yang bersifat hidrofilik atau sering disebut sebagai kepala adalah gugus amonium. Ujung yang bersifat hidrofobik atau disebut sebagai ekor adalah rantai hidrokarbonnya yang tersusun atas gugus setil. CTAB merupakan surfaktan kationik. Gambar 2.3 Struktur Kimia CTAB (Barrabino, 2011) Gambar 2.3 menunjukkan struktur kimia senyawa CTAB yang mempunyai rumus kimia (C 16 H 33 )N(CH 3 ) 3 Br. Senyawa CTAB terdiri dari ion centrimonium yang bermuatan positif dan ion bromida yang bermuatan negatif. CTAB merupakan garam ammonium kuartener yang tidak sensitif terhadap ph. Counter ion yang digunakan adalah ion Br -. Kelompok surfaktan ini

29 14 telah banyak dikembangkan untuk membentuk material mesoporous (2-50 nm) silika (Barrabino, 2011). Menurut penelitian Singh et al. (2011) Penggunaan surfaktan CTAB mampu memperkecil ukuran silika yaitu sebesar ~55 nm daripada surfaktan DTAB (~140 nm) dan TTAB (~95 nm). Ukuran partikel silika menurun seiring dengan meningkatnya panjang rantai karbon pada surfaktan. Kim et al. (2010) juga melaporkan bahwa modifikasi CTAB pada permukaan silika dapat memperkecil ukuran silika yang semula 240,38 nm menjadi 107,89 nm. Surfaktan bersifat amphiphilic yaitu mempunyai gugus hidrofobik dan gugus hidrofilik (Barrabino, 2011). CTAB dalam air akan terionisasi menjadi ion centrimonium (CTA + ) dan ion bromida (Br - ). Menurut Taffarel & Rubio (2010) penambahan melebihi konsentrasi kritis misel (1 mmol/l) mengakibatkan CTAB yang terserap akan membentuk dua lapisan (bilayer) pada permukaan melalui interaksi hidrofob dari rantai alkil sehingga membentuk rongga misel yang lebih kecil. Lestari (2015) berhasil mensintesis membran Kitosan-Abu Layang/CTAB dengan variasi massa CTAB. Hasil optimum ditunjukkan dengan penambahan CTAB 4,10% dengan nilai permeabilitas metanol sebesar 2,8950 x 10-9 cm 2 /s dan konduktivitas proton sebesar 5,7108 x 10-5 S/cm Agen Pengkopling Silan Penggunaan agen pengkopling silan dalam menjembatani interaksi antara matriks polimer dengan filler anorganik juga merupakan salah satu teknik modifikasi yang sangat tepat untuk dilakukan. Silan merupakan suatu senyawa

30 15 kimia berbasis silikon yang memiliki dua tipe gugus reaktif yaitu organik dan anorganik. Stuktur kimia umum dari silan adalah R-Si-(CH2)n-X, dimana X adalah gugus yang terhidrolisis (hydrolyzable groups) seperti alkoksi, asiloksi, halogen atau amina, R adalah organofunctional group atau subtituen organik, Si adalah silikon dan -(CH2)n- adalah jembatan (Arkles, 2006). Kehadiran agen pengkopling silan dapat meningkatkan adhesi antara matriks dengan filler akibatnya meningkatkan sifat mekanik dari komposit (Ismail et al., 2002). Terbentuknya ikatan antara gugus hidroksil pada silika, gugus amina dan hidroksil dari kitosan, serta kelompok alkoksi pada silan mengakibatkan ikatan pada membran meningkat dan menunjukkan peningkatan kekauan atau kekerasan membran (Prasetyo et al., 2013). Wang et al. (2010) telah melaporkan hasil sintesis membran komposit kitosan/zeolit-β yang dimodifikasi dengan agen pengkopling silan jenis GPTMS. Hasil optimum diperoleh pada konsentrasi 10% dengan permeabilitas metanol 4,4 x 10-7 cm 2 /s dan konduktivitas proton sebesar 0,0131 S/cm. Dalam penelitian Lin et al. (2010) telah disintesis membran elektrolit DMFC dengan penambahan silan (GPTMS). Variasi konsentrasi silan yaitu 0%, 5% dan 10% b/b. Hasil optimum diperoleh pada penambahan 10% dengan konduktivitas proton sebesar 0,155 S/cm dan permeabilitas metanol 2,99 x 10-7 cm 2 /s. Interaksi antara silan dengan substrat anorganik terjadi melalui 4 tahap yaitu hidrolisis, kondensasi, hydrogen bonding, dan bond formation sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 2.4.

31 16 Gambar 2.4 Tahap Reaksi Pembentukan Ikatan antara Silan dan Silika Abu Layang (Arkles, 2006) Pada Gambar 2.4 diilustrasikan interaksi antara silan dengan substrat anorganik. Meskipun reaksi ini melibatkan empat langkah namun reaksi ini dapat terjadi secara bersamaan setelah proses hirolisis. Pada tahap hidrolisis, air dapat berasal dari permukaan substrat atau dari atmosfer. Gugus alkoksi dari silan akan dihidrolisis untuk membentuk spesies yang mengandung silanol. Kemudian gugus silanol akan membentuk ikatan hidrogen dengan OH - pada substrat. Pada tahap akhir akan terbentuk ikatan kovalen dengan substrat bersamaan dengan hilangnya air. (Arkles, 2006) Karakterisasi Analisis Kandungan Kimia Abu Layang dengan XRF (X-Ray Flouresence) Fluoresensi sinar-x (XRF) merupakan suatu teknik analisis yang berdasarkan pada terjadinya tumbukan atom-atom pada permukaan cuplikan (bahan) oleh sinar-x dari sumber pengeksitasi (sinar-x). Metode analisis XRF

32 17 digunakan untuk analisis unsur dalam bahan secara kualitatif dan kuantitatif. Hasil analisis kualitatif ditunjukkan oleh puncak spektrum yang mewakili jenis unsur sesuai dengan energi sinar-x karakteristiknya, sedangkan hasil analisis kuantitatif diperoleh dengan cara membandingkan intensitas sampel dengan standar (Kriswarini et al., 2010). Prinsip kerja metode analisis XRF yaitu apabila terjadi eksitasi sinar-x primer yang berasal dari tabung sinar-x atau sumber radioaktif mengenai cuplikan, sinar-x dapat diabsorpsi atau dihamburkan oleh material. Proses dimana sinar-x diabsorpsi oleh atom dengan mentransfer energinya pada elektron yang terdapat pada kulit yang lebih dalam disebut efek fotolistrik. Selama proses ini, bila sinar-x primer memiliki cukup energi, elektron pindah dari kulit yang di dalam sehingga menimbulkan kekosongan. Kekosongan ini menghasilkan keadaan atom yang tidak stabil. Apabila atom kembali pada keadaan stabil, elektron dari kulit luar pindah ke kulit yang lebih dalam dan proses ini menghasilkan energi sinar-x tertentu dan berbeda antara dua energi ikatan pada kulit tersebut. Emisi sinar-x dihasilkan dari proses yang disebut X Ray Fluorescence (XRF). Pada umumnya kulit K dan L terlibat pada deteksi XRF. Jenis spektrum X ray dari cuplikan yang diradiasi akan menggambarkan puncakpuncak pada intensitas yang berbeda (Syahfitri et al., 2013) Analisis Sifat mekanik Membran Tensile-Strength/Kuat Tarik Uji tarik adalah salah satu uji tegangan-regangan mekanik yang bertujuan untuk mengetahui kekuatan bahan terhadap gaya tarik (Apipah, 2013).

33 18 Pengukuran kuat tarik dimaksudkan untuk mengetahui besarnya gaya yang dicapai untuk mencapai tarikan maksimum pada setiap satuan luas area membran untuk merenggang atau memanjang (Alyanak, 2004). Uji kuat tarik dapat dicari menggunakan persamaan 2.4 : TS = Fmax / A0 (2.4) dimana : TS = tensile-strength Fmax = gaya maksimum A0 = luas permukaan awal Persentase Perpanjangan/Elongation of Break (Mahrani, 2008). Persentase perpanjangan merupakan keadaan dimana membran patah setelah mengalami perubahan panjang dari ukuran yang sebenarnya pada saat mengalami peregangan. Sifat tersebut sangat penting dan mengindikasikan kemampuan membran dalam menahan sejumlah beban sebelum bioplastik tersebut putus. Persen pemanjangan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.5 : e (%) = [(L1-L0 )/ L0] x 100% (2.5) dimana : e (%) = Persentase perpanjangan (Elongation of break) L1 = panjang akhir benda uji L0 = panjang awal benda uji (Setiani et al., 2013)

34 Elastisitas (Modulus Young) Elastisitas merupakan ukuran kekakuan suatu bahan. Elastisitas dapat dihitung dengan membandingkan kuat tarik dengan elongasi. Elastisitas mempunyai satuan yang sama seperti kuat tarik. Secara matematis, elastisitas dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.6 : E = TS/e (2.6) dimana: E = Elastisitas TS = tensile-strength e = elongasi (Setiani et al., 2013) Uji Daya Serap Membran Terhadap Air (Water Uptake) Water uptake digunakan untuk mengetahui seberapa besar air yang dapat diserap membran karena air pada membran berfungsi sebagai media tranport proton tetapi jika terlalu banyak dapat menyebabkan membran menjadi rapuh (Hartanto et al., 2007). Water uptake penting dalam menentukan kinerja akhir dari membran pertukaran proton. Dalam semua bahan polimer, air dibutuhkan sebagai fase gerak untuk memfasilitasi konduktivitas proton. Kontrol penyerapan air sangat penting untuk mengurangi efek pembengkakan dan degradasi sifat mekanik membran di lingkungan lembab, seperti tekanan antara membran dan elektroda (Hickner et al., 2004). Semakin tinggi water uptake maka kandungan air yang terabsorb ke dalam membran akan semakin besar. Hal ini akan mempengaruhi kinerja membran

35 20 dalam aplikasi ke DMFC. Secara teori, semakin tinggi water uptake maka konduktivitas proton akan semakin tinggi karena semakin banyak molekul air dalam membran yang dapat menjadi media transfer proton (Kreuer, 2001). Namun di sisi lain, semakin tinggi water uptake juga akan meningkatkan permeabilitas metanol sehingga menurunkan stabilitas membran. Membran yang baik digunakan untuk aplikasi fuel cell adalah membran yang derajat penyerapan airnya kurang dari 50%. Jika penyerapan airnya terlalu tinggi (lebih dari 50%) membran tersebut akan lunak sehingga life time membran lebih singkat (Handayani, 2009). Water uptake pada membran dapat ditentukan dengan cara mengukur selisih berat membran sebelum dan sesudah dicelupkan ke dalam aquades dan didiamkan selama 24 jam. Water uptake pada membran dihitung menggunakan persamaan 2.7 : Water uptake (%) = W basah W kering W kering x 100% (2.7) (Wang et al., 2010) Analisis Konduktivitas Proton dengan Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) Konduktivitas menunjukkan kemampuan suatu membran dalam menghantarkan proton. Semakin besar nilainya, membran tersebut semakin baik untuk digunakan dalam sistem bahan bakar (Putro, 2013). Konduktivitas proton dapat ditentukan menggunakan Electrochemical Impedansce Spectroscopy (EIS). Prinsip pengukuran EIS adalah dengan mengaplikasikan stimulus elektrik (potensial atau arus listrik) pada sistem dan mengukur responsnya (kuat arus,

36 21 potensial atau sinyal lainnya). Serangkaian proses mikroskopik terjadi dalam sel ketika diberi stimulus dan secara kumulatif menghasilkan respons listrik yang diamati pada spektra. Proses mikroskopik itu termasuk transfer elektron sepanjang jalur konduksi, antara antarmuka elektrolit-elektroda, ataupun antar atom bermuatan dengan lingkungan sekitarnya (reduksi atau oksidasi). Laju elektron (arus listrik) bergantung pada hambatan elektroda, hambatan elektrolit dan reaksi pada antarmuka elektroda-elektrolit (Barsoukov, 2005). Stimulus elektrik yang paling umum digunakan dalam SI adalah dengan mengaplikasikan stimulus pada frekuensi tunggal dan mengukur pergeseran fasa dan amplitudonya. Hal ini dapat dicapai dengan mengolah respons menggunakan sirkuit analog atau transformasi fourier cepat. Kelebihan dari metode ini adalah ketersediaan instrumen dan kemudahan dalam pengoperasiannya (Barsoukov, 2005). Konduktivitas proton PEM diukur dengan persamaan 2.8 : σ = L R.S (2.8) dimana: σ = konduktivitas proton (S/cm) R = Resistensi membran (Ω) L = ketebalan membran (cm) S = Luas membran (cm 2 ) (Peighambardoust et al., 2010) Analisis Permeabilitas Metanol dengan Metode Difusi Sel Permeabilitas suatu membran merupakan ukuran kecepatan dari suatu spesi atau konstituen menembus membran. Permeabilitas atau fluks yang mengalir

37 22 melalui membran didefinisikan dengan jumlah volume permeat yang melewati membran per satuan luas permukaan per satuan waktu. Harga fluks menunjukkan kecepatan alir permeat saat melewati membran. Harga fluks ini sangat tergantung pada jumlah dan ukuran pori-pori membran (Muliawati, 2012). A B Gambar 2.5 Seperangkat Alat Uji Permeabilitas Metanol (Im, 2011) Pengukuran permeabilitas metanol menggunakan prinsip H-Cell seperti pada Gambar 2.5 kolom A diisi metanol dan kolom B diisi air. Kemudian larutan disirkulasi dengan menggunakan pengaduk magnetik. Perpindahan metanol dari kolom A ke kolom B dapat diketahui dengan adanya peningkatan konsentrasi pada sel B. Piknometer digunakan untuk menghitung densitas awal dan jam tertentu pada kedua sel yang distandarkan menjadi konsentrasi methanol (Dewi, 2009). Membran yang melewatkan lebih sedikit metanol menunjukkan bahwa membran mempunyai permeabilitas metanol yang rendah sehingga baik untuk aplikasi membran direct metanol fuel cell (DMFC), hal ini ditunjukkan dengan kecilnya konsentrasi metanol pada sel B. Permeabilitas metanol dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan 2.9.

38 23 P = 1 A CB L CA t VB (2.9) Dengan P : Permeabilitas metanol membran (cm 2 /S) A : Luas membran (cm 2 ) CA : konsentrasi metanol dalam reservoir A (M) CB : konsentrasi metanol dalam reservoir B (M) VB : volume larutan metanol dalam reservoir B (cm 3 ) t : waktu permeabilitas (s) L : tebal membran (cm) (Li et al., 2006) Selektivitas Membran Selektivitas merupakan parameter yang didefinisikan sebagai rasio aliran permeabilitas dua komponen. Selektivitas digunakan untuk mengevaluasi efisiensi pemisahan dari membran. Dalam aplikasi DMFC digunakan untuk menentukan selektivitas PEM terhadap proton dan metanol. Nilai selektivitas ditentukan menggunakan persamaan 2.10 : β = σ P (2.10) dengan: β = selektivitas membran (S.s/cm 3 ) σ = konduktivitas proton (S/cm) P = permeabilitas metanol (cm 2 /s) (Wang et al., 2010)

39 Analisis Gugus Fungsi dengan FTIR (Fourier Transform Infra Red) Spektroskopi Inframerah merupakan metode yang digunakan untuk mengamati interaksi interaksi molekul dengan radiasi elektromagnetik. Prinsip dasar spektroskopi inframerah yaitu interaksi antara vibrasi atom-atom yang berikatan atau gugus fungsi dalam molekul yang dengan mengadsorpsi radiasi gelombang elektromagnetik inframerah. Absorpsi terhadap radiasi inframerah dapat menyebabkan eksitasi energi vibrasi molekul ketingkat energi vibrasi yang lebih tinggi. Untuk dapat mengabsorpsi, molekul harus mempunyai perubahan momen dipol sebagai akibat dari vibrasi (Khopkar, 2008). Pada analisis sampel menggunakan FTIR, radiasi IR berjalan melewati sampel. Beberapa radiasi IR diserap oleh sampel dan yang lain dilewatkan (transmitted). Hasil spektrum yang ditampilkan merupakan molekul yang diserap dan yang ditransmisikan, menimbulkan puncak seperti sidik jari yang dihasilkan dari sampel. Seperti sidik jari yang ditampilkan tidak ada struktur molekul lain yang memiliki spektrum infra merah unik yang sama, sehingga spektroskopi infra merah sangat berguna untuk beberapa jenis analisis (Thermo, 2001). Fourier Transform Infra-Red (FTIR) Spectroscopy dapat digunakan untuk menentukan gugus-gugus fungisional yang ada pada suatu senyawa. Pada umumnya sampel yang dianalisis dapat berupa padatan, cairan dan gas, masingmasing mempergunakan sel yang berbeda-beda (Stevens, 2001). Analisis FTIR (Fourier Transform Infra Red) dilakukan untuk mengetahui gugus fungsi dari membran. Setiap ikatan mempunyai frekuensi

40 25 vibrasi yang khas sehingga absorpsi infra merah dapat digunakan untuk identifikasi gugus-gugus yang ada dalam suatu senyawa. Spektra yang mungkin muncul pada membran kitosan-silika disajikan pada Tabel 2.2. Tabel 2.2 Daftar Spektrum Inframerah Jenis serapan Bilangan gelombang (cm -1 ) Sumber Si-OH Sudiarta et al. (2013) Si-O-Si Lambert et al. (1998) Si-O-C Lambert et al. (1998) C-O-C Lambert et al. (1998) C-O Lambert et al. (1998) N-H Lambert et al. (1998) C=O Lambert et al. (1998) Si-H Lambert et al. (1998) C-H Lambert et al. (1998) N-H Lambert et al. (1998) OH Sudiarta et al. (2013) Analisis Morfologi dengan SEM (Scanning Electron Miocroscopy) Salah satu cara untuk mengetahui morfologi membran adalah dengan uji SEM. Dengan uji ini dapat diketahui struktur permukaan dan penampang melintang suatu polimer menggunakan mikroskop elektron. Selain itu, SEM juga dapat mengetahui distribusi pori, geometri pori, ukuran pori dan porositas pada permukaan (Mulder, 1996). Prinsip kerja SEM dimulai dengan berkas elektron primer dengan energi kinetik 1-25 kv mengenai sampel membran. Setelah mengenai membran elektron tersebut direfleksikan atau dipancarkan. Elektron yang direfleksikan ini disebut dengan elektron sekunder yang akan muncul dan menentukan image yang teramati pada layar micrograph pada alat SEM (Mulder, 1996).

41 26 Gambar 2.6 Prinsip kerja SEM (Mulder, 1996) Prinsip kerja SEM diilustrasikan pada gambar 2.6 ketika berkas elektron dikenakan pada suatu membran, maka ada kemungkinan membran tersebut akan terbakar atau rusak. Kerusakan ini dipengaruhi oleh jenis membran dan kecepatan berkas elektron yang diberikan. Hal ini dapat dicegah dengan melapisi sampel membran dengan lapisan konduksi, biasanya digunakan lapisan emas. Kerusakan struktur membran juga bisa terjadi pada saat pengeringan membran. Adapun metode yang biasa digunakan untuk mencegah kerusakan struktur ini adalah dengan mengunakan cryo-unit atau mengganti air membran dengan cairan yang mempunyai tegangan permukaan lebih kecil dari air pada saat pengeringan. Beberapa contoh cairan yang biasa digunakan adalah etanol, butanol, pentana dan heksana (Mulder, 1996). SEM menggunakan elektron sebagai pengganti cahaya untuk menghasilkan bayangan. Berkas elektron dihasilkan dengan memanaskan filamen melalui tegangan tinggi, kemudian dikumpulkan melalui lensa kondensor

42 27 elektromagnetik dan difokuskan oleh lensa objektif. Ketika arus dialirkan pada filamen maka terjadi perbedaan potensial antara kutub katoda dan anoda yang akhirnya akan menghasilkan elektron. Elektron yang dihasilkan selanjutnya akan melewati celah pelindung pada anoda dan lensa magnetik dan lensa objektif. Berkas elektron tersebut dipercepat oleh medan listrik dan menumbuk sampel atau specimen pada stage melalui scanning coil menghasilkan elektron sekunder (secondary elektron), elektron hambur balik (backscattered elektron) yang dipantulkan dari sampel kemudian dideteksi dan dikuatkan oleh tabung multiplier yang kemudian ditransmisikan ke scanner ke TV, sehingga bentuk dan ukuran sampel terlihat dalam bentuk sinaran (imaging beam) (Sampson, 1996).

43 BAB 5 PENUTUP 5.1. Simpulan 1. Pengaruh penambahan silan terhadap (a) kuat tarik membran menunjukkan adanya peningkatan, elongasi membran terjadi penurunan, dan modulus young rata-rata menunjukkan peningkatan. (b) Water uptake menurun seiring dengan bertambahnya silan. (c) Adanya penambahan silan dapat meningkatkan konduktivitas proton dan menurunkan permeabilitas metanol, akan tetapi pada penambahan silan di atas 10% konduktivitas proton menurun dan permeabilitas metanol meningkat. 2. Membran dengan karaktristik terbaik diperoleh membran kitosan-abu layang/ctab dengan penambahan silan 10% dengan sifat mekanik (kuat tarik 23,10 MPa, persentase perpanjangan 3,17%, dan modulus young 6,72 MPa) dan sifat membran elektrolit (konduktivitas proton 8,00 x 10-4 S/cm, permeabilitas metanol 3,37 x 10-7 cm 2 /s, dan selektivitas membran 2,12 x 10 3 S.s/cm 3 Interaksi yang terjadi antara kitosan, abu layang dan silan ditinjau dari adanya gugus fungsi yaitu hanya terjadi interaksi secara fisik karena hasil analisis FTIR menunjukkan tidak adanya perubahan peak yang signifikan. Berdasarkan analisis morfologi, membran pada 66

44 67 penambahan silan 10% menunjukkan interaksi yang baik karena distribusi partikel merata dan tidak terdapat aglomerasi Saran 1. Pada penelitian ini dihasilkan selektivitas membran yang masih rendah dibandingkan dengan Nafion sehingga perlu dilakukan penelitian tentang lebih lanjut agar didapatkan selektivitas membran yang lebih besar dari Nafion. 2. Sifat mekanik membran yang dihasilkan lebih rendah dibandingkan dengan Nafion sehingga perlu adanya modifikasi yang lain untuk menghasilkan membran dengan sifat mekanik dan sifat PEM yang baik.

45 DAFTAR PUSTAKA Alyanak, D Water Vapour Permeable Edible Membranes. Thesis in Biotechnology and Bioengineering Program, Izmir Institute of Technology. Apipah, E.R Sintesis Karakteristik Membran Nilon yang Berasal dari Limbah Benang. Jurnal Biofisika, 10(1) : Arkles, B., 2006, Silane Coupling Agent: Connecting Across Boundaries.USA: Galest, Inc. Barrabino, A Synthesis of Mesoporous Silica Particle with Control of Both Pore Diameter and Particle Size. Thesis. Sweden: Chalmers University of Technology. Barsoukov, E, & J.R. Macdonald Impedance Spectroscopy: Theory, Experiment, and Applications (2 nd ed.). John Wiley & Sons, Inc., New Jersey. Ceotto, et al Ionic Surfactant Films Imaged by Atomic Force Microscopy. Departamento de Fisica, Universidade Federal de Vicosa Vicosa, MG, Brazil. Dewi, E.L Sintesis dan Karakteristik Nanokomposit Membran ABS Tersulfonasi sebagai Material Polielektroli. Jurnal Nanosains dan Teknologi, 2(1): Direktur Jenderal Listrik dan Pemanfaatan Energi Kebijakan Pemerintah dalam Kebijakan Bioenergi. Seminar dan Pameran Salman Nature Expo II. Bandung. Dhuhita, A. & D.K. Arti Karakterisasi dan Uji Kinerja SPEEK, csmm dan Nafion untuk Aplikasi Direct Metanol Fuel Cell (DMFC). Skripsi. Semarang: Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Semarang. Fahyuan, H.D., D.Dahlan & Astuti. Pengaruh Konsentrasi CTAB dalam Sintesis Nanopartikel TiO2 untuk Aplikasi Sel Surya Menggunakan Metode Sol Gel. Jurnal Ilmu Fisika (JIF) FMIPA Andalas. 5(1): Handayani, E Sintesis Membran Nanokomposit Berbasis Nanopartikel Biosilika dari Sekam Padi dan Kitosan Sebagai Matriks Biopolimer. Tesis. Bogor: Institut Pertanian Bogor. 68