ASPEK STRUKTUR DAN KONDUKTIVITAS La 1-x (Sr,Ca) x FeO 3-δ SEBAGAI BAHAN KATODA PADA SEL BAHAN BAKAR PADATAN TESIS

Transkripsi

1 ASPEK STRUKTUR DAN KONDUKTIVITAS La 1-x (Sr,Ca) x FeO 3-δ SEBAGAI BAHAN KATODA PADA SEL BAHAN BAKAR PADATAN TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung Oleh MAURITZ P. M. NIM: Program Studi Kimia INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008

2 ABSTRAK ASPEK STRUKTUR DAN KONDUKTIVITAS La 1-x (Sr,Ca) x FeO 3-δ SEBAGAI BAHAN KATODA PADA SEL BAHAN BAKAR PADATAN Oleh Mauritz P. M. NIM : Sintesis dan Penyisipan Sr pada senyawa perovskit La 1-x Sr x FeO 3 (LSFO) dengan x = 0,2; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8 dan Sr, Ca pada La 1-x (Sr,Ca) x FeO 3-δ (LSCFO) dengan x = 0,1; 0,3 dan 0,5 telah dilakukan dengan menggunakan metode sol gel. Struktur kristal senyawa hasil sintesis ditentukan dengan difraksi sinar-x dan karakterisasi morfologi permukaan serta komposisi unsur-unsur dalam sampel dilakukan dengan SEM/EDX. Dari hasil pengukuran difraksi sinar-x pada LSFO dengan x = 0,2 diketahui bahwa senyawa ini memiliki struktur ortorombik dengan grup ruang Pbnm sementara LSFO dengan x = 0,4; 0,5; 0,8 memiliki struktur rombohedral dengan grup ruang R3c. Adapun senyawa LSCFO dengan x = 0,1; 0,3 dan 0,5 menunjukkan struktur ortorombik dengan grup ruang Pbnm. Data SEM/EDX menunjukkan bahwa semakin besar nilai x pada LSFO dan LSCFO, ukuran partikel menjadi semakin kecil. Sifat konduktivitas listrik diukur dengan menggunakan metode 4 titik (four point probes method) dalam rentang suhu dari 50 o C sampai 375 o C. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa konduktivitas tertinggi diperoleh pada LSFO dengan x = 0,2 dan LSCFO dengan x = 0,1. Kata kunci: perovskit, metode sol gel, difraksi sinar-x, SEM/EDX, konduktivitas

3 ABSTRACT STRUCTURAL ASPECT AND THE CONDUCTIVITY OF La 1-x (Sr,Ca) x FeO 3-δ AS CHATODE FOR SOLID OXIDE FUEL CELL By Mauritz P.M. NIM: Synthesis of La 1-x Sr x FeO 3-δ (LSFO), with x = 0,2; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8 and La 1- x(sr,ca) x FeO 3-δ (LSCFO), with x = 0,1; 0,3; and 0,5, have been carried out by solgel method. Crystal structure of LSFO and LSCFO were analyzed using X-ray diffractometer (XRD) and grain morphology, elements composition were studied by SEM/EDX. From XRD characterisation, LSFO, x = 0,2, had an orthorombic perovskite structure with space group Pbnm, x = 0,4; 0,5; 0,6; 0,8 had rhombohedral structures with space group R3c. Mean while, LSCFO with x = 0,1; 0,3 and 0,5 had orthorombic structures with space group Pbnm. The result of SEM/EDX indicated that particle size of LSFO and LSCFO decreased with increasing x. The electrical conductivity as a function of temperature was measured by four point probes method in the range of 51 o C-375 o C. The results showed that the highest conductivity of LSFO was that of x = 0,2 and LSCFO was that of x = 0,1. Keyword : Perovskite, sol-gel method, X-rays diffraction, SEM/EDX, conductivity.

4 PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizing pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya. Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung

5 DAFTAR ISI ABSTRAK.. i ABSTRACT ii PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS. iii DAFTAR ISI... iv DAFTAR LAMPIRAN... x DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI... xi DAFTAR TABEL... xiii DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG.. xiv Bab I Pendahuluan 1 I.1 Latar Belakang Penelitian 1 I.2 Tujuan Penelitian. 2 I.3 Pentingnya Penelitian 2 I.4 Ruang Lingkup Penelitian 3 I.5 Sistematika Tesis. 3 Bab II Tinjauan Pustaka. 4 II.1 Sel Bahan Bakar Padatan II.2 Elektroda pada Sel Bahan Bakar Padatan 6 II.2.1 Katoda II.2.2 Anoda II.3 Elektrolit II.4 Perovskit... 8 II.5 Difraksi Sinar-X.. 10 II.5.1 Difraktometer Serbuk. 12 II.6 SEM dan EDX. 13 II.7 Metode Sol Gel 15 II.8 Konduktivitas Listrik 17 II.8.1 Konduktivitas Ionik II.8.2 Metode 4 Titik (Four Point Probes Method) 19 Bab III Metodologi Penelitian. 22

6 III.1 Tahap penelitian.. 22 III.2 Tempat penelitian.. 22 III.3 Alat dan Bahan.. 23 III.4 Prosedur Penelitian 24 III.4.1 Prosedur Sintesis 24 III.4.2 Karakterisasi.. 26 III Difraksi Sinar-X Serbuk 26 III SEM dan EDX.. 26 III Pengukuran Konduktivitas Listrik Bab IV Hasil dan Pembahasan. 28 IV.1 Hasil Sintesis dan Penentuan Struktur Senyawa. 28 IV.2 Hasil Analisis SEM/EDX IV.3 Hasil Pengukuran Konduktivitas Listrik Bab V Kesimpulan dan Saran. 47 V.1 Kesimpulan.. 47 V.2 Saran. 48 DAFTAR PUSTAKA. 49

7 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran A Data PDF beberapa senyawa 52 Lampiran B Data edx dan prosentase jumlah massa unsur dalam senyawa 55 Lampiran C Perhitungan konduktivitas berdasarkan metode 4 titik (four point probes).. 61

8 DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI Gambar II.1 Skema suatu sel bahan bakar sederhana. Aliran elektron dari anoda ke katoda menghasilkan energi listrik... 5 Gambar II.2 Struktur kisi dari kristal perovskit CaTiO 3. Pada gambar bagian kiri penekanan koordinasi Ca adalah 12 oleh O, sementara pada bagian kanan ditekankan koordinasi Ti adalah 6 oleh O yang membentuk oktahedral Gambar II.3 Sebuah elektron dari tingkat energi 2p jatuh ke tingkat energi 1s yang kosong ( ) dan pancaran energinya dihasilkan sebagai sinar-x 10 Gambar II.4 Spektrum emisi sinar-x dari suatu logam, contohnya logam tembaga Gambar II.5 Difraksi sinar-x pada kisi kristal. λ adalah panjang gelombang sinar-x, d adalah jarak antar kisi kristal, θ adalah sudut datang sinar.. 11 Gambar II.6 Skema alat difraktometer sinar-x serbuk. Tabung sinar-x akan memancarkan sinar-x yang difokuskan untuk mengenai kristal dan detektor melakukan scan ke sekeliling sampel untuk merekam berbagai pola difraksi sinar-x Gambar II.7 Pola difraksi sinar-x serbuk pada senyawa perovskit La 0,8 Sr 0,2 FeO 3-δ. 13 Gambar II.8 Alat yang digunakan pada pengukuran SEM/EDX JEOL JSM 35-C di Pusat Survei Geologi, Laboratorium Geologi, Bandung Gambar II.9 Bagan rangkaian metode 4 titik (four point probes). 2 buah kabel bagian luar untuk mengalirkan arus (I) dan 2 buah kabel lainnya bagian dalam untuk mengukur tegangan (V) Gambar IV.1 Pola difraksi sinar-x pada struktur perovskit LaFeO Gambar IV.2 Pola difraksi sinar-x sebelum refinement dari La 1- Gambar IV.3 xsr x FeO 3-δ (atas) dan La 1-x (Sr,Ca) x FeO 3-δ (bawah).. 30 Pola difraksi sinar-x pada senyawa perovskit La 0,8 Sr 0,2 FeO 3-δ dari data PCPDFWIN (PDF, ) 31 Gambar IV.4 Plot Le Bail untuk La 0,8 Sr 0,2 FeO 3-δ (a) dan La 0,6 Sr 0,4 FeO 3-δ (b). Tanda berwarna hitam merupakan data pengamatan hasil difraksi sinar-x, garis merah adalah hasil kalkulasi, garis vertikal berwarna biru adalah posisi Bragg yang

9 diharapkan, garis hijau adalah perbedaan antara hasil kalkulasi dan data hasil pengamatan difraksi sinar-x (perbedaan antara tanda berwarna hitam dengan garis merah) Gambar IV.5 Plot Le Bail untuk La 0,5 Sr 0,5 FeO 3-δ (a), La 0,4 Sr 0,6 FeO 3-δ (b) dan La 0,2 Sr 0,8 FeO 3-δ (c).. 34 Gambar IV.6 Grafik volume sel senyawa LSFO 1 (x = 0,2), LSFO 2 (x = 0,4), LSFO 3 (x = 0,5), LSFO 4 (x = 0,6) dan LSFO 5 (x = 0,8) terhadap bertambahnya nilai (x) Gambar IV.7 Plot Le Bail LSCFO 6 (a), LSCFO 7 (b), dan LSCFO 8 (c) Gambar IV.8 Grafik volume sel senyawa LSCFO 6 (x = 0,1), LSCFO 7 (x = 0,3) dan LSCFO 8 (x = 0,5) terhadap komposisi ion stronsium dan kalsium (x). Dengan meningkatnya komposisi x menyebabkan volume sel semakin kecil Gambar IV.9 Gambar SEM dari a) LSFO (1), b) LSFO (3), c) LSFO (5), d) LSCFO (6), e) LSCFO (7), dan f) LSCFO (8) dengan perbesaran X.. 41 Gambar IV.10 Grafik konduktivitas listrik senyawa LSFO (a) dan LSCFO (b)... 44

10 DAFTAR TABEL Tabel II.1 Perbedaan bagian alat dalam mikroskop elektron (SEM) dengan mikroskop optik Tabel II.2 Batas nilai konduktivitas spesifik untuk karakterisasi material Tabel II.3 Nilai faktor koreksi, F(w/s), berdasarkan perbandingan tebal sampel dengan jarak rata-rata 20 antarelektroda... Tabel III.1 Data massa zat pereaksi sintesis LSFO dan LSCFO Tabel IV.1 Komposisi awal sintesis LSFo dan LSCFO. 28 Tabel IV.2 Parameter sel dari La 1-x Sr x FeO 3-δ Table IV.3 Zat pengotor pada senyawa hasil sintesis La 1- xsr x FeO 3-δ Tabel IV.4 Parameter sel dari La 1-x (Sr,Ca) x FeO 3-δ. 39 Tabel IV.5 Zat pengotor pada senyawa hasil sintesis La 1- x(sr,ca) x FeO 3-δ. 40 Tabel IV.6 Perbandingan komposisi massa unsur-unsur dalam Tabel IV.7 senyawa La 1-x Sr x FeO 3-δ dan La 1-x (Sr,Ca) x FeO 3-δ berdasarkan kalkulasi dan pengukuran EDX.. 43 Nilai konduktivitas dan energi aktivasi LSFO dan LSCFO. 45

11 DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG SINGKATAN Nama Pemakaian pertama kali pada halaman AC Alternativing Current 19 AFC Alkaline Fuel Cell 5 DC Direct Current 19 EDX Energy Dispersive X-ray Spectrometry 3 LCD Liquid Crysttal Display 14 LSC La 1-x Sr x CoO 3-δ 6 LSCF (La,Sr) (Co,Fe)O 3 6 LSCFO La 1-x (Sr,Ca)xFeO 3-δ 2 LSCFO (6) La 0,9 Sr 0,1 Ca 0,1 FeO 3-δ 24 LSCFO (7) La 0,7 Sr 0,3 Ca 0,3 FeO 3-δ 24 LSCFO (8) La 0,5 Sr 0,5 Ca 0,5 FeO 3-24 LSCV La 0,8 Sr 0,2 Cr 0,97 V 0,03 O 3 7 LSFO La 1-x Sr x FeO 3-δ 1 LSFO (1) La 0,8 Sr 0,2 FeO 3-δ 24 LSFO (2) La 0,6 Sr 0,4 FeO 3-δ 24 LSFO (3) La 0,5 Sr 0,5 FeO 3-δ 24 LSFO (4) La 0,4 Sr 0,6 FeO 3-δ 24 LSFO (5) La 0,2 Sr 0,8 FeO 3-δ 24 LSV La x Sr 1-x VO 3-δ 7 MCFC Molten Carbonate Fuel Cell 5 PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell 5 PDF Powder Diffraction File 26 PEM Proton Exchange Membrane 5 SEM Scanning Electron Microscopy 3 SOFC Solid Oxide Fuel Cell 1 XRD X-Rays Diffraction 4 YSZ Zr 0,92 Y 0,08 O 2 7

12 YZT Y 0,2 Ti 0,18 Zr 0,62 O 1,9± 7 LAMBANG a Panjang satu sel satuan 26 Å Angstrom, satuan panjang gelombang 10 b Panjang satu sel satuan 26 c Panjang satu sel satuan 26 d Jarak antar sisi kristal 12 Ea Energi aktivasi, ev 17 e i muatan elektron, 1,6 x C 18 ev Elektron volt, satuan untuk energi aktivasi 45 F(w/s) Faktor koreksi 20 I Kuat arus, Ampere 19 k B Konstanta Boltzman, 8, ev 18 n i Jumlah pembawa muatan spesi i 18 P b n m Grup ruang untuk struktur kristal ortorombik 32 Rp Kecocokan hasil refine data XRD dengan perhitungan 31 Rwp Kecocokan hasil refine data XRD dengan perhitungan 31 R 3 c Grup ruang untuk struktur kristal rombohedral 33 s Jarak rata-rata antarelektroda, cm 20 S cm -1 Siemen per centimeter, satuan untuk konduktivitas 35 T Temperatur, Kelvin 18 V Volume sel satuan 32 V Tegangan, Volt 19 w Ketebalan sampel, cm 20

13 Z Jumlah molekul dalam satu sel satuan 32 θ Sudut datang sinar pada kisi kristal 12 λ Panjang gelombang sinar datang pada kisi kristal 12 ρ Tahanan sampel, Ohm.cm 20 ρ e Kerapatan muatan elektron 18 μ i Mobilitas ionik 18 π Tetapan (3,14) 20 σ Konduktivitas listrik, S/cm 18