SINTESIS DAN KARAKTERISASI SENYAWA PEROVSKIT GANDA Sr 2 Mg 1-X Fe X MoO 6-δ SEBAGAI MATERIAL ANODA PADA SEL BAHAN BAKAR DENGAN METODA SOL-GEL (Synthesis and Characterization Double Perovskit Compound Sr 2 Mg 1-X Fe X MoO 6-δ as Anode Material of Fuel Cell Using Sol-Gel Methode) SKRIPSI Andri Nursanto NIM 10503055 PROGRAM STUDI KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
Abstract The anode material in solid oxide fuel cell should have high electric conductivity, good internal reforming and also good resistant to sulfur. One of the materials that has been proved as anode material are Sr 2 Mg 1-x L x MoO 6-δ (with L is dopped metal transition). In this study, double perovskite compounds, Sr 2 Mg 1-x Fe x MoO 6-δ (SMMO) with x value 0,2; 0,5; 0,8; and 1 were synthesized by means of sol gel method and continued with sintering at 1350 ο C. Crystal structure were analyzed using X-rays diffractometer and Rietica program. With Le Bail method, the difraktogram showed that the oxides have monoclin structure and the space group was P 2 1 /n. The lattice parameters as well as the unit-cell volume are toward to increase with x. SEM (Scanning Microscope Electron) analysis on morphology SMMO shows that pore size decrease with x. Meanwhile the DC measurement with two and four probes methode for electrical conductivity as temperature function give conductivity that increase with x Key word : double peovskite, sol gel, conductivity ii
Abstrak Material anoda pada sel bahan bakar padatan oksida harus memiliki konduktivitas listrik yang tinggi, kemampuan internal reforming yang baik, serta ketahanan terhadap kontaminan sulfur. Salah satu material yang telah terbukti baik sebagai anoda SOFC adalah senyawa perovskit Sr 2 Mg 1-x L x MoO 6-δ (L adalah logam transisi yang dapat disisipkan) atau yang biasa disebut SMMO. Pada studi ini senyawa Sr 2 Mg 1-x Fe x MoO 6-δ dengan nilai x= 0,2;0,5;0,8; dan 1 disintesis dengan metoda reaksi sol gel dan dilanjutkan dengan sintering pada suhu 1350 ο C. Karakterisasi material dilakukan dengan menggunakan difraksi sinar-x dan pengukuran konduktivitas dengan menggunakan metoda empat titik. Hasil difraktogram menunjukan struktur monoklin dengan grup ruang P2 1 /n. Dengan meningkatnya nilai x, parameter sel Sr 2 Mg 1-x Fe x MoO 6-δ cenderung semakin besar. Hal ini terjadi karena jari-jari ion Fe yang disisipkan lebih besar daripada Mg. Pengukuran konduktivitas sebagai fungsi suhu menunjukan hal yang serupa, semakin besar nilai x, semakin besar pula nilai konduktivitasnya. Kata Kunci : Perovskit ganda, sol gel, difraksi, konduktivitas iii
... Untuk Ayah, Ibu, dan Kakak iv
Program Studi Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Bandung Menerangkan bahwa skripsi dari: Nama: Andri Nursanto NIM: 10503055 telah disetujui sebagai persyaratan untuk mendapatkan gelar Sarjana Kimia Pada tanggal Pembimbing Ko-Pembimbing Prof.Dr. Ismunandar NIP 132 084 475 Dr. Bambang Prijamboedi NIP 132 321 043
Ucapan Terima Kasih بسم االله الرحمن الرحيم السلا م عليكم ورحمة االله وبركا ته Segala puji hanyalah milik,االله Rabb seluruh alam, penguasa langit dan bumi, serta semua yang berada di antara keduanya. Tiada lain yang patut dipersembahkan kepada-nya selain puji dan syukur yang tak berhingga sebagai salah satu bentuk penghambaan. Hanya karena nikmat, rahmat, hidayah, dan karunia-nya, penulis dapat menyelesaikan penyusunan skripsi ini tepat pada waktunya. Penyusunan skripsi yang berjudul Sintesis dan Karakterisasi Senyawa Perovskit Ganda Sr 2 Mg 1-x Fe x MoO 6-δ dengan Metoda Sol Gel untuk melaporkan secara tertulis hasil penelitian yang telah dilakukan oleh penulis selama setahun, sekaligus sebagai tugas penutup dalam perjalanan studi di Program Studi Kimia FMIPA ITB. Pada kesempatan ini, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Ayah dan ibu, Imam Santoso dan Elly Alyah, yang selalu memberikan dukungan, kepercayaan, dan doa atas apapun yang penulis lakukan. 2. Kakak, Yanuar Priyadi M.Sc, yang telah menyemangati dan memberikan dukungan penuh pada tugas akhir ini. 3. Prof. Dr.Ismunandar, selaku pembimbing tugas akhir, yang telah membimbing penulis selama melaksanakan tugas akhir serta bersedia meluangkan waktu untuk membantu memberikan penjelasan, dan bahan kajian mengenai materi yang sama sekali baru bagi penulis. 4. Dr. Bambang Prijamboedi, selaku ko-pembimbing, yang telah meluangkan waktu di sela-sela kesibukannya untuk memberikan masukan, bantuan, dan bimbingannya. 5. Penghuni WP beserta teman-teman kost yang selalu memberikan hiburan dikala sibuk. 6. Semua mahasiswa yang tercakup dalam Kelompok Keahlian Kimia Fisik dan Anorganik. 7. Tomi Rustamiadji, Dicky Maturama, dan Nurhana Rafikasari yang membantu dalam penulisan skripsi ini. vi
8. Staf dosen Program Studi Kimia FMIPA ITB yang telah memberikan banyak masukan kepada penulis serta bersedia meluangkan waktu untuk berdiskusi dengan penulis selama melaksanakan tugas akhir. 9. Karyawan prodi dan tata usaha Program Studi Kimia FMIPA ITB yang telah banyak membantu dalam hal memberikan informasi yang berkenaan dengan akademik. 10. Rekan-rekan seperjuangan mahasiswa kimia`03 Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu per satu. Mereka yang tentunya telah membantu selama perjalanan studi penulis di almamater tercinta ITB. Semoga segala bantuan dan dukungan mereka menjadi amal ibadah yang mendapat ridho.االله dan imbalan yang jauh lebih baik dari Penulis berharap semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi semua pihak, terutama bagi yang berkepentingan terhadap skripsi ini. Sebagai penutup, penulis sampaikan permohonan maaf yang sedalam-dalamnya karena dalam karya tulis ini masih terdapat banyak kekurangan. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun. والسلا م عليكم ورحمة االله وبركا ته Bandung, Juni 2008 Penyusun vii
Daftar Isi ABSTRACT...II ABSTRAK... III DAFTAR ISI...VIII DAFTAR TABEL... X DAFTAR GAMBAR... XI DAFTAR LAMPIRAN...XIII 1 PENDAHULUAN... 14 1.1 SOFC Sebagai Energi Alternatif... 14 1.2 Perkembangan Anoda SOFC... 15 1.3 Tujuan Penelitian... 16 2 TINJAUAN PUSTAKA... 17 2.1 Sel Bahan Bakar... 17 2.2 Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)... 19 2.3 Perovskit... 22 2.4 Metoda Sol Gel... 23 2.5 Difraksi Sinar-X Serbuk... 25 2.6 Scanning Electron Microscope... 28 2.7 Konduktivitas... 29 2.7.1 Metoda Empat Titik (Four Point Probes Methode)... 30 2.7.2 Metoda Dua Titik (Two Point Preobes Methode).... 31 3 METODOLOGI PENELITIAN... 33 3.1 Lokasi Penelitian... 33 3.2 Alat... 33 3.3 Bahan...33 3.4 Diagram Penelitian... 34 3.5 Prosedur Penelitian... 35 3.5.1 Tahap Penyiapan Sampel... 35 viii
3.5.2 Tahap pemanasan bertingkat... 35 3.6 Tahap Karakterisasi dengan Metoda Difraksi Sinar-X... 36 3.7 Tahap Karakterisasi dengan SEM... 36 3.8 Tahap Penentuan Konduktivitas Ion dan Listrik... 36 4 HASIL DAN PEMBAHASAN... 38 4.1 Sintesis senyawa Sr 2 Mg 1-X Fe x MoO 6-δ... 38 4.2 Struktur senyawa Sr 2 Mg 1-x Fe x MoO 6-δ... 39 4.3 Hasil Karakterisasi dengan menggunakan SEM... 43 4.4 Hasil karakterisasi penentuan konduktivitas dengan pengukuran secara DC... 44 5 KESIMPULAN DAN SARAN... 47 5.1 Kesimpulan... 47 5.2 Saran... 47 DAFTAR PUSTAKA... 48 LAMPIRAN... 49 ix
Daftar Tabel Tabel 1.1 Karakteristik jenis-jenis FC... 15 Tabel 2.1 Nilai fungsi Koreksi sampel pada metoda empat titik.... 31 Tabel 3.1. Komposisi senyawa Sr 2 Mg 1-X Fe x MoO 6-δ... 35 Tabel 4.1. Zat pengotor pada sintesis senyawa Sr 2 Mg 1-x Fe x MoO 6-δ... 42 Tabel 4.2. Parameter sel senyawa Sr 2 Mg 1-x Fe x MoO 6-δ... 42 Tabel 4.3. Nilai jari-jari ion Fe dan Mg. Nilai jari-jari ion Fe 2+ pada spin tinggi bernilai lebih besar dari Mg 2+... 43 Tabel 4.4. Nilai konduktivitas pada 375 C dan energi aktivasi Sr 2 Mg 1-x Fe x MoO 6-δ.... 46 x
Daftar Gambar Gambar 2.1. Penampang sel tunggal SOFC tipe planar. Elektrolit dalam SOFC berupa oksida padatan... 19 Gambar 2.2. Skema kerja SOFC yang dihubungkan dengan turbin sebagai penghasil tenaga sekunder. Efisiensi kerja yang dihasilkan dapat mencapai 85%.... 20 Gambar 2.3. Skema sel bahan bakar padatan. Aliran elektron dari anoda ke katoda menghasilkan energi listrik... 21 Gambar 2.4. Sel satuan SrTiO 3. Struktur perovskit berpola ABO 3... 22 Gambar 2.5. Struktur ideal perovskit ganda Sr 2 FeMoO 6 dan Ca 2 FeReO 6... 23 Gambar 2.6. EDTA sebagai agen pengkhelat. Ion logam terkhelat dalam molekul EDTA dengan koordinasi 6.... 24 Gambar 2.7. Elektron berkecepatan tinggi yang mengenai elektron pada orbital 1s (kulit K) menyebabkan elektron tereksitasi sehingga terjadi kekosongan ( ) pada orbital 1s, elektron pada orbital 2p mengisi kekosongan tersebut yang menyebabkan terjadinya pancaran sinar-x... 25 Gambar 2.8. Sudut Pemantulan Sinar-X. Sudut pemantulan yang dihasilkan akan sefasa dengan sinar datang menghasilkan sudut bernilai 2θ... 26 Gambar 2.9. Skema Difraktometer Sinar-X. Modifikasi dari Cullity (1956)... 27 Gambar 2.10. Skema kerja SEM. Elektron ditembakkan pistol elektron melalui jalur vertikal kemudian diarahkan menuju sampel melalui lensa magnetik... 28 Gambar 2.11. Penghamburan partikel elektron dan sinar-x oleh proses penembakkan elektron. Sampel menghasilkan hamburan elektron primer, elektron sekunder dan sinar-x.... 29 Gambar 2.12. Rangkaian dalam metoda empat titik. Dua kawat pada bagian ujung dihubungkan pada sumber arus (I), pada dua kawat bagian dalam dihubungkan pada pengukur beda tegangan (V)... 30 Gambar 3.1 Diagram penelitian, meliputi tahap sintesis hingga tahap karakterisasi.... 34 Gambar 4.1. Gambaran hasil dari tahapan penting dalam sintesis. (a) hasil pembentukan gel, (b) hasil dekomposisi, (c) hasil kalsinasi, (d) hasil sintering.... 38 Gambar 4.2. Pola difraksi sinar-x untuk masing-masing komposisi x, dimana Sr 2 MgMoO 6-δ, Sr 2 Mg 0,2 Fe 0,8 MoO 6-δ, Sr 2 Mg 0,5 Fe 0,5 MoO 6-δ, xi
Gambar 4.3 Gambar 4.4 Gambar 4.5 Gambar 4.6 Gambar 4.7 Sr 2 Mg 0,8 Fe 0,2 MoO 6-δ dan Sr 2 FeMoO 6-δ. Masing-masing komposisi x, memiliki pola difraksi sinar-x yang khas untuk perovskit, yaitu pada daerah 2 θ 20 o, 33 o, 40 o, 47 o,58 o, 68 o, dan 78 o... 39 Plot Le Bail untuk Sr 2 Mg 0,8 Fe 0,2 MoO 6-δ. Dari gambar terlihat masih terdapat pengotor pada hasil sintesis. Tanda berwarna hitam merupakan data hasil percobaan, garis merah adalah hasil kalkulasi, garis vertikal berwarna biru adalah posisi Bragg yang diharapkan, garis hijau adalah selisih antara hasil kalkulasi dan data hasil pengamatan difraksi sinar-x... 40 Plot Le Bail untuk Sr 2 Mg 0,5 Mn 0,5 MoO 6-δ. Hasil perbandingan dengan metode Le Bail ini memperlihatkan bahwa pada senyawa perovskit Sr 2 Mg 0,5 Mn 0,5 MoO 6-δ masih terdapat pengotor SrMoO 4.... 40 Plot Le Bail untuk Sr 2 Mg 0,5 Mn 0,5 MoO 6-δ. Hasil perbandingan dengan metode Le Bail ini memperlihatkan bahwa pada senyawa perovskit Sr 2 Mg 0,5 Mn 0,5 MoO 6-δ masih terdapat pengotor SrMoO 4.... 41 Plot Le Bail untuk Sr 2 Mg 0,5 Mn 0,5 MoO 6-δ. Hasil perbandingan dengan metode Le Bail ini memperlihatkan bahwa pada senyawa perovskit Sr 2 Mg 0,5 Mn 0,5 MoO 6-δ masih terdapat pengotor SrMoO 4.... 41 Perbandingan nilai volume sel. Dari gambar terlihat bahwa semakin besar nilai x, semakin besar volume sel.... 43 Gambar 4.8 Morfologi permukaan senyawa Sr 2 Mg 1-x Fe x MoO 6-δ (a) Sr 2 Mg 0,8 Fe 0,2 MoO 6-δ (b) Sr 2 Mg 0,5 Fe 0,5 MoO 6-δ (c) Sr 2 Mg 0,2 Fe 0,8 MoO 6-δ, dan (d) Sr 2 FeMoO 6-δ... 44 Gambar 4.9 Perbandingan nilai konduktivitas elektrik pada senyawa Sr 2 Mg 1-X Fe x MoO 6-δ.... 45 xii
Daftar Lampiran Lampiran A..48 xiii