ISSN:2089 0133 Indonesian Journal of Applied Physics Vol.2 No.2 halaman 205 Oktober 2012 Adisi Fe 2 O 3 dan SiC Pada Material MgH 2 untuk Aplikasi Tangki Penyimpanan Hidrogen Kendaraan Fuel Cell Zulkarnain Jalil, Adi Rahwanto, Ismail AB, Fauzi Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Syiah Kuala, Darussalam, Banda Aceh Email : zkarnain03@yahoo.com Received 16-08-2012, Revised 22-09-2012, Accepted 23-10-2012, Published 29-10-2012 ABSTRACT The preliminary studies on MgH 2 as hydrogen storage material by inserting dual catalysts, iron oxide and silicon carbide (5wt% Fe 2 O 3 and SiC), has been done. The sample was prepared using reactive ball milling technique for 10 hours. The milling process was done under 10 bar hydrogen pressure. Phase investigation using X-ray diffraction showed that after 10 hours of milling, the MgH 2 emerged as the dominant phase and the crystallite size decreased to nanometer scale. The morphological observation obtained by scanning electron microscope showed that the powder material surface is irregular, as a result of repeated during the milling process. Finally, DTA scan showed the onset temperature at 354 o C which is still high for the automotive application. Keywords : hydorgen storage, magnesium, metal oxide, silicon carbide, milling ABSTRAK Dalam paper ini dilaporkan serangkaian kajian terhadap material penyimpan hidrogen magnesium hidrida (MgH 2 ) dengan menyisipkan katalis ganda, yakni oksida besi (Fe 2 O 3 ) dan silikon karbida (SiC) masing-masing sebesar 5wt% serta dipreparasi dengan teknik reactive ball milling selama 10 jam. Selama penghalusan berlangsung, diberikan tekanan 10 bar hidrogen. Hasil pengujian struktur dengan difraksi sinar-x diketahui bahwa setelah 10 jam penghalusan, fasa MgH 2 muncul sebagai fasa dominan/utama. Ukuran kristal mengecil hingga skala nanometer. Hasil pengujian struktur mikro dengan mikroskop elektron menunjukkan bahwa permukaan material serbuk tidak beraturan sebagai hasil dari proses berulang selama milling berlangsung. Hasil dari pengujian termal menggunakan DTA menunjukkan bahwa proses desorpsi H 2 terjadi pada suhu 354 C. Kata kunci : penyimpan hidrogen, magnesium, oksida logam, silikon karbida, milling
Adisi Fe 2O 3 dan Sic... halaman 208 PENDAHULUAN Kendala yang menghadang aplikasi kendaraan berbahan bakar fuel cell (sel bahan bakar) adalah pada sistem penyimpanan hidrogennya. Dari tiga jenis teknik penyimpanan (gas, cair dan padat), maka teknik penyimpan dalam bentuk padat (solid storage) saat ini sedang aktif dikaji oleh para peneliti dunia. Metoda solid storage ini dipicu oleh kenyataan bahwa jika menyimpan hidrogen dalam bentuk gas harus dalam bentuk tabung dengan tekanan tinggi (700 bar (4.4 MJ/L) ) yang secara keamanan tidak efisien. Sementara itu, jika disimpan dalam bentuk cair, maka suhu harus tetap stabil pada -253 0 C (8 MJ/L). Kedua teknik di atas dari sisi keamanan belum memadai [1]. Karena itu, riset terpadu bidang hydrogen storage diarahkan pada pencarian material unggul dengan karakteristik antara lain, mampu menyimpan atau menyerap hidrogen dalam jumlah besar, ringan dan harga yang ekonomis. Beberapa jenis material (umumnya unsur logam-logam ringan) diyakini memiliki kemampuan menyerap hidrogen dalam jumlah besar. Salah satunya adalah magnesium (Mg) yang dianggap sebagai kandidat potensial untuk material penyimpan hidrogen. Magnesium, secara teoritis, memiliki kemampuan menyerap hidrogen dalam jumlah besar (7,6 wt%). Jumlah ini melebihi batas maksimum yang ditargetkan Badan Energi Dunia yakni sebesar 5 wt% dan mampu bekerja pada suhu di bawah 100 C [1]. Selain itu sifat Mg yang ringan, mudah diperoleh dan harganya yang terjangkau juga menjadi pertimbangan peneliti dunia saat ini. Akan tetapi Mg memiliki kelemahan yakni reaksi kinetiknya yang lambat, demikian juga temperatur operasinya relatif tinggi (~300 o C). Beberapa upaya telah dilakukan secara intensif untuk memperbaiki sifat-sifat Mg. Misalnya mereduksi ukuran butir material hingga skala nanokristal dengan teknik mechanical alloying [2,3], membentuk material komposit [4], demikian juga upaya menambahkan katalis tertentu, seperti logam dan oksida logam [5-8]. Dalam penelitian ini digunakan teknik injek hidrogen sebesar 10 bar dan sisipan 5 wt% katalis oksida logam besi (Fe 2 O 3 ) dan silikon karbida (SiC) sebagai upaya untuk memperbaiki sifat-sifat serapan dan kinetika reaksi material penyimpan hidrogen berbasis magnesium. METODE Bahan-bahan pada penelitian ini terdiri dari material utama MgH 2 (99,99%, ukuran 50 µm, produksi Sigma Aldrich), serbuk oksida besi Fe 2 O 3 (99,99%, ukuran 50 nm) dan silikon karbida (99,99%, 100 nm), keduanya produksi Hongwu Nano, China. Selanjutnya dilakukan proses penghalusan dengan mesin miling tipe vibrasi. Adapun nisbah bola dan material adalah 10:1 dengan berat sampel 10 g. Komposisi material yang terbentuk yakni MgH 2 + (5wt%Fe 2 O 3-5wt%SiC). Proses milling berlangsung dalam suasana hidrogen sehingga proses ini disebut reactive ball milling. Milling berlangsung selama 10 jam dengan kecepatan 900 rpm. Sejumlah kecil sampel dipindahkan ke dalam wadah lain di setiap rentang waktu tertentu untuk keperluan karakterisasi lebih lanjut. Untuk mengetahui komposisi fasa yang hadir, maka dilakukan identifikasi kualitatif menggunakan X-ray diffraction (XRD) (Philips PW 3710 diffractometer, radiasi Co-K ( = 1.78896 Å). Hasil ini juga disesuaikan dengan pengamatan struktur mikro menggunakan perangkat mikroskop elektron (SEM Jeol JSM-5310LV). Selanjutnya, sifat termal diamati dengan differential thermal analyzer (DTA, Shimadzu).
Adisi Fe 2O 3 dan Sic... halaman 209 HASIL DAN PEMBAHASAN Pada Gambar 1 ditunjukkan evolusi dari pola-pola difraksi sinar-x (selanjutnya ditulis XRD) sampel sebelum milling sebagai fungsi dari sudut 2 dan intensitas. Sedangkan pada Gambar 2 diperlihatkan pola difraksi setelah proses penghalusan selama 10 jam. Sebelum penghalusan terlihat bahwa fasa yang hadir yakni magnesium hidrida (MgH 2 ) sebagai fasa utama pada kedudukan 2 = 52,55 o. Fasa MgH 2 terlihat lebih dominan dan muncul pada sudut difraksi 2 = 32,75 o ; 42,05 o ; 61,66 o ; 68,24 o ; 77,73 o ; 81,85 o ; 83,23 o ; 90,93 o. Sedangkan fasa Fe 2 O 3 dan SiC tak terdeteksi, hal ini dikarenakan elemen yang berfungsi sebagai katalis ini sangat kecil sekali (5wt%). Sebelum miling Intensity 20 40 60 80 100 Gambar 1. Pola difraksi sinar-x MgH 2 + (5wt%Fe 2 O 3-5wt%SiC) sebelum penghalusan 600 Intensities (arb. unit) 500 400 300 200 100 0 20 40 60 80 100 2q (deg) Gambar 2. Pola difraksi sinar-x MgH 2 + (5wt%Fe 2 O 3-5wt%SiC) setelah penghalusan 10 jam
Adisi Fe 2O 3 dan Sic... halaman 208 Selanjutnya dilakukan analisis terhadap data difraksi sinar-x berdasarkan pola difraksi yang terukur dan membandingkan dengan database dari Joint Committee for Powder Diffraction File (JCPDF), yang menunjukkan bahwa pola difraksi sinar-x dengan fasa utama MgH 2. Puncak dominan fasa utama muncul pada bidang (210), (101), dan (211). Sebelum proses milling, bentuk pola difraksi belum menunjukkan perubahan yang berarti, dimana puncak difraksi masih tajam. Ini menandakan ukuran material masih dalam skala mikropartikel. Puncak (peak) difraksi mulai melebar/mengecil setelah miling berlangsung selama 10 jam. Untuk melihat penurunan ukuran kristal, dilakukan perhitungan dengan metode Scherrer. Hasilnya, diperoleh ukuran butir tereduksi hingga skala nanometer, masing-masing sebesar 12,03 nm untuk bidang kristal (210), lalu 24,18 nm untuk bidang kristal (101), dan sebesar 10,13 pada bidang (211). Dapat disebutkan disini bahwa puncak difraksi makin melebar seiring dengan meningkatkan waktu milling. Dengan adanya reduksi ukuran butir diyakini akan terjadi peningkatan permukaan material terhadap rasio volume butir. Dengan demikian hidrogen akan mudah berinteraksi dan berabsorpsi di dalam material MgH 2 [2]. Pada Gambar 3 ditunjukkan citra SEM sebelum milling (a), dimana partikel dari material masih berukuran besar. Setelah miling, terlihat butiran material mengecil/halus, sebagai efek dari benturan berulang selama proses milling. Adanya tekanan hydrogen selama milling diketahui juga memberikan efek yang disebut embrittlement (perapuhan). (a) (b) Gambar 3. Citra SEM MgH 2 + (5wt%Fe 2 O 3-5wt%SiC) sebelum milling (a), sesudah milling (b).
Adisi Fe 2O 3 dan Sic... halaman 209 Gambar 4. (color online) DTA scan material MgH 2 + (5wt%Fe 2 O 3-5wt%SiC) setelah penghalusan Namun, jika mengamati temperatur desorpsinya (Gambar 4), maka tergolong masih tinggi untuk aplikasi pada industri otomotif. Merujuk data International Energy Agency (IEA) yang mematok target untuk sebuah sistem penyimpan hidrogen yakni mampu menyimpan minimum 5 wt% pada temperatur operasional 100 o C maka temperatur yang diperoleh pada investigasi ini terhitung masih tinggi untuk aplikasi kendaraan berbahan bakar fuel cell. KESIMPULAN Penggunan katalis Fe 2 O 3 dan SiC dalam jumlah kecil (5 wt%) secara bersamaan sangat efektif untuk memperbaiki karakteristik MgH 2. Dari data difraksi sinar-x tampak puncak difraksi melebar/mengecil. Ini merupakan indikasi terjadinya proses reduksi ukuran butir, dimana dengan hitungan Scherrer mencapai 10 nm. Merujuk hasil penelitian ini, nyata diperlihatkan bahwa teknik mechanical alloying menggunakan ball mill sangat atraktif dan menjanjikan dalam preparasi material berskala nanokristal. Aplikasi teknik reactive ball milling ini, ditambah dengan penggunaan nanokatalis ganda (oksida besi dan silikon karbida) mampu mereduksi waktu milling yang berlangsung selama 10 jam. Hanya saja kendala temperatur operasi yang tinggi masih belum dapat diperbaiki. Dimana T onset dicapai pada suhu pada 354 C. Merujuk target badan energi dunia (IEA), waktu untuk melakukan absorp/desorp adalah di bawah 60 menit pada suhu 100 C. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Dr Azwar Manaf, M.Met dan Dr Bambang Segijono (Materials Sains UI, Jakarta) untuk diskusinya serta Dr Erfan Handoko, M.Si (FMIPA UNJ, Jakarta) untuk asistensi penggunaan perangkat XRD dan SEM.
Adisi Fe 2O 3 dan Sic... halaman 210 DAFTAR PUSTAKA 1 A. Zuettel. 2003. Materials for Hydrogen Storage. Materials Today Vol. 6 No. 9, pp. 24-33. 2 A. Zaluska, L. Zaluski, and Stroem-Olsen JO. 1999. Nanocrystalline Magnesium for Hydrogen Storage. J. Alloys. Compd, Vol. 288, pp. 217-225. 3 F.D. Manchester and D. Khatamian. 1988. Mechanisms for Activation of Intermetallic Hydrogen Absorbers. Mater Sci Forum Vol. 31, pp. 261-296. 4 Chen C.P., Liu B.H., Li Z.P., Wu J., and Wang Q.D. 1993. The Activation Mechanism of Mg-Based Hydrogen Storage Alloys. Z Phys Chem Vol. 181, No.1-2, pp. 259-267. 5 Liang G., Wang E., and Fang S. 1995. Hydrogen Absorption and Desorption Characteristics of Mechanically Milled Mg-35 wt.% FeTi1.2 Powders. J Alloys Compd Vol. 223 No. 1, pp. 111-114. 6 Song M.Y. 1995. Improvement in Hydrogen Storage Characteristics of Magnesium by Mechanical Alloying with Nickel. J Mater Sci Vol. 30, pp. 1343-1351. 7 Oelerich W., Klassen T., and Bormann R. 2001. Comparison of the Catalytic Effects of V, V2O5, VN, and VC on the Hydrogen Sorption of Nanocrystalline Mg. J Alloys Comp. Vol. 322, pp. L5-9. 8 Sung-Nam Kwon, Seong-Hyeon Hong, Hye-Ryoung Park and Myoung-Youp Song. 2010. Hydrogen-Storage property Characterization of Mg-15 wt% Ni-5 wt%fe2o3 Prepared by Reactive Mechanical Grinding. International Journal of Hydrogen Energy Vol. 35, pp. 13055 13061.