1
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang dan Permasalahan Kebutuhan energi dalam kehidupan makin meningkat, sementara sumber energi yang tak dapat terbarukan menjadi makin berkurang. Oleh karena itu perlu diupayakan penyediaan sumber energi terbarukan. Banyak sumber energi terbarukan yang saat ini dalam taraf pengembangan maupun penelitian, antara lain sumber energi berupa gas hidrogen. Gas hidrogen merupakan gas paling ringan dan sangat mudah terbakar dengan menghasilkan sejumlah energi, memungkinkan digunakan sebagai sumber energi yang ramah dan aman terhadap lingkungan. Gas hidrogen dapat dibuat dengan berbagai cara, antara lain dengan cara elektrolisis air. Elektrolisis air sebagai sumber hidrogen telah lama dipelajari, hanya secara spesifik untuk mencapai efisiensi relatif tinggi perlu dikembangkan dan diteliti lebih lanjut, yakni dengan memvariasi jenis elektrolit, konsentrasi elektrolit, jenis elektroda dan modifikasinya, serta pemanfaatan katalis yang memungkinkan tercapainya efisiensi relatif tinggi. Proses elektrolisis telah lama dilakukan, tetapi secara umum biaya untuk menghasilkan hidrogen dengan cara elektrolisis air relatif mahal. Oleh karena itu perlu diupayakan produksi hidrogen dengan cara elektrosis air secara mudah, murah dan memiliki efisiensi relatif tinggi. Proses elektrolisis air dipengaruhi banyak faktor, antara lain jenis elektroda yang digunakan. Secara umum elektroda yang digunakan dalam elektrolisis air harus memiliki sifat-sifat tahan terhadap korosi sehingga tidak mudah rusak, umumnya digunakan logam mulia seperti platinum. Logam selain logam mulia memungkinkan dimanfaatkan sebagai katoda dalam proses elektrolisis air, hanya saja memiliki efisiensi yang relatif rendah, paling efektif bila digunakan logam platinum. Oleh karena logam platinum memiliki harga relatif mahal, maka tidak menutup kemungkinan untuk mencoba logam-logam lain, paduannya atau kompositnya untuk
2
digunakan sebagai elektroda dalam proses elektrolisis air. Oleh karena itu perlu diupayakan cara-cara untuk meningkatkan sifat-sifat logam non platinum terutama sebagai elektroda yang memungkinkan bersifat katalis terhadap adsorpsi maupun desorpsi H+. Salah satu cara meningkatkan aktivitas katalitik logam non platinum dapat dilakukan teknik pelapisan. Pelapisan merupakan teknik penutupan suatu permukaan material dengan material lain dengan tujuan memperbaiki sifat-sifat material tersebut, misalnya untuk mencegah terjadinya kerusakan material karena peristiwa korosi atau meningkatkan sifat katalis material tersebut. Material yang dilapisi dengan suatu material dinamakan substrat. Pelapisan kromium pada substrat stainless steel mampu memperbaiki sifat-sifat stainless steel terutama terhadap korosi (Shepard dan Mould, 1972 dan Hashimoto dkk., 1991), pelapisan Ni pada Mo (Highfield dkk., 1999), Ni-S pada nikel (He dkk., 2005) dan Ni-Mo-Fe-Co-S pada berbagai substrat (Jayalakshmi dkk., 2008) untuk meningkatkan aktivitas katalitik pada reaksi evolusi hidrogen. Stainless steel memiliki sifat-sifat tahan terhadap korosi, kotoran dan oksidasi, mudah perawatannya dan memiliki harga relatif murah sehingga memungkinkan untuk dimanfaatkan sebagai elektroda pada proses elektrolisis air. Pemanfaatan logam selain logam mulia sebagai elektroda pada elektrolisis air secara umum kurang efektif, baik ditinjau dari sisi efisiensi produk maupun ketahanan logam terhadap korosi terutama bila digunakan sebagai anoda. Oleh karena itu, pemanfataan logam selain logam platinum sebagai katoda pada proses elektrolisis air perlu penanganan khusus untuk meningkatkan efektivitas dan aktivitas katalitiknya. Air merupakan senyawa sederhana yang tersusun atas dua atom unsur hidrogen dan satu atom unsur oksigen tiap molekulnya, yang terikat secara kovalen dengan struktur bengkok (huruf V), dengan sudut ikat H-O-H sebesar 104,5o. Molekul air dapat dipecah menjadi unsur-unsur penyusunnya, yakni H2 dan O2 melalui beberapa cara, salah satunya adalah dengan cara elektrolisis. Proses elektrolisis sangat bergantung pada jenis elektrolit, jenis elektroda, arus dan waktu yang digunakan. Oleh karena itu, dalam penelitian ini diupayakan efisiensi produk
3
secara optimum dengan meminimalisasi biaya produksi, yakni dengan memanfaatkan elektrolit dan elektroda yang menguntungkan. Pada penelitian ini dilakukan preparasi elektroda stainless steel/Fe-Co-Ni, yakni pelapisan substrat stainless steel dengan logam tunggal, biner dan terner Fe-Co-Ni secara elektrodeposisi, sebagai upaya untuk meningkatkan sifat-sifat stainless steel terutama sebagai elektroda yang diharapkan memiliki aktivitas katalitik terhadap adsorpsi dan desorpsi H+. Elektroda stainless steel/Fe-Co-Ni dibuat dengan cara elektrodeposisi logam tunggal, biner dan terner Fe, Co dan Ni pada substrat stainless steel, diharapkan memiliki aktivitas katalitik yang lebih baik dibandingkan stainless steel sehingga mampu memecah molekul air dengan cara elektrolisis dengan efektivitas relatif tinggi. Fokus penelitian adalah preparasi elektroda stainless steel/Fe-Co-Ni, yang dilakukan dengan cara elektrodeposisi secara voltametri linear, karakterisasi secara voltametri linear dan siklik, yang dipadukan dengan data OES (Optical Emmision Spectrometer), SEMEDX (Scanning Electron Micrographs-Energy Dispersive X-ray) dan GSA (Gas Sorption
Analyzer).
Selanjutnya
digunakan
sebagai
elektroda
kerja
pada
elektrogenerasi hidrogen melalui elektrolisis air dalam suasana basa. Pembuatan elektroda stainless steel/Fe-Co-Ni belum pernah dilakukan sebelumnya, sehingga penelitian ini merupakan penelitian baru, yang diaplikasikan pada elektrogenerasi hidrogen melalui proses elektrolisis air dalam suasana basa. Logam-logam Fe, Co dan Ni merupakan logam transisi dengan orbital d yang belum penuh, sehingga memungkinkan bersifat katalitik yang baik. Logam-logam Fe, Co dan Ni masing-masing terletak pada golongan 8, 9 dan 10 dalam tabel periodik unsur, dengan nomor atom adalah 26, 27 dan 28 dengan ukuran tidak berbeda jauh dan harga potensial elektroda juga tidak berbeda jauh, berturut-turut sebesar – 0,41 V (Fe2+/Fe), - 0,28 V (Co2+/Co) dan – 0,23 V (Ni2+/Ni), sehingga memungkinkan terjadinya kompetisi ketat antara ketiga logam untuk menempel pada substrat stainless steel. Dengan demikian proses elektrodeposisi ketiga logam pada substrat stainless steel diharapkan dapat berhasil secara simultan dengan posisi yang menguntungkan dan mampu diaplikasikann sebagai elektroda yang memiliki aktivitas
4
katalitik terhadap evolusi hidrogen. Selain itu, logam Fe, Co dan Ni sangat melimpah di alam sehingga mudah diperoleh dan memiliki harga yang relatif murah. Dengan demikian biaya produksi elektroda stainless steel/Fe-Co-Ni dapat ditekan, sehingga elektrogenerasi hidrogen melalui elektrolisis air dalam suasana basa menjadi lebih murah, lebih aman dan memiliki efisiensi relatif tinggi. Komposisi substrat stainless steel ditentukan dengan spektrometer emisi optik (OES) dan EDX. Karakterisasi elektroda stainless steel/Fe-Co-Ni dilakukan dengan metoda voltametri linear dan siklik, SEM-EDX dan GSA. Metoda voltametri untuk menguji perilaku elektrokimia elektroda stainless steel/Fe-Co-Ni. SEM mampu menggambarkan morfologi deposit lapisan pada suatu substrat tertentu (Jayalakshmi, dkk., 2008). EDX untuk menentukan komposisi elemen film secara semikuantitatif. Data GSA untuk menentukan luas permukaan spesifik, volum pori total dan rerata ukuran pori deposit lapisan dengan metoda BJH (Barrett, Joyner dan Halenda). Penelitian ini diharapkan mampu membuat elektroda stainless steel/Fe-Co-Ni, yang mampu memperbaiki sifat-sifat stainless steel sebagai elektroda sehingga dapat diaplikasikan sebagai katoda pada elektrogenerasi hidrogen melalui elektrolisis air dalam suasana basa, dengan efektivitas yang relatif tinggi. Selanjutnya, mampu memproduksi gas hidrogen secara mudah, murah dan aman sehingga dapat ikut mengatasi problem bahan bakar baik dari sisi bahan baku, proses, harga, keamanan maupun lingkungan hidup. Efisiensi produk hidrogen paling optimum merupakan target utama yang hendak dicapai, yang selanjutnya akan diaplikasikan dalam kehidupan sebagai sumber bahan bakar alternatif. Penelitian ini diharapkan mampu membantu program pemerintah dalam mengantisipasi krisis energi sebagai akibat kelangkaan bahan bakar fosil dan permasalahan lingkungan akibat penggunaan bahan bakar fosil yang tidak ramah lingkungan. Keunggulan bahan bakar hidrogen antara lain sifatnya yang ramah lingkungan dan dapat diproduksi secara terus-menerus dengan tanpa ketakutan habis sumbernya, hanya saja produksi hidrogen melalui elektrolisis air masih memerlukan energi relatif tinggi. Electrolyzer modern membutuhkan energi sebesar
5
4,0 kWh per m3 gas hidrogen yang dihasilkan, dengan menggunakan tegangan sebesar 1,6 – 2,0 V. Hal ini menunjukkan bahwa elektrogenerasi hidrogen dengan cara elektrolisis memerlukan energi relatif tinggi atau memiliki efisiensi relatif rendah. Oleh karena itu perlu diupayakan suatu sistem elektrolisis untuk memproduksi gas hidrogen dengan efisiensi relatif tinggi sehingga memungkinkan penggunaan gas hidrogen sebagai bahan bakar secara luas. Permasalahan yang dapat dikemukakan pada penelitian ini adalah: a. Bagaimanakah proses elektrodeposisi logam Fe-Co-Ni: tunggal, biner dan terner pada substrat stainless steel untuk membuat elektroda stainless steel/Fe-Co-Ni yang memiliki aktivitas katalilitik pada elektrogenerasi hidrogen? b. Bagaimanakah karakteristik elektroda stainless steel/Fe-Co-Ni? c. Bagaimanakah aktivitas katalitik elektroda stainless steel/Fe-Co-Ni pada elektrogenerasi hidrogen dan kondisi optimum elektrogenerasi hidrogen bila digunakan elektroda stainless steel/Fe-Co-Ni?
1.2. Tujuan dan Manfaat Penelitian Berdasarkan latar belakang permasalahan dan rumusan permasalahan di atas, penelitian ini bertujuan: a. Mempelajari proses elektrodeposisi logam Fe-Co-Ni: tunggal, biner dan terner pada substrat stainless steel. b. Mengkarakterisasi elektroda stainless steel/Fe-Co-Ni. c. Menentukan efektivitas elektroda stainless steel/Fe-Co-Ni pada elektrogenerasi hidrogen melalui elektrolisis air dalam suasana basa dan menentukan kondisi optimum elektrogenerasi hidrogen bila digunakan elektroda stainless steel/Fe-CoNi. Manfaat penelitian ini antara lain: a.
Memberi sumbangan pemikiran teknologi pembuatan elektroda stainless steel/Fe-Co-Ni secara elektrodeposisi.
b.
Memberi informasi tentang karakteristik elektroda stainless steel/Fe-Co-Ni.
6
c.
Memberi informasi aktivitas katalitik elektroda stainless steel/Fe-Co-Ni pada elektrogenerasi hidrogen melalui elektrolisis air dalam suasana basa dan kondisi optimum elektrogenerasi hidrogen bila digunakan elektroda stainless steel/FeCo-Ni.
1.3. Kebaruan Elektrodeposisi film komposit logam Fe-Co-Ni pada substrat stainless steel dengan metoda voltametri linear belum pernah dilakukan sebelumnya, demikian juga aplikasinya sebagai elektroda pada elektrogenerasi hidrogen dengan cara elektrolisis air dalam suasana basa. Elektroda film komposit logam stainless steel/Fe-Co-Ni diharapkan mampu memperbaiki sifat stainless steel, terutama sebagai elektroda pada elektrogenerasi hidrogen dengan cara meningkatkan aktivitas katalitiknya. Efektivitas elektroda ditentukan secara voltametri siklik dengan memperhitungkan puncak arus katodik dan anodik (efisiensi Faraday), serta beda potenasial (efisiensi energi), yang dibandingkan terhadap substrat stainless steel. Logam-logam Fe, Co dan Ni merupakan logam transisi yang memungkinkan bersifat katalitik terhadap proses pemecahan molekul air menjadi hidrogen dan oksigen, baik berupa logam tunggal maupun paduannya. Pd-Fe bersifat elektrokatalis pada reduksi oksigen (Shao dkk., 2006). Paduan Ni-Fe-Mo-Zn bersifat elektrokatalis pada elektrolisis air (Crnkovic dkk., 2004). Ni-Co bersifat katalis pada reaksi evolusi oksigen (Lian dkk., 1995 dan Zhang dkk., 1999). Ni dan kompositnya memiliki aktivitas elektrokatalitik terhadap evolusi H2 (Endoh dkk., 1987, Choquette dkk., 1989, Raj dan Vasu, 1990, Raj, 1992, Bianchi dkk., 2005 dan Navarro-Flores dan Omanovic, 2005,), evolusi oksigen (Godinho dkk., 2002) dan absorpsi H (Machado dkk., 1994). Komposit Ni-Mo bersifat katalis pada reaksi evolusi hidrogen (Highfield, 1999 dan Kubisztal dkk., 2007). Paduan Ni-S bersifat elektrokatalis terhadap evolusi hidrogen (Han dkk., 2003 dan He dkk., 2005). Paduan Ni-Fe-Mo bersifat elektrokatalis pada reaksi evolusi hidrogen (Hu, 1995). Pelapisan stainless steel dengan logam tunggal, biner dan terner Fe-Co-Ni secara elektrodeposisi belum
7
pernah dilakukan, demikian juga aplikasinya pada elektrogenerasi hidrogen dengan cara elektrolisis air dalam suasana basa. Pemecahan molekul air menjadi hidrogen dan oksigen secara elektrolisis melibatkan proses adsorpsi dan desorpsi yang melibatkan permukaan elektroda. Permukaan elektroda yang bersifat elektrokatalitik memungkinkan pemecahan molekul air menjadi lebih mudah, sehingga diperlukan energi relatif lebih sedikit dan diperoleh kondisi optimum. Penentuan kondisi optimum didasarkan pada efisiensi Faraday dan energi, yakni kondisi dengan puncak arus katodik dan anodik relatif paling tinggi serta beda potensial relatif kecil.
