ZTC: SINTESIS, KARAKTERISASI, MEKANISME PENYIMPANAN, DAN STUDI ADSORPSI H 2

Volume 1 No.1 Juli 2016 Website : www.journal.unsika.ac.id Email : [email protected]

ZTC: SINTESIS, KARAKTERISASI, MEKANISME PENYIMPANAN, DAN STUDI ADSORPSI H2 Farradina Choria Suci Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Singaperbangsa Karawang E-mail: [email protected]

INFO ARTIKEL

ABSTRAK

Diterima : 21 Maret 2016 Direvisi : 23 Mei 2016 Disetujui : 29 Juli 2016

Kata Kunci : ZTC Material penyimpan hidrogen Adsorpsi hidrogen

I.

Hidrogen merupakan bahan bakar alternatif yang bersih karena hanya menghasilkan air sebagai produk utama dalam pembakaran di udara. Pemanfaatan hidrogen sebagai sumber energi dalam sel bahan bakar kendaraan masih menjadi tantangan terutama dalam penyimpanan hidrogen. Berbagai metode untuk penyimpanan hidrogen telah diusulkan meliputi penyimpanan dalam gas, cair, dan material padat. Adapun penyimpanan hidrogen yang aman dan efisien sebagai prasyarat untuk aplikasi transportasi adalah metode adsorpsi dengan material berpori. Zeolite Templated Carbon (ZTC) merupakan bahan dengan porositas tinggi dan luas permukaan yang besar. Artikel ulasan ini memaparkan sintesis ZTC, karakterisasi ZTC, mekanisme penyimpanan, dan studi adsorpsi hidrogen. Studi menunjukkan bahwa penelitian terkait pengembangan material, kajian isoterm, kinetika dan termodinamika masih menjadi tantangan penelitian dalam upaya mencapai target yang ditetapkan oleh Department of Energy (DoE) tahun 2017 yaitu kapasitas penyimpanan hidrogen sebesar 5,5% berat dan 40 g/L volume.

PENDAHULUAN

Hidrogen merupakan unsur ringan yang tidak berasa, tidak berwarna, tidak berbau, dan tidak beracun pada konsentrasi sekitar 100 ppm atau 0,01% di udara [1]. Unsur hidrogen paling sederhana di alam semesta dimana hanya terdiri dari satu proton dan satu elektron, sehingga hidrogen bersifat reaktif dan mampu berikatan dengan unsur lain. Kelimpahan hidrogen cukup besar di alam, banyak ditemukan dalam bentuk senyawa seperti hidrokarbon, molekul air (H2O), dan sedikit dalam bentuk molekul diatomiknya yaitu gas H2, [2],[3]. Hidrogen merupakan unsur pembentuk 75% massa material dan lebih dari 90% jumlah atom hidrogen sebagai penyusun material di alam semesta [4]. Energi hidrogen merupakan sistem energi non karbon yang potensial, yang mana memiliki potensi jangka panjang sebagai bahan bakar alternatif, sehingga mampu menggantikan bahan bakar fosil konvensional [5]. Hal ini dikarenakan hidrogen adalah sumber energi terbarukan yang bersih dan efisien, dimana pembakaran hidrogen dengan oksigen hanya menghasilkan uap air dan energi (Persamaan 1). Adapun molekul air hasil pembakaran hidrogen dapat diubah kembali menjadi gas hidrogen melalui proses elektrolisis atau fotokatalisis [6],[7]. Selain itu densitas energi gravimetri hidrogen mencapai 33,3 kWh/kg dan nilai kalor yang dihasilkan tiga kali lebih besar dibandingkan bensin [8],[9],[10]. Keunggulan hidrogen yang lain adalah biaya produksi yang rendah, sehingga dapat menggantikan penggunaan energi fosil [11].

ΔH = -285,8 kJ.mol-1 pada 25°C ΔG = -237,2 kJ.mol-1 pada 25°C (1) Berdasarkan persamaan diatas, diketahui bahwa polutan hasil pembakaran hidrogen sangat ramah lingkungan. Hal ini berbeda dengan bahan bakar fosil, dimana polutan yang dihasilkan antara lain CO, CO2, CxHy, SOx, NOx, radioaktivitas, logam berat, dan abu, memiliki konsentrasi yang lebih besar dan lebih merusak daripada yang mungkin dihasilkan oleh sistem energi hidrogen terbarukan [2]. Meskipun penggunaan energi hidrogen memiliki beberapa keunggulan, namun penggunaan teknologi hidrogen sebagai sumber energi pada sel bahan bakar kendaraan bermotor masih menyimpan masalah antara lain, keamanan dan kurangnya infrastruktur seperti produksi, distribusi, pengisisan bahan bakar, dan, penyimpanan hidrogen [12],[13],[14]. Salah satu hambatan terbesar untuk mewujudkan ekonomi hidrogen, bukan mengenai produksi atau cara memanfaatkan hidrogen, akan tetapi cara yang lebih efektif dan aman dalam penyimpanan hidrogen [15]. Penyimpanan hidrogen dapat diklasifikasikan menjadi penyimpanan fisik dan penyimpanan kimia. Metode penyimpanan fisik meliputi tangki bertekanan tinggi, tangki hidrogen cair, gabungan kriogenikterkompresi, sedangkan untuk metode penyimpanan kimia meliputi hidrida logam, hidrida kimia, dan adsorpsi pada material berpori [13],[16],[17],[18]. Penyimpanan hidrogen +

1

Suci / ZTC : Sintesis, Karakterisasi Hidrogen / Barometer, Volume 1 No.1, Juli 2016, 1-12

yang aman dan efisien sebagai prasyarat untuk aplikasi transportasi adalah metode adsorpsi dengan material berpori [15],[19]. Pengukuran pada kapasitas penyimpanan sebagai fungsi dari tekanan, ketergantungan suhu adsorpsi, entalpi adsorpsi, karakteristik adsorpsi-desorpsi, dilakukan guna mengoptimalkan material adsorben untuk mencapai target yang ditetapkan oleh Department of Energy (DoE) tahun 2017 hingga 5,5% berat dan 40 g/L volume [16]. Material adsorben yang potensial untuk digunakan sebagai bahan penyimpan hidrogen adalah material yang memiliki luas permukaan tinggi, porositas tinggi, dan interaksi yang kuat, agar didapatkan kapasitas penyimpanan hidrogen yang relatif tinggi [8]. Zeolit merupakan merupakan material berpori yang memiliki keunggulan dengan struktur yang teratur, volume pori besar, dan porositas tinggi, akan tetapi memiliki luas permukaan yang relatif kecil [19],[20]. Sedangkan karbon memiliki luas permukaan tinggi, meskipun struktur pori kurang teratur dan porositas relatif lebih rendah [21]. Berdasarkan hal tersebut, maka banyak peneliti yang sedang mengkaji untuk memodifikasi dengan menggabungkan keunggulan pada zeolit dan karbon untuk membentuk karbon tertemplat zeolit atau Zeolite Templated Carbon (ZTC). II.

ZEOLITE TEMPLATED CARBON (ZTC)

Zeolite Templated Carbon (ZTC) atau karbon tertemplat zeolit merupakan material karbon yang dibuat dari prekursor karbon dengan zeolit sebagai templat atau cetakan. Kyotani [22], menggambarkan fabrikasi khas karbon tertemplat zeolit, dimana diawali dengan cara membakar prekursor karbon dan zeolit secara bersamasama pada suhu tinggi. Kemudian dilakukan polimerisasi, yang diikuti oleh karbonisasi prekursor karbon. Setelah proses karbonisasi, komposit karbon/zeolit yang dihasilkan dicuci berturut-turut dengan asam kuat, seperti asam klorida [23]. Adanya penghapusan templat ini diharapkan menghasilkan pembentukan karbon mikro yang memiliki ukuran pori sebanding dengan ketebalan dari dinding kerangka templat yang digunakan [24], dimana ketebalan dinding zeolit biasanya kurang dari 1 nm [25]. Sehingga dengan sintesis karbon tertemplat zeolit tersebut akan didapatkan material berpori yang memiliki luas permukaan tinggi dengan volume pori dan porositas tinggi untuk aplikasi penyimpanan hidrogen [21],[26].

Gambar 1. Skema menjelaskan keseluruhan templat prosedur sintetis untuk karbon berpori menggunakan templat zeolit-Y [27]

Struktur karbon tertemplat zeolit dapat dikontrol melalui beberapa parameter antara lain pemilihan jenis templat, prekursor karbon, kondisi karbonisasi [24],[28]. Berikut ini merupakan beberapa penelitian yang menggunakan berbagai jenis templat zeolit untuk diaplikasikan sebagai material penyimpan hidrogen (Tabel I); prekursor karbon yang digunakan sebagai penyimpanan

2

hidrogen (Tabel II), dan kapasitas material karbon tertemplat zeolit sebagai penyimpan hidrogen (Tabel III). TABEL I KAPASITAS PENYIMPANAN HIDROGEN PADA BEBERAPA JENIS ZEOLIT Kondisi Kapasitas Penyimpanan Jenis Penyimpanan Hidrogen No. sampel Pustaka Hidrogen zeolit T P (% berat) (°C) (bar) NaA (LTA) 1,54 NaX (FAU) 1,79 1 -196 15 [29] NaY (FAU) 1,81 RHO 0,08 Li-LSX (FAU) 1,50 Na-LSX (FAU) 1,46 2 -196 1,01 [30] K-LSX (FAU) 1,33 Na – LEV 2,07 H – OFF 1,75 3 -196 16 [31] Na – MAZ 1,64 Li – ABW 1,02 4 Zeolit-(Mg-Na)Y -196 1,01 3-4,5 [32] -196 1 1,70 NaX 30 5 0,11 60 5 0,36 -196 1 1,32 5 NiNaX-49 30 5 0,12 [33] 60 5 0,42 -196 1 1,17 RhNaX-29 30 5 0,40 60 5 0,52 -243 0,9 6 Zeolit-Y -238 60 0,68 [34] -233 0,45 10.00 7 Zeolit-RWY 27 6,32 [35] 0 Zeolit mordenit 30 50 0,25 MOR 8 [36] ZSM-5 (MFI) 30 50 0,20 Zeolit-Y (USY) 30 50 0,40 100 5,00 -196 1 2,50 9 ZIF-8 [37] 100 0,75 27 1 < 0,1 ZIF-70 0,74 Li-ZIF-70 3,08 10 298 100 [38] Na-ZIF-70 2,19 K-ZIF-70 1,62 ZSM-5 0,604 11 ZSM-5-I -196 0,99 0,360 [39] ZSM-5-H 0,086 TABEL II KAPASITAS PENYIMPANAN HIDROGEN PADA BEBERAPA MATERIAL KARBON Kondisi Kapasitas Penyimpanan Jenis Penyimpanan Hidrogen No. sampel Pustaka Hidrogen karbon T P (% berat) (°C) (bar) 30 < 0,67 Karbon aktif -196 6,0 30 < 0,5 SWNT 1 -196 100 < 4,0 [40] 30 < 0,55 SWNH -196 4,0 GNF 30 < 0,3 Karbon aktivasi < 6,0 KOH (AC) 2 -196 40 [41] Karbon aktivasi > 6,0 monolith Karbon aktif 2,8 3 CNT 25 95 1,2 [42] MWCNT 0,5

Suci / ZTC : Sintesis, Karakterisasi Hidrogen / Barometer, Volume 1 No.1, Juli 2016, 1-12 SWCNT

0,3

Karbon nanosphere di doping Nikel

0,45

KOH/AC= 3:1 4

KOH/AC = 5:1

-196

Karbon Aktivasi CO2 MWCNT-95% 5 SWCNT-85%

6

7

8

9

10

11

12

25 -196 25 -196

1 20 1 20

2,23 5,63 2,49 7,08

1

1,70

1,01

0,22 2,29 0,36

TABEL III KAPASITAS PENYIMPANAN HIDROGEN PADA BEBERAPA MATERIAL KARBON TERTEMPLAT ZEOLIT

No. [43]

1

Sukrosa/ Zeolit-Y

Kondisi Penyimpanan Hidrogen T (°C) 30

[44]

3,27

AC Polythiophene dengan KOH (rasio KOH/PTh =2) ACT-600 4,55 ACT-700 4,80 ACT-750 -196 20 5,19 ACT-800 5,40 ACT-850 5,71 25 0,6 Karbon aktivasi 1,01 KOH -196 4,0 Karbon aktivasi KOH dengan variasi berat& suhu AC-1/ T=1023; 6,6 W=4,4 AC-2/ T=1023; 3,9 W=1,6 AC-3/ T= 988; -196 80 6,2 W=3,0 AC-5/ T=1023; 5,9 W=3,0 AC-7/ T=1058; 6,1 W=3,0 -196 10 1,98 Karbon amorf 10 0,05 26 50 0,94 -196 10 3,98 AC-Karbon 10 0,10 amorf 26 50 1,13 -196 10 0,34 Fishbone CNFs 10 0,03 26 50 0,30 -196 10 1,00 AC-Fishbone 10 0,04 CNFs 26 50 0,68 -196 10 0,49 Platelet CNFs 10 0,03 26 50 0,34 -196 10 2,22 AC-Platelet 10 0,05 CNFs 26 50 1,07 -196 10 0,11 Ribbon CNFs 10 0,02 26 50 0,24 -196 10 0,51 AC-Ribbon 10 0,03 CNFs 26 50 0,40 Karbon aktivasi KOH di doping Nitrogen (urea) AC-250 5,4 AC-251 4,4-5,4 AC-300 6,0 AC-301 -196 80 4,4-5,4 AC-302 4,4-5,4 AC-340 6,5 AC-341 4,4-5,4 MWCNT 25 100 < 0,2 97,46% AC+cokes 0,496 AC Coke-Li 0,501 30 120 PAN 0,599 PAN-Li 0,592

Jenis sampel karbon tertemplat zeolit

1 2 [45]

3 4

[11] 5

Sukrosa/ Zeolit-Y Propilen/ Zeolit-NaY Propilen/ Zeolit-NaY Sukrosa/ Zeolit-Y FA -doping Ntanpa aktivasi/ Zeolit-Y

P (bar) 1 1,5 2 3

6

7

8

9 [47]

[48]

[49]

[50]

Poli furfuril alkohol/ Zeolit-Y

Pustaka

3,20 3,39 3,55 3,82

[51]

26

1

0,64

[52]

-196

1

1,4

[53]

-196

1

2,0

[54]

-196

10

2,4

[28]

0,87 30

100

FA -doping NAktivasi KOH/ Zeolit-Y [46]

Kapasitas Penyimpanan Hidrogen (% berat)

[26] 0,79

-196 30

10 50 50

2,4 3,1 0,8

Asetonitril/Zeolit3,4 13X Asetonitril/ -196 20 4,5 Zeolit-Y Etilena/ 2,9 Zeolit-Y Furfuril alkohol1 1,00-1,59 doping Pt/Zeolit-196 20 3,02-4,85 NaY Asetonitril dengan variasi rasio Si/Al /Zeolit-Y 1 0,8-1,5 Si/Al= 15 20 2,3-3,5 1 0,2-1,8 Si/Al= 2,55 -196 20 0,7-3,9 1 0,03-1,4 Si/Al= 1,36 20 0,1-1,6

[55]

[56]

[57]

[58]

Berdasarkan ketiga tabel diatas, karbon tertemplat zeolit yang disintesis dengan templat zeolit-Y menunjukkan kapasitas penyimpan hidrogen yang relatif besar. Kapasitas penyimpan hidrogen mengalami kenaikan yang tinggi pada kondisi -196°C/20bar. Zeolit-Y memiliki beberapa keunggulan diantaranya reaktivitas oksidasi lebih tinggi [59] keteraturan struktur pori zeolit-Y lebih besar dibandingkan dengan beberapa jenis zeolit lain [22]dan memiliki stabilitas termodinamik yang relatif tinggi [26]. Selain itu luas permukaan zeolit-Y yang lebih besar (520725 m2/g) dibandingkan zeolit-A (360-383 m2/g), zeolitMOR (418-460 m2/g) dan zeolit-RHO (3-90 m2/g), sehingga karakteristik zeolit-Y apabila diaplikasikan sebagai material penyimpan hidrogen mampu menghasilkan kapasitas adsorpsi yang tinggi [29],[60],[61]. Penelitian terkait zeolit-Y telah dilakukan oleh Chen [54], dengan mensintesis karbon tertemplat zeolit menggunakan zeolit-Y sebagai templat dengan penukar kation yang berbeda-beda (Ca, K, H, dan Na), serta propilena dan butilena sebagai prekursor karbon. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa zeolit-NaY 3


menghasilkan luas permukaan dan volume mikropori paling tinggi, dibandingkan templat lain, yakni sebesar 2.117 m2/g dan 0,79 cm3/g dengan prekursor propilena dan 2.456 m2/g dan 1,0528 cm3/g dengan menggunakan prekursor butilena. Selain itu Guan [55] menggunakan tempat zeolit-NH4Y dengan prekursor sukrosa, dimana hasil penelitian menunjukkan luas permukaan spesifik 1.500 m2/g dengan kapasitas penyimpan hidrogen sebesar 2,4% berat pada kondisi 77K/10bar. Berdasarkan hal tersebut, maka penelitian ini menggunakan zeolit-NaY sebagai templat untuk sintesis karbon tertemplat zeolit. Pemilihan prekursor karbon merupakan parameter yang harus diperhatikan agar diperoleh kapasitas penyimpan hidrogen yang besar. Berbagai prekursor yang sering digunakan antara lain asetonitril [57],[62], furfuril alkohol [24],[63],[64], pyrene, vinil asetat, akrilonitril [65] etilena [25], propilena [21],[54], dan sukrosa [28],[66]. Syarat prekursor karbon yang dapat digunakan untuk sintesis karbon tertemplat zeolit adalah sumber karbon harus memiliki yield karbon yang tinggi, ukuran molekul sesuai untuk dimasukkan dalam pori zeolit dan memiliki kelarutan tertentu [67]. III.

SINTESIS ZEOLITE TEMPLATED CARBON (ZTC)

Proses sintesis material ini dapat dilakukan dengan metode impregnasi yang terbagi menjadi 3 tahapan. Tahapan tersebut yaitu impregnasi sukrosa pada zeolit-Y, karbonisasi templat, dan penghilangan templat zeolit dengan asam kuat [68],[69],[28],[55]. Tahap 1. Impregnasi sukrosa pada zeolit-Y Sebelum proses impregnasi, zeolit-Y dimasukkan ke dalam holder stainless steel yang telah di amplas hingga bersih. Kemudian dilakukan proses degassing terlebih dahulu dengan memasukkan holder stainless steel dalam furnace tubular pada suhu 200°C selama 4 jam (dengan laju peningkatan panas 1°C/menit). Selama proses degass suhu lingkungan dijaga dalam atmosfer nitrogen dengan cara membuka knop gas nitrogen yang terhubung dengan furnace tubular. Hal tersebut dilakukan agar lingkungan pada furnace tubular dijaga dalam atmosfer nitrogen. Setelah mencapai suhu 200°C selama 4 jam, furnace tubular secara otomatis akan mengalami pendinginan hingga suhu ruang dalam atmosfer nitrogen. Saat suhu pada furnace tubular telah menunjukkan suhu ruang, selanjutnya sukrosa ditimbang dan dilarutkan dalam asam sulfat 0,35 M. Zeolit-Y hasil degassing dikeluarkan dari furnace tubular dan secara perlahan dimasukkan ke dalam campuran sukrosa. Kemudian diaduk dengan kecepatan 250 rpm selama 72 jam pada suhu ruang. Tahap 2. Karbonisasi templat Campuran yang diperoleh pada tahap 1, terlebih dahulu disaring dan residu digunakan untuk tahap 2. Sebelum dilakukan proses karbonisasi templat, holder stainless steel di amplas hingga bersih. Kemudian holder stainless steel yang telah berisi sampel dimasukkan ke dalam furnace tubular untuk proses karbonisasi. Adapun proses karbonisasi dilakukan pada suhu 800°C selama 4 jam dibawah aliran N2 dengan laju pemanasan 2°C/menit dan laju alir 30 cm3/menit. Tahap 3. Penghilangan templat zeolit

4

Komposit karbon/zeolit yang diperoleh pada tahap 2, selanjutnya direndam dalam HF 5% selama 1 jam, lalu dibilas dengan air demineralisasi panas beberapa kali hingga diperoleh filtrat dengan pH netral. Padatan kemudian dikeringkan dalam oven pada suhu 110°C selama 12 jam. Pencucian karbon dilanjutkan dengan merefluks karbon. Kemudian karbon direndam dalam HCl 37% dan direfluks pada suhu 60°C selama 1 jam. Karbon hasil refluks kemudian disaring dan dicuci dengan air demineralisasi beberapa kali hingga diperoleh pH netral. Selanjutnya karbon dikeringkan dalam oven pada suhu 120°C selama 12 jam. Pencucian tahap ketiga dilakukan dengan merendam karbon ke dalam larutan HF 48% selama 1 jam. Karbon yang telah direndam kemudian dicuci dengan air demineralisasi panas beberapa kali hingga diperoleh filtrat dengan pH netral. Karbon tersebut lalu dikeringkan dalam oven pada suhu 120°C selama 12 jam. IV.

KARAKTERISASI ZEOLITE TEMPLATED CARBON (ZTC)

A.

X-Ray Diffraction (XRD) Karakterisasi XRD digunakan untuk mengkonfirmasi pembentukan zeolit dengan mencocokan pada standar JCPDS, sedangkan karbon digunakan untuk mengetahui perubahan kristalinitas serta distorsi kisi berdasarkan pola difraksinya. Guan [28], melakukan penelitian menggunakan sukrosa sebagai prekursor dan zeolit-NH4Y sebagai templat. Material karbon tertemplat zeolit dan zeolit-NH4Y yang dihasilkan kemudian dikarakterisasi dengan XRD dan diperoleh pola difraktogram seperti ditunjukkan dalam Gambar 2. Berdasarkan Gambar 2 (a) karbon tertemplat zeolit memiliki puncak khas pada 2θ= 25° dan 43°, hal ini mengindikasikan bidang (002) dan (110) dari karbon grafit, sedangkan Gambar 2 (b) terdapat pola difaktrogram zeolitNH4-Y yang memiliki puncak khas pada 2θ= 6° yang mengindikasikan bidang (111) dari zeolit-Y.

Gambar 2 (a) Pola XRD karbon tertemplat zeolit (b) Pola XRD zeolitNH4Y

Konwar [24], melakukan penelitian dengan menggunakan furfuril alkohol sebagai prekursor dan zeolitNH4Y sebagai templat. Material tersebut kemudian dikarakterisasi dengan XRD saat proses pembuatan zeolitNH4Y hingga dihasilkan karbon tertemplat zeolit. Adapun pola difraktogram seperti ditunjukkan pada Gambar 3.


B.

Gambar 3 Zeolit-NH4Y pada berbagai tahap karbonisasi

Suci [51], melakukan penelitian menggunakan sukrosa sebagai prekusror dan zeolit-NaY sebagai templat. Gambar 4 (a) difraktogram hasil sintesis menunjukkan adanya puncak difraksi yang khas pada 2θ= 6,2° [111], 10,1° [220], 11,8° [311], 20,2° [440], 23,5° [533], 26,9° [642], 30,5° [822], 31,2° [555], dan 32,2° [840]. Puncakpuncak difraksi zeolit-Y hasil sintesis sesuai dengan puncak-puncak zeolit-Y standar JCPDS No.11-0672 Tahun 2011. Gambar 4 (b) terlihat bahwa komposit karbon/zeolit mempunyai puncak-puncak karakteristik zeolit-Y, dengan intensitas puncak tertinggi terdapat pada 2θ = 6° [111][69],[54],[57]. Hal tersebut menunjukkan bahwa karbon telah memasuki struktur pori zeolit tanpa merubah atau merusak struktur kristal zeolit-Y. Adapun difraktogram karbon tertemplat zeolit seperti ditunjukkan pada Gambar 4 (c), menunjukkan adanya puncak tinggi di 2θ = 6° seperti dinyatakan oleh Alam dan Mokaya [57]. Hasil ini mengindikasikan keteraturan karbon yang dibentuk mengikuti karakteristik zeolit-Y. Selain itu pada karbon tertemplat zeolit terdapat puncak berbentuk gundukan yang berpusat pada daerah sudut 2θ = 25°. Gundukan ini menandai bidang difraksi [002] yang sangat lemah dengan puncak melebar (hump) pada 2θ ~25° [28]. Pemusatan gundukan yang melebar (hump) pada bidang [002] adalah karakteristik dari karbon grafitik dengan nilai jarak antar lapisan sebesar 0,342 nm, nilai ini lebih besar daripada potongan jarak antar lapisan grafit yaitu 0,335 nm [70].

Scanning Electron Microscopy (SEM) Karakterisasi karbon tertemplat zeolit dengan SEM bertujuan untuk membandingkan morfologi karbon tertemplat zeolit dengan zeolit-Y hasil sintesis yang digunakan sebagai templat. pada Gambar 5 (a). Mikrograf SEM zeolit-Y hasil sintesis berbentuk kristal oktahedral dan bertumpuk-tumpuk (agglomerat) dengan ukuran partikel antara 0,5-0,8 µm. Zeolit-Y hasil sintesis yang telah diperoleh selanjutnya digunakan sebagai templat atau cetakan pada sintesis karbon tertemplat zeolit. Morfologi SEM karbon tertemplat zeolit (Gambar 5 (b)) menunjukkan pembentukan karbon yang mirip dengan zeolit-Y, yaitu pembentukan kristal oktahedral dengan terlihatnya bentuk kotak menyerupai bentuk kristal zeolit. Akan tetapi dalam jumlah kecil di beberapa bagian lain, masih ditemukan gumpalan karbon tertemplat zeolit amorf . Hal ini menandakan bahwa masih terdapat bagian karbon tertemplat zeolit yang tidak mampu mereplikasi struktur yang menyerupai partikel zeolit-Y secara sempurna [51].

Gambar 5 Mikrograf representatif SEM (a) Zeolit-NaY dan (b) karbon tertemplat zeolit

Konwar [24], telah berhasil menunjukkan morfologi permukaan zeolit-NH4Y dalam berbagai tahapan. Sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 6 bahwa, zeolitNH4Y dan NH4Y-FA memiliki keseragaman morfologi partikel sama, yang menunjukkan struktur zeolit-NH4Y tetap tidak berubah oleh deposisi furfuril alkohol (FA). Namun ukuran partikel tampak lebih besar, yang mungkin disebabkan aglomerasi yang lebih tinggi setelah ditreatment dengan FA. Pada gambar komposit karbon/zeolit terlihat bahwa morfologinya seragam dalam mikro partikel.

Gambar 6 (a) zeolit-NH4Y, (b) karbon tertemplat zeolit, (c) komposit karbon/zeolit Gambar 4 (a) Pola difraktogram zeolit-Y hasil sintesis, (b) komposit karbon/ zeolit, dan (c) karbon tertemplat zeolit

Terjadinya grafitisasi disebabkan adanya sejumlah derivat sukrosa yang mengalami kondensasi oleh dirinya sendiri (self-condensation) dan berlokasi pada bagian luar misel templat zeolit-Y, yang kemudian terdeposit pada permukaan eksternal templat selama proses karbonisasi. Kondisi ini menyebabkan pembentukan struktur karbon yang tidak mampu mereplikasi templat zeolit-Y dan berbentuk tidak teratur [71]. Berdasarkan pola difraksi yang terbentuk, pada karbon tertemplat zeolit ini lebih didominasi oleh pembentukan karbon berpori.

C.

Fourier Transform Infrared (FTIR) Karbon tertemplat zeolit dikarakterisasi menggunakan FTIR untuk memastikan framework zeolit yang mengandung ikatan Si-O ataupun Al-O telah hilang. Hasil spektra IR komposit karbon/zeolit sebelum pencucian dan karbon tertemplat zeolit setelah pencucian tertera pada Gambar 7. Berdasarkan Gambar 7 (a), pada komposit zeolit/ karbon tampak puncak pada daerah bilangan gelombang antara 1200-1000 cm-1 yang menunjukkan adanya vibrasi (streching) yang terjadi secara asimetris TO-T dari eksternal tertrahedral TO4 dengan T adalah Si atau Al (Asadollahi dkk., 2010). Selain itu pada Gambar 7 (a) terdapat puncak di daerah 500-400 cm-1 yang menunjukkan adanya puncak bending struktur internal 5


tetrahedral TO4 (T = Si atau Al) yang berasal dari framework zeolit-NaY [72].

Pada proses penyimpanan H2 oleh material berpori dipengaruhi oleh luas permukaan, sehingga adsorben yang memiliki luas permukaan yang besar akan sangat baik untuk menyimpan molekul-molekul hidrogen [73]. Interaksi antara molekul gas dan permukaan material adsorben menghasilkan energi potensial panas yang dapat dijelaskan melalui Persamaan 2 Lennard-Jones: (2)

Gambar 7 Spektrum IR (a) Komposit karbon/ zeolit sebelum dilakukan pencucian dan (b) Karbon tertemplat zeolit setelah pencucian dengan HF 5%, HCl 37%, HF 48%

Spektra IR karbon tertemplat zeolit dengan pencucian HF 5%, HCl 37%, dan HF 48% seperti tertera pada Gambar 7 (b) menunjukkan tidak tampak puncak pada daerah bilangan gelombang antara 1200-1000 cm-1 dan 500-400 cm-1. Hal tersebut mengindikasikan bahwa framework zeolit yang disusun oleh rantai Al-O dan Si-O telah hilang dari cuplikan karbon tertemplat zeolit [52]. V.

dengan ε adalah ukuran besarnya energi, ri adalah jarak antara molekul H2 dengan atom i pada permukaan material adsorben, dan σ adalah nilai ri saat potensial nol [73]. Kapasitas adsorpsi material berpori dideskripsikan melalui isoterm adsorpsi. Kapasitas adsorpsi hidrogen ini menyatakan banyaknya hidrogen yang tersimpan setelah proses fisisorpsi berlangsung, dan dinyatakan dalam persen berat (% berat) ataupun dalam persen volume (%). Persamaan 3, merupakan persamaan yang digunakan untuk menentukan kapasitas penyimpan hidrogen dalam persen berat (% berat) [73],[74]. (3)

MEKANISME PENYIMPANAN HIDROGEN

Penyimpanan hidrogen pada material berpori dilakukan melalui metode adsorpsi, dimana material berpori berperan sebagai adsorben dan gas hidrogen berperan sebagai adsorbat. Adapun mekanisme penyimpanan hidrogen pada material berpori melibatkan proses fisisorpsi. Proses fisisorpsi merupakan mekanisme penyerapan molekul-molekul gas hidrogen pada permukaan material berpori yang terjadi secara reversible dengan kecepatan adsorp yang relatif besar. Pada proses tersebut, molekul hidrogen dapat dengan mudah teradsorb dan terlepas secara berulang tanpa kehilangan energi dan umumnya tidak ada energi aktivasi yang terlibat pada proses adsorpsi hidrogen. Hal ini menyebabkan proses adsorpsi dan desorpsi hidrogen berlangsung dengan cepat [73]. Pada Gambar 8 merupakan skematik pengisian pori adsorben oleh molekul adsorbat yang terbagi dalam tiga tahap.

dengan : ms = massa adsorben = massa hidrogen teradsorp Sedangkan untuk menentukan kapasitas penyimpanan hidrogen dengan menggunakan persen volume (% volume), maka dapat dihitung dengan Persamaan 4 berikut. (4) dengan : Vs = volume adsorben = massa hidrogen teradsorp VI.

Adsorpsi hidrogen dengan material berpori selain perlu mempertimbangkan jenis adsorben dan ukuran adsorbat, maka kondisi suhu dan tekanan adsorpsi juga merupakan faktor yang sangat berpengaruh. Pengaruh dari tekanan dan suhu pada adsorpsi hidrogen ditunjukkan pada Gambar 9.

Gambar 9

Gambar 8 Skematik pengisian pori adsorben oleh molekul adsorbat

Pada skematik Gambar 8, proses penyimpanan molekul adsorbat pada adsorben diawali dengan pembukaan pori adsorben akibat pemanasan pada suhu tinggi. Kemudian setalah adsorben dengan adsorbat saling kontak, terjadi difusi pada permukaan adsorben. Tahap berikutnya terjadi migrasi ke dalam pori adsorben yang dilanjutkan dengan adanya pembentukan monolayer adsorbat.

6

STUDI ADSORPSI HIDROGEN

(a) Grafik pengaruh tekanan dan (b) suhu pada adsorpsi hidrogen [75]

Berdasarkan Gambar 9 menunjukkan bahwa, kapasitas adsorpsi hidrogen pada material berpori semakin bertambah besar jika suhu semakin kecil dan tekanan semakin besar. Melalui optimalisasi pada suhu dan tekanan, maka akan didapatkan kapasitas penyimpan hidrogen yang relatif besar. Berbagai penelitian terkait adsorpsi hidrogen oleh material berpori dengan variasi suhu dan tekanan telah banyak dilakukan. Material berpori yang dikaji antara lain zeolit, karbon aktif, MCM-41, MOF, dan lain sebagainya. Beberapa penelitian yang melibatkan material berpori


dengan variasi tekanan dan suhu untuk mengadsorp hidrogen sebagaimana ditunjukkan pada Tabel IV. TABEL IV ADSORPSI HIDROGEN PADA BEBERAPA JENIS MATERIAL BERPORI DENGAN VARIASI SUHU DAN TEKANAN Material T P Adsorpsi No. Pustaka berpori (K) (bar) (% berat) MCM-41 1 dengan variasi 77-296 0-45 0,1-2,09 [76] doping Zn 77 0-1 2,01 298 0-80 0,67 MCM-41/ 2 [25] karbon 77 1,01 1,28 298 100 0,62 3 Sodalite-ZMOF 77 0-10 1,6 [77] AC-aktivasi 4 77 0-80 6,6 [46] KOH AC-aktivasi 5 77 0-80 4,4-6,5 [48] KOH doping N Zeolit06 NaY/Asetonitril 298 101,3 0,51 [43] doping N 2 Zeolit-CaX 2,19 7 Zeolit-NaX 77 0-15 1,79 [78] Zeolit-NaY 1,81

Berdasarkan Tabel IV ditunjukkan bahwa adsorpsi hidrogen pada suhu rendah dan tekanan tinggi memiliki kapasitas penyimpan hidrogen yang lebih besar. Adsorpsi hidrogen maksimum terjadi pada material karbon aktif dengan aktivasi KOH yaitu 6,6% berat, dengan kondisi suhu 77K dan tekanan 0-80 bar, namun penyimpanan hidrogen pada suhu rendah dan tekanan tinggi membutuhkan biaya besar. Selain itu persyaratan untuk aplikasi hidrogen sebagai bahan bakar kendaraan adalah penyimpanan dilakukan pada suhu ruang dan tekanan yang aman atau rendah [15]. Target DoE dalam suhu operasi penyimpanan hidrogen yakni -40/95-105°C dan tekanan dalam penyimpanan hidrogen yakni 3-12 bar [79]. Aplikasi penyimpanan hidrogen untuk bahan bakar kendaraan bermotor menuntut banyak persyaratan antara lain tekanan operasi rendah, suhu operasi rendah, kinetika cepat untuk adsorpsi atau desorpsi hidrogen, stabilitas termodinamika rendah, konduktivitas termal baik, dan biaya murah [80]. Adsorpsi hidrogen menggunakan material berpori merupakan salah satu metode yang dipertimbangkan untuk memenuhi persyaratan tersebut [15]. Penggunaan hidrogen fisisorpsi pada material berpori melibatkan kekuatan relatif dari ikatan yang terbentuk antara molekul hidrogen dengan material berpori, dimana ikatan tersebut akan mempengaruhi kinetika dan termodinamika material penyimpan hidrogen [81]. Beberapa pengukuran penting dalam aplikasi ini adalah pengukuran jumlah yang terserap sebagai fungsi dari tekanan, ketergantungan suhu adsorpsi, entalpi, entropi, dan karakteristik adsorpsi [15]. Pengukuran jumlah teradsorpsi dapat dibandingkan dengan menggunakan isoterm adsorpsi. Selain itu dalam aplikasinya, isoterm adsorpsi dapat digunakan untuk mengetahui jenis adsorpsi yang terjadi antara adsorbat dengan adsorben. Pada material berpori, permukaan yang diukur akan bergantung pada ukuran molekul yang diselidiki, penggunaan model isoterm adsorpsi serta tingkat mikropori pada adsorben [15],[82]. Selain itu, hubungan antara tingkat penyerapan hidrogen terhadap waktu dapat

diukur dengan menggunakan studi kinetika. Studi kinetika ini diperlukan guna mengetahui kemampuan laju penyerapan dan pelepasan hidrogen pada material berpori [83]. Hidrogen perlu diberikan pada tingkat yang cukup tinggi untuk sel bahan bakar, agar dapat mempercepat pengisian dan mempertahankannya pada kecepatan yang diinginkan [81]. Beberapa penelitian adsorpsi hidrogen yang mempelajari model isoterm adsorpsi dan studi kinetika telah dilakukan dengan menggunakan berbagai material berpori, seperti yang ditunjukkan dalam Tabel V.

TABEL V ISOTERM DAN KINETIKA ADSORPSI HIDROGEN DENGAN BERBAGAI JENIS MATERIAL BERPORI KapasiJenis Model Model Kondisi tas Pustaka material Isoterm Kinetika adsorpsi adsorpsi T = 77; 194,5; & 297 K < 1,0% P = 0-1 bar T = 77; 194,5; MOFFreundlich Difusi [84] dan 177 < 20% 297 K P = 0100 bar T=297 K P=0-1 0,37% bar ZeolitNaX, T = 77K PIM, Sips dan P = 0-15 1,6 - 4,5 [85] Carbon Tόth bar IRMOF, Cu-BTC Karbon aktivasi Zeolit(MgNa)Y MW CNT95%; SWCNT -85% Karbon aktivasi

IGA

Langmuir

-

Langmuir

-

T= 298K P = 1,01 bar

-

T=77K, 298K P = 1-70 bar

Langmuir

SWCNT Si/Al= 15 Si/Al= 2,55 Si/Al= 1,36 Zeolit Na-Y aktivasi K2CO3/ Karbon rasio 1,5

T = 77K P= 1 bar T = 77K P= 1,01 bar

Langmuir

Max 2,15%

[86]

3-4,5%

[32]

0,22% dan 0,36%

[44]

4,5% [87] < 2,5% 0,8-1,5%

Isoterm Tipe-I

-

T= 77K P= 1 bar

0,2-1,8%

[58]

0,031,4%

Langmuir

Difusi

T=303323K P=1-3 bar

2,4-3,8%

[51]

7


Berdasarkan Tabel V, dapat diketahui bahwa material berpori sebagai penyimpan hidrogen cenderung mengikuti pendekatan isoterm Langmuir, dimana penyerapan mengambil pada tempat spesifik yang homogen dalam adsorben dan distribusi yang seragam dari tempat adsorpsi energetik. Model Langmuir ini mengindikasikan bahwa adsorpsi terjadi pada lapisan monolayer [87], disamping itu mekanisme dominan yang terjadi adalah adsorpsi fisik [31]. Alam [58] menunjukkan isoterm tipe-I dimana material yang terbentuk memliki ukuran mikropori dengan proses adsorpsi yang terjadi merupakan kemisorpsi. Saha [84] menunjukkan bahwa adsorpsi terjadi pada lapisan multilayer yang sesuai dengan model isoterm Freundlich, selain itu hasil korelasi persamaan Freundlich sesuai untuk tekanan rendah. Pada Tabel V, ditunjukkan bahwa studi kinetika relatif sedikit untuk diteliti, hal ini dikarenakan banyak peneliti telah menyebutkan bahwa fisisorpsi hidrogen pada material berpori memiliki keuntungan kinetika cepat dalam penyerapan dan pelepasan hidrogen [73],[88],[90]. Hal ini terbukti pada penelitian Saha [84] dan Zhao [86], dimana nilai kinetika cepat dan sesuai dengan target DoE yakni <1-2% massa/menit atau maksimum 2,5 menit [79],[80]. Meskipun material berpori memiliki kinetika cepat dalam menyerap dan melepas hidrogen, namun masih terdapat hambatan yang signifikan yakni interaksi antara molekul hidrogen dengan dinding pori adsorben masih memiliki gaya van der Waals yang lemah. Hal ini berdampak pada energi interaksi atau entalpi adsorpsi yang dihasilkan rendah hanya sebesar 5-6 kJ.mol-1 [88]. Siklus penyimpanan dan pelepasan hidrogen harus memiliki entalpi adsorpsi yang tidak terlalu rendah agar mampu menyerap hidrogen dengan kapasitas besar, serta tidak terlalu tinggi untuk memfasilitasi proses pelepasan hidrogen [73]. Beberapa peneliti telah melaporkan studi termodinamika dengan menggunakan adsorbat gas, antara lain gas hidrogen, gas karbondioksida, dan gas alam. Studi termodinamika pada adsorbat gas sebagaimana ditunjukkan pada Tabel VI berikut.

digunakan dalam penelitian ini tidak melebihi dari prasyarat yang ditetapkan oleh DoE sebesar 1; 1,5; 2 dan 3 bar. Bhatia dan Myers [95], menganalisa persyaratan termodinamika untuk adsorben dalam aplikasi penyimpanan hidrogen. Penelitian tersebut menunjukkan tekanan pengisian yang wajar pada 30 bar dan pelepasan hidrogen terjadi pada 1,5 bar secara reversible. Sehingga entalpi rata-rata optimum yang didapatkan sebesar 15 kJ.mol-1 dan entropi rata-rata sebesar 66,5 J.mol-1.K-1. Apabila entalpi yang didapatkan kurang dari entalpi optimum, menyebabkan suhu optimum lebih rendah daripada suhu kamar. Sedangkan apabila nilai entalpi mendekati lebih besar dari entalpi optimum, maka tekanan adsorpsi yang tinggi pada penyimpanan hidrogen akan menurun hingga tekanan ruang pada saat pelepasan hidrogen [73]. Entalpi adsorpsi dan entropi adsorpsi memiliki hubungan yang jelas, dimana nilai entropi meningkat dengan nilai entalpi juga meningkat [96]. Untuk aplikasi penyimpanan hidrogen, baru-baru ini disebutkan bahwa pada kondisi maksimal suhu 100°C dan tekanan 1 bar, serta entalpi adsorpsi antara 15-25 kJ.mol-1 dapat menyimpan dan melepas hidrogen dengan cepat [80]. Beberapa penelitian melaporkan bahwa entalpi adsorpsi zeolit masih relatif rendah sebagaimana ditunjukkan pada Tabel VII.

TABEL VI PENGGUNAAN VARIASI SUHU DAN TEKANAN PADA PROSES ADSORPSI DENGAN BERBAGAI JENIS ADSORBAT GAS Jenis Variasi material Adsorbat Variasi Suhu Pustaka Tekanan adsorben MOFGas 77; 100, 125; 0-1,05 [84] 177 hidrogen dan 150K bar Gas 75; 100, 125; 0,1-25 PuNi3 [90] hidrogen dan 150K bar TiNT 50, 100, dengan Gas 77; 85,5; dan dan 135 [91] Prussian hidrogen 88,5K bar blue 0-1,0 bar MWCNT Gas alam 283; 298; 318K dan 0-55 [92] bar Karbon Gas karbon 298; 308; 318; 0-1 bar [93] aktif dioksida dan 333K Gas karbon 298; 308; dan MWCNT 0-50 bar [94] dioksida 318K

Berdasarkan Tabel VII, menunjukkan bahwa entalpi adsorpsi pada beberapa zeolit tergolong rendah, namun berbeda pada zeolit-(Mg,Na)-Y yang memiliki entalpi adsorpsi lebih tinggi dari panas pencairan hidrogen (hydrogen liquefaction heat). Hal ini menunjukkan bahwa zeolit-(Mg-Na)-Y potensial untuk digunakan sebagai material penyimpan hidrogen reversible [32]. Disamping itu, penelitian tersebut menunjukkan nilai entropi lebih rendah dari batas maksimum yang ditentukan (<160 J.mol 1 -1 .K ) [96]. Oleh karena itu material berpori seperti zeolit menjadi sangat penting untuk dibahas dan diteliti sebagai material penyimpan hidrogen.

Berdasarkan Tabel VI, maka pada penentuan adsorpsi hidrogen pada karbon tertemplat zeolit-Y dilakukan pada suhu 303K, 313K, dan 323K. Adapun tekanan rendah yang 8

TABEL VII ENTALPI DAN ENTROPI ADSORPSI HIDROGEN DENGAN BERBAGAI JENIS MATERIAL BERPORI Jenis material ΔV H-H -ΔH° -ΔS° Pustaka zeolit (cm-1) (kJ.mol-1) (J.mol-1.K-1) Zeolit Ca-Y 4078 15 127 [88] Zeolit Mg-X 4065 13 114 [97] Zeolit Li-ZSM4092 6,5 90 [98] 5 Zeolit Na4101 10,3 121 [99] ZSM-5 Zeolit K-ZSM4112 9,1 124 5 Zeolit4056 18,2 136 [32] (Mg,Na)-Y Zeolit Ca-A 4083 12 [100] Zeolit-NaY 18,6 54,640 [51]

VII.

KESIIMPULAN

Sejak dilakukan pengembangan penggunaan material berpori sebagai penyimpanan hidrogen, telah banyak publikasi ilmiah yang melaporkan tentang aplikasi material berpori zeolit dengan berbagai macam modifikasi. Banyak peneliti tertarik pada sintesis zeolite templated carbon menggunakan metode impregnasi dengan berbagai


penggunaan karbon sebagai prekursor. Adapun pengembangan riset secara luas dilakukan untuk menyelesaikan target DoE dalam meningkatkan kapasitas penyimpanan hidrogen, produksi dengan harga yang rendah, dan meningkatkan kinetika penyerapan serta pelepasan hidrogen. DAFTAR PUSTAKA [1] Lim, K.L. Kazemian, H. Yaakob, Z. Daud, W.R.W. Review: Solid-State Materials and Methods for Hydrogen Storage: A Critical Review, Chemical & Engineering Technology, Volume 33, 2010, pp. 213226. [2] Momirlan, Magdalena dan Veziroglu, T.N. The Properties of Hydrogen as a Fuel Tomorrow in Sustainable Energy System for a Cleaner Planet, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 30, 2005, pp. 795-802. [3] Sunardi, 116 Unsur Kimia, Deskripsi, dan Pemanfaatannya, Yrama Widya, Bandung, 2007. [4] Mariolakos, I. Karnich, A. Markatselis, E. Paper orgru M, Water, Mythology and Environmental Education, Desalination, Volume 213, 2007, pp. 141. [5] Dutta, Suman. A Review on Production, Storage of Hydrogen and Its Utilization as an Energy Resource, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, Volume 1478, 2013, pp. 1-9. [6] Züttel, A. Remhol, Arndt. Borgschulte, Andreas. Friedrichs, Oliver. Review Hydrogen: The Future Energy Carrier”, Philosophical Transactions of The Royal Society, Volume 369, 2010, pp. 3329-3342. [7] Shasikala, K. Hydrogen Storage Materials-Chapter 15, Bhabha Atomic Research Centre, India, 2012. [8] Froudakis, George E. Hydrogen Storage in Nanotubes & Nanostructures, Materials Today, July-August, Vol. 14, 2011, No. 7-8. ISSN : 13697021 Elsevier, Ltd. [9] Corbo, dkk. Hydrogen Fuel Cells for Road Vehicles, Chapter 2 Hydrogen as Future Energy Carrier, Green Energy and Technology, Springer-Verlag London,Ltd, 2011. [10] Cipriani, Giovanni. Dio, V.D. Genduso, Fabio. Cascia, Diego La. Liga, Rosario. Miceli, Rosario. Galluzzo, G.R. Review : Perspective on Hydrogen Energy Carrier and Its Automotive Applications, International Journal of Hydrogen, 2014, pp. 1-13. [11] Akasaka, Hiroki. Takahata, Tomokazu. Toda, Ikumi. Ono, Hiroki. Ohshio, Shigeo. Himeno, Syuki. Kokubu, Toshinori. Saitoh, Hidetoshi. Hydrogen Storage Ability of Porous Carbon Material Fabricated from Coffee Bean Waste, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 36, 2011, pp. 580-585. [12] Principi, G. Agresti, F. Maddalena, A. Russo, S.Lo. The Problem of Solid State Hydrogen Storage, Energy, Volume 34, 2009, pp. 2087-2091. [13] Sakintuna, Billur. Darkrim, F.L. Hirscher, M. Metal Hydride Materials for Solid Hydrogen Storage: A Review, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 32, 2007, pp. 1121-1140. [14] Song, Lifang. Wang, Shuang. Jiao, Chengli. Si, Xiaoliang. Li, Zhibao. Liu, Shuang. Liu, Shusheng. Jiang, Chunhong. Li, Fen. Zhang, Jian. Sun, Lixian.

Xu, Fen. Huang, Fenglei. Thermodynamics Study of Hydrogen Storage Materials, The Journal of Chemical Thermodynamics, Volume 46, 2012, pp. 86-93. [15] Thomas, K. Hydrogen Adsorption and Storage on Porous Materials, Catalysis Today, Vol 120, 2007, pp. 389-398. [16] Hwang, Hyun Tae dan Varma, Arvind. Hydrogen Storage for Fuel Cell Vehicles, Current Opinion in Chemical Engineering, Volume 5, 2014, pp. 42-48. [17] Balat, Mustafa. Potential Importance of Hydrogen as a Future Solution to Environmental and Transportation Problems, International Journal of Hydrogen, Volume 33, 2008, pp. 4013-4029. [18] Chen, P. Hydrogen Storage: Liquid and Chemical, Comprehensive Renewable Energy, Volume 4, 2012, pp. 157-177. [19] Broom, Darren. P. Hydrogen Storage Materials-The Characterisation Their Storage Properties, Springer London Dordrecht Heidelberg, New York., 2011. [20] Turnbull, M. S. Hydrogen Storage in Zeolites: Activation of The Pore Space Through Incorporation of Guest Materials, Tesis Ph.D., University of Birmingham, Birmingham, 2010. [21] Alam, Nurul. dan Mokaya, Robert. Characterisation and Hydrogen Storage of Pt-doped Carbons Templated by Pt-exchanged Zeolite Y, Journal of Microprous and Mesoporous Materials, Volume 142, 2011, pp. 716724. [22] Ma, Z. Kyotani, T. Liu, Z. Terasaki, O. Tomita, A. Very High Surface Area Microporous Carbon with a Three-Dimensional Nanoarray Structure: Synthesis and Its Molecular Structure, Chemistry of Materials, Volume 13, 2001, pp. 4413-4415. [23] Yang, Seung Jae. Jung, Haesol, Kim, Taechoon, Park, Chong Rae. Recent Advances in Hydrogen Storage Technologies Based on Naoporous Carbon Materials, Progress in Natural Science: Materials International, Volume 22, 2012, pp. 631-638. [24] Konwar, Ruhit Jyoti. De, Mahuya. Effects of Synthesis Parameters on Zeolite Templated Carbon for Hydrogen Storage Application, Journal of Microprous and Mesoporous Materials, Volume 175, 2013, pp. 1624. [25] Xia, Yongde. Yang, Zhuxian. Gou, Xinglong. dan Zhu, Yanqiu. A Simple Method for the Production of Highly Ordered Porous Carbon Materials with Increased Hydrogen Uptake Capacities, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 38, 2013, pp. 5039-5052. [26] Nishihara, H. dan Kyotani, T. Novel Carbon Adsorbents-Chapter 10: Zeolite-Templated Carbon–Its Unique Characteristics and Applications, Institut for Multidisciplinary Research for Advanced Materials, Tohoku University, Katahira, Sendai, Japan, 2009. [27] Lee, Jinwoo. Kim, Jaeyun, dan Hyeon, Taeghwan. Recent Progress in the Synthesis of Pororus Carbon Materials, Advanced Materials, Volume 18, 2006, pp. 2073-2094. [28] Guan, C. Wang, K. Yang, C. Zhao, X.S. Characterization of a Zeolite-Templated Carbon for H2 Storage Application, Journal of Microporous and

9


Mesoporous Materials, Volume 118, 2009, pp. 503507. [29] Langmi, H.W. Walton, A. Al-Mamouri, M.M. Johnson, S.R. Book, D. Speight, J.D. Edwards, P.P. Gameson, I. Anderson, P.A. Harris, I.R. Hydrogen Adsorption in Zeolites A, X, Y and RHO, Journal of Alloys and Compounds, Volume 356-357, 2003, pp. 710-715. [30] Li, Yingwei. dan Yang, Ralph.T. Hydrogen Storage in Low Silica Type X Zeolites, Journal of Physics Chemistry, Volume 110, 2006, pp.. 17175-17181. [31] Dong, Jinxiang. Wang, Xiaoyan. Xu, Hong. Zhao, Qiang. Li, Jinping. Hydrogen Storage in Several Microporous Zeolites, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 32, 2007, pp. 4998-5004. [32] Areán, C. Palomino, G. Carayol, M.R. Llop. Variable Temperature FT-IR Studies on Hydrogen Adsorption on The Zeolite (Mg,Na)-Y, Journal of Applied Surface Science, Volume 253, 2007, pp. 5701-5704. [33] Prasanth, K.P. Pillai, Renjith. S. Bajaj, H.C. Jasra, R.V. Chung, H.D. Kim, T.H. Song, S.D. Adsorption of Hydrogen in Nickel and Rhodium Exchanged Zeolite X, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 33, 2008, pp. 735-745. [34] Li, Jang dan Wu, E. Adsorption of Hydrogen on Porous Materials of Activated Carbon and Zeolite NaX Crossover Critical Temperature, The Journal of Supercritical Fluids, Volume 49, 2009, pp. 196-202. [35] Rahmati, Mahmoud dan Modarress, Hamid. Grand Canonical Monte Carlo Simulation of Isotherm for Hydrogen Adsorption on Nanoporous Siliceous Zeolites at Room Temperature, Applied Surface Science, Volume. 255, 2009, pp. 4773-4778. [36] Chung, Kyong-Hwan. High-Pressure Hydrogen Storage on Microporous Zeolites with Varying Pore Properties, Energy, Volume 35, 2010, pp. 2235-2241. [37] Assfour, Bassem. Leoni, Stefano. Yurchenko, Sergei. Seifert, Gotthard. Hydrogen Storage in Zeolite Imidazolate Frameworks. A Multiscale Theoretical Investigation, International Journal of Hydrogen Storage, Volume 36, 2011, pp. 6005-6013. [38] Han, Sang Soo, Choi, Seung-Hoon, dan Goddard, William A. Improved H2 Storage in Zeolitic Imidazolate Frameworks Using Li+, Na+, and K+ Dopants, with an Emphasis on Delivery H2 Uptake, Journal of Physics Chemistry C, Volume 115, 2011, pp. 3507-3512. [39] Fujiwara, M. Fujio, Yoshiharu, Sakurai, Hiroaki, Senoh, Hiroshi, Kiyobayashi, T. Storage of Molecular Hydrogen Into ZSM-5 Zeolite in the Ambient Atmosphere by the Sealing of the Micropore Outlet, Chemical Engineering and Processing, Volume 79, 2014, pp. 1-6. [40] Xu, W.C. Takahashi, K. Matsuo, Y. Hattori, Y. Kumagai, M. Ishiyama, S. Kaneko, K. Iijima, S. Investigation of Hydrogen Storage Capacity of Various Carbon Materials, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 32, 2007, pp. 2504-2512. [41] Jordá-Beneyto, M. Lozano-Castelló, D. Suárez-García, F. Cazorla-Amorós, D. Linares-Solano, Á. Advanced Activated Carbon Monoliths and Activated Carbons

10

for Hydrogen Storage, Microporous and Mesoporous Materials, Volume 112, 2008, pp. 235-242. [42] Zubizarreta, L. Arenillas A. Pis J. J. Carbon Materials for H2 Storage, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 34, 2009, pp. 4575-4581. [43] Wang, Huanlei, Gao, Qiuming, Hu, Juan, Chen, Zhi, Hydrogen storage properties of N-doped microporous carbon, Journal of Physics Chemistry, Volume 113, 2009, pp. 21883 – 21888. [44] Ioannatos, Gerasimos E. dan Verykios, Xenophon E. H2 Storage on Single- and Multi-Walled Carbon Nanotubes, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 35, 2010, pp. 622-628. [45] Sevilla, M. Fuertes, A.B. Mokaya, R. Preparation and Hydrogen Storage Capacity of Highly Porous Activated Carbon Materials Derived from Polythiophene, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 36, 2011, pp. 15658-15663. [46] Zhao, W. Fierro, V. Zlotea, C. Aylon, E. Izquierdo, M.T. Latroche, M. Celzard, A. Optimization of Activated Carbons for Hydrogen Storage, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 36, 2011, pp. 11746-11751. [47] Jiménez, V. Ramírez-Lucas, A. Sánchez, P. Valverde, J.L. Romero, A. Hydrogen Storage in Different Carbon Materials: Influence of the Porosity Development by Chemical Activation, Applied Surface Science, Volume 258, 2012, pp. 2498-2509. [48] Zhao, W. Fierro, V. Fernández-Huerta, N. Izquierdo, M.T. Celzard, A. Hydrogen Uptake of High Surface Area-Activated Carbons Doped with Nitrogen, International Journal of Hydrogen Energy, Volume xxx, 2013, pp. 1-8. [49] Barghi, Seyed Hamed, Tsotsis, Theodore T. Sahimi, Muhammad. Chemisorption, Physisorption, and Hysteresis During Hydrogen Storage in Carbon Nanotubes, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 39, 2014, pp. 1390-1397 [50] Minoda, Ai. Oshima, Shinji. Iki, Hideshi, Akiba, Etsuo. Hydrogen Storage Capacity of Lithium-Doped KOH Activated Carbons, Journal of Alloys and Compounds, Volume 606, 2014, pp. 112-116. [51] Suci, F.C. Adsorpsi Hidrogen pada Material Karbon Tertemplat Zeolit-Y dengan Aktivasi K2CO3, Tesis Magister, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, 2015. [52] Anggarini, Ufafa. Sintesis dan Karakterisasi Karbon Tertemplat Zeolit-Y dengan Aktivasi K2CO3 sebagai Material Penyimpan Hidrogen, Tesis Magister, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, 2013. [53] Armandi, M., Bonelli, B., Bottero, I., Arean, Otero, C., Garrone, E., Synthesis and characterization of ordered porous carbons with potential applications as hydrogen storage media, Journal of Microporous and Mesoporous Materials, Volume 103, 2007, pp. 150 – 157. [54] Chen, Louis. Singh, Ranjeet K. Webley, Paul. Synthesis, Characterization and Hydrogen Properties of Microporous Carbons Templated by Cation Exchanged Forms of Zeolite Y with Propylene and Butylene as Carbon Precursors, Journal of


Microporous and Mesoporous Materials, Volume 102, 2007, pp. 159 – 170. [55] Yang, Zhuxian. Xia, Yongde. Sun, Xuezhong. dan Mokaya, R. Preparation and Hydrogen Storage Properties of Zeolite-Templated Carbon Materials Nanocast via Chemical Vapor Deposition : Effect of the Zeolite Templated and Nitrogen Doping, Journal of Physical Chemistry B, Volume 110, 2006, pp. 18424-18431. [56] Guan, C. Zhang, X. Wang, K. Yang, C. Investigation of H2 Storage in a Templated Carbon Derived from Zeolite Y and PFA, Separation and Purification, Volume 66, 2009, pp. 565-569. [57] Alam, Nurul. dan Mokaya, Robert. Characterisation and Hydrogen Storage of Pt-doped Carbons Templated by Pt-exchanged Zeolite Y, Journal of Microprous and Mesoporous Materials, Volume 142, 2011, pp. 716724. [58] Alam, Nurul. dan Mokaya, Robert. The Effect of Al Content OF Zeolite Template on The Properties and Hydrogen Storage Capacity of Zeolite Templated Carbons, Journal of Microprous and Mesoporous Materials, Volume 144, 2011a, pp. 140-147. [59] Cordero, T. Thrower, P.A. Radovic, L.R. On the Oxidation Resistance of Carbon-Carbon Composites Obtained by Chemical Vapour Infiltration of Different Carbon Cloths, Journal of Carbon, Volume 30, 1992, pp. 365-374. [60] Weitkamp, J. Fritz, M. dan Ernst, S. Zeolites as Media for Hydrogen Storage, International Journal of Hydrogen Storage, Volume 20, 1995, pp. 967-970. [61] Chung, Kyong-Hwan. High-Pressure Hydrogen Storage on Microporous Zeolites with Varying Pore Properties, Energy, Volume 35, 2010, pp. 2235-2241. [62] Xia, Yongde. Mokaya, Robert. Grant, David M. Walker, Gavin S. A Simplified Synthesis of N-Doped Zeolite-Templated Carbons, the Control of the Level of Zeolite-Like Ordering and Its Effect on Hydrogen Storage Properties, Carbon, Volume 49, 2011, pp. 844-853. [63] Masika, Eric dan Mokaya, Robert. Preparation of Ultrahigh Surface Area Porous Carbons Templated Using Zeolite 13X for Enhanced Hydrogen Storage, Progress in Natural Science:Materials International,Volume 23, 2013, pp. 308-316. [64] Masika, Eric dan Mokaya, R. Exceptional Gravimetric and Volumetric Hydrogen Storage for Densified Zeolite Templated Carbons with High Mechanical Stability, Energy and Environmental Science, 2013a, pp. 1-8. [65] Meyer, C.J. Shah, S.D.Patel, S.C. Sneeringer, R.M. Bessel, C.A. Dollahan, N.R. Templated Synthesis of Carbon Materials from Zeolite (Y, Beta, and ZSM5) and a montmorillonite clay (K10): Physical and Electrochemical Characterization, Journal of Physics Chemistry, Volume 105, 2001, pp. 2143-2152. [66] Cai, Jinjun. Yang, Menglong. Xing, Yanlong. Zhao, Xuebo. Large Surface Area Sucrose-Based Carbons via Template-Assisted Routes: Preparation, Microstructure, and Hydrogen Adsorption Properties, Colloids and Surfaces A: Physicochemistry Engineering Aspects, Volume 444, 2014, pp. 240-245.

[67] Sevilla, Marta. Alam, Nurul. Mokaya, R. Enhancement of Hydrogen Storage Capacity of Zeolite-Templated Carbons by Chemical Activation, Journal of Physical Chemistry, Volume 114, 2010, pp. 11314 – 11319. [68] Ma, Z. Kyotani, T. Liu, Z. Terasaki, O. Tomita, A. Very High Surface Area Microporous Carbon with a Three-Dimensional Nanoarray Structure: Synthesis and Its Molecular Structure, Chemistry of Materials, Volume 13, 2001, pp. 4413-4415. [69] Su, F. Zhao, X.S. Lv, Lu. Zhou, Z. Synthesis and Characterization of Microporous Carbons Templated by Ammonium-form Zeolite Y, Journal of Carbon, Volume 42, 2004, pp. 2821-2831. [70] García, A. Nieto, A. Vila, M. Vallet-Regí, M. Easy Synthesis of Ordered Mesoporous Carbon Containing Nickel Nanoparticles by a Low Temperature Hydrothermal Method, Carbon, Volume 51, 2013, pp. 410-418. [71] Ting, C.C. Wu, H.Y. Vetrivel, S. Saikia, D. Pan, Y.C. Fey, G.T.K. Kao, H.M. A One-pot Route to Synthesize Highly Ordered Mesoporous Carbons and Silicas Through Organic–inorganic Self-assembly of Triblock Copolymer, Sucrose and Silica, Microporous and Mesoporous Mater, Volume 128, 2010, pp. 1–11. [72] Asadollahi, Mahdieh, Bastani, Dariush, Kazemian, Hossein, Permeation of single gases through TEG liquid membranes modified by Na-Y nano-zeolite particles, Journal of Separation and Purification Technology, Volume 76, 2010, pp.120 - 125 [73] Hirscher, Michael, Handbook of Hydrogen Storage: New Materials for Future Energy Storage. WILEYVCH Verlag GmbH and Co. KGaA, Germany, 2009. [74] Klebanoff, Lennie. Hydrogen Storage Technology: Materials and Applications, CRC Press-Taylor & Francis Group, Boca Raton, 2013 [75] Ströbel, R. Garche, J. Moseley, P.T. Jörissen, L. Wolf, G. Review: Hydrogen Storage by Carbon Materials, Journal of Power Sources, Volume 159, 2006, pp. 781-801. [76] Sheppard, D.A. dan Buckley, C.E. Hydrogen Adsorption on Porous Silica, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 33, 2008, pp. 1688-1692. [77] Calleja, G. Botas, J.A. Sánchez-Sánchez, M. Orcajo, M.G. Hydrogen Adsorption Over Zeolite-Like MOF MaterialsModified by Ion Exchange, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 35, 2010, pp. 9916-9923. [78] Langmi, H.W. Book, D. Walton, A. Johnson, S.R. AlMamouri, M.M. Speight, J.D. Edwards, P.P. Harris, I.R. dan Anderson, P.A. Hydrogen Storage in IonExchanged Zeolites, Journal Alloys Compounds, Volume 404-406, 2005, pp. 637–642. [79] Yang, J. Sudik, A. Wolverton, C. dan Siegel, D.J. High Capacity Hydrogen Storage Materials : Attributes for Automotive Applications and Techniques for material Dicovery, Chemical Society Reviews, Vol 39, 2010, pp. 656-675. [80] Guo, Z.X. Shang, C. Aguey-Zinsou, K.F. Materials Challenges for Hydrogen Storage, Journal of The European Ceramic Society, Vol 28, 2008, pp. 14671473.

11


[81] Gross, K.J. dan Carrington, K.R. Recommended Best Practices for The Characterization of Storage Properties of Hydrogen Storage Materials, December, 2008. [82] Foo, K.Y. dan Hameed, B.HReview: Insights Into the Modeling of Adsorption Isotherm Systems, Chemical Engineering Journal, Volume 156, 2010, pp. 2-10. [83] Sakintuna, B. Weinberger, B. Lamari-Darkrim, F. Hirscher, M. Dogan, B. Comaparative Study of Hydrogen Storage Efficiency and Thermal Effects of Metal Hydrides vs. Carbon Materials, WHEC, Volume 16, 2006, pp. 13-16. [84] Saha, Dipendu. Wei, Zuojun. Deng, Shuguang. Equilibrium, Kinetics, and Enthalpy of Hydrogen Adsorption in MOF-177, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 33, 2008, pp. 7479-7488. [85] Tedds, S. Walton, A. Broom, D.P. dan Book, D. Characterisation of Porous Hydrogen Storage Materials: Carbon, Zeolite, MOFs, and PIMs, Faraday Discussion, Volume 151, 2011, pp. 75-94. [86] Zhao, X.B. Xiao, B. Fletcher, A.J. dan Thomas, K.M. Hydrogen Adsorption on Functionalized Nanoporous Activated Carbons, Journal of Physics Chemistry B, Volume 109, 2005, pp. 8880 – 8888. [87] Panella, B. Hirscher, M. dan Roth, S. Hydrogen Adsorption in Different Carbon Nanostructures, Carbon, Volume 43, 2005, pp. 2209-2214. [88] Palomino, G. Turnes. C, M.R. LIop, Areán, C. Otero. Thermodynamics of Hydrogen Adsorption on The Zeolite Ca-Y, Catalysis Today, Volume 138, 2008, pp. 249-252. [89] Yürüm, Y. Taralp, A. Veziroglu, N. Storage of Hydrogen in Nanostructured Carbon Materials, Hydrogen Energy, Volume 34, 2009, pp. 3784-3798. [90] Sivakumar, R. Ramaprabhu, S. Rao, K.V.S Rama. Anton, H. Schmidt, P.C. Kinetics of Hydrogen Absorption and Thermodynamics of Dissolved Hydrogen in Tb1-xZrxFe3 System, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 25, 2000, pp. 463-472. [91] Zamora, B. Al-Hajjaj, A.A. Shah, A.A. Bavykin, D.V. Reguera, E. Kinetic and Thermodynamic Studies of Hydrogen Adsorption on Titanante Nanotubes Decorated with a Prussian Blue Analogue, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 38, 2013, pp. 6406-6416. [92] Delavar, M. Ghoreyshi, A. Jahanshahi, M. Khalili, S. Nabian, Nima. Equilibrium and Kinetics of Natural Gas Adsorption on Multi-walled Carbon Nanotube Material, RSC Advances, Volume 2, 2012, pp. 44904497. [93] Hauchhum, Lalhmingsanga dan Mahanta, Pinakeswar. Kinetic, Thermodynamic, and Regeneration Studies for CO2 Adsorption onto Activated Carbon, International Journal of Advanced Mechanical Engineering, Volume 4, 2014, pp. 27-32. [94] Khalili, S. Asghar, A. Ghoreyshi, Jhanshahi, M. Carbon dioxide Captured by Multiwalled Carbon Nanotube and Activated Charcoal: A Comparative Study, Chemical Industry and Chemical Engineering Quarterly, Volume 19, 2013, pp. 153-164.

12

[95] Bhatia, S.K. Myers, A.L. Optimum Conditions for Adsorptive Storage, Langmuir, Volume 22, 2006, pp. 1688-1700. [96] Garrone, E. Bonelli, B. dan Areán, C. Otero. Enthalpyentropy Correlation for Hydrogen Adsorption on Zeolites, Chemical Physics Letters, Volume 456, 2008, pp. 68-70. [97] Palomino, G. Turnes. Areán, C. Otero. Carayol, M.R. LIop. Hydrogen Adsorption on The Faujasite-Type Zeolite Mg-X: An IR Spectroscopic and Thermodynamic Study”, Volume 256, 2010, pp. 52815284. [98] Areán, C. Otero. Manoilova, O.V. Bonelli, B. Delgado, M.Rodríguez. Palomino, G. Turnes. Garrone, E. Thermodynamics of Hydrogen Adsorption on The Zeolite Li-ZSM-5, Chemical Physics Letters, Volume 370, 2003, pp. 631-635. [99] Areán, C. Otero. Delgado, M. Rodríguez. Palomino, G. Turnes. Rubio, M. Tomás. Tsyganenko, N.M. Tsyganenko, A.A. Garrone, E. Thermodynamic Studies on Hydrogen Adsorption on The Zeolites NaZSM-5 and K-ZSM-5, Microporous and Mesoporous Materials, Volume 80, 2005, pp. 247-252. [100] Areán, C. Otero. Palomino, G. Turnes. Carayol, M.R. LIop, Pulido, A. Rubeš, M. Bludský, O. Nachtigall, P. Hydrogen Adsorption on The Zeolite Ca-A: DFT and FT-IR Investigation, Chemical Physics Letters, Volume 2009, pp. 139-143.


13

ZTC: SINTESIS, KARAKTERISASI, MEKANISME PENYIMPANAN, DAN STUDI ADSORPSI H 2

Recommend Documents