Peranan Sacrificial Agents Untuk Meningkatkan Produksi Hidrogen Melalui Teknologi Fotokatalisis dengan TiO 2

Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung, 2013

Peranan Sacrificial Agents Untuk Meningkatkan Produksi Hidrogen Melalui Teknologi Fotokatalisis dengan TiO2 Lenny Marlinda(1) 1

Program Studi DIII Analisis Kimia, Jurusan MIPA Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Jambi email : [email protected]

Abstrak. Teknologi produksi hidrogen melalui proses fotokatalisis penguraian air dengan memanfaatkan TiO2 sebagai semikonduktor merupakan teknologi penyedia energi masa depan yang didasari dari pemikiran bahwa air dan energi foton yang berasal dari cahaya matahari merupakan sumber daya melimpah dan tidak pernah habis hingga dunia ini berakhir. Berbeda dengan semikonduktor oksida lainnya, TiO2 memiliki stabilitas kimia yang tinggi, ramah lingkungan, dan biaya pengadaannya tidak mahal. Meskipun demikian hingga saat ini, efisiensi konversi energi foton menjadi hidrogen dengan memanfaatkan sifat fotokatalisis TiO2 secara ekonomi masih rendah. Salah satu penyebab utama permasalahan ini terjadi adalah karena terjadinya rekombinasi cepat dari lubang (holes) dalam pita valensi dengan elektron yang tereksitasi di pita konduksi yang menunjukkan besarnya foton yang tidak produktif. Dalam rangka merespon permasalahan ini, banyak penelitian telah menghantarkan suatu riset terhadap penekanan metode efektif melalui penambahan chemical additive sebagai donor elektron (sacrificial agents or hole scavengers) yang mampu membatasi/mencegah rekombinasi hole dan elektron melalui reaksi irreversible terhadap hole pada pita valensi. Tujuan makalah ini untuk mengkaji perkembangan terkini dari upaya peningkatan sifat fotokatalisis TiO2 dalam proses produksi hidrogen yang disebutkan diatas. Beberapa literatur telah menunjukkan beberapa senyawa organik (hidrokarbon) telah dicobakan untuk dijadikan sebagai donor elektron, seperti EDTA, metanol, etanol, CN-, formaldehid dan asam laktat. Hasilnya menunjukkan derajat peningkatan kemampuan produksi hidrogen yaitu EDTA>methanol>etanol>CN->asam laktat. Selanjutnya, riset berkelanjutan penting untuk dilakukan dengan menfokuskan pada penggunaan bahan alam yang mengandung senyawa organik sebagai sacrificial agents dalam upaya peningkatan produksi hidrogen di masa yang akan datang. Kata Kunci : fotokatalisis; Titanium (IV) oksida, donor elektron; hidrokarbon; hidrogen

PENDAHULUAN Gas CO2 dan gas rumah kaca lainnya merupakan salah satu pemicu terjadinya global warming. Secara global, emisi CO2 terus meningkat tajam dalam 20 tahun terakhir ini [1]. Sumber emisi CO2 terbesar berasal dari pembangkit komvensional berbahan bakar fosil. Di Indonesia, jumlah CO2 diramalkan meningkat sampai tahun 2025 dari 20 juta ton/tahun hingga mencapai 90 juta ton/tahun yang didominasi PLTU batubara (Gambar 1). Jika dilihat dari sudut pandang bahayanya

Gambar 1. Proyeksi emisi gas buang pembangkit listrik sampai tahun 2025, yang didominasi oleh PLTU batu bara

Semirata 2013 FMIPA Unila |219

Lenny Marlinda: Peranan Sacrificial Agents Untuk Meningkatkan Produksi Hidrogen Melalui Teknologi Fotokatalisis dengan TiO2

global warming bagi kelangsungan kehidupan di bumi, kadar CO2 dan gas rumah kaca lainnya harus segera diminimalisir dengan konsekuensi yang sangat berat. Konsekuensi tersebut secara umum berkenaan dengan pembiayaan [1]. Pembiayaan dapat meliputi penerapan teknologi penangkap CO2 maupun penerapan pembangkitan energi baru tanpa emisi CO2 (pengganti pembangkit konvensional) Salah satu konsekuensi pembiayaan dalam rangka proses meminimalisir kadar CO2 di udara adalah mengupayakan pembangkitan energi baru tanpa emisi CO2. Hal ini tentunya berdampak pada penekanan serendah mungkin terhadap penggunaan bahan bakar fosil sebagai energi primer. Sebagai gantinya, hidrogen sebagai energi carrier selain listrik disepakati oleh para pakar energi di negaranegara maju sebagai alternatif bahan bakar masa depan tanpa emisi CO2/no emission CO2. Hidrogen sebagai energy carrier menunjukkan keberadaannya sebagai energi yang mudah disimpan, mudah digunakan dan mudah dikonversi menjadi bentuk energi lainnya, seperti fuel cell. Sebagai energi carrier, hidrogen mempunyai high energy yield (122 kJ/g) jika dibandingkan dengan bahan bakar lain seperti gasoline (40 kJ/g) dan dapat disimpan dalam bentuk gas, cair, atau metal hydride dan dapat didistribusikan dengan jarak tempuh yang sangat jauh dengan jalur pemipaan dan tanki [11]. Karena pertimbangan ini, maka penelitian dan pengembangan hidrogen terus dikembangkan dengan sangat insentif untuk menyongsong era energi berbasis hidrogen yang diramalkan akan tercapai pada dasawarsa 2050 [3]. Meskipun beberapa teknologi produksi hidrogen memanfaatkan sumber daya fosil, citra hidrogen sebagai energi masa depan masih tergolong ramah lingkungan dan dibuktikan dengan dikeluarkannya road map fuel cell di Indonesia serta adanya prediksi harga bahan bakar hidrogen pada 2025 akan sama

220|Semirata 2013 FMIPA Unila

Gambar 2. Roadmap fuel cell dengan solar dan jumlah kadar emisi CO2 di bawah 45g/km, dibanding kadar emisi CO2 diesel sebesar 140g/km. [sumber : posting Direktorat Jenderal Energi Baru Terbarukan dan Konservasi Energi (EBTKE) tanggal 06 Februari 2013]. Berdasarkan Perpres No. 5/2006, hasil optimalisasi pengelolaan energi menunjukkan bahwa kontribusi energi dari biomassa, nuklir, air, surya dan angin.hanya sekitar 5% dari EBT. Dengan kata lain, lebih kurang 95% produksi hidrogen komersil dihasilkan dari teknologi proses berbahan bakar fosil. Namun energi foton yang bersumber dari cahaya matahari tetap menjadi pilihan sebagai sumber energi listrik potensial untuk proses elektrolisis air menjadi gas hidrogen. Teknologi produksi ini memanfaatkan semikonduktor sebagai photoelectroda dan fotokatalis yang mempu mengkonversi energi foton menjadi energi listrik untuk menguraikan air menjadi gas hidrogen, dikenal dengan teknologi fotoelektromia/fotoelektrolisis. Ide dasar keberlanjutan perrkembangan teknologi ini adalah dari pemikiran bahwa air dan energi foton merupakan sumber daya alam yang melimpah dan tidak pernah habis. Selain itu, teknologi ini sama sekali tidak menghasilkan gas CO2 selama proses (zero CO2 emission) Selama perkembangannya, teknologi produksi hidrogen – fotoelektrolisis


menghadapi berbagai macam tantangan yang harus dihadapi dan dicarikan solusi efektif dan efisien dalam rangka peningkatan laju produksi hidrogen yang berkaitan erat dengan peningkatan efisiensi sel/reaktor fotoelektrolis. Faktor lingkungan (seperti pH, kekuatan ion, komposisi larutan) mempengaruhi energetika semikonduktor, sifat-sifat katalis, dan stabilitas semikonduktor [5]. Energetika semikonduktor meliputi control celah pita dan studi permukaan. Sifat fotoelektrokimia dari katalis berkenaan dengan terjadinya potensial drop/potensial barrier pada sambungan/interface semikondukstor dan elektrolit. Secara paktek, semikonduktor yang stabil, efisien dan mampu menguraikan air menjadi hidrogen harus memenuhi empat kriteria secara bersamaan [6] yaitu (a). celah pita semikonduktor harus >1,7 eV atau berada diantara 1,6 eV – 1,7 eV dan tidak boleh melebihi 2,2 eV serta harus mempunyai serapan foton yang tinggi untuk efisiensi konversi, (b) ujung pita semikonduktor harus overlap/berhimpit dengan potensial redoks H2/H2O dan O2/H2O dibawah kondisi pelepasan H2/O2, (b). Perpindahan muatan yang menyeberangi interface semikonduktorliquid sebaiknya cepat, (d) permukaan semikonduktor sebaiknya stabil secara kimia dalam media berair/material durability. Beberapa material semikonduktor yang ada belum efektif memenuhi kriteria tersebut sebagai photoelectroda (posisi ujung pita energi semikonduktor III-V terlalu tinggi dan semikonduktor oksida terlalu rendah). Titanium (IV) oksida (TiO2) merupakan salah satu contoh semikonduktor oksida yang cukup diperhitungkan dalam proses penguraian air menjadi hidrogen. Jika dibandingkan dengan material semikonduktor lainnya (seperti CdS dan SiC), maka TiO2 memiliki stabilitas kimia yang tinggi, aktifitas katalitik yang kuat, umur pasangan electron-hole yang lebih

panjang, tidak mengalami fotokorosif, ramah lingkungan dan biaya pengadaannya tidak terlalu mahal [7]. Dalam perkembangannya, kelebihan yang dimiliki TiO2 tersebut belum mampu meningkatkan efisiensi konversi energi foton menjadi hidrogen. Hal ini dikarenakan beberapa alasan, yaitu : (a) rekombinasi dari pasangan electron-hole yang dibangkitkan foton : elektron pada pita konduksi dapat berekombinasi dengan lubang (hole) pada pita valensi sangat cepat dan melepaskan energi dalam bentuk panas dan foton yang tidak produktif, (b). reaksi balik yang cepat : penguraian air menjadi hidrogen dan oksigen adalah suatu proses peningkatan energi, sehingga reaksi balik (kombinasi H2 dan O2 menjadi air) berlangsung semakin mudah, (c) Ketidakmampuan menggunakan cahaya tampak : celah pita TiO2 kira-kira 3,2 eV dan hanya cahaya UV yang dapat digunakan untuk produksi hidrogen. Kontribusi pemakaian cahaya UV hanya kira-kira 4% dari total energi radiasi sedangkan cahaya tampak mencapai 50%. Dalam perkembangannya, salah satu usaha menanggulangi hambatan yang cukup rumit akibat penggunaan TiO2 dalam teknologi fotoelektrolisis produksi hidrogen adalah penambahan suatu chemical additives yang berperan sebagai donor elektron (sacrificial agents or hole scavengers) [7]. Dalam rangka mengkaji seberapa besar peran sacrificial agents dan kemungkinan adanya sumber daya alam yang dapat dijadikan sebagai chemical additives sebagai donor elektron dalam peningkatan produksi hidrogen pada suatu reaktor fotolektrolisis, penulis akan memaparkan berapa penelusuran literatur dan studi penelitian pendahuluan yang telah penulis lakukan. Melalui kajian ini, diharapkan teknik modifikasi fotokatalisis, khususnya untuk TiO2, seperti noble metal loading, metal ion doping, anion doping, dye sensitization, composite semiconductors, metal ion-implantation selanjutnya akan semakin berkembang dan



tentunya akan berdampak pada peningkatan teknologi produksi hidrogen – fotoelektrolisis. Perkembangan Reaktor Fotoelektrolisis Dengan TiO2 Desain reaktor fotoelektrolisis dengan TiO2 sebagai fotoelektroda berkembang seiring dengan semakin berkembangnya teknologi material dan melahirkan berbagai jenis material fotoelektroda yang variatif. Beberapa faktor mempengaruhi unjuk kerja suatu reaktor fotoelektrolisis yaitu sumber cahaya, konfigurasi geometri, bahan konstruksi, pertukaran panas, pengaduk dan karakteristik aliran [8]. Geometri fotoreaktor meliputi hubungan ruang antara reaktor dan sumber cahaya yang paling sering digunakan adalah silindris, parallel dan annular. Dalam semua kasus, penyinaran terjadi normal ke permukaan reaktor. Kuarsa adalah satu-satunya bahan yang sesuai untuk material konstruksi fotoreaktor dan ketebalan dinding reaktor karena mempertimbangkan adanya transmisi cahaya, meskipun kadangkala terdapat pilihan lain yaitu kaca optik dan kaca Pyrex. Kaca mempunyai konduktivitas panas yang rendah, sehingga peragkat yang cocok harus dirancang untuk menghilangkan panas yang dihasilkan oleh lampu. Selanjutnya, kontak antara reaktan, foton dan katalis difasilitasi dengan cara optimalisasi kinerja pengadukan [8].

Gambar 4. Sistem reaktor fotokatalisis penguraian air tipe-H

222|Semirata 2013 FMIPA Unila

Gambar 5. Batch photocatalytic reactor for H2 evolution. TiO2/ZnS/CdS composites for photocatalytic hydrogen production from water were prepared by homogeneous hydrolysis of aqueous solutions mixture of TiOSO4, ZnSO4, and CdSO4 with thioacetamide Sacrificial Agents Dalam Peningkatan Produksi Hidrogen Rekombinasi cepat antara elektron (pita konduksi/conduction band) dengan lubang/hole (pita valensi/valence band) yang dibangkitkan oleh energi foton merupakan hambatan ketercapaian penguraian air oleh fotokatalis TiO2 untuk menghasilkan hidrogen. Penambahan donor elektron untuk bereaksi secara irreversible dengan lubang/hole (VB) dapat meningkatkan pemisahan elektron-hole pada proses fotokatalisis yang mengindikasikan tercapainya efisiensi kuantum yang tinggi. Hal ini menunjukkan pentingnya penambaha secara kontinu donor elektron untuk menjaga keberlanjutan produksi hidrogen. Komponen organik (hidrokarbon) secara luas digunakan sebagai donor elektron pada proses fotokatalisis produksi hidrogen, VB hole (reduktor) mengoksidasi senyawa organik ini. Kekuatan reduksi yang kuat dari elektron pada conduction band (CB) dapat mengurangi proton menjadi molekul hidrogen.


Tabel 1. Laju produksi fotokatalitik produksi H2 dan O2 dalam suspensi Pt-TiO2 dengan adanya zat aditif.

EDTA (Ethylenediaminetetraacetic acid), methanol, ethanol, CN_, asam laktat dan formaldehyde telah diuji dan efektif untuk meningkatkan produksi hidrogen [7]. Berdasarkan penelitian kualitatif, diperoleh bahwa ada perbedaan derajat kemampuan donor elektron setiap senyawa tersebut untuk berperan meningkatkan produksi hidrogen, yaitu EDTA>methanol>ethanol>lactic acid [7]. Selama proses perkembangan fotokatalis TiO2, telah diuji sacrificial agents seperti 1,2-ethanediol, glycerol, erythritol, dan arabitol, merupakan rantai karbon yang semuanya mempunyai gugus hidroksil pada sistem foto-reaktor Pt-TiO2. Penelitian ini menunjukkan bahwa kemampuan donor elektron yang potensial dari suatu struktur sacrificial agents adalah suatu faktor penting dalam produksi hidrogen yang efektif [10].

Gambar 5. Reaksi fotoelektrolisis dengan adanya sacrificial agents

Tabel 1 memperlihatkan laju produksi hidrogen dengan menggunakan photoelectroda TiO2 yang disuspensikan dalam beberapa zat aditif dan Pt sebagai counter electrode. PERENCANAAN REAKTOR FOTOELEKTROLISIS (hasil studi pendahuluan) Perencanaan rancangan reaktor fotoelektrolisis ini didasari dari studi literatur mengenai pentingnya penambahan donor elektron pada reaksi fotoelektrolisis penguraian air menjadi gas hidrogen. Senyawa organik yang dapat digunakan sebagai sumber zat aditif pendonor elektron diambil dari daun keladi (colocasia esculenta) yang mengandung asam oksalat dan ion kalium (sebagai komponen terbesar dari daun keladi) [12] Berdasarkan studi pendahuluan yang telah dilakukan, adanya tekanan gas yang dihasilkan ditandai dengan kenaikan alat ukur dalam skala mmH2O, tekanan lebih stabil dan dalam rentang yang cukup panjang untuk menghasilkan gas. Berbeda jika tidak ada penambahan ekstrak daun keladi, tekanan gas yang dihasilkan berkurang dengan seiring waktu dan rata-rata berakhir pada menit ke-9 (rentang data dalam skala 5 menit). Setelah dilakukan diskusi dan pendalaman lebih lanjut, terdapat kekurangan dari studi pendahuluan ini yaitu ketidakmampuan mengatasi terjadinya reaksi balik (terbentukya kembali H2O dari reaksi H2 dan O2 yang dihasilkan akibat peningkatan energi yang terjadi dari penguraian air oleh energi foton) sehingga perlu dilakukan pemisahan antara gas H2 dan O2. Terbentuknya air kembali dapat dirasakan dari selang yang berada paling dekat dengan reaktor T = 40oC yang seharusnya panas namun terasa dingin jika disentuh. Berikut ini skema sederhana peralatan pada studi pendahuluan yang telah dilakukan :



Partial Fulfillment of the Requirement for the Degree of Doctor of Philosophy California Institute of Technology Pasadena

Gambar 6. Disain Peralatan keterangan gambar : 1. Waterbath 2. Larutan elektrolit dan photoanoda : fotokatalis TiO2, 3. Termometer, 4. Lampu xenon 170 W, 5. Pengaduk, 6 Manometer air, 7. Sel fotoelektrokimia, 8. Power supply, 9. Multimeter 10. Quartz window (jendela kaca kuarsa)

KESIMPULAN Setelah melalui tahap studi pendahuluan baik studi tentang konstruksi geometri fotoreaktor dan peran penting sacrificial agent dalam peningkatan produksi hidrogen, ada beberapa catatan penting untuk menjaga keberlanjutan pengembangan teknologi ini, yaitu (a) pilihan bahan konstruksi material dan geometri foto-reaktor haruslah memenuhi kriteria kelayakan untuk mengurangi terjadinya transmisi cahaya, memungkinkan penyinaran terjadi normal ke permukaan reaktor serta mempunyai efektifitas yang tinggi dalam usaha pemisahan gas H2 dan O2 yang dihasilkan, (b) mempersiapkan dengan maksimal metode preparasi fotokatalis TiO2 dengan adanya penambahan donor elektron dari senyawa-senyawa organik yang berasal dari bahan alam (mengingat bahan alam mempunyai kompleksivitas tinggi akan kandungan senyawa-senyawa kimia lainnya). DAFTAR PUSTAKA Katz, Jordan. E., (2008). Metal OxideBased Photoelectrochemical Cell For Solar Energy Conversion. Thesis in 224|Semirata 2013 FMIPA Unila

Sugiono, Agus. (2000). Prospek Penggunaan Teknologi Bersih untuk pembangkit listrik dengan bahan bakar batubara di Indonesia. Strategi Penyediaan Listrik Nasional dalam rangka mengantipasi PLTU Batubara berskala kecil, PLTN, dan Energi Terbarukan. Jurnal Teknologi Lingkungan, Vol.1, No.1, Januari 2000 : 90-95, ISSN 1411-318X Salimi, Djati. H., Finhari Ida N., (2008). Perbandingan Produksi Hidrogen dengan energy nuklir proses elektrolisis dan steam reforming. Pusat Pengembangan Energi Nuklir – BATAN Kudo, Akihiko., (2007). Photocatalysis and Solar Hydrogen Production. IUPAC Pure and Applied Chemistry 79, p. 19171927 Turner, Jhon A. (2007). Photoelectrochemical Water Systems for H2 Production. National Renewable Energy Laboratory (NREL). Presentation is presented at DOE Hydrogen Program Annual Merit Review and Peer Evaluation on May 15 – 18, 2007 in Arlington, Virginia Bansal A., Khaselev., Turner J A., (2000). Photoelectrochemical System Studies. National Renewable Energy Laboratory (NREL) 1617 Cole Boulevard, Golden, Colorado 80401. Proceedings of the 2000 DOE Hydrogen Program Review. Meng Ni., Leung Micahel K.H., (2007). The review and recent development in photocatalitic water-splitting using TiO2 for hydrogen production. Department of Mechanical Engineering. Renewable a sustainable Energy Reviews 11 page 401-425. Science Direct Ampelli, C, et all. (2007). Nano-engineered


materials for H2 production by water phoelectrolysis. Department of Industrial Chemistry and Materials Engineering, University of Messina Salita Sperone, 31-I-98166 Messina (Italy). Václav ˇStengl., Daniela Králová., (2011). TiO2/ZnS/CdS Nanocomposite for Hydrogen Evolution and Orange II Dye Degradation. Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy, Volume 2011, Article ID 532578, 14 pages doi:10.1155/2011/532578 Tsutomu

Shiragami,

Takayuki

Tomo,

Tomoko Matsumoto, and Masahide Yasuda., (2013). Structural Dependence of Alcoholic Sacrificial Agents on TiO2 Photocatalytic Hydrogen Evolution. Bulletin Of The Chemical Society Of Japan Volume 86, Number 3, March 2013. http://www.csj.jp/journals/bcsj/ Chi-Hung Liao, et. All. (2012). Hydrogen Production from Semiconductor-based Photocatalysis via Water Splitting. Catalysts ISSN 2073-4344. ww.mdpi.com/journal/catalysts


Peranan Sacrificial Agents Untuk Meningkatkan Produksi Hidrogen Melalui Teknologi Fotokatalisis dengan TiO 2

Recommend Documents