Simulasi Dinamika Molekuler Proses Adsorpsi Hidrogen pada Carbon Nanotube dengan Lithium sebagai Unsur Doping

Simulasi Dinamika Molekuler Proses Adsorpsi Hidrogen pada Carbon Nanotube dengan Lithium sebagai Unsur Doping Ihsan Ahmad Zulkarnain1 1

Departemen Teknik Mesin, FT UI, Kampus UI Depok 16424 [email protected]

Abstrak Penggunaan gas hidrogen sebagai sumber energi pada sel bahan bakarmenjadikannya sebagai potensi sumber energi di masa depan. Salah satu permasalahan yang cukup perlu diperhatikan pada pemanfaatan hidrogen sebagai sumber energi ini adalah media penyimpanannya. Untuk dapat menyimpan hidrogen dalam jumlah besar, diperlukan tekanan operasi yang sangat tinggi dan temperatur yang sangat rendah. Penyimpanan hidrogen dapat ditingkatkan dengan pemanfaatan fenomena adsorpsi gas hidrogen pada media berporos seperti Carbon Nanotube (CNT). Kapasitas adsorpsi hidrogen pada CNT ini juga dapat ditingkatkan dengan menyisipkan unsur doping pada CNT. Salah satunya adalah dengan menyisipkan senyawa alkali metal seperti Lithium.Simulasi dinamika molekuler proses adsorpsi hidrogen pada CNT dengan Lithium sebagai unsur doping ini memberikan perkiraan bahwa kapasitas adsorpsi hidrogendapat meningkat hingga 100% dibandingkan dengan kapasitas adsorpsi hidrogen pada CNT tanpa doping Lithium pada tekanan 40 atm dan temperatur 293 K dari sebelumnya 1 wt% menjadi 2 wt%.

Abstract The uses of hydrogen gas as energy resources in fuel cell let it to be future energy resources potential. One of the problems which need to be concerned about the uses of hydrogen gas as energy resources is its storage medium. To be able to store hydrogen gas in large amount, very high operational pressure and very low operational temperature are required. Hydrogen storage capacity can be improved by using adsorption phenomena of hydrogen gas on porous medium like Carbon Nanotube (CNT). Hydrogen adsorption capacity of CNT can be improved too by inserting alkaline metal, such as Lithium, into CNT. Molecular dynamic simulation of hydrogen adsorption process on Lithium-doped CNT predicts that its hydrogen adsorption capacity can be improved until 100% compared to its hydrogen adsorption capacity without Lithium at pressure of 40 atm and temperature of 293 K from 1 wt% become 2 wt%. Keywords: Hydrogen, Carbon Nanotube, Molecular Dynamics Simulation, Lithium

1. PENDAHULUAN Sumber energi alternatif yang cukup menarik perhatian para peneliti saat ini adalah sumber energi dari sel bahan bakar hidrogen. Sel bahan bakar, sebagai teknologi konversi energi yang efisien, dan hidrogen, sebagai media penyimpan energi yang ramah lingkungan karena tidak menghasilkan gas efek rumah kaca, merupakan suatu kombinasi yang sangat berpotensi untuk menjadi sumber energi alternatif di masa depan. Sel bahan bakar hidrogen dapat diaplikasikan di berbagai sektor kebutuhan, seperti transportasi atau pembangkit listrik. Dalam penerapannya di sektor transportasi, sel bahan bakar hidrogen menemui beberapa kendala yang harus dihadapi. Gas hidrogen merupakan gas yang sangat reaktif. Dalam konsentrasi tertentu, gas hidrogen dapat membentuk campuran eksplosif dengan udara bebas yang akan meledak jika dipicu oleh api, panas, atau cahaya matahari. Oleh karena itu, teknologi penyimpanan gas

hidrogen haruslah dirancang sedemikian rupa untuk menjamin keamanan dalam pemanfaatannya sebagai sel bahan bakar. Selain masalah pencegahan kebocoran gas hidrogen ke udara bebas, teknologi penyimpanan gas hidrogen juga menemui masalah lain yang harus diatasi, yakni masalah besarnya volume alat penyimpanan gas hidrogen. Jika disimpan dalam bentuk fase gas dengan kondisi tekanan dan temperatur lingkungan, hidrogen memiliki volume per satuan massa yang sangat besar. Oleh karena itu, media penyimpanan gas hidrogen akan sangat besar dan menjadi tidak efisien saat digunakan sebagai tangki bahan bakar kendaraan. Kendala tersebut terjawab dengan ditemukannya ide sistem penyimpanan hidrogen dengan metode adsorpsi pada material berpori. Sistem ini dapat meningkatkan kapasitas penyimpanan hidrogen cukup baik karena densitas gas hidrogen yang teradsorpsi akan mendekati nilai densitasnya dalam fase cair. Material berpori yang yang dinilai

Simulasi dinamika..., Ihsan Ahmad Zulkarnain, FT-UI, 2013

efektif untuk digunakan sebagai media penyerap hidrogen adalah Carbon Nanotubes (CNT). Simulasi Dinamika Molekuler merupakan suatu teknik yang digunakan untuk memprediksi pergerakan molekul yang saling berinteraksi. Pergerakan molekul ini dipengaruhi oleh berbagai gaya interaksi antar molekul, salah satunya adalah gaya tarik-menarik antar massa molekul. Fenomena adsorpsi umumnya disebabkan oleh adanya gaya tarik-menarik ini. Selain itu, sebenarnya ada bentuk gaya lain yang cukup besar juga pengaruhnya terhadap pergerakan molekul, yakni gaya tarikmenarik dan tolak-menolak antar molekul bermuatan. Oleh karena itu, penyisipan senyawa yang dapat menginduksikan muatan pada CNT dapat menjadi suatu potensi peningkatan kapasitas adsorpsi hidrogen. Hasil penelitian Rao et al., 1997, menunjukkan bahwa doping logam alkali seperti Lithium pada CNT menghasilkan fenomena pergeseran posisi elektron sehingga meningkatkan karakteristik ionik CNT tersebut. Simonyan et al., 1999, menyatakan bahwa induksi muatan pada CNT ini dapat meningkatkan kapasitas adsorpsi hidrogen. Kemudian Chen et al., 1999, menunjukkan hasil peneilitiannya bahwa doping Lithium pada CNT dapat meningkatkan kapasitas adsorpsi hingga 20% fraksi massa adsorben pada proses pendinginan dari temperatur 670 K – 470 K pada tekenan 1 atm. Dengan hasil penelitian kapasitas adsorpsi yang sangat besar ini, Ralph T. Yang, 2000, melakukan penelitian yang sama dengan menggunakan gas hidrogen kering dan memberikan hasilnya klarifikasi mengenai besar kapasitas adsorpsinya yakni hanya sekitar 2% fraksi massa adsorben. Pinkerton et al., 2000, menjelaskan bahwa kapasitas adsorpsi 20% yang dilaporkan oleh Chen disebabkan penelitian dilakukan menggunakan gas hidrogen yang masih mengandung uap air sehingga uap air ikut terserap ke dalam Li-CNT membentuk senyawa Li(OH).H2O. Namun demikian, dengan kapasitas adsorpsi sebesar ini pada tekanan 1 atm, doping Lithium pada CNT cukup diperhitungkan sebagai cara peningkatan kapasitas adsorpsi hidrogen. Oleh karena itu, penelitian lebih lanjut mengenai fenomena adsorpsi pada Li-CNT terus dikembangkan. (Yang et al., 2003 [1])

Hal tersebutlah yang mendasari penelitian ini. Senyawa Lithium dipilih sebagai senyawa doping yang akan disisipkan pada CNT. Kapasitas adsorpsi hidrogen pada Li-CNT tersebut kemudian akan dievaluasi pada berbagai variasi tekanan dan temperatur dengan menggunakan metode Simulasi Dinamika Molekuler (SDM).

2. METODE PENELITIAN Penelitian yang dilakukan kali ini menggunakan software LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) yang dikembangkan oleh Sandia National Laboratories, Departemen Energi Amerika. Dalam melakukan penelitian simulasi dinamika molekul ini, hal-hal yang harus dipersiapkan antara lain: molekul-molekul yang akan disimulasikan, datadata karakteristik molekul-molekul tersebut, volume simulasi yang akan digunakan, inisialisasi koordinat molekul, perancangan simulasi dengan software LAMMPS, Pengambilan data dengan variasi tekanan dan temperatur, serta visualisasi hasil simulasi.. Volume Simulasi yang digunakan tergantung pada diameter dan panjang CNT yang akan disimulasikan. Dimensi dari volume simulasi ditentukan berdasarkan perbandingannya dengan ukuran CNT seperti yang digambarkan pada gambar 1. Ukuran CNT yang digunakan dalam simulasi kali ini yaitu CNT berbentuk armchair dengan indeks chirality (8,8) dan panjang 4 nm. Pemilihan ukuran CNT ini didasarkan pada besar diameter rata-rata CNT yang dapat diproduksi yakni berkisar antara 1 – 1,2 nm. Oleh karena itu, CNT yang dipilih adalah CNT (8,8) yang memiliki diameter sekitar 1,08 nm. Sehingga besarnya dimensi dari volume simulasi adalah 2 nm x 2 nm x 8 nm. Yakni sebesar 32 nm3. Koordinat Lithium dirancang dengan berdasar pada teori fungsi densitas, dimana Lithium akan memposisikan diri pada potensial terrendah dengan CNT yakni 2 Angstrom tepat di atas pusat heksagonal CNT.

Gbr 1. Dimensi ruang CNT


Untuk melakukan simulasi dinamika molekul dengan menggunakan software LAMMPS, hal-hal yang harus dipersiapkan antara lain: koordinat molekul; volume simulasi; data-data simulasi seperti massa atom molekul dan parameter interaksi antar molekul (parameter Lennard-Jones); penentuan ensemble simulasi; variasi data temperatur dan tekanan yang akan disimulasikan; serta output dari simulasi yakni berupa data koordinat molekul dan temperatur sistem selama simulasi. Parameter potensial Lennard-Jones meliputi besarnya nilai energi potensial minimum [ε] dan jarak dimana potensial sama dengan nol [σ]. Nilai ε merepresentasikan besarnya energi kinetik yang dibutuhkan oleh suatu molekul untuk dapat terbebas dari ikatan antar molekul sesama jenisnya. Dengan kata lain, semakin besar nilai ε, maka semakin tinggi pula temperatur didih material tersebut. (

)

[(

)

(

) ]

(1)

Untuk nilai parameter interaksi antara molekul yang berbeda jenis, maka nilai parameter LennardJones yang digunakan dapat dihitung dengan berdasar pada teori campuran Lorentz-Berthelot yang menyatakan bahwa nilai parameter energi suatu campuran adalah nilai rata-rata geometrik keduanya dan nilai parameter jarak suatu campuran adalah nilai rata-rata aritmatik keduanya. √

(2) (3)

Nilai parameter Lennard-Jones yang digunakan dalam simulasi disajikan pada tabel 1 Nilai tersebut adalah nilai yang diambil berdasarkan penelitian Tahery, 2007 [2] dan Tildesey, 1987 [3]. Untuk CNT yang didoping oleh Lithium, maka nilai parameter Lennard-Jones tidak bisa diestimasi menggunakan teori campuran Lorentz-Berthelot karena karakteristik ionik CNT meningkat setelah didoping dengan Lithium (Rao et al, 1997) [1]. Sehingga nilai parameter Lennard-Jones harus diestimasi dengan disimulasikan menggunakan teori fungsi densitas yang akan menghasilkan besar nilai energi adsorpsi Lithium pada CNT dan nilai energi adsorpsi gas hidrogen pada CNT yang telah didoping Lithium tersebut.

Pada penelitian kali ini, nilai parameter Lennard-Jones diestimasi berdasarkan hasil penelitian Cho et al., 2007 [4]. Cho melakukan simulasi pengaruh doping Lithium pada CNT dengan menggunakan teori fungsi densitas. Keberadaan Lithium meningkatkan karakteristik ionik pada CNT sehingga gaya interaksi antara molekulnya pun akan berubah. Cho menyatakan bahwa energi adsorpsi hidrogen pada CNT akan berbeda-beda sesuai posisinya terhadap Lithium. Pada bagian CNT yang jauh dari Lithium, energi adsorpsi hidrogen akan meningkat sebesar 20% dibandingkan dengan CNT murni, yakni 2,2 kcal/mol menjadi 2,6 kcal/mol. Sedangkan pada bagian yang dekat dengan Lithium, energi adsorpsi hidrogen akan meningkat hingga dua kali lipat dibandingkan dengan energi adsorpsi pada CNT murni, yakni 4,4 kcal/mol. Berdasarkan nilai peningkatan energi adsorpsi tersebut, maka nilai parameter Lennard-Jones untuk simulasi adsorpsi hidrogen pada Li-CNT dapat diestimasi dengan melakukan simulasi minimalisasi energi pada CNT dengan doping satu buah Lithium dan satu molekul gas hidrogen (lihat gambar 2). Nilai parameter Lennard-Jones pada simulasi minimalisasi energi tersebut akan terus disesuaikan hingga didapatkan nilai energi adsorpsi hidrogen sesuai dengan besar peningkatan energi adsorpsi hidrogen pada penelitian yang dilakukan Cho et al. Nilai parameter Lennard-Jones tersebut dijabarkan pada tabel 2. Tabel 2. Nilai parameter Lennard-Jones untuk simulasi pada Li-CNT Molekul H-H C-C Li-Li H-C H-Li C-Li

[kcal/mol] 0.050 0.101 0.025 0.090 0.700 6.000

[Å] 2.81 3.35 2.18 3.08 2.495 2.765

Tabel 1. Parameter potensial Lennard-Jones Molekul H-H C-C H-C

[kcal/mol] 0.050 0.101 0.071

[A] 2.81 3.35 3.08

Gbr 2. Simulasi minimisasi energi untuk mendapatkan nilai parameter Lennard-Jones (biru: CNT, ungu: Lithium, merah: Hidrogen)


Gbr 3. Energi ikatan antar atom hidrogen Dalam melakukan simulasi dinamika molekul, bukan hanya interaksi dengan potensial LennardJones saja yang dimodelkan, tapi juga interaksi dalam ikatan molekul. Energi ikatan molekul tersebut didekatkan dengan persamaan ikatan harmonik berikut, (4) Dengan K adalah konstanta ikatan harmonik, R adalah jarak antar atom, dan Rc adalah jarak equilibrium antar atom dalam suatu ikatan. Untuk ikatan dalam gas hidrogen, jarak ikatannya adalah 0,74 Angstrom dengan besar energi ikatan 436 kJ/mol. Energi ikatan ini digambarkan dalam grafik berikut pada gambar 3. Dengan nilai energi ikatan dan jarak ikatan equilibrium tersebut, maka nilai K yang paling sesuai adalah 66890,33 kJ/molA2 atau sekitar 15987,17 kkal/molA2. Simulasi dinamika molekul pada proses adsorpsi ini diasumsikan terjadi pada kondisi adiabatik, dimana energi total sistem dijaga konstan. Maka jenis ensemble simulasi yang cocok digunakan pada proses ini adalah ensemble mikrokanonikal (N, V, E). Tekanan dan temperatur yang divariasikan adalah temperatur akhir proses simulasi dinamika molekuler. Tekanan divariasikan antara 10-80 atm, dan temperatur divariasikan dari 263 K, 293 K, dan 323 K.

Untuk mendapatkan variasi data keluaran simulasi tersebut, maka data temperatur awal simulasi divariasikan antara 233 K, 253 K, 273 K, 283 K, 313 K, dan 323 K. Serta untuk mendapatkan variasi tekanan, jumlah molekul hidrogen yang disimulasikan pun divariasikan dari sekitar 74 sampai 172 molekul gas hidrogen. Data hasil keluaran simulasi berupa data fluktuasi temperatur dan koordinat molekul dalam ruang simulasi. Kedua output inilah yang akan diolah untuk menganalisa karakteristik proses adsorpsi. Simulasi dinamika molekul dengan ensemble mikrokanonikal menjaga energi total sistem tetap konstan. Hal ini menyebabkan temperatur sistem cenderung meningkat selama proses adsorpsi yang bersifat eksotermis. Maka data yang akan diolah adalah data fluktuasi temperatur sistem. Saat temperatur sistem sudah relatif stabil, maka saat itu sistem dianggap telah mencapai kondisi equilibriumnya. Pada saat itulah data temperatur dan konsentrasi adsorbat diolah untuk mendapatkan tekanan equilibrium sistem pada proses adsorpsi.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN Simulasi dilakukan dengan terlebih dahulu mengikuti pemodelan yang dibuat oleh Banerjee, 2008 [5]. Banerjee melakukan pemodelan simulasi dinamika molekuler proses adsorpsi hidrogen pada CNT yang didoping Lithium. Dalam pemodelan ini, Banerjee mengasumsikan Lithium didoping pada CNT dalam bentuk nanowafer yang menjadi penghubung antar ujung CNT (lihat gambar 4).

Gbr 4. Pemodelan simulasi Banerjee (2008)


Gbr 5. Lithium teradsorp permukaan CNT

sebagai

ion

pada

Pemodelan ini dinilai kurang tepat jika ditinjau dari berbagai literatur lain yang menyatakan bahwa Lithium sebagai ion yang terdoping pada CNT akan cenderung terserap pada permukaan CNT, tepat di atas tengah heksagonal CNT seperti pada gambar 5 (Cho et al., 2008 [4]). Selain mengkoreksi pemodelan posisi Lithium, pendekatan metode menjaga temperatur pada pemodelan Banerjee yang menggunakan temperaturerescaling pun diteliti dengan meninjau temperatur sebenarnya pada gas hidrogen yang teradsorp dan yang masih bebas (lihat gambar 6). Gambar 6 menunjukkan bahwa terjadi perbedaan temperatur yang cukup signifikan antara

gas hidrogen yang teradsorp dengan gas hidrogen bebas.Ini menandakan pendekatan metode temperature-rescaling pada pemodelan Banerjee kurang tepat.Untuk membandingkannya, maka simulasi selanjutnya dilakukan tanpa metode temperature-rescaling. Hasil simulasi ini kembali diteliti dengan meninjau fluktuasi temperatur gas hidrogen selama simulasi proses adsorpsi. Tanpa metode temperature-rescaling, maka kalor yang dihasilkan oleh proses adsorpsi akan menyebabkan temperatur sistem meningkat. Hal ini ditunjukkan pada gambar 4.4, dimana temperatur gas hidrogen yang telah terserap akan secara signifikan naik hingga 400 K. Total energi kalor yang dilepaskan oleh proses adsorpsi berubah menjadi energi kinetik gas hidrogen itu sendiri sehingga temperaturnya naik secara signifikan. Pada fenomena adsorpsi yang sebenarnya, kalor yang dilepas oleh proses adsorpsi tidak sepenuhnya diserap oleh adsorbat, melainkan diserap juga oleh adsorben. Sehingga temperatur tidak meningkat terlalu signifikan karena kalor jenis adsorben relatif lebih tinggi dibandingkan kalor jenis adsorbat dalam fasa gas. Pada pemodelan simulasi yang dilakukan oleh Banerjee, molekul CNT yang bertindak sebagai adsorben dianggap diam sehingga tidak dapat menerima kalor atau melepaskan kalor sama sekali. Inilah yang menyebabkan total energi kalor adsorpsi berubah menjadi energi kinetik pada molekul gas hidrogen yang teradsorp.

Gbr 6. Fluktuasi temperatur gas hidrogen tanpa temperature-rescaling


Gbr 7. Fluktuasi temperatur gas hidrogen pada pemodelan Banerjee Untuk mendapatkan pemodelan yang lebih tepat, maka simulasi selanjutnya dilakukan dengan membuat CNT dapat bergerak bebas juga sehingga dapat merepresentasikan temperatur molekul CNT tersebut. Sebagai karbon nanostructure, CNT dianggap berfase solid, sehingga pergerakan molekulnya hanya dalam bentuk gerakan bergetar saja. Hasil simulasi ini kembali diteliti dengan meninjau fluktuasi temperatur selama simulasi proses adsorpsi. Dengan mengsimulasikan sistem dimana CNT dapat ikut bergerak, maka CNT sebagai adsorben dapat menerima atau melepas kalor juga.Oleh karena itu kalor adsorpsi dapat diserap oleh CNT juga. Hal ini lebih memenuhi kaidah perpindahan panas. Pada gambar 7, ditunjukkan bahwa temperatur CNT sebagai adsorben cenderung meningkat namun tidak

terlalu signifikan.Hal ini dikarenakan CNT sebagai karbon nanostruktur memiliki nilai kapasitas kalor yang lebih tinggi. Walaupun simulasi ini menunjukkan bahwa temperatur rata-rata sistem relatif naik, namun kenaikan temperatur ini tidak terlalu signifikan sehingga masih dapat diterima sebagai hasil simulasi yang mendekati fenomena yang sebenarnya. Proses adsorpsi fisis yang reversibel menyebabkan jumlah adsorbat selamat proses adsorpsi tidak selalu konstan setiap waktunya. Jumlah molekul adsorbat ini cenderung meningkat dan perlahan stabil ketika sudah mencapai kondisi kesetimbangan adsorpsi. Pada gambar 8 berikut ini disajikan data fluktuasi jumlah adsorbat selama simulasi proses adsorpsi untuk data pada temperatur 253 K dan jumlah molekul gas hidrogen 75 molekul.

Gbr 8. Fluktuasi jumlah adsorbat selama simulasi proses adsorpsi


Gbr 9. Fluktuasi tekanan selama simulasi proses adsorpsi Sama halnya dengan fluktuasi temperatur proses adsorpsi yang cenderung meningkat dan kemudian stabil, konsentrasi adsorbat pun memiliki kecenderungan yang sama selama proses adsorpsi. Jumlah adsorbat yang telah stabil menunjukkan sistem sudah berada pada kondisi kesetimbangan adsorpsi. Penggunaan ensemble mikrokanonikal (N, V, E) menyebabkan jumlah partikel dalam ruang simulasi selalu konstan. Hal tersebut menyebabkan jumlah molekul gas hidrogen bebas pada ruang simulasi akan terus berkurang selama proses adsorpsi terjadi. Karena hanya molekul gas hidrogen bebas yang berkontribusi pada tekanan ruang simulasi. Maka tekanan ruang akan cenderung menurun seiring

dengan berkurangnya jumlah molekul gas hidrogen bebas. Pada gambar 9, ditunjukkan bahwa tekanan proses adsorpsi pada CNT dengan doping Lithium menurun relatif lebih cepat dan lebih besar dibandingkan dengan tekanan proses adsorpsi pada CNT murni. Hal ini mengindikasikan CNT dengan doping Lithium menyerap lebih banyak adsorbat dibandingkan dengan CNT murni. Keberadaan Lithium pada CNT dapat mempengaruhi kapasitas adsorpsi gas hidrogen pada CNT tersebut. Gambar 10 dan gambar 11 secara kualitatif menunjukkan konsentrasi adsorbat pada CNT dengan doping Lithium lebih besar dibandingkan pada CNT murni.

Gbr 10. Visualisasi posisi hidrogen pada CNT murni

Gbr 11. Visualisasi posisi hidrogen pada Li-CNT


Hasil simulasi pada berbagai variasi temperatur dan tekanan awal menghasilkan data konsentrasi adsorpsi pada berbagai tekanan dan temperatur equilibrium. Temperatur equilibrium dikelompokkan kedalam tiga nilai temperatur yang mendekati, yakni 263 K, 293 K, dan 323 K. Kemudian kapasitas adsorpsi dikorelasikan den tekanan equilibrium menggunakan pendekatan persamaan Freundlich sebagai berikut: (6) Dengan x = jumlah adsorbat, m = massa adsorben, k = konstanta adsorpsi, P = tekanan equilibrium, n = faktor korelasi.

Pendekatan Freundlich merepresentasikan fenomena dimana kapasitas adsorpsi sebanding dengan tekanan equilibriumnya. Namun besarnya peningkatan kapasitas adsorpsi cenderung menurun pada tekanan yang lebih tinggi. Hasil pengolahan data simulasi ini direpresentasikan dalam grafik pada gambar 12 dan gambar 13. Sama halnya dengan adsorpsi pada CNT murni, proses adsorpsi gas hidrogen pada CNT dengan doping Lithium memiliki kecenderungan yang sama, yakni semakin tinggi tekanan equilibrium proses adsorpsi menyebabkan semakin besarnya kapasitas adsorpsi. Sebaliknya, semakin rendah temperatur proses adsorpsi, maka semakin besar konsentrasi adsorbat.

Gbr 12. Hubungan tekanan - kapasitas untuk CNT tanpa Lithium

Gbr 13. Hubungan tekanan-kapasitas untuk Li-CNT


Gbr 14. Perbandingan kapasitas adsorpsi CNT murni dan Li-CNT Lithium yang didoping pada permukaan CNT tentunya mempengaruhi karakteristik proses adsorpsi gas hidrogen pada CNT tersebut. Pengaruh tersebut ditunjukkan pada gambar 14 yang menggambarkan perbandingan konsentrasi adsorpsi hidrogen pada CNT tanpa dan dengan doping Lithium pada berbagai temperatur. Hasil ini menunjukkan keberadaan Lithium pada CNT dapat meningkatkan kapasitas adsorpsi gas hidrogen. Pada tekanan 40 atm dan temperatur 293 K, kapasitas adsorpsi meningkat hampir 100% dari sebelumnya 1 wt% menjadi 2 wt%. Untuk tujuan validasi, hasil simulasi dinamika molekuler proses adsorpsi pada CNT tanpa Lithium ini harus dibandingkan dengan hasil eksperimen yang meneliti kesetimbangan isoterm adsorpsi CNT pada

temperatur lingkungan yakni sekitar 293 K. Berikut pada gambar 15 disajikan perbandingan hasil simulasi dengan hasil eksperimen yang dilakukan oleh Anson et al, 2004 [6], Smith, 2002 [7], dan Gallego, 2003 [8]. Hasil perbandingan ini menunjukkan adanya perbedaan yang cukup signifikan antara hasil simulasi dengan hasil eksperimen.Perbedaan ini bisa disebabkan oleh kesalahan dalam memilih besar nilai parameter Lennard-Jones. Pada bab metodologi, besar nilai parameter Lennard-Jones untuk interaksi antar molekul hidrogen memiliki variasi berdasarkan pada beberapa literatur. Dari variasi tersebut, besar nilai parameter Lennard-Jones yang dipilih adalah besar nilai yang disajikan oleh Tahery (2007), yakni ε 0,05 kcal/mol atau sekitar 0,2092 kJ/mol.

Gbr 15. Perbandingan hasil simulasi dengan hasil eksperimen untuk kapasitas adsorpsi CNT murni pada temperatur lingkungan, 290 – 297 K.


Dengan perbedaan yang cukup signifikan antara hasil simulasi dengan hasil eksperimen ini mengimplikasikan bahwa besar nilai parameter Lennard-Jones yang berdasar pada Tahery (2007) kurang tepat.Oleh karena itu, hal ini memunculkan peluang penelitian selanjutnya, yakni mengenai pemilihan besar nilai parameter Lennard-Jones yang lebih tepat untuk mendapatkan hasil simulasi yang lebih mendekati hasil eksperimen. Salah satu cara memilih besar nilai parameter yang lebih tepat ini adalah dengan menggunakan kalkulasi densitas elektron pada mekanaki quantum untuk mengestimasi besar energi interaksi molekul. Sedangkan untuk simulasi dinamika molekuler proses adsorpsi dengan doping Lithium, hasil kesetimbangan isoterm-nya belum bisa divalidasi dengan hasil eksperimen karena eksperimen yang telah dilakukan sebelumnya memiliki konfigurasi yang berbeda dengan yang disimulasikan (temperatur operasi dan mekanisme pengukuran). Tapi jika hanya untuk perbandingan saja pada tekanan 1 atm, maka didapatkan perbedaan yang cukup jauh antara hasil simulasi dengan hasil eksperimen yang dilakukan Yang (2000). Hasil simulasi menunjukkan kapasitas adsorpsi tidak lebih dari 0,5 wt%, sedangkan Yang menyatakan kapasitas adsorpsi bisa mencapai 2,5 wt%. Perbedaan hasil yang cukup signifikan ini bisa disebabkan oleh keterbatasan simulasi yang hanya dilakukan pada rentang waktu simulasi sekitar 25 nanosekon saja. Sedangkan pada eksperimen, proses adsorpsi bisa mencapai 1 jam atau sekitar 3600 sekon. Selain itu perbedaan ini juga bisa disebabkan oleh perbedaan metode pengukuran yang digunakan oleh eksperimen. Pada penelitiannya, Yang (2000) menggunakan metode termogravimetrik, yakni dengan memvariasikan temperatur sistem untuk mendapatkan perubahan massa sistem yang merepresentasikan perubahan jumlah hidrogen yang teradsorp. Sedangkan pada simulasi kali ini, sistem dijaga energi totalnya (proses adiabatik), sehingga temperatur dibiarkan berfluktuasi sesuai dengan proses adsorpsi dan desorpsi yang terjadi. Oleh karena itu, hasil simulasi dinamika molekuler ini tidak bisa dijadikan sebagai acuan pasti konsentrasi adsorpsi maksimum untuk CNT dengan doping Lithium. Tapi diharapkan hasil simulasi ini menjadi suatu representasi dari besarnya pengaruh keberadaan Lithium sebagai unsur doping pada CNT terhadap kapasitas adsorpsi gas hidrogen.

4. KESIMPULAN Penyerapan hidrogen oleh CNT meningkat sebanding dengan meningkatnya tekanan operasi. Penyerapan hidrogen oleh CNT meningkat sebanding dengan menurunnya temperatur operasi. Keberadaan Lithium dapat meningkatkan kapasitas penyerapan hidrogen oleh CNT hingga sekitar 100% dari

sebelumnya 1 wt% menjadi 2 wt% pada tekanan 40 atm dan temperatur 293 K. Nilai parameter Lennard-Jones yang lebih tepat sebaiknya diambil dari hasil simulasi mekanika quantum dengan teori fungsi densitas dengan konfigurasi CNT dan rasio doping yang sama.

UCAPAN TERIMA KASIH Penulis menyampaikan terima kasih kepada Dinas Pendidikan Tinggi Kementerian Pendidikan dan Budaya Republik Indonesia atas dukungannya dengan program Beasiswa Unggulan (BU) yang membiayai pendidikan studi sarjana dan magister penulis dalam program fast track di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Penulis juga secara khusus menyampaikan terima kasih kepada Plimpton et al. [9] yang telah memberikan kesempatan kepada seluruh peneliti ataupun akademisi di dunia, termasuk penulis, dalam menggunakan program open-source miliknya untuk tujuan penelitian simulasi dinamika molekuler. Tidak lupa, penulis juga menyampaikan ucapan terima kasih kepada dosen pembimbing, keluarga, dan semua pihak yang mendukung dalam penyusunan skripsi ini.

DAFTAR ACUAN [1] Yang, R. T. (2003). Adsorbents: Fundamentals and Applications. Canada: Wiley Interscience. [2] Tahery et al. (2007).Lennard-Jones Energy Parameter for Pure Fluids from Scaled Particle Theory. Iran. J. Chem. [3] Tildesley, D. J. (1987).Computer Simulation of Liquids.Oxford: Clarendon Press. [4] Cho J. H., Park C. R. (2007). Hydrogen storage on Li-doped single-walled carbon nanotubes: Computer simulation using the density functional theory. Elsevier: Catalysis Today. [5] Banerjee S. (2008). Molecular Simulation of Nanoscale Transport Phenomena. Virginia: Virginia Polytechnic Institute and State University. [6] Anson, A. et al. (2004). Hydrogen adsorption on a single-walled carbon nanotube material: a comparative study of three different adsorption techniques. Institute of Physics Publishing. [7] Smith, M. R. et al. (2002). Activating SingleWalled Carbon Nanotubes for Hydrogen Adsorption. US Department of Energy: Fuel Chemistry Division Preprints. [8] Gallego, N. C. et al (2003). Carbon Materials for Hydrogen Storage.Oak Ridge National Laboratory. [9] Plimpton, S. (1995). Fast Parallel Algorithm For Short-Range Molecular-Dynamics. Journal of Computational Physics , 1-19.


Simulasi Dinamika Molekuler Proses Adsorpsi Hidrogen pada Carbon Nanotube dengan Lithium sebagai Unsur Doping

Recommend Documents