Sintesis dan Karakterisasi Membran Blending BenzilkitosanKitosan untuk Aplikasi Sel Bahan Bakar (Synthesis and Characterization of Blending Membrane of Benzylchitosan-Chitosan for Fuel Cell Application)
SKRIPSI
Fahriansyah NIM 10504051
PROGRAM STUDI KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
Abstract
Nafion® is the most popular proton exchange membrane, which is very suitable as an electrolyte in polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). However, the expensive price of Nafion® makes the application of PEMFC becomes unrealistic from the economic point of view. Thus, we need a cheaper membrane with high quality as an alternative to replaced Nafion®. Based on its structure, chitosan, an abundant natural polymer that extracted from shrimp shell, can be modified as a proton exchange membrane. Here, the proton conductivity of chitosan must be enhanced to ensure that this membrane can be applied in Fuel Cell. In this study, benzyl group is introduced to chitosan through etherification/amination process. The modified polymers are blending with chitosan in formic acid and casting as benzylchitosan-chitosan blend membranes. The mass ratio of benzylchitosan-chitosan in the blend membranes are 1:2, 1:1, and 2:1. The presence of benzyl group in the membrane matrix enhances the proton mobility as observed from the conductivity data. FTIR spectra show that the narrowing of the band at 3000-3500 cm-1 indicates the presence of the hydrophobic group in the polymer chain. The contact angle is observed to decrease with the benzylchitosan mass fraction. However, the proton conductivity and membrane potential increase with the mass fraction of benzylchitosan. Keyword: benzylchitosan, chitosan, proton exchange membrane, fuel cell.
ii
Abstrak
Hingga saat ini Nafion® masih menjadi membran standar dalam aplikasi PEMFC meskipun harganya yang mahal sehingga penggunaan PEMFC menjadi kurang ekonomis. Hal ini memacu pencarian membran alternatif yang lebih murah dan berkualitas. Ditinjau dari struktur kimianya, kitosan dari limbah kulit udang berpotensi menjadi membran penghantar proton. Pada penelitian ini, dilakukan pemasukan gugus benzil pada kitosan serta blending benzilkitosan-kitosan yang kemudian dicetak sebagai membran dengan perbandingan massa 1:2, 1:1, dan 2:1 dalam pelarut asam format. Kehadiran gugus benzil diharapkan mampu meningkatkan mobilitas proton dengan menurunkan interaksinya terhadap matriks membran. Masuknya gugus benzil pada kitosan dianalisis dengan spektrum infra merah dan sudut kontak, yang diamati sebagai penyempitan puncak dari gugus hidroksil pada 3000-3500 cm-1 dan peningkatan sudut kontak akibat penurunan hidrofilisitas. Selanjutnya membran dikarakterisasi dengan mengukur konduktivitas ion, potensial membran, dan Differential Scanning Calorimetry. Masuknya gugus benzil pada kitosan diamati meningkatkan konduktivitas proton dan potensial membran. Kata kunci: benzilkitosan, kitosan, membran penghantar proton, sel bahan bakar.
iii
Lembaran ini kupersembahkan untuk keluarga tercinta (Ayah, Ibu, A’ntib, Bambang&Fikri) semua kerabat dan teman senasib sepenanggungan (para penghuni wisma MCK) dan semua teman-teman kimia yang menyertai empat tahun perjalananku menyelesaikan studi sarjana di Program Studi Kimia
iv
Program Studi Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Bandung
Menerangkan bahwa Skripsi yang disusun oleh: Nama: Fahriansyah NIM: 10504051
telah disetujui sebagai persyaratan untuk mendapatkan gelar Sarjana Kimia
Bandung,
Juni 2008
Pembimbing I,
Pembimbing II,
Dr. Ing. Cynthia L. Radiman
Dr. Veinardi Suendo
NIP 130 604 382
NIP 132 232 822
v
Ucapan Terima Kasih
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah swt yang telah memberikan kesempatan, menuntun, mengarahkan, dan menunjukkan jalan atas semua persoalan yang dihadapi. Atas izin-Nya pula akhirnya penulis berhasil menyelesaikan pendidikan sarjana dengan penelitian berjudul ”Sintesis dan Karakterisasi Membran Blending Benzilkitosan-Kitosan untuk Aplikasi Sel Bahan Bakar” sebagai tugas akhirnya. Selama melakukan penelitian ini, penulis dibimbing oleh dua orang pakar di bidang membran yang sangat penulis kagumi. Kepada Ibu Cynthia, penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya atas segala bimbingan, bantuan dan masukanmasukannya. Untuk Pak Veinardi, yang senantiasa sabar menemani, bahkan membantu penulis untuk mencari solusi atas penelitian yang dilakukan. Terima kasih atas bantuan, kesabaran, dan ide-ide cerdasnya yang sangat kreatif dan luar biasa. Terima kasih juga penulis sampaikan kepada Pak Dhani, Pak Bambang Piluharto, Mas Edi, Ibu Entin, Pak Wahyo, Ibu Deana, dan Ibu Sadijah atas bantuan-bantuannya. Tak lupa juga kepada Pak Bambang Priamboedi, Pak Made, Pak Ahmad dan Pak Amin sebagai koordinator tugas akhir. Banyak sekali pengalaman yang dialami penulis selama melakukan penelitian ini. Pengalaman itu mengajarkan bahwa suatu keberhasilan memang disusun atas sejumlah kegagalan. Justru kegagalan itulah yang akhirnya membuat kita lebih kuat dan tahu apa yang terbaik dan apa yang seharusnya kita lakukan. Semua perjalanan ini tak dapat begitu saja penulis lalui tanpa dukungan doa yang tulus dari ayahanda dan ibunda tercinta, kakak dan adik-adik sekeluarga. Terima kasih atas segala yang telah kalian lakukan selama ini. Untuk rekanku Adit yang kecerdasannya sudah teruji, rekan satu bimbingan yang sering membantu dan banyak menyediakan fasilitas. Sudah tiga semester berlalu bersamamu, semoga perjalanmu di kehidupan berikutnya lebih mulus dan menyenangkan selalu.
vi
Penulis juga ingin menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada rekanrekan satu lab penelitian di LKFM (Lelly, Veli, Hana, Herlina, Eryth, Mutif). Satu tahun bekerja berdampingan dengan kalian, menjadi satu tahun yang tak kan terlupakan. Segala keluh kesah kita selama melakukan penelitian tugas akhir, terekam kuat dalam coretan kenangan lembur sampai larut dan memori Sabtu-Minggu yang menjenuhkan. Untuk Eni, Iis, Ratih, Hani, dan Dewi, anggota ”lab tetangga” yang sering mampir dan menyampaikan curhatan penelitiannya. Adanya Andre, Dikhi, Anson, Yoad, Dhani dan Maulana, yang menemani saat penulis lembur menginap di kampus menjadikan gedung selatan kimia bak hotel bintang lima yang ramai dengan aktivitas dan kaya akan fasilitas. Terima kasih untuk Ozi, Edo, dan Linda, atas cawan petri yang dipinjamkannya. Berkat petri itulah penulis bisa mencetak membran di minggu-minggu terakhir yang tersisa. Kepada Edu, Septin, Yudhis, teh Ferra dan seluruh penghuni lab biokim, terimakasih atas kerjasamanya yang tanpa pamrih. Tak lupa juga kepada Naldo dan Hendra atas kerjasamanya dalam pengukuran FTIR. Untuk Athya yang telah bersedia menemani penulis menginap di lab, dan untuk Azis, Gaos, Jalal, Samsi, dan aktivis himpunan lain yang tidak dapat disebutkan satu persatu. Untuk bang Rizal yang selalu menjadi teman dalam banyak hal, bung Jarwo dan seluruh angkatan 2004 kimia, terima kasih atas pengalaman empat tahun yang telah kalian berikan. Teruntuk Liza, terima kasih atas bantuannya sebagai asisten luar biasa dan perannya sebagai mitra setia, yang selalu menjadi sumber inspirasi dan solusi, yang membangunkan penulis untuk bangkit kembali menyelesaikan semua stagnansi yang terjadi. Juga atas saran, dukungan, serta doa yang telah diberikan. Begitu pula untuk semua AMISCA 2006, 2005, 2003, 2002, dan 2001. Akhir kata, penulis sangat mengharapkan segala masukan dan kritikan yang membangun dari siapapun yang mencintai ilmu dan kebenaran. Semoga apa yang sudah penulis lakukan dapat memperkaya khasanah keilmuan kimia di Indonesia khususnya dan bermanfaat bagi siapa saja yang memerlukan.
Penulis
vii
Daftar Isi
Abstract .................................................................................................................................... ii Abstrak .................................................................................................................................... iii Ucapan Terimakasih ............................................................................................................... vi Daftar Isi ............................................................................................................................... viii Daftar Tabel ............................................................................................................................. x Daftar Gambar ........................................................................................................................ xi Daftar Lampiran .................................................................................................................... xiii Bab 1
Pendahuluan ............................................................................................................. 1
1.1
Latar Belakang ......................................................................................................... 1
1.2
Rumusan Masalah .................................................................................................... 3
1.3
Tujuan Penelitian ..................................................................................................... 3
1.4
Ruang Lingkup Penelitian ........................................................................................ 3
Bab 2
Tinjauan Pustaka ...................................................................................................... 4
2.1
Krisis Energi ............................................................................................................ 4
2.2
Sumber Energi Alternatif ......................................................................................... 5
2.3
Sel Bahan Bakar (Fuel Cell) .................................................................................... 5
2.4
Polymer Electrolite Membrane Fuel Cells/Proton Exchange Membrane Fuel Cells
(PEMFCs) ............................................................................................................................ 7 2.5
Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) ........................................................................ 8
2.6
Membran Penghantar Proton untuk Sel Bahan Bakar.............................................. 9
2.7
Konduktivitas Proton ............................................................................................. 10
2.8
Mekanisme Transpor Ion pada Membran .............................................................. 10
2.9
Ketahanan Termal .................................................................................................. 12
2.10
Sudut Kontak ......................................................................................................... 13 viii
2.11
Potensial Membran ................................................................................................ 13
2.12
Polimer Alam ......................................................................................................... 15
2.13
Kitin dan Kitosan ................................................................................................... 16
2.14
Modifikasi Kitosan................................................................................................. 17
2.15
Benzilasi Kitin dan Kitosan ................................................................................... 17
Bab 3
Metode Penelitian .................................................................................................. 19
3.1
Alat dan Bahan Penelitian ...................................................................................... 19
3.2
Sintesis Kitosan ...................................................................................................... 21
3.3
Sintesis Benzilkitosan ............................................................................................ 22
3.4
Karakterisasi Polimer Menggunakan Spektrofotometer Infra Merah .................... 23
3.5
Sintesis Membran Blending Benzilkitosan-Kitosan............................................... 23
3.6
Karakterisasi Membran .......................................................................................... 23
Bab 4
Hasil dan Pembahasan ........................................................................................... 27
4.1
Sintesis Polimer Benzilkitosan............................................................................... 27
4.2
Analisis Spektrofotometri FTIR............................................................................. 28
4.3
Karakterisasi Membran Paduan (Blending) ........................................................... 31
Bab 5
Penutup .................................................................................................................. 41
5.1
Kesimpulan ............................................................................................................ 41
5.2
Saran ...................................................................................................................... 41
Daftar Pustaka ........................................................................................................................ 42 Lampiran ................................................................................................................................ 44
ix
Daftar Tabel
Tabel 2.1 Jenis-jenis sel bahan bakar ....................................................................................... 6 Tabel 3.1 Daftar peralatan yang digunakan selama penelitian .............................................. 19 Tabel 3.2 Daftar bahan yang digunakan selama penelitian .................................................... 20 Tabel 3.3 Kondisi pengukuran dengan DSC Analyzer........................................................... 26 Tabel 4.1 Puncak-puncak IR yang khas pada kitosan ............................................................ 29 Tabel 4.2 Sudut kontak membran .......................................................................................... 31 Tabel 4.3 Tabel suhu penguapan air (suhu keluarnya air dari dalam matriks membran) ...... 40
x
Daftar Gambar
Gambar 2.1 Sel bahan bakar jenis PEMFC dengan bahan bakar hidrogen.............................. 8 Gambar 2.2 Sel bahan bakar jenis DMFC dengan bahan bakar metanol ................................. 9 Gambar 2.3 Mekanisme transport proton pada membran kitosan ......................................... 11 Gambar 2.4 Struktur molekul kitin ........................................................................................ 16 Gambar 2.5 Struktur molekul selulosa ................................................................................... 16 Gambar 2.6 Struktur molekul kitosan .................................................................................... 17 Gambar 2.7 Reaksi benzilasi selulosa .................................................................................... 18 Gambar 3.1 Sudut kontak antara permukaan membran dengan tetesan air ........................... 24 Gambar 3.2 Sistem pengukuran konduktivitas dengan menggunakan .................................. 24 Gambar 3.3 Rangkaian alat pengukur potensial membran [17] ............................................. 25 Gambar 4.1 Reaksi benzilasi kitin ......................................................................................... 27 Gambar 4.2 Larutan benzilkitin dalam asam format .............................................................. 28 Gambar 4.3 Reaksi benzilasi kitosan ..................................................................................... 28 Gambar 4.4 Spektrum IR kitosan ........................................................................................... 29 Gambar 4.5 Spektrum IR benzilkitosan ................................................................................. 30 Gambar 4.6 Struktur kompleks ion Cu2+ dengan gugus-gugus hidroksil dan amina ............. 32 Gambar 4.7 Citra membran kitosan ....................................................................................... 33 Gambar 4.8 Membran blending benzilkitosan-kitosan 1:2 .................................................... 33 Gambar 4.9 Membran blending benzilkitosan-kitosan 1:1 .................................................... 34 Gambar 4.10 Membran blending benzilkitosan-kitosan 2:1 .................................................. 34 Gambar 4.11 Kontur intensitas gelap-terang membran. (a) kitosan. (b) benzilkitosan-kitosan 2:1. (c) benzilkitosan-kitosan 1:1. (d) benzilkitosan-kitosan 1:2 .............................. 35 Gambar 4.12 Kurva intensitas gelap-terang rata-rata terhadap posisi untuk membran kitosan dan membran blending benzilkitosan-kitosan........................................................... 36 xi
Gambar 4.13 Kurva konduktivitas membran pada berbagai persen massa benzilkitosan ..... 38 Gambar 4.14 Potensial membran dengan berbagai macam perbandingan komposisi blending .................................................................................................................................. 39
xii
Daftar Lampiran
Lampiran A Gambar Membran Kitosan dan Membran Blending Benzilkitosan-Kitosan ..... 45 Lampiran B Kurva Analisis Differential Scanning Calorimetry (DSC) ................................ 46 Lampiran C Analisis Potensial Membran .............................................................................. 50 Lampiran D Penentuan Derajat Deasetilasi Kitosan .............................................................. 51 Lampiran E Perhitungan Konduktivitas ................................................................................. 52
xiii
