...

KE08 - Universitas Trisakti

by user

on
Category: Documents
1

views

Report

Comments

Transcript

KE08 - Universitas Trisakti
SNTMUT - 2014
ISBN: 978-602-70012-0-6
SIMULASI PENGARUH OPTIMALISASI STRUKTUR KARBON NANOTUBE
PADA PENINGKATKAN ENERGI ADSORPSI HIDROGEN
Supriyadia), Nasruddinb), Engkos A. Kosasihb) dan Ihsan Ahmad Zulkarnainb)
a)
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Industri, Universitas Trisakti
Jl, Klyai Tapa No. 1, Grogol, Jakarta Barat 11440
Email: [email protected]
b)
Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia
Kampus Baru UI, Depok
Abstrak
Teknik penyimpanan hidrogen dengan metoda adsorpsi dianggap sebagai salah satu
metoda yang paling aman dan sangat menjanjikan untuk diaplikasikan di masa mendatang.
Untuk mencapai target yang ditetapkan olek Departemen Energi Amerika Serikat sebesar
9,0 wt% pada tahun 2015 berbagai upaya untuk mencari material yang potensial sebagai
media untuk media penyimpan hidrogen terus dilakukan. Salah satu material yang sangat
menarik untuk diteliti adalah karbon nanotube. Karbon nanotube dikenal sebagai material
yang memiliki luas permukaan dan volume pori yang besar. Penelitian untuk meningkatkan
performa karbon nanotube untuk menyimpan dan melepas hirogen saat dibutuhkan masih
menjadi tema yang sangat menarik untuk dikaji hingga saat ini. Studi eksperimental dari
banyak penelitian yang telah dilakukan menunjukkan bahwa besarnya energi adsorpsi
karbon nanotube terhadap hidrogen masih sangat beragam, oleh karenanya diperlukan
berbagai kajian untuk memvalidasi hasil eksperimen tersebut. Salah satu metoda yang
banyak dilakukan adalah studi komputasi. Dalam penelitian ini studi komputasi dilakukan
dengan menggunakan simulasi dinamika molekul. Parameter yang akan menjadi fokus
utama penelitian adalah diameter, panjang dan chiralitas karbon nanotube. Dengan
menggunakan ketiga parameter tersebut akan disimulasikan struktur karbon nanotube yang
memiliki energi adsorpsi optimum. Energi adsorpsi yang diperoleh terkait langsung dengan
jari-jari kesetimbangan adsorpsi yang selanjutnya akan dijadikan sebagai parameter utama
untuk menentukan kapasitas adsorpsi terhadap hidrogen.
Kata Kunci: hidrogen, karbon nanotube, energi adsorpsi, kapasitas, adsorpsi, simulasi
dinamika molekul
Pendahuluan
Sumber energi alternatif yang banyak menarik perhatian pada saat ini adalah
sumber energi dari sel bahan bakar hidrogen. Sebagai teknologi konversi energi, hidrogen
sangat efisien karena memiliki efisiensi termal yang tinggi (Supriyadi, 2013). Hidrogen
juga ramah terhadap lingkungan karena sisa pembakaranya berupa air. Berbagai
keunggulan ini menjadikan hidrogen sebagai sumber energi yang sangat potensial untuk
diaplikasikan di masa mendatang (Supriyadi & Nasruddin, 2011).
Kendala utama mengapa hidrogen belum dapat diaplikasikan untuk kendaraan
karena dibutuhkan kondisi tekanan yang tinggi dan temperatur yang sangat rendah untuk
menyimpan hidrogen (Cho & Park, 2007). Oleh karena itu perlu dicari metoda untuk
mengatasi kendala ini, salah satunya adalah dengan metoda adsorpsi yaitu menyimpan
hidrogen dalam bahan berpori (adsorben). Pada saat hidrogen terserap dalam pori
kepadatannya akan mendekati nilai densitasnya dalam fase cair. Kondisi tersebut
menambah keyakinan para peneliti bahwa metoda adsorpsi dapat meningkatkan
kapasitas penyimpanan hidrogen lebih baik jika dibandingkan dengan sistem
penyimpanan hidrogen pada tangki bertekanan. Upaya untuk meningkatkan kapasitas
penyimpanan hidrogen pada berbagai material terus dikembangkan (untuk memenuhi
target yang ditetapkan Departemen Energi Amerika Serikat sebesar 6,5 wt %) dan dalam
beberapa tahun belakangan, usaha yang sangat serius terus dilakukan dengan fokus
untuk mencari material baru yang mampu menyimpang hidrogen dengan kapasitas yang
besar [He 2010].
Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti
Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014
KE08 - 1
SNTMUT - 2014
ISBN: 978-602-70012-0-6
Salah satu kriteria agar material memiliki kapasitas adsorpsi hidrogen yang bagus
adalah adanya luas permukaan serta volume pori yang besar. Adsorben berbahan baku
karbon, khususnya karbon aktif dan karbon nanotube (CNT) dipandang memenuhi syarat
tersebut. Banyak upaya dilakukan untuk meningkatkan kapasitas penyimpanan Hidrogen
pada CNT. Faktor utama yang dapat meningkatkan kapasitas penyimpanan hidrogen
antara lain: tingkat kemurnian unsur karbon dalam adsorben, struktur mikro dari adsorben
dan adanya unsur katalis (umumnya dari jenis logam) sebagai unsur doping yang
diharapkan dapat menyerap lebih banyak hidrogen pada permukaan CNT (Reyhani,
Nozad Golikand, Mortazavi, Irannejad, & Moshfegh, 2010). Dalam tulisan ini pembahasan
ditekankan pada pengaruh struktur CNT terutama diameter CNT terhadap kapasitas
adsorpsi hidrogen melalui pendekatan energi adsorpsi.
Studi Pustaka
Metode adsorpsi hidrogen dalam material berpori dipandang sebagai metoda non
konvensional yang dapat menjawab berbagai kekurangan dari berbagai metoda yang
sudah dikembangkan sebelumnya (Nasruddin & Kosasih, 2012). Keunggulan utamanya
adalah relatif aman dalam aplikasi dan biaya operasional yang relatif murah. Secara
grafimetrik molekul karbon juga termasuk jenis yang ringan dengan demikian
keberadaannya tidak memberikan tambahan berat total tangki penyimpanan secara
signifikan. Kondisi ini sangat menjajikan untuk diaplikasikan pada sistem penyimpanan
hidrogen sebagai bahan bakar.
Kapasitas penyimpanan hydrogen dengan metode adsorpsi dalam karbon aktif lebih
besar dibandingkan dengan metode gas bertekanan. Pada kondisi yang sama, yaitu
temperatur 77⁰C dan tekanan 50 bar, hidrogen dapat disimpan dalam metode adsorpsi
sebesar 35 Kg/m3 sedangkan dalam metode gas bertekanan sebesar 17 Kg/m3.
Walaupun begitu metode adsorpsi ini dapat menjadi kurang efisien pada tekanan yang
cukup tinggi (di atas 100 bar) karena sudah mengalami kejenuhan sehingga kapasitas
penyimpanannya menjadi lebih kecil dibandingkan dengan metode gas bertekanan pada
tekananyang sama (Poirier et al., 2004). Penelitian dengan topik ini masih berlanjut
hingga tahun 2012 dan 2013. melakukan penelitian dengan lebih fokus pada kondisi yang
dipersyaratkan DoE, yaitu penelitian pada pengukuran temperatur 77 – 298 K pada
tekanan 20 – 80 atm (Zhao et al., 2012).
Berbagai hasil eksperimen yang telah dilakukan untuk mengetahui besarnya
hidrogen yang mampu terserap oleh CNT memberikan hasil yang sangat bervariasi, hal
ini berarti masih banyak peluang untuk mengkaji kapasitas adsorpsi hidrogen pada
kondisi yang bervariasi pula. Dari hasil yang telah didapat melalui eksperimen tersebut,
beberapa diantaranya telah diperkuat dengan dengan hasil yang didapat dengan
menggunakan metode komputasi baik simulasi dinamika molekuler (DM), metode grand
canonical monte carlo (GCMC) maupun density functional theory (DFT).
Penelitian pada beberapa tahun kedepan dalam bidang adsorpsi secara umum
akan mengacu kepada target-target yang telah ditentukan oleh DoE, dengan beberapa
kriteria antara lain: (i). Favorabel entalpi dari adsorpsi dan desorpsi hidrogen; (ii). Laju
kinetik adsorpsi dan desorpsi yang cepat; (iii). Kepadatan gravimetrik dan volumetrik yang
tinggi; (iv). Waktu siklus adsorpsi dan desorpsi yang tahan lama; (v). Kuat secara mekanik
dan tahan lama dan (vi). Aman dalam kondisi normal (Ahluwalia, Hua, & Peng, 2012).
CNT merupakan salah satu fokus penelitian untuk menyimpan hidrogen dan upaya
untuk meningkatkan kapasitasnya masih terus dilakukan. Target secara spesifik telah
ditetapkan agar tercapai kondisi termodinamik optimal untuk proses adsorpsi yaitu: (i).
kondisi energi ikatan optimal sebesar 5 – 40 kJ/mol H2 pada temperatur ruang, tekanan
kurang dari 100 atm dan temperatur sistem < 70o C; (ii). Perlakuan sistem meliputi
stabilisasi dan fungsionalisasi struktur terkait diameter dan chiralitas CNT; (iii).
Optimalisasi energi adsorpsi, pada adsorpsi fisis sebesar 4 kJ/mol. Adapun untuk
adsorpsi kimiawi kajian difokuskan pada mekanisme spillover; (iv). Optimalisasi energi
adsorpsi dengan metal doping. (DoE Final Report 2012). Hingga tahun 2013 masih
banyak peneliti yang menggeluti penelitian untuk mengkaji karakteristik Boron dalam
Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti
Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014
KE08 - 2
SNTMUT - 2014
ISBN: 978-602-70012-0-6
kaitannya dengan peningkatan kapasitas hidrogen, antara lain (Jana, Sun, Chen, & Chen,
2013).
Disain Komputasi
Material yang banyak digunakan untuk adsorpsi antara lain, zeolit, aerogel, karbon
aktif, metal hidrida, dan material nano seperti CNT. Dalam penelitian ini material yang
akan disimulasikan adalah CNT jenis zig-zag yang memiliki chiralitas (10, 0).
Kapasitas adsorpsi juga sangat erat kaitannya dengan konsidi sistem dan
parameter yang paling berpengaruh adalah tekanan dan temperatur, sedangkan dalam
simulasi volume sistem selalu dijaga konstan. Sesuai dengan target yang ditetapkan DoE,
dalam penelitian ini simulasi dilakukan pada tekanan 10 – 50 atm dengan temperatur
antara 173 – 298o K. Ruang simulasi dibatasi pada ukuran kotak dengan volume 981,92
nm3 dan dimensi 6,46 nm x 6,46 nm x 23,52 nm.
Dengan kondisi ini maka jumlah atom hidrogen yang disimulasikan ber-jumlah
antara 28 - 4664 atom. Dalam penelitian ini unsur doping yang disimulasikan hanyalah
Lithium dan Magnesium. Dengan demikian ada 3 kondisi yang akan menjadi fokus kajian
yaitu CNT murni, Li-CNT dan Mg-CNT. Variasasi simulasi difokuskan pada proporsi dan
distribusi unsur doping dengan fraksi jumlah atom 5 – 20 %.
Model material adsorben divariasikan berbagai karakteristiknya. Model tersebut
kemudian akan diteliti struktur elektronnya dan diestimasi nilai energi adsorpsinya
terhadap hidrogen dengan menggunakan kalkulasi mekanika quantum. Hasil estimasi
nilai energi adsorpsi ini selanjutnya dapat digunakan untuk memperkirakan nilai besar
kapasitas adsorpsi hidrogen.
Pada tahap berikutnya, hasil estimasi nilai energi adsorpsi dengan kalkulasi
mekanika quantum tersebut akan digunakan untuk menentukan nilai parameter potensial
yang akan digunakan untuk menjalankan Simulasi DM. Nilai parameter potensial tersebut
akan ditentukan sedemikian rupa sehingga nilai energi adsorpsi hidrogen pada Simulasi
DM sesuai dengan hasil kalkulasi mekanika quantum.
Simulasi DM yang menggunakan parameter potensial berdasarkan kalkulasi
mekanika quantum ini akan menghasilkan data-data termodinamik sistem simulasi serta
data besar kapasitas penyimpanan hidrogen pada material tersebut. Data-data itu
kemudian akan diolah untuk mendapatkan grafik kapasitas adsorpsi isotermal.
Diameter CNT dapat mempengaruhi energi adsorpsi hidrogen. Untuk Li-CNT dan
Mg-CNT secara struktur memiliki komposisi molekul yang berbeda dengan CNT,
perbedaan struktur ini diperkirakan akan memberikan nilai energi adsorpsi yang berbeda
pula dan umumnya akan bergantung pada diameternya. Dengan melakukan berbagai
variasi diameter untuk CNT, Li-CNT dan Mg-CNT, diharapkan dapat ditemukannya
diameter yang menghasilkan energi adsorpsi hidrogen paling optimal.
Doping Lithium pada CNT dapat membuat CNT menjadi bermuatan sehingga
meningkatkan polarisabilitasnya dan meningkatkan kapasitas adsorpsi hidrogen (Im,
Chang Kang, Bai, Suh, & Lee, 2011). Perbedaan struktur elektron Li-CNT dan Mg-CNT
dengan CNT diperkirakan akan menyebabkan doping Lithium pada Li-CNT akan
menghasilkan fenomena yang berbeda pula. Oleh karena itu, dengan memvariasikan
rasio doping Lithium pada Li-CNT, diharapkan dapat ditemukannya rasio doping Lithium
pada Li-B-CNT yang dapat menghasilkan kapasitas penyimpanan hidrogen yang optimal.
Hasil dan Pembahasan
Dalam tulisan ini digunakan simulasi dinamika molekul untuk menyelidiki sifat dan
karakteristik keseimbangan adsorpsi hidrogen pada CNT. Metode ini digunakan untuk
menyelidiki lintasan, kecepatan, momentum, dan sifat dinamis hidrogen dalam kotak
simulasi. Langkah pertama dalam model simulasi adalah merumuskan karakteristik atom
setiap partikel. Perangkat lunak Avogadro digunakan untuk menentukan sifat atom
berdasarkan sifat kimianya. Langkah penting berikutnya adalah menentukan kondisi awal
untuk simulasi. Kondisi awal ini terkait dengan kondisi stabil sebelum proses dimulai.
Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti
Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014
KE08 - 3
SNTMUT - 2014
ISBN: 978-602-70012-0-6
Penempatan unsur doping logam pada bagian luar permukaan CNT berdasarkan energi
minimum yang dapat dicapai antara unsur doping dan karbon. Kondisi kesetimbangan ini
terjadi pada saat interaksi gaya antara karbon dan unsur doping cenderung nol.
Hasil proses adsorpsi fisis Hidrogen pada CNT pada awalnya tidak selalu konstan
setiap waktunya, selanjutnya cenderung meningkat dan perlahan stabil ketika sudah
mencapai kondisi kesetimbangan adsorpsi. Jumlah adsorbat yang telah stabil
menunjukkan sistem sudah berada pada kondisi kesetimbangan adsorpsi.
Pada saat menjalankan simulasi ada tiga parameter utama yang menentukan
keakuratan hasil perhitungan antara lain time step, waktu simulasi dan kondisi
kesetimbangan. Time step akan menentukan seberapa sering data termodinamik dicatat
dalam jumlah langkah yang dihitung per satuan waktu, semakin kecil time step akan
menghasilkan data simulasi yang semakin akurat dengan konsekuensi waktu simulasi
yang semakin panjang. Waktu simulasi menentukan berapa lama system akan
disimulasikan, semakin lama waktu simulasi ditentukan umumnya akan memberikan hasil
simulasi yang semakin baik. Namun demikian kondisi yang paling krusial untuk
diperhatikan adalah kondisi kesetimbangan. Jika kondisi kesetimbangan sudah dicapai
dengan waktu simulasi tertentu, maka penambahan waktu yang diberikan tidak akan
banyak memberikan pengaruh terhadap hasil simulasi.
Beberapa ukuran termodinamik yang diamati kondisi kesetimbangannya antara lain
temperature, tekanan, energi kinetik dan energi total. Dalam gambar 1 di bawah dapat
dilihat bahwa semakin halus time step memberikan fluktuasi energi total yang lebih kecil.
Hal ini berarti bahwa kondisi kesetimbangan akan lebih stabil. Dalam simulasi ini diambil
time step moderat sebesat 0,1 dan 0,05.
Gambar 1. Fluktuasi energi adsorpsi pada berbagai variasi “running step”
Ukuran termodinamik yang juga penting untuk diamati adalah tekanan dan
temperatur. Time step dan waktu simulasi kita tentukan sampai kondisi kesetimbangan
tercapai. Gambar 2 di bawah menunjukkan kondisi fluktuasi tekanan dibandingan dengan
kondisi kesetimbangannya.
Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti
Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014
KE08 - 4
SNTMUT - 2014
ISBN: 978-602-70012-0-6
Gambar 2. Fluktuasi tekanan pada saat simulasi
Kesetimbangan energi total dapat dikatakan ukuran termodinamik yang mewakili
kondisi sistem secara keseluruhan. Oleh karena itu kondisi tersebut merupakan hal yang
sengat penting untuk diamati. Simulasi dinamika molekul akan memberikan hasil paling
baik manakala waktu simulasi diambil nilai maksimal dari semua kondisi kesetimbangan
yang ada, sebaliknya time step diambil nilai minimumnya. Pada Gambar 3 dapat dilihat
fluktuasi energi total pada berbagai waktu simulasi yang bervariasi.
Gambar 3. Fluktuasi energi total pada berbagai waktu simulasi
Untuk menghitung kapasitas adsorpsi hidrogen pada CNT dan CNT yang didoping
dengan Lithium dan Magnesium ditentukan juga dengan menghitung banyaknya hidrogen
yang berada pada jarak kesetimbangan energi adsorpsi. Hasil tersebut dihitung pada saat
kapasitas adsorpsi sudah mencapai titik kesetimbangan yang berarti sistem sudah
mengalami saturasi.
Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti
Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014
KE08 - 5
SNTMUT - 2014
ISBN: 978-602-70012-0-6
Gambar 4. Adsorpsi kesetimbangan hidrogen k selama simulasi pada Li-CNT pada
temperatur 298 K dan tekanan 45 atm.
Gambar 5. Kurva isoterm “physisorption” hidrogen di Mg-CNT pada temperatur 298 K.
Gambar 6. Fluktuasi tekanan dan tekanan kesetimbangan selama simulasi Hidrogen
physisorption pada Magnesium kation didoping CNT pada temperatur kamar 298 K
Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti
Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014
KE08 - 6
SNTMUT - 2014
ISBN: 978-602-70012-0-6
Gambar 7. Perbandingan kurva Isoterm Hidrogen physisorption pada CNT, Lithium kation
doped CNT, dan Magnesium kation didoping CNT.
Pengaruh kehadiran Lithium ditunjukkan pada Gambar 7 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 oleh CNT. Keberadaan Lihium sebagai doping pada
permukaan CNT dapat meningkatkan energi potensial minimum pada daerah sekitar CNT
yang menyebabkan semakin banyaknya molekul gas hidrogen yang dapat teradsorp pada
permukaan CNT.
Gambar 7 menunjukkan kapasitas adsorpsi Hidrogen pada CNT dengan doping
Lithium dan Magnesium. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa kehadiran lithium
dapat meningkatkan kapasitas adsorpsi hidrogen hingga 100% dan kehadiran magnesium
dapat meningkatkan kapasitas adsorpsi hidrogen hingga 200%.
Kesimpulan
Dari hasil kajian di atas dapat disimpulkan bahwa kehadiran unsur doping dapat
meningkatkan energi adsorpsi CNT terhadap hidrogen yang berkorelasi langsung
terhadap peningkatan kapasitas adsorpsi hidrogen pada CNT. Kehadiran lithium dapat
meningkatkan kapasitas adsorpsi hidrogen hingga 100% dan kehadiran magnesium dapat
meningkatkan kapasitas adsorpsi hidrogen hingga 200%.
Daftar Pustaka
Ahluwalia, R., Hua, T., & Peng, J. (2012). On-board and Off-board performance of
hydrogen storage options for light-duty vehicles. International Journal of Hydrogen Energy,
37(3), 2891-2910.
Cho, J. H., & Park, C. R. (2007). Hydrogen storage on Li-doped single-walled carbon
nanotubes: Computer simulation using the density functional theory. Catalysis Today,
120(3–4), 407-412. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.cattod.2006.09.027
Im, J. S., Chang Kang, S., Bai, B. C., Suh, J.-K., & Lee, Y.-S. (2011). Effect of thermal
fluorination on the hydrogen storage capacity of multi-walled carbon nanotubes.
International
Journal
of
Hydrogen
Energy,
36(2),
1560-1567.
doi:
http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010.10.024
Jana, D., Sun, C.-L., Chen, L.-C., & Chen, K.-H. (2013). Effect of chemical doping of
boron and nitrogen on the electronic, optical, and electrochemical properties of carbon
nanotubes. Progress in Materials Science, 58(5), 565-635.
Nasruddin, & Kosasih, E. A. (2012). Simulasi Dinamika Molekular Adsorpsi Hidrogen pada
Carbon Nanotubes (CNT) Dengan Variasi Panjang.
Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti
Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014
KE08 - 7
SNTMUT - 2014
ISBN: 978-602-70012-0-6
Poirier, E., Chahine, R., Benard, P., Cossement, D., Lafi, L., Melancon, E., . . . Desilets, S.
(2004). Storage of hydrogen on single-walled carbon nanotubes and other carbon
structures. Applied Physics A, 78(7), 961-967.
Reyhani, A., Nozad Golikand, A., Mortazavi, S. Z., Irannejad, L., & Moshfegh, A. Z. (2010).
The effects of multi-walled carbon nanotubes graphitization treated with different
atmospheres and electrolyte temperatures on electrochemical hydrogen storage.
Electrochimica
Acta,
55(16),
4700-4705.
doi:
http://dx.doi.org/10.1016/j.electacta.2010.03.061
Supriyadi. (2013). Simulasi Karakteristik Adsorpsi Hidrogen pada Karbon Nanotube Jenis
Armchair dengan Chiralitas (3, 3), (6, 6) dan (9, 9) pada Temperatur Ruang. Sinterin,
Universitas Andalas(Padang).
Supriyadi, & Nasruddin. (2011). Pemilihan Algoritma dan Model Potensial pada Simulasi
Dinamika Molekular Tabung Nano Karbon sebagai Media Penyimpan Hidrogen
Zhao, W., Fierro, V., Zlotea, C., Izquierdo, M., Chevalier-César, C., Latroche, M., &
Celzard, A. (2012). Activated carbons doped with Pd nanoparticles for hydrogen storage.
International Journal of Hydrogen Energy, 37(6), 5072-5080.
Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti
Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014
KE08 - 8
Fly UP