...

Unduh file PDF ini - Jurnal Kimia Mulawarman

by user

on
Category: Documents
12

views

Report

Comments

Transcript

Unduh file PDF ini - Jurnal Kimia Mulawarman
Jurnal Kimia Mulawarman Volume 10 Nomor 2, Mei 2013
Kimia FMIPA Unmul
ISSN 1693-5616
STUDI KOMPUTASI REAKSI ADSORBSI DISOSIASI GAS O2
PADA PERMUKAAN Pt-Fe DENGAN METODE
TEORI FUNGSI KERAPATAN
COMPUTATIONAL STUDY OF O2 ADSORPTION DISSOCIATION
REACTION AT Pt-Fe SURFACE
WITH DENSITY FUNCTIONAL THEORY METHOD
Darmin, Rahmat Gunawan dan Aman Sentosa Panggabean
Program Studi Kimia FMIPA Universitas Mulawarman
Jalan Barong Tongkok No. 4 Kampus Gunung Kelua Samarinda, 75123
ABSTRACT
Platinum purpose as a catalysts on the cathode in a fuel cell hydrogen system gets a role in disconnection
of O2 molecules. Power adsorption and dissociation of O2 molecules determined the effectiveness and
efficiency of the nature of catalyst that is utilized. All this time metal is considered the most effective as a
catalyst in fuel cells hydrogen is Pt. After be done investigation and calculation is known about platinum
and iron alloy (Pt-Fe) can be utilized as a catalyst that has approached the effectiveness and efficiency of
pure Pt metal. One of the way to determine the effectiveness and efficiency of the catalyst Pt-Fe alloys by
calculating the value of the potential energy surface (PES). PES value calculation is done using density
functional theory calculations. Analysis’s result point out the value of the potential energy surface (PES)
O2 molecules in the Pt-Fe metal fusion for -929.8341 Ry with optimal distance of 2.4908 A of Pt-Fe’s metal
surface and distances among O atoms as big as 3.3211 A.
Keywords: Fuel cell hydrogen, Adsorption dissociation O2, PES, Density functional theory (DFT)
A. PENDAHULUAN
Dewasa ini, manusia sangat bergantung dengan
penggunaan bahan bakar fosil sebagai sumber energi.
Namun, pemanfaatan sumber energi secara berlebihan
telah menimbulkan terjadinya krisis energi. Belum lagi
permasalahan yang timbul akibat penggunaan bahan
bakar fosil secara besar-besaran, misalnya pemanasan
global, kerusakan lingkungan dan perubahan iklim yang
cukup ekstrim [7].
Perlu adanya suatu solusi yaitu pengembangan
sumber energi alternatif yang dapat menunjang
kebutuhan energi di masa yang akan datang. Energi
alternatif yang dimaksudkan haruslah terbarukan, ramah
lingkungan, serta murah.
Sudah
banyak
penelitian-penelitian
dan
penemuan-penemuan untuk energi alternatif seperti
biofuel, biodissel, tenaga surya, baterai kerapatan tinggi,
konversi tenaga angin, konversi tenaga ombak laut, dan
sel bahan bakar.
Sel bahan bakar adalah sebuah perangkat konversi
energi elektrokimia yang menggunakan hidrogen sebagai
bahan bakar untuk menghasilkan elektron, proton, panas,
dan air [8].
Salah satu komponen penting yang menentukan
kinerja dari fuel cell adalah elektroda tempat terjadinya
reaksi katalitik pengubahan bahan bakar H2 dan oksigen
(O2 atau udara) menjadi air dan listrik [3]. Komponen
yang dimaksud adalah katalis. Katalis pada prinsipnya
sebagai tempat merubah molekul-molekul gas yang
dialirkan menjadi ion-ion. Dalam fuel cell katalis
ditempatkan pada permukaan katoda, yang berfungsi
Kimia FMIPA Unmul
membantu proses pembentukan ion-ion oksigen dari
molekul gas O2.
Pada umumnya, katalis yang digunakan dalam sel
bahan bakar terbuat dari logam platina. Pada skripsi ini
akan dilakukan investigasi penggunaan perpaduan logam
besi dan logam platina sebagai katalis dilihat dari nilai
permukaan energi potensialnya (Potential energy
surface, PES).
1.1. Sel Bahan Bakar (Fuel cell)
1.1.1. Sejarah
Fuel Cell telah didemonstrasikan oleh Sir William
Robert Grove, seorang ahli hukum merangkap sebagai
ahli fisika amatir, pada tahun 1839, dengan melakukan
pembalikan elektrolisa air, elektroda yang digunakan
adalah platina [8]. Friedrich Wilhelm Ostwald (18531932), pendiri bidang kimia fisik eksperimental
menentukan hubungan antara perbedaan komponen dari
sel bahan bakar, termasuk elektroda, elektrolit,
pengoksidasi dan pereduksi, anion dan kation.
Pada tahun 1932, Francis Bacon Thomas (19041992) yang seorang insinyur melakukan penelitian terkait
fuel cell. Sebelumnya, fuel cell menggunakan elektroda
platina dan asam sulfat sebagai elektrolit dimana platina
sangat mahal dan asam sulfat sangat korosif (mudah
berkarat). Disini Bacon mengembangkan katalis platina
yang sangat mahal itu dengan sel oksigen dan hidrogen
yang memakai elektrolit alkali yang tidak korosif serta
elektroda yang tidak mahal. Penelitiannya berlangsung
hingga tahun 1959 [8].
63
Darmin dkk
Kimia FMIPA Unmul
Studi Komputasi Reaksi
Selama tahun 1960-an sebuah produsen alat
elektronik terkenal di amerika memproduksi tenaga
listrik berbasis fuel cell untuk NASA sebagai tenaga
pesawat ruang angkasanya yaitu Gemini dan Apollo.
Sistem fuel cell yang dipakai dalam alat ini berdasar pada
sel Bacon. [2].
1.1.2. Prinsip kerja
Fuel cell merupakan suatu instrumen yang
mengkonversi secara langsung energi kimia menjadi
energi listrik. Prinsip kerja fuel cell yaitu hidrogen di
dalam sel dialirkan pada sisi anoda, sedangkan oksigen
dari udara dialirkan pada sisi katoda. Pada anoda terjadi
pemisahan gas hidrogen menjadi elektron dan proton (ion
hidrogen). Kemudian ion hidrogen ini menyebrang
bertemu dengan oksigen dan elektron di katoda dan
menghasilkan air. Elektron yang mengandung muatan
listrik tidak bisa melewati membran, akan mengalisr
menuju katoda melalui jaringan eksternal. Dengan
adanya aliran elektron inilah maka akan menyebabkan
adanya arus listrik [10]. Elektron-elektron bebas yang
terjadi harus dialirkan keluar melalui penghantar
menuju ke anoda, agar proses listrik-kimiawi dapat
berlangsung. Panas yang timbul dari hasil reaksi kimia
harus terus menerus dibuang, agar energi listrik dapat
terbentuk secara kontinyu [12]. Untuk skema reaksi
lengkapnya dapat dilihat pada gambar berikut:
Gambar 1. Skema reaksi yang terjadi pada komponen fuel cell [8].
Pada anoda, hidrogen dioksdiasi melepaskan dua proton
dan dua elektron [10].
H2
2H+ + 2ePada katoda, terjadi reduksi oksigen [10]:
½O2 + 2H+ + 2eH2O
Dari persamaan-persamaan di atas diperoleh reaksi total
yang terjadi pada keseluruhan sel dalam fuel cell yaitu
[10].
½ O2 + H2
H2O
1.1.3. Komponen-komponen
Ada beberapa komponen penting yang
menentukan unjuk kerja sistem fuel cell diantaranya
adalah katalis dan elektrolit.
Gambar 2. Skema komponen fuel cell [1]
1.1.4. Katalis
Katalis adalah suatu substansi yang dapat
meningkatkan laju reaksi untuk mencapai kesetimbangan
tanpa ikut bereaksi secara permanen. Pada umumnya
sistem fuel cell menggunakan katalis dari logam platina
baik murni maupun perpaduan dengan logam lain,
khusunya untuk jenis Solid Polymer Electrolite Fuel Cell
(SPECF), juga dikenal dengan nama sel bahan bakar
membran plomer (polymer electrolite membrane fuel
cell, PEMFC) dan Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC).
Untuk jenis alkaline fuel cell (AFC) dan molten
carbonate fuel cell (MCFC) katalis yang digunakan
64
berbasis Nickel, sedangkan untuk solid oxide fuel cell
(SOFC) berbasis perovskites [6].
1.1.5. Elektrolit
Elektrolit di dalam fuel cell memisahkan katoda
dari anoda, elektrolit hanya dapat menghantar ion saja,
sedangkan elektron tidak dapat melewati elektrolit, jadi
elektrolit ini bukan penghantar listrik dan juga
menghindarkan terjadinya reaksi kimia [12]. Terdapat
berbagai macam material elektrolit yang digunakan
dalam fuel cell hidrogen dan hal ini menentukan jenis
fuel cell itu sendiri.
Kimia FMIPA Unmul
Jurnal Kimia Mulawarman Volume 10 Nomor 2, Mei 2013
Kimia FMIPA Unmul
Alkaline fuel cells (AFC) menggunakan alkaline
potassium, hydroxide sebagai elektrolit, dapat
mengahasilkan efisiensi sampai 70%. Proton exchange
membrane (PEM) memiliki membran yang terbuat dari
plastik tipis yang pasa kedua sisinya dilapisi dengn
platina. Phosphoric acid fuel cell (PAFC) menggunakan
membran asam fosfat yang beroperasi pada suhu 150 oC
sampai 200 oC [9]. Molten carbonate (MCFC) beroperasi
pada temperatur yang tinggi sehingga hanya dapat
digunakan untuk keperluan industri. Solid oxide (SOFC)
ini
menggunakan
material
keramik
keras,
memungkinkan untuk operasi temperatur tinggi, banyak
dicoba untuk keperluan stasiun pembangkit tenega
listrik. Cell ini berbentuk tabung. Direct methanol fuel
cell (DMFC) mirip dengan proton exchange electrolyte
(PEM), yaiut sama-sama menggunakan plastik polymer
sebagai membran. [4].
1.2. Dasar-dasar Teori fungsi kerapatan (DFT)
1.2.1. Persamaan Schrodiger
Kimia kuantum didasarkan pada postulat
mekanika kuantum. Dalam kimia kuantum, sistem
digambarkan sebagai fungsi gelombang yang dapat
diperoleh
dengan
menyelesaikan
persamaan
Schrödinger. Secara umum persamaan Schrödinger di
ungkapkan dalam persamaan:
B. METODOLOGI PENELITIAN
2.1. Optimisasi Sistem Pt-Fe-O 2
Semua perhitungan yang dilakukan pada
penelitian ini dikerjakan dengan menggunakan
perangkat lunak Quantum ESPRESSO dengan
menggunakan metode BLYP dalam kerangka DFT,
dengan pendekatan perhitungan pertukaran energi
korelasi GGA-PBE.
Perhitungan dilakukan pada sistem Pt, Fe, dan
Pt-Fe dengan super sel (2×2×1) bervolume tetap,
C. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1. Perhitungan Energi Potensial
3.1.1. Logam Fe, Pt 1 leyer dan 4 layer dan
perpaduan logam Pt-Fe
Dilakukan perhitungan energi potensial untuk
logam platina, logam besi, dan perpaduan logam
platina-besi, dengan tinjauan masing-masing logam 1
lapis dan 4 lapis sedang untuk logam perpaduan
ISSN 1693-5616
Dengan Ĥ sebagai operator energi Hamiltonian
yang terkait dengan energi total sistem,  (r)sebagai
fungsi orbital pada keadaan energi ke- i,  sebagai
energi orbital pada keadaan energi ke- i, dan r sebagai
vektor jarak antar elektron. Energi yang dapat
direpresentasikan oleh Hamiltonian pada skala atomik
adalah enegi kinetik elektron, energi interaksi elektron
dengan inti atom, dan energi interaksi elektron dengan
elektron [11].
1.2.2. Persamaan Kohn-Sham
Salah satu komponen penting dalam density
functional theory (DFT) untuk menyederhanakan
persamaan schrodinger yaitu persamaan Kohn-Sham.
Pada perhitungan, persamaan Kohn-Sham hanya
meninjau satu buah elektron sebagai referensi
terhadap elektron lainnya yang dinotasikan dalam
kerapatan elektron [13]. Secara matematis persamaan
Kohn-Sham dapat ditulis:
dengan  2 sebagai operator energi kinetik Kohn-Sham,
 (r) sebagai operator energi interaksi elektronelektron,  (r) sebagai energi potensial eksternal
sebagai fungsi jarak [5].
untuk setiap 1 lapis Pt berikatan dengan 4 lapis Fe.
Parameter kisi yang digunakan yaitu a = b = 3.2501 Å,
c = 5.2071 Å, u = 0.3817. perhitungan SCF konvergen
dengan kriteria 5x10-4 Hatree pada potensial efektifnya.
Optimasi dilakukan dengan mesh k-point
(4×4×2), (6×6×3), (8×8×4), (10×10×5), (12×12×6).
Hasil dari optimasi digunakan untuk melangsungkan
perhitungan pada sistem interaksi dengan gas oksigen.
mengandung 1 lapis Pt dengan 4 lapis Fe. Setelah
dilakukan perhitungan didapatkan untuk logam
platina 1 lapis energi potensialnya sebesar -69,4915
Ry dan logam besi sebesar -55,6997 Ry, logam platina
4 lapis -277,9435 Ry dan logam besi -221,8410 Ry,
sedangkan
untuk
logam
perpaduan
energi
potensialnya sebesar -292,5063 Ry.
Gambar 3. Logam platina, besi dan perpaduan logam platina-besi (1 lapis dan 4 lapis) dengan energinya masing-masing.
Kimia FMIPA Unmul
65
Darmin dkk
Kimia FMIPA Unmul
3.1.2. Permukaan Energi Potensial (PES)
Permukaan energi potensial (PES, Potential
Energy Surface) menggambarkan kontur energi potensial
pada permukaan. PES merupakan salah satu cara untuk
melakukan visualisasi hubungan antara energi potensial
Studi Komputasi Reaksi
dan geometri molekul. Pada investigasi kali ini, hasil
pemindaian (scanning) menggunakan PES adalah sebuah
grafik yang memperlihatkan kecenderungan perilaku
molekul oksigen di atas permukaan logam Pt yang dipadu
dengan logam Fe.
Gambar 4. Kontur permukaan energi potensial perpaduan logam Pt-4Fe tehadap atom O.
Pada grafik, kontur yang menjurus ke bawah dan
diberi warna merah merupakan kondisi paling stabil
(paling rendah) pada sistem ini dengan energi potensial
sebesar -929.8341 Ry. Pada keadaan ini, ikatan antar
atom pada molekul oksigen terputus sejauh 3.3211 A dan
jarak antara atom oksigen terdekat dengan permukaan
molekul logam Pt sebesar 2.4908 A. Pada kondisi yang
sama, pada saat jarak antara atom O dengan permukaan
molekul Pt (dari pt-4Fe) sebesar 3.3211 A dan jarak antar
atom O sebesar 2.4908 A, energi potensial berada pada
posisi tertinggi -83.5848 Ry.
3.1.3. Energi
Potensial
konformasi
Pt-4Fe
berdasarkan posisi atom O2 dan H2
Fungsi katalis pada fuel cell hidrogen adalah
untuk memecah molekul oksigen (katoda) menjadi
atom/ion oksigen yang akan bereaksi dengan atom/ion
hidrogen dari anoda. Dari perhitungan permukaan energi
potensial (PES) diketahui posisi paling stabil molekul O2
yang berada di atas permukaan sistem Pt-4Fe. Tinjauan
selanjutnya, untuk mengetahui energi potensial
konformasi sistem Pt-4Fe berdasarkan posisi
molekul/atom Oksigen yang mengikat satu atau lebih
atom H. Analisis ini dilakukan pada lebar mesh k-point
4x4x2. Gambar 5. akan menjelaskan hal ini, di atas
permukaan sistem Pt-4Fe terdapat dua buah atom
oksigen, yang terpisah sejaun R satu sama lain dan atom
O terdekat berjarak Z dengan atom permukaan Pt.
Gambar 5. Energi Potensial Konformasi permukaan perpaduan logam Pt-4Fe dengan molekul O2 yang mengikat atom
hidrogen.
Dari hasil analisis dan perhitungan yang
dilakukan kondisi yang paling stabil yaitu ketika jarak
antara molekul permukaan Pt dengan atom O terdekat
sejauh 2.1839 A, atom oksigen ini mengikat satu atom H
dengan ikatan kovalen. Dan jarak antar atom O sejauh
5.9149 A satu sama lain. Atom oksigen yang lain
mengikat dua buah atom H membentuk molekul air,
ikatan yang terbentuk pada molekul ini ikatan kovalen
yaitu ikatan yang terbentuk dari tumpang tindih orbital
pada masing-masing elektron valensi. Satu atom
66
hidrogen berada ditengah-tengah kedua atom oksigen
yang kondisi ikatannya baru terputus dari atom Oksigen
yang jauh dari permukaan dan sedang menuju atom
oksigen yang lain yang berada dekat permukaan. Hal ini
akibat pengaruh perbedaan keelektronegatian atom O dan
atom H. Molekul H2O (atom O yang mengikat 2 atom H)
stabil, sedangkan molekul O yang lain lebih
elektronegatif dari atom H yang terlepas, sehingga
gerakan dari atom H bebas ini menuju atom O tersebut.
Energi potensial pada kondisi ini sebesar -1180.1004 Ry.
Kimia FMIPA Unmul
Jurnal Kimia Mulawarman Volume 10 Nomor 2, Mei 2013
Kimia FMIPA Unmul
D. KESIMPULAN
Molekul oksigen di atas permukaan logam
perpaduan Pt-4Fe, mengalami adsorbsi dan dissosiasi.
Molekul oksigen yang berada diatas permukaan Pt-4Fe
ISSN 1693-5616
terputus ikatannya saat permukaan energi potensial
(PES) sistem sebesar -929,8341 Ry.
DAFTAR PUSTAKA
1. Caretto, L. 2002. Fuel Cell. Mechanical Engineering 694C Seminar in Energy and Policy. California State
University Nerthridge. November 13, 2002.
2. Cook, B. 2001. An Introduction to Fuel Cells and Hydrogen Tehonology. Heliocentris 3652 West 5th Avenue,
Vancouver, BC V6R-1S2, Canada.
3. EG&G Services Parson,Inc., 2000, Fuel Cell Handbook, Fifth Edition, U.S. Departmen of Energy Office of
Fossil Energy National Energy Technology laboratory.
4. EG&G Tehical Services, Inc. 2004. Fuel Cell Handbook (Seventh Edition). Under Contract No. DE-Am2699FT40575. U.S. Department of Energy, Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory P.O.Box
880, Morgantown, West Virginia 26507-0880.
5. Giannozzi, P., Baroni, S., Bonini, N., Calandra, M., Car, R., Cavazzoni, C., Ceresoli, D., Chiarotti, G. L.,
Cococcioni, M., Dabo, I., DalCorso, A., Fabris, S., Fratesi, G., de Gironcoli, S., Gebauer, R., Gerstmann, U.,
Gougoussis, C., Kokalj, A., Lazzeri, M., Samos, L. M., Marzari, N., Mauri, F., Mazzarello, R., Paolini, S.,
Pasquarello, A., Paulatto, L., Sbraccia, C., Scandolo, S., Sclauzero, G., Seitsonen, A. P., Smogunov, A., Umari,
P., dan Wentzcovitch, R. M., (2009): Quantum Espresso: a modular and open-source software project for
quantum simulations of materials, Cond. Mat. Mtrl. Sci., 2, 1–36.
6. Haile, Sissiana, M. 2003. Fuel cell material and component. Department of Material Science and of Chemical
Engineering, California Institute of Technology, 138-78, Pasadena.
7. Ja’far, M. 2009. “Energynomics” ideologi baru dunia”. Jakarta: PT Gramedia Pustaka Utama. ISBN: 978-979-225028-2.
8. Rayment, C dan Sherwin, S. 2003. Introduction to Fuel Cell Technology. Department of Aerospace and Mechanical
Engineering University of Notre Dame, IN 46556, U.S.A.
9. Remick, Robert. 2010. Molten Carbonate and phosphoric Acid Stationary Fuel Cells: Overview and Gap analysis.
Technical Report NREL/TP-560-49072, for the periode september, 2010, Prepared under Task No. H278.7210.
10. Setiawan, I; Handayani, M; Dwiantoro, I; Irawan, D; Siswayanti, B. 2007. Pemanfaatan teknologi fuel cell sebagai
alternative penyediaan energi bersih di Indonesia. Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia. Pusat Penelitian
Metalurgi. Volume 22, No. 2.
11. Shevlin, S. A., dan Guo, Z. X., (2009): Density functional theory simulations of complex hydride and carbonbased hydrogen storage materials, Chem. Soc. Rev., 38, 211–225.
12. Suhada, H. 2001. Fuel Cell Sebagai Penghasil Energi Abad 21. Jurnal Teknik Mesin, Vol. 3, No. 2, Oktober 2001:
92-100.
13. Vondele, J. V., Iannuzzi, M., dan Hutter, J., (2006): Large Scale Condensed Matter Calculations using the
Gaussian and Augmented Plane Waves Method, Lect. Notes Phys., 703, 287–314.
Kimia FMIPA Unmul
67
Fly UP