Simulasi Dinamika Molekuler Proses Adsorpsi Hidrogen pada Carbon Nanotube dengan Lithium sebagai Unsur Doping
Ihsan Ahmad Zulkarnain1
1Departemen Teknik Mesin, FT UI, Kampus UI Depok 16424
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 tarik-
menarik 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, data-
data 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
Simulasi dinamika..., Ihsan Ahmad Zulkarnain, FT-UI, 2013
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 Lennard-
Jones 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.
Tabel 1. Parameter potensial Lennard-Jones
Molekul [kcal/mol] [A]
H-H 0.050 2.81
C-C 0.101 3.35
H-C 0.071 3.08
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 [kcal/mol] [Å]
H-H 0.050 2.81
C-C 0.101 3.35
Li-Li 0.025 2.18
H-C 0.090 3.08
H-Li 0.700 2.495
C-Li 6.000 2.765
Gbr 2. Simulasi minimisasi energi untuk
mendapatkan nilai parameter Lennard-Jones
(biru: CNT, ungu: Lithium, merah: Hidrogen)
Simulasi dinamika..., Ihsan Ahmad Zulkarnain, FT-UI, 2013
Gbr 3. Energi ikatan antar atom hidrogen
Dalam melakukan simulasi dinamika molekul,
bukan hanya interaksi dengan potensial Lennard-
Jones 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)
Simulasi dinamika..., Ihsan Ahmad Zulkarnain, FT-UI, 2013
Gbr 5. Lithium teradsorp sebagai ion pada
permukaan CNT
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 temperature-
rescaling 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
Simulasi dinamika..., Ihsan Ahmad Zulkarnain, FT-UI, 2013
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
Simulasi dinamika..., Ihsan Ahmad Zulkarnain, FT-UI, 2013
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
Simulasi dinamika..., Ihsan Ahmad Zulkarnain, FT-UI, 2013
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
Simulasi dinamika..., Ihsan Ahmad Zulkarnain, FT-UI, 2013
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.
Simulasi dinamika..., Ihsan Ahmad Zulkarnain, FT-UI, 2013
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 Single-
Walled 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..., Ihsan Ahmad Zulkarnain, FT-UI, 2013