pengaruh katalis yttrium (y) pada sifat absorpsi dan
TRANSCRIPT
Populasi meningkat
Kebutuhan Energi Meningkat
Keterbatasan persediaan Energi
(Bahan Bakar Fossil)
Alternative Renewable Energy
H2 Penelitian Tentang Teknologi Energi H2
Hydrogen Storage
Mg
Ni
Ni
Mg 23.5 wt % Ni
Mg 23.5 wt % Ni
+ Y
Katalis Y
Mechanical Milling
Temp. Ab/Desorbsi
Weight % H2
Mg-23.5 wt% Ni
Yttrium
Mechanical Milling
Sifat Absorbsi & Desorbsi
Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh penambahan katalis yttrium pada proses mechanical milling terhadap sifat penyerapan dan pelepasan hidrogen paduan Mg-23.5 wt% Ni.
d Penelitian
Ukuran serbuk homogen
Tidak ada oksidasi
Pencampuran Serbuk homogen Tidak ada unsur pengotor
Kecepatan Milling Konstan
Mg 23.5 wt % Ni
+ Y
Temperatur Absorbsi dan
Desorbsi
Penelitian Lanjut
H2 Storage
Manfaat penelitian ini diharapkan dapat terbentuk metal hydride Mg-23.5 wt% Ni-Y dengan temperatur absorpsi dan desorpsi yang rendah sehingga dapat di jadikan referensi penelitian lebih lanjut untuk kemudian di aplikasikan pada sebuah device dan vehicle.
Mg 23.5 wt % Ni
lee et al., Mensintesa
Paduan Mg 23.5 wt % Ni
2010
Mg 23.5 wt % Ni dapat mengikat : • 5.63 wt % H2 at 242°C • 5.18 wt % H2 at 174°C
2006
Zhinian li et al., Mensintesa
paduan Mg-20 wt % Ni-Y
Mg-20 wt % Ni-Y
Mg-20 wt % Ni-Y • Dapat mengikat 5.59 wt
% H2
• Temp. Absorpsi 200 °C • Temp. Desorpsi 300 °C
Gambar 1.1 Diagram Fasa Mg-Ni (ASM Metal Handbook vol.3)
Sintesa dengan metode konvensional melting dilakukan sesuai dengan diagram fasa paduan Mg-Ni gambar 1.1.
Gambar 1.2 Skema penyerapan hidrogen (H2) dalam logam. (Zuttel A. et al., 2001)
H2 Mg-23.5 wt % Ni + Y
Gambar 1.2 Skema penyerapan hidrogen (H2) dalam logam. (Zuttel A. et al., 2001)
H2 Mg-23.5 wt % Ni + Y
Absorbsi dan
Desorbsi
Luas Permukaan Katalis
Komposisi kimia unsur paduan
Luas Permukaan mempengaruhi
penetrasi hidrogen ke dalam logam yang
mengaktifkan disosiasi molekul hidrogen. Semakin besar luas permukaan unsur
logam, semakin cepat hidrogen berdifusi
dengan logam (Sakintuna et al.,
2007)
Mempengaruhi laju penyerapan hidrogen yang lebih cepat dan efektif dala disosiasi
dari molekul hidrogen untuk berdifusi ke
dalam logam (Sakintuna et al.,2007)
Menurunkan energi aktivasi dan mempengaruhi homogenitas paduan yang
terbentuk dalam bereaksi dengan hidrogen. Semakin homogen, semakin mudah dalam meningkatkan laju absorpsi dan desorpsi
(Sakintuna et al., 2007)
Gambar 1.5 Diagram proses melting paduan 23.5 wt % Ni
Gambar 1.4 Skema proses konvensional melting.
Horizontal Modification
Ball mill
Mekanisme pergerakan
Ball Mill
Mekanisme gerakan
bola
Mekanisme terjadinya tumbukan
Karakteristik deformasi pada partikel serbuk
Vial
Arah putaran
MM
Mechanical Milling dapat meningkatkan luas
permukaan, formasi struktur mikro/makro dan penyusunan defect pada permukaan dan di dalam struktur kristal material.
Induksi pada defect difusi hidrogen dalam material
dengan menyediakan banyak ruang pada
struktur kristal sehingga energi aktivasi difusi
rendah (Sakintuna et al., 2007).
• Luas Permukaan partikel
• Formasi struktur mikro/makro
• Defect pada struktut kristal
Mg 23.5 wt% Ni + X wt % Y ( x = 1, 3, 5)
Start
Studi Literatur
Preparasi Sampel
Mg 76.5 wt % + Ni 23.5 wt %
Konvensional Melting
Melting, Thold= 800°C at 1 h
Terbentuk
Mg23.5Ni
Ya
Tidak
Uji struktur mikro (SEM)
A
Uji Fasa
(XRD)
Penggilingan Mekanik
1. Milling 800 rev/min
2. Time 5 h,20 h
Uji struktur
mikro (SEM)
DSC
Analisa data dan
pembahasan
Kesimpulan
End
A
Uji Absorpsi
Gambar 3.1 Skema Diagram Alir Penelitian
Material Mechanical Milling Pengujian
Raw Material Sampel wt % Y
Kecepatan
Milling
Waktu
Milling
(h)
XRD SEM Uji Hidrogenisasi
(absorpsi, xrd, dsc) Mixing Melting
Mg 76.5
wt %
800°C
thold = 1
h
Mg 23.5
wt% Ni
1
300
rev/min
5 √ √ √
20 √ √ √
3
5 √ √ √
Ni 23.5
wt %
20 √ √ √
5
5 √ √ √
20 √ √ √
Tabel 1.1 Rancangan penelitian
∑material Mg 23.5 wt % Ni + Y = 5.83 gr 1 % Y = 0.0583 3% Y = 0.1749 5% Y = 0.2915
Raw materials Berat (gr) Wt Y Berat Total per
batch (gr) % gr
Mg 23.5 wt % Ni
5.7717 1 0.0583
5.83 5.6551 3 0.1749
5.5385 5 0.2915
Tabel 1.2 Komposisi bahan pada saat proses melting (1 batch)
Tabel 1.3 Komposisi bahan pada saat proses mechanical millng (12 batch)
Raw materials wt% Berat per elemen (gr) Berat total (gr)
Magnesium 76.5 53.55
70
Nikel 23.5 16.45
Struktur Mikro (SEM)
Fasa (XRD)
Uji Ab/Desorpsi (DSC)
Mg 23.5 wt % Ni + Y
Pengujian SEM dilakukan terhadap semua benda uji. Pengujian SEM dilakukan untuk mengamati mikrostruktur pembentukan Mg 23.5 wt % Ni dan Mg 23.5 wt % Ni +Y hasil dari proses melting dan mehanical milling. Pengujian SEM dilakukan dalam 2 tahap: • Tahap preparasi Sampel berupa serbuk diletakkan pada holder yang telah diberikan carbon tape • Tahap pengujian Serbuk yang telah diletakkan pada holder dimasukkan ke dalam mesin uji.
Gambar 1.5 SEM
Analisa difraksi sinar X dilakukan dengan tujuan untuk mengidentifikasi transformasi fasa yang terbentuk pada serbuk yang telah dilakukan proses mechanical milling. Pengujian ini dilakukan pada semua benda uji. Langkah – langkah pengujian XRD adalah sebagai berikut: • Sampel serbuk diletakkan
pada holder, agar penembakan dengan XRD sesuai dengan yang diinginkan, maka pengaturan spesimen harus merata pada holder.
• Holder diletakkan ke dalam mesin XRD
• Data akan tampil pada layar komputer
Gambar 1.6 XRD
Uji absorpsi dan desorpsi berfungsi untuk mengetahui temperatur absorpsi dari material tersebut. Sampel uji di dalam tabung yang sudah terisi hidrogen dengan tekanan +-2.5 bar dipanaskan dengan temperatur yang diinginkan, kemudian dilakukan pengujian XRD untuk mengetahui unsur dan senyawa yang terbentuk dan dilakukan pengujian DSC untuk mengetahui temperatur dam persentase pelepasan hidrogen.
Bolt
Gas Inlet
Shield
Nut
Powder vial
Main vial
Gambar 1.7 Tabung uji absorpsi
Pengujian DSC ini juga digunakan dalam perhitungan weight % dari hidrida metal yang terbentuk. Dalam pengukuran DSC, persen berat dari fase dihitung menggunakan area puncak kurva DSC dan pembentukan panas. Sebagai contoh, persen berat dari β-2 pada serbuk MgH hasil milling dapat diperkirakan dengan menggunakan area puncak kurva DSC dan ditunjukkan dengan pembentukan panas dari β-MgH (-74 kJ mol -1 [175] atau dengan (-2.811 J g -1). Kurva DSC dianalisis dengan perangkat lunak analisis NETZSCH termal. Pertama, temperatur awal dan akhir puncak ditentukan. Kemudian, daerah puncak dihitung dengan menggunakan pendekatan linier dari temperatur awal ke temperatur akhir akhir (Gambar 1.7) oleh alat uji DSC. Gambar 1.7 Skema perhitungan wt % hidrida
metal menggunakan analisa DSC
Persen berat dari β-MgH2 :
𝑤𝑡%𝑀𝑔𝐻2 =𝐿𝑢𝑎𝑠 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑃𝑢𝑛𝑐𝑎𝑘 (𝐽𝑔−1)
𝐻𝑒𝑎𝑡 𝑜𝑓 𝐷𝑒𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑖𝑜𝑛 (𝐽𝑔−1)di
mana panas dekomposisi = - (panas pembentukan) Dari dekomposisi β-MgH2 (MgH2 → Mg + H2), Persentase berat pelepasan hidrogen dapat dihitung dengan:
𝑤𝑡%𝐻2 = 𝑤𝑡%𝑀𝑔𝐻2𝑥 𝑀𝑟𝐻2
𝑀𝑟𝑀𝑔𝐻2
(a) (b)
Gambar 1.8 Gambar struktur mikro hasil melting Mg23.5Ni (Mg-Ni eutectic) hasil uji (a)mikroskop optik (b)SEM
Gambar 1.9 Hasil Uji XRD pada serbuk Mg23.5Ni (a)non-milling (b)1%Y, (c)3%Y, (d)5%Y hasil Mechanical Milling dengan variabel persentase penambahan katalis menggunakan Conventional Ball Mill dengan kecepatan 800 rpm dan Milling Time 5 jam
Gambar 1.10 Hasil Uji XRD pada serbuk Mg23.5Ni (a)non-milling (b)1%Y, (c)3%Y, (d)5%Y hasil mechanical milling dengan variabel persentase penambahan katalis munggunakan conventional ball mill dengan kecepatan 800 rpm dan milling time 20 jam
Gambar 1.11 Hasil uji SEM pada serbuk Mg23.5Ni dengan perbesaran (a)250x dan (b)10000x. Rata-rata ukuran serbuk 235 µm
Gambar 1.12 Hasil uji SEM pada serbuk Mg23.5Ni (a)+1%Y (b)+3%(Y (c)+5%Y menggunakan Conventional Ball Mill
dengan kecepatan 800 rpm dan Milling Time 5 jam perbesaran 250x. Rata-rata ukuran serbuk 115 µm
Gambar 1.13 Hasil uji SEM pada serbuk Mg23.5Ni (a)+1%Y (b)+3%(Y (c)+5%Y menggunakan Conventional Ball Mill
dengan kecepatan 800 rpm dan Milling Time 5 jam perbesaran 250x. Rata-rata ukuran serbuk 110 µm
Dalam uji absorpsi, serbuk di dalam tabung uji dipanaskan di dalam furnace dengan temperatur 250°C, kemudian di tahan selama 1 jam dan didinginkan di dalam furnace. Dalam pengujian ini, semua sampel dapat mengikat H2 dalam temperatur 250°C. Hal ini diperkuat dengan pengujian XRD pada serbuk yang telah di uji pada tabung absorpsi. Kemudian dilakukan pengujian DSC untuk mengetahui temperatur desorpsi serta persentase jumlah minimal hidrogen yang diikat oleh metal hidrida.
Sampel uji Vial Vial
Furnace T 250°C
Thold = 1 jam
XRD
DSC
Hasil XRD sampel hidrogenisasi
Gambar 1.14 Hasil uji XRD (a) serbuk Mg23.5Ni + x % Y dengan
milling time 5 jam sebelum absorpsi dan (b) serbuk setelah
dilakukan uji absorpsi pada temperatur 250°C
1%Y 5 jam
Hasil XRD sampel hidrogenisasi
Gambar 1.14 Hasil uji XRD (a) serbuk Mg23.5Ni + x % Y dengan
milling time 5 jam sebelum absorpsi dan (b) serbuk setelah
dilakukan uji absorpsi pada temperatur 250°C
3%Y 5 jam
Hasil XRD sampel hidrogenisasi
Gambar 1.14 Hasil uji XRD Pada serbuk (a) serbuk Mg23.5Ni + x %
Y dengan milling time 5 jam sebelum absorpsi dan (b) serbuk
setelah dilakukan uji absorpsi pada temperatur 250°C
5%Y 5 jam
Hasil XRD sampel hidrogenisasi
Gambar 1.15 Hasil uji XRD (a) serbuk Mg23.5Ni + x % Y dengan
milling time 20 jam sebelum absorpsi dan (b) serbuk setelah
dilakukan uji absorpsi pada temperatur 250°C
1%Y 20 jam
Hasil XRD sampel hidrogenisasi
Gambar 1.15 Hasil uji (a) serbuk Mg23.5Ni + x % Y dengan milling
time 20 jam sebelum absorpsi dan (b) serbuk setelah dilakukan
uji absorpsi pada temperatur 250°C
3%Y 20 jam
Hasil XRD sampel hidrogenisasi
Gambar 1.15 Hasil uji XRD (a) serbuk Mg23.5Ni + x % Y dengan
milling time 20 jam sebelum absorpsi dan (b) serbuk setelah
dilakukan uji absorpsi pada temperatur 250°C
5%Y 20 jam
Hasil DSC sampel hidrogenisasi
Desorption peak
Desorption peak
(a) (b) Gambar 1.16 Hasil uji DSC Pada serbuk serbuk Mg23.5Ni + x wt% Y dengan milling time
(a)5 jam dan (b) 20 jam
Dari data DSC, dapat dihitung persentase pelepasan wt% H2
dan temperatur pelepasan H2.
(a) (b) Gambar 1.17 Grafik persentase pelepasan hidrogen pada serbuk Mg23.5 Ni + x % Y (a)
milling time 5 dan 20 jam, (b) Grafik temperatur pelepasan hidrogen pada serbuk Mg23.5 Ni + x % Y milling time 5 dan 20 jam
Dari data hidrogenisasi, serbuk Mg23.5Ni + 1%Y milling time 5 jam memiliki persentase pelepasan hidrogen terndah dari kelima sampel lainnya dan memiliki temperatur pelepasan yang relatif rendah dalam 1X Hidrogenisasi. Kemudian dilakukan 4x hidrogenisasi pada serbuk Mg23.5Ni + 1%Y. Dari 4x hidrogenisasi, serbuk Mg23.5Ni dapat menghasilkan hidrida metal Mg2NiH4 (1x hidrogenisasi hanya menghasilkan MgH2).
Gambar 1.18 Hasil uji XRD Mg23.5Ni + 1%Y milling time 5 jam (a)sebelum hidrogenisasi (b)1x siklus
hidrogenisasi (c)4x siklus hidrogenisasi
Position [°2Theta] (Copper (Cu))
20 30 40 50 60 70
Counts
0
1000
2000
4X hidrogenisasi
Magnesium Nickel Hydride
Magnesium
Magnesium Hydride
Gambar 1.18 Persentase hidrida metal yang terbentuk pada sampel uji Mg23.5Ni + 1%Y milling time 5 jam setelah 4x hidrogenisasi.
Kesimpulan • Penambahan ytrrium dapat mengurangi ukuran partikel serbuk pada milling time yang
sama. • Serbuk Mg23.5Ni + 1% Y milling time 5 jam dapat membentuk MgH2 dan Mg2NiH4 pada
temperatur 250°C. Temperatur pelepasan hidrogen serbuk Mg23.5Ni + 1% Y milling time 5 jam yaitu 273°C.
Saran • Disarankan untuk menggunakan ball mill yang memiliki energi milling yang lebih tinggi
seperti Planetary Ball Mill dan High Energy Ball Mill. Hal ini dikarenakan ukuran serbuk yang dihasilkan tidak tereduksi secara signifikan.sehingga persentase berat H2 yang diikat juga rendah.
• Dari penelitian yang dilakukan, disarankan untuk mengaktifasi terlebih dahulu sampel uji untuk mendapatkan hasil yang lebih maksimal sehingga persentase H2 yang di ikat semakin banyak.
• Untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat dalam pengukuran hidrogenisasi, disarankan untuk menggunakan alat pengukur yang standar seperti PCI /PCT.