Pemanfaatan Anode Bivo4 Dan Katode Nio Dari Photoelectrochemical Diuji Dengan Sistem Elektrolisis Air Untuk Memproduksi Gas Hidrogen

Abstract

Energi fosil mendominasi energi bahan bakar di Indonesia, terutama dalam bidang transportasi. Penggunaan bahan bakar fosil semakin lama semakin meningkat, sedangkan persediaannya semakin lama semakin menipis. Oleh karena itu, pemanfaatan energi baru terbarukan perlu mendapat perhatian sebagai energi alternatif pengganti bahan bakar fosil. Salah satu jenis energi alternatif ini adalah gas hidrogen. Photoelectrochemical adalah salah satu cara untuk mendapatkan gas H2 dengan memecahkan molekul air H2O menjadi gas H2 dan O2. Photoelectrochemical menggunakan elektrode, berupa anode dan katode untuk menghasilkan gas H2 dan O2. Anode dan katode yang digunakan yaitu anode BiVO4 dan katode NiO. Permasalahan pertama adalah bagaimana struktur mikro dan sifat listrik BiVO4 pada photoelectrochemical sebagai penghasil hidrogen, kedua adalah struktur mikro dan sifat listrik komposisi bahan BiVO4 dan NiO pada photoelectrochemical sebagai penghasil hidrogen, ketiga adalah bagaimana kinerja photoelectrochemical anode BiVO4 dan katode NiO pada elektrolisis air untuk memproduksi gas hidrogen H2, serta keempat adalah bagaimana perubahan energi yang terjadi pada saat ada dan tidak adanya molekul NiO terhadap molekul H2O dan pengaruhnya terhadap proses pemecahan molekul H2O pada NiO sebagai katode. Penelitian ini dilakukan melalui tahapan pengujian anode BiVO4, komposisi bahan BiVO4 dan NiO, penerapan kinerja photoelectrochemical anode BiVO4 dan katode NiO pada elektrolisis air dan simulasi pemecahan molekul H2O menjadi H2 dan O2 oleh NiO. Pengujian meliputi uji struktur mikro meliputi XRD, SEM, FTIR, dan sifat listrik. Di samping itu, anode BiVO4 dan katode NiO yang diaplikasikan pada elektrolisis air adalah untuk mengetahui kinerja photoelectrochemical anode BiVO4 dan katode NiO tersebut serta efisiensinya. Kinerja photoelectrochemical anode BiVO4 dan katode NiO pada elektrolisis dalam penelitian ini terbagi menjadi variabel bebas, variabel terikat dan variabel kontrol. Variabel bebas adalah tegangan listrik DC dalam satuan V (Volt). Variabel terikat terdiri dari konsentrasi gas H2 dan O2 yang didapatkan dalam satuan ppm (part permillion). Variabel kontrol adalah waktu. Variabel waktu dijaga konstan nilainya selama proses elektrolisis berlangsung. Selain itu, terdapat tahapan simulasi yang bertujuan untuk mengetahui perubahan energi kinetik dan potensial yang berpengaruh terhadap perubahan energi untuk pemecahan molekul air H2O menjadi gas hidrogen (H2). iii Pada simulasi, penggambaran model molekul H2O tanpa keberadaan NiO dan dengan keberadaan NiO serta propertinya menggunakan software Hyperchem Professional. Hasil data kemudian diolah dan diplot menggunakan Origin 8.5 dan dianalisa perubahan energinya. Analisa energi molekular hasil dari Hyperchem Pro ini, digunakan untuk mengungkap fenomena atau gejala pemecahan molekular H2O menjadi H2 (gas hidrogen). Analisis fenomena energi molekular, meliputi energi kinetik dan energi potensial. Hasil pengujian anode BiVO4 menunjukkan bahwa X-ray Diffraction sampel BiVO4 menunjukkan adanya intensitas puncak tinggi yang artinya adalah kerapatan elektron di dalam unit sel sangat tinggi dan dengan demikian kualitas strukturnya sangat baik. Hasil pengujian bahan katode NiO pada BiVO4 menunjukkan tidak ada perubahan pada struktur monoklinik BiVO4, namun penambahan ini menurunkan intensitas puncak semua sampel. Jari-jari ion Ni lebih kecil daripada Bi, sehingga ion Ni dapat tersubstitusi ke dalam Bi untuk semua variasi persentase berat NiO. Hasil ini didukung oleh penelitian Regmi et al.2017 bahwa unsur logam dapat tersubstitusi ionik ke dalam BiVO4 karena perbedaan jari-jari ionik dengan BiVO4. Pada analisa FTIR, ikatan getaran terdapat pada puncak spektrum 1800 cm-1 dan 2000 cm-1 untuk mode simetris V-O pada BiVO4 monoklinik untuk sampel A, B, C dan D, sedangkan puncak pada spektrum 435 cm-1 dapat terlihat adanya ikatan untuk Bi-O. Analisa SEM menghasilkan bahwa morfologi partikel memiliki struktur berukuran kecil dengan ukuran partikel rata-rata sekitar 0,3 μm pada BiVO4. Sifat listrik semakin meningkat dengan mengkomposisikan BiVO4 dengan NiO. Anode BiVO4 dan katode NiO yang telah dipreparasi adalah bahan elektrode dan sesuai dengan sifat listrik/konduktansi yang menjadi syarat dari elektrode photoelectrochemical. Hasil kinerja photoelectrochemical anode BiVO4 dan katode NiO pada elektrolisis air untuk memproduksi gas hidrogen H2 menunjukkan bahwa semakin besar arus pada elektrode BiVO4 dan NiO, maka semakin besar pula konsentrasi gas Hidrogen H2 yang dihasilkan. Semakin besar tegangan pada anode BiVO4 dan katode NiO, semakin besar pula konsentrasi gas Hidrogen H2 yang dihasilkan. Hasil eksperimental yang sudah dilakukan dalam penelitian ini dalam waktu 30 detik sudah bisa menghasilkan 0.3 ppm gas H2 yang setara dengan 0,3 mg/L. Perbandingan hasil dengan penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa tegangan berbanding lurus dengan kandungan hidrogen H2. Akan tetapi, pada penelitian saat ini yang menggunakan katode NiO mengalami peningkatan kadar H2 yang lebih signifikan dibandingkan dengan penelitian sebelumnya yang menggunakan katode Pt. Hasil simulasi perubahan energi dengan adanya keberadaan molekul NiO pada H2O menunjukkan bahwa, energi kinetik sebagai fungsi waktu pada molekul H2O dengan adanya molekul NiO terdapat perubahan energi kinetik yang signifikan. Pergerakan molekul menjadi lebih cepat dan cenderung bertubrukan sehingga memungkinkan molekul bertukar energi karena energi kinetik molekul berbanding lurus dengan gerak molekul. Energi kinetik yang dihasilkan dari dinamika gerak molekul H2O dengan NiO lebih besar daripada tanpa keberadaan NiO. Selain dari itu, gaya antar atom menjadi lebih besar sehingga kemungkinan besar mendukung putusnya ikatan molekul H2O menjadi lebih tinggi. Energi kinetik H2O maksimum sebagai fungsi waktu dengan adanya NiO menghasilkan sekitar 6,5 kkal/mol dalam waktu 0,1 ps. Sedangkan, energi kinetik H2O maksimum tanpa NiO menghasilkan sekitar 4,0 kkal/mol dalam waktu 0,2 ps. Energi kinetik H2O maksimum terhadap fungsi temperatur dengan NiO iv menghasilkan sekitar 7,5 kkal/mol dan energi kinetik H2O maksimum tanpa NiO menghasilkan sekitar 4,7 kkal/mol yang dicapai pada temperatur sekitar 500 K. Energi potensial H2O terhadap fungsi waktu dengan NiO menghasilkan sekitar 3,0 kkal/mol dalam waktu 0,1 ps. Sedangkan, energi potensial H2O maksimum tanpa NiO menghasilkan sekitar 2,3 kkal/mol dalam waktu 0,2 ps. Energi potensial H2O terhadap fungsi temperatur dengan NiO menghasilkan sekitar 3,0 kkal/mol pada temperatur sekitar 150 K, sedangkan tanpa NiO menghasilkan sekitar 2,5 kkal/mol pada temperatur sekitar 300 K. Peningkatan energi kinetik dan energi potensial yang dihasilkan dari gerak molekul tersebut mengimplikasikan bahwa putusnya ikatan molekul H2O menjadi lebih signifikan yang mengarah pada pemecahan molekul H2O menjadi gas H2. Energi ikatan atom hidrogen pada H2O berada pada 20 kJ/mol sehingga dalam kisaran energi tersebut, H2 dapat terbentuk