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

Walid, Achmad and Prof.Ir. Sudjito S, PhD and Dr. Slamet Wahyudi, ST. MT and Prof. Dr.Eng. Mega Nur Sasongko, ST.MT (2022) Pemanfaatan Anode Bivo4 Dan Katode Nio Dari Photoelectrochemical Diuji Dengan Sistem Elektrolisis Air Untuk Memproduksi Gas Hidrogen. Doktor thesis, Universitas Brawijaya.

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.

English Abstract

Fossil energy dominates fuel energy in Indonesia, especially in the transportation sector. The use of fossil fuels is increasing over time, while the supply is getting depleted. Therefore, the use of new and renewable energy needs attention as an alternative energy to replace fossil fuels. One type of alternative energy is hydrogen gas. Photoelectrochemical is one way to get H2 gas by breaking H2O water molecules into H2 and O2 gas. Photoelectrochemical uses electrodes, in the form of anode and cathode to produce H2 and O2 gases. The anode and cathode used are BiVO4 anode and NiO cathode. The first problem is how the microstructure and electrical properties of BiVO4 in photoelectrochemicals as hydrogen producers, second is the microstructure and electrical properties of the composition of BiVO4 and NiO materials in photoelectrochemicals as hydrogen producers, third is how the photoelectrochemical performance of BiVO4 anode and NiO cathodes in electrolysis of water to produce gas. hydrogen H2, and fourth is how the energy changes that occur in the presence and absence of NiO molecules on H2O molecules and their effect on the process of breaking down H2O molecules in NiO as cathode. This research was carried out through the stages of testing the BiVO4 anode, the composition of BiVO4 and NiO materials, applying the photoelectrochemical performance of the BiVO4 anode and NiO cathode to water electrolysis and simulating the breakdown of H2O molecules into H2 and O2 by NiO. The tests include microstructure tests including XRD, SEM, FTIR, and electrical properties. In addition, the BiVO4 anode and NiO cathode were applied to water electrolysis to determine the photoelectrochemical performance of the BiVO4 anode and NiO cathode and their efficiency. The photoelectrochemical performance of BiVO4 anode and NiO cathode in electrolysis in this study was divided into independent variables, dependent variables and control variables. The independent variable is DC mains voltage in units of V (Volt). The dependent variable consists of gas concentrations of H2 and O2 obtained in ppm (parts per million). The control variable is time. The time variable is kept constant during the electrolysis process. In addition, there is a simulation stage that aims to determine the changes in kinetic and potential energy that affect the energy changes for the breakdown of water molecules H2O into hydrogen gas (H2). In the simulation, the depiction of the H2O molecular model without the presence of NiO and the presence of NiO and its properties using Hyperchem Professional software. The resulting data were then vi processed and plotted using Origin 8.5 and analyzed for energy changes. The molecular energy analysis from Hyperchem Pro is used to reveal the phenomenon or symptoms of the molecular breakdown of H2O into H2 (hydrogen gas). Analysis of molecular energy phenomena, including kinetic energy and potential energy. The results of the BiVO4 anode test showed that the X-ray Diffraction of the BiVO4 sample showed a high peak intensity, which means that the electron density in the unit cell is very high and thus the structural quality is very good. The test results of NiO cathode material on BiVO4 showed no change in the monoclinic structure of BiVO4, but this addition decreased the peak intensity of all samples. Ni ion radius is smaller than Bi, so Ni ions can be substituted into Bi for all weight percentage variations of NiO. This result is supported by the research of Regmi et al. 2017 that metal elements can be ionic substituted into BiVO4 because of the difference in ionic radii with BiVO4. In the FTIR analysis, vibrational bonds are found at the peak of the 1800 cm-1 and 2000 cm-1 spectrum for the V-O symmetrical mode in monoclinic BiVO4 for samples A, B, C and D, while the peaks in the 435 cm-1 spectrum can be seen the presence of bonds for Bi -O. SEM analysis showed that the particle morphology has a small structure with an average particle size of about 0.3 m in BiVO4. The electrical properties are further improved by composing BiVO4 with NiO. The prepared BiVO4 anode and NiO cathode are electrode materials and are in accordance with the electrical/conductance properties required for photoelectrochemical electrodes. The results of the photoelectrochemical performance of the BiVO4 anode and NiO cathode in the electrolysis of water to produce hydrogen H2 gas show that the greater the current at the BiVO4 and NiO electrodes, the greater the concentration of Hydrogen H2 gas produced. The greater the voltage at the BiVO4 anode and NiO cathode, the greater the concentration of hydrogen H2 gas produced. The experimental results that have been carried out in this study within 30 seconds have been able to produce 0.3 ppm H2 gas which is equivalent to 0.3 mg/L. Comparison of the results with previous studies shows that the stress is directly proportional to the hydrogen content of H2. However, in the current study using the NiO cathode, H2 levels increased significantly compared to previous studies using the Pt cathode. The simulation results of energy changes in the presence of NiO molecules in H2O show that, kinetic energy as a function of time in H2O molecules in the presence of NiO molecules there is a significant change in kinetic energy. The movement of molecules becomes faster and tends to collide, allowing the molecules to exchange energy because the kinetic energy of the molecules is directly proportional to the motion of the molecules. The kinetic energy resulting from the dynamics of the molecular motion of H2O with NiO is greater than in the absence of NiO. Apart from that, the force between atoms becomes larger so that it is likely to support the breaking of the H2O molecular bond to be higher. The maximum kinetic energy of H2O as a function of time in the presence of NiO yields about 6.5 kcal/mol in 0.1 ps. Meanwhile, the maximum kinetic energy of H2O without NiO produces about 4.0 kcal/mol in 0.2 ps. The maximum kinetic energy of H2O with respect to temperature function with NiO yields about 7.5 kcal/mol and the maximum kinetic energy of H2O without NiO produces about 4.7 kcal/mol which is reached at a temperature of about 500 K. The potential energy of H2O with respect to time function with NiO produces approx. 3.0 kcal/mol in 0.1 ps. Meanwhile, the maximum potential energy of H2O without NiO yields about 2.3 kcal/mol in 0.2 vii ps. The potential energy of H2O as a function of temperature with NiO produces about 3.0 kcal/mol at a temperature of around 150 K, while without NiO produces about 2.5 kcal/mol at a temperature of about 300 K. The increase in kinetic energy and potential energy resulting from molecular motion This implies that the breaking of the H2O molecular bond becomes more significant which leads to the splitting of the H2O molecule into H2 gas. The hydrogen atomic bond energy in H2O is at 20 kJ/mol so that within this energy range, H2 can be formed.

Other obstract

-

Item Type:	Thesis (Doktor)
Identification Number:	0622070001
Uncontrolled Keywords:	BiVO4,NiO, photoelectrochemical, energi kinetik, energi potensial, elektrolisis .-BiVO4, NiO, photoelectrochemical, potential energy, kinetic energy, electrolysis
Subjects:	600 Technology (Applied sciences) > 621 Applied physics > 621.8 Machine engineering
Divisions:	S2/S3 > Doktor Teknik Mesin, Fakultas Teknik
Depositing User:	Endang Susworini
Date Deposited:	03 Apr 2023 02:03
Last Modified:	03 Apr 2023 02:03
URI:	http://repository.ub.ac.id/id/eprint/197797

Text (DALAM MASA EMBARGO) achmad walid.pdf Restricted to Registered users only until 31 December 2024. Download (15MB)

Actions (login required)

View Item