Citra Deliana Dewi S. (10506027) Pembimbing : Dr. Bambang Prijamboedi Presentasi Seminar Tugas Akhir 09 Februari 2010 Sintesis dan Karakterisasi BiMeVOx (Me = Cu, Ti) Sebagai Material Elektrolit Padat pada SOFC Citra Deliana Dewi S. (10506027) Pembimbing : Dr. Bambang Prijamboedi

PENDAHULUAN

Permasalahan energi dan lingkungan Energi bersih dari sumber energi terbarukan semakin dibutuhkan, karena persediaan bahan bakar fosil yang semakin menipis serta permasalahan lingkungan yang diakibatkannya semakin besar (global warming). Gambar 1 Persediaan dan permintaan minyak dunia[1] Gambar 2 Peningkatan CO2 di atmosfer[2]

Sel bahan bakar padatan (sofc) Sel bahan bakar padatan (SOFC) merupakan salah satu alternatif energi bersih dan terbarukan yang sedang banyak dikembangkan. SOFC bekerja dengan bahan bakar hidrogen (H2) dan oksigen (dari udara), serta mengemisikan hanya air dan energi listrik sehingga menjadi sumber energi yang menjanjikan untuk masa depan. Beberapa keunggulan SOFC: Fabrikasi yang tidak terlalu rumit karena terbuat dari bahan padatan

Keunggulan SOFC (cont’d) Portable Efektivitas tinggi, hingga 40-60% (jika ditambah waste-heat systems dapat mencapai efisiensi 80-85%) Umumnya memerlukan katalis most sulfur-resistant fuel cell type, dapat mentoleransi keberadaan sulfur hingga beberapa orde besaran dibanding fuel cell lainnya.[3] Fleksibel dalam hal bahan bakar (H2, CO, hidrokarbon, dan sebagainya)

Cara kerja sofc Katoda: reduksi H2 menjadi H+, elektron mengalir ke anoda; Anoda: menerima elektron dari katoda untuk mereduksi O2 menjadi O2-; Elektrolit: konduksi O2- dari anoda ke katoda sehingga bereaksi dengan H+ menjadi H2O. Gambar 3 Skema SOFC[3]

IT-SOFCS Namun, SOFC yang telah ada saat ini pada umumnya menggunakan elektrolit YSZ yang beroperasi pada suhu sekitar 1000 0C. Suhu yang terlalu tinggi mengakibatkan start up yang lambat dan memerlukan perisai panas yang baik untuk mempertahankan panas serta untuk melindungi pekerja. Diperlukan elektrolit pengganti YSZ yang memiliki konduktivitas tinggi pada suhu yang lebih rendah untuk aplikasi intermediate temperature SOFCs yaitu yang yang dapat digunakan pada suhu 400- 600 0C.

BIMEVOX Konduktor ion oksigen yang berasal dari golongan bismuth-vanadate (BiMeVOx) merupakan salah satu kandidat untuk material elektrolit pada IT-SOFCs: memiliki konduktivitas ion oksigen yang tinggi pada suhu yang lebih rendah. Dilakukan sintesis BiMeVOx dengan dopan Cu dan Ti serta karakterisasinya berkaitan dengan perannya sebagai elektrolit dalam SOFC.

TINJAUAN PUSTAKA

BIMEVOX Rumus empiris: Bi2MexV1-xO5,5-δ Struktur aurivillius yang terdiri dari lapisan [Bi2O2]2+ dan lapisan [VO3.5]2- Memiliki 3 fasa struktur yang tergantung pada suhu, yaitu fasa α, β, dan γ. Fasa γ merupakan fasa BiMeVOx yang memiliki konduktivitas yang paling tinggi. Pada kondisi tanpa dopan, fasa γ stabil pada suhu di atas 570 0C, fasa β stabil pada 450-570 0C, dan fasa α stabil di bawah suhu 450 0C. Substitusi posisi vanadium oleh ion dopan bervalensi lebih rendah dapat meningkatkan konsentrasi vakansi ion oksigen.

STRUKTUR BIMEVOX DAN HOPPING Pada struktur BiMeVOx: lapis biru: [Bi2O2]2+; lapis merah (perovskite-like): [VO3.5]2-. Konduktivitas ion terjadi melalui mekanisme hopping (loncatan) oxygen vacancy.

Solid State Reaction Biasa disebut metoda reaksi fasa padat, yaitu suatu metode sintesis material oksida di mana reaksi kimia terjadi dalam fasa padat. Meliputi tahapan homogenisasi, kalsinasi, dan sintering. Pereaksi saling berinteraksi melalui interdifusi ion-ion Gambar 4 Pembentukan spinel dengan solid state reactions [4] Kalsinasi : dekomposisi termal, pembentukan Inti, s.volatil Sintering : Mengubah struktur mikro, densifikasi, pertumbuhan kristal , reaksi.

KARAKTERISASI Gambar 5 Difraksi sinar-X [5] XRD digunakan untuk menentukan struktur padatan serta parameter sel (dengan refinement). SEM (scanning electron microscopy) digunakan untuk melihat mikrostruktur padatan.

KARAKTERISASI (cont’d) EIS (electrochemical impedance spectroscopy) untuk mengukur hambatan listrik bahan. Pengukuran impedansi dilakukan untuk mengetahui konduktivitas ionik dari bahan. R C Gambar 6 Analogi pengukuran impedanis dan spektrum impedansi [6] ρ = (Zr x A)/l σ = 1/ρ

EKSPERIMEN

Bi2O3, V2O3, dan MexOy Pellet Bi2MexV1-xO5,5-δ Ditimbang sesuai stoikiometri Homogenisasi selama 2 jam Kalsinasi Dinginkan, lalu Homogenisasi Sintering serbuk Pencetakan pellet Sintering pellet XRD, SEM, dan EIS MexOy = 0 untuk Bi2VO5,5; CuO untuk Bi2CuxV1-xO5,5-δ ; dan TiO2 untuk Bi2TixV1-xO5,5-δ

HASIL DAN PEMBAHASAN

Struktur Bi2CuxV1-xO5,5-δ x 0.1 0.2 a (Å) 16.4957 4.0225 3.9063 b (Å) 5.6126 c (Å) 15.2839 16.9646 15.9814 Volume sel 1,415.04 274.50 243.86 Rp; Rwp (%) 8.674; 12.847 9.375; 11.083 11.090; 11.489 Space Group A2 I4/M M M Penurunan parameter sel yang signifikan merupakan akibat dari perubahan fasa.

Struktur Bi2CuxV1-xO5,5-δ (α) 0.1 0.2 a (Å) 16.496 16.524 16.617 b (Å) 5.6126 5.5115 5.5625 c (Å) 15.284 15.3414 15.3669 Volume sel 1,415.04 1397.1724 1420.394261 Rp; Rwp (%) 8.674; 12.847 7.043; 8.192 7.759; 8.006 Space Group A2 Volume sel tidak mengalami perubahan yang signifikan diakibatkan belum terjadi perubahan fasa.

Struktur Bi2TixV1-xO5,5-δ x a b c volum sel Ket 0.05 4.7572 15.8517 358.7390593 Rp= 9.259; Rwp=9.667 0.1 4.1356 15.2281 260.4490474 Rp=9.238; Rwp=9.436 0.15 3.9349 15.4779 239.6511052 Rp=9.835; Rwp=9.274 0.2 3.9855 15.3856 244.3881052 Rp=10.357; Rwp=11,670

Mikrostruktur Bi2CuxV1-xO5,5-δ Ukuran butiran (μm2) tidak mengalami perubahan yang signifikan. Ukuran butiran yang kecil (banyak rongga) kurang cocok untuk aplikasi elektrolit dalam SOFC.

Mikrostruktur Bi2TixV1-xO5,5-δ Konsentrasi Ti pada x=0,2 memberikan padatan dengan mikrostruktur yang padat tanpa pori. Pertumbuhan kristal telah sempurna, menghasilkan ukuran butiran yang relatif besar. Cocok diaplikasikan sebagai elektrolit SOFC karena akan mencegah kebocoran gas.

IMPEDANSI BIMEVOX Impedansi menurun sekitar 4,5x lipat pada kenaikan suhu 50 0C; Impedansi juga menurun pada pertambahan konsentrasi dopan Ti sekitar 4,5-10x pada setiap pertambahan konsentrasi Δx=0,05; Impedansi x=0,05 sekitar 100x lipat impedansi x=0,2 pada 250 0C

KONDUKTIVITAS Konduktivitas meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi dopan Ti. Konduktivitas terendah:1,67x10-6 S/cm pada x=0,05 220 0C. Konduktivitas tertinggi: 6,12x10-3 S/cm pada x=0,2 440 0C Suhu terendah yang dapat dicapai: 140 0C dengan konduktivitas 2,79x10-6 S/cm x=0,2 σ

TRANSISI FASA Bi2TixV1-xO5,5-δ x=0,2 1000/T (K-1) perubahan fasa alpha ke beta terjadi pada suhu: y1=y2 -7.969x + 6.698=-5.421x + 2.246 2.548x = 4.452 x=1.74725275=1000/T T=572.327 K=299.327 0C perubahan fasa beta ke gamma terjadi pada suhu: y2=y3 -5.421x + 2.246= -7.353x + 5.160 1.932x =2.914 x=1.50828157=1000/T T= 663.006 K= 390.006 0C In σ (S/cm) Nilai kedua suhu transisi fasa berada di bawah suhu transisi fasa oksida induknya.

Konduktivitas Bi2TixV1-xO5,5-δ x=0,15 perubahan fasa alpha ke beta terjadi pada suhu: y1=y2 -8.817x + 6.325 =-7.831x + 4.529 0.986 x = 1.796 x=1.8215=1000/T T=548.998 K= 275.998 0C perubahan fasa beta ke gamma terjadi pada suhu: y2=y3 -7.831x + 4.529 = -15.91x + 15.61 8.079x = 11.081 x=1.3716=1000/T T= 729.0755 K= 456.0755 0C 1000/T (K-1) In σ (S/cm)

Konduktivitas Bi2TixV1-xO5,5-δ x=0,1 perubahan fasa alpha ke beta terjadi pada suhu: y1=y2 -9.435x + 8.288=-2.924x - 2.569 6.511 x = 10.857 x=1.6675=1000/T T = 599.7053 K = 326.7 0C perubahan fasa beta ke gamma terjadi pada suhu: y2=y3 -2.924x - 2.569 = -9.819x + 6.844 6.895 x = 9.413 x=1.365=1000/T 732.6007 K = 459.6 0C 1000/T (K-1) In σ (S/cm)

Konduktivitas Bi2TixV1-xO5,5-δ x=0,05 perubahan fasa alpha ke beta terjadi pada suhu: y1=y2 -8.137x + 3.243=-5.841x - 0.695 2.296x = 3.938 x=1.71515679=1000/T T= 583.0371 K = 310.0371 0C perubahan fasa beta ke gamma terjadi pada suhu: y2=y3 -5.841x - 0.695= -14.58x + 11.05 8.739x = 11.745 x=1.34397528=1000/T T= 744.0613 K = 471.0613 0C 1000/T (K-1) In σ (S/cm)

Perubahan Suhu Transisi Fasa Transisi Fasa α ke β Suhu transisi Fasa (0C) 0.05 0.1 0.15 0.2 α --> β 450 310.0371 326.7053 275.998 299.327 β --> γ 570 471.0613 459.6007 456.0755 390.006 Suhu transisi fasa β ke γ menurun dengan adanya dopan dan peningkatan konsentrasinya. Fasa γ berkonduktivitas tinggi bisa didapatkan dalam suhu yang lebih rendah dari oksida indukya. Rentang suhu kestabilan fasa γ melebar. Transisi Fasa β ke γ

KESIMPULAN Bi2TixV1-xO5,5-δ, x=0,2 memiliki potensi yang baik untuk diaplikasikan sebagai elektrolit pada SOFC dilihat dari mikrostruktur yang padat dan nilai konduktivitasnya yang tinggi. Konduktivitas ion Bi2TixV1-xO5,5-δ meningkat dengan meningkatnya konsentrasi dopan Ti. Substitusi Vanadium oleh Ti dapat menurunkan suhu transisi fasa pada BiMeVOx.

referensi [1] Oil market report, January 15th 2010, International Energy Agency (IEA). URL: http://www.iea.org/oilmar [2] Chris. 14 Mei 2008. Mengukur Pemanasan Global. URL: http://greenourearth.blogspot.com/2008/05/mengukur-pemanasan- global.html [3] Types of Fuel Cell. U.S. June 33th, 2009. Departmen of Energy. URL: http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcells/fc_typ es.html [4] Max-Planck-Gesellschaft. 2007. Solid State Reactions in Functional Oxides. URL: http://images.google.com/imgres?imgurl=http://www.mpihalle.mpg .de/department2/fileadmin/user_upload/Research_Projects/... [5] www.iop.org/.../Images%20500/img_mid_5359.gif [6]

TERIMA KASIH