Mengenal Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) pada Zeolit

Meningkatnya kebutuhan energi dan isu pemanasan global telah mendorong penelitian tentang sumber energi alternatif. Sel bahan bakar membran elektrolit polimer (PEMFC) dapat menjadi sumber energi alternatif dengan (sebagian) menggantikan penggunaan bahan bakar fosil yang sejalan dengan konsep teknologi hijau.

Namun, penggunaan hidrogen sebagai bahan bakar memiliki beberapa kelemahan terutama transportasi dan penyimpanan terkait dengan aspek keamanannya. Belakangan ini, alkohol mendapat perhatian sebagai sumber energi untuk aplikasi sel bahan bakar, yaitu direct alcohol fuel cell (DAFC).

Di antara alkohol, metanol dan etanol densitas energi tinggi banyak digunakan sebagai sel bahan bakar metanol langsung (DMFC) dan sel bahan bakar etanol langsung (DEFC), masing-masing. Selanjutnya, penggunaan methanol dan etanol memberikan beberapa keistimewaan tambahan seperti sifat tidak beracun, terbarukan, kemudahan produksi dalam jumlah besar dengan fermentasi bahan baku yang mengandung gula.

Sel bahan bakar alkohol langsung (DAFC) masih memiliki kelemahan pada konduktivitas proton yang rendah dan crossover alkohol yang tinggi. Oleh karena itu, untuk meningkatkan unjuk kerja DAFC, telah dilakukan modifikasi menggunakan zeolit ​​untuk meningkatkan konduktivitas proton dan menurunkan crossover alkohol.

Zeolit ​​juga memiliki sifat tahan panas yang tinggi, sehingga meningkatkan kinerja DMFC. Makalah ini akan membahas secara singkat tentang modifikasi katalis dan membran untuk DMFC menggunakan zeolit. Efek modifikasi zeolit ​​terhadap kinerja sel bahan bakar terutama konduktivitas proton dan crossover alkohol akan disajikan secara rinci.

Apa Itu DMFC

Sel bahan bakar metanol langsung (DMFC) dianggap sebagai sumber daya yang menjanjikan untuk elektronik portabel generasi berikutnya, karena karakteristiknya seperti kepadatan energi yang tinggi, emisi hijau, pengisian bahan bakar cair yang nyaman, dan kondisi operasi sekitar.

Namun, masih ada beberapa masalah kritis yang harus diatasi untuk mengkomersialkan sistem DMFC sebagai sumber daya nyata. Di antara masalah teknis, peningkatan aktivitas katalitik katalis elektroda adalah salah satu masalah yang paling penting.

Dalam hal ini, baru-baru ini, karbon berstrukturnano, termasuk karbon nanotube, serat nano karbon dan karbon mesopori pesanan (OMC), dieksploitasi sebagai pendukung karbon baru untuk katalis DMFC, untuk meningkatkan aktivitas katalitik dalam reaksi elektroda.

Di antara berbagai karbon berstruktur nano, khususnya, OMC sangat menarik sebagai bahan pendukung untuk DMFC, karena luas permukaannya yang tinggi, mesopori yang seragam, dan stabilitas termal dan kimia yang tinggi. Akibatnya, laporan terbaru menunjukkan bahwa aktivitas katalitik yang menjanjikan diperoleh dengan menggunakan katalis yang didukung OMC.

Dalam presentasi ini, sebagai bagian dari upaya berkelanjutan kami menuju desain rasional bahan OMC untuk aplikasi DMFC, efek dari sifat struktural pendukung OMC seperti mikroporositas dan karakter grafit pada kinerja katalis yang didukung OMC diselidiki.

Kinerja DMFC diketahui cukup sensitif terhadap aliran oksidan. Hal ini terutama disebabkan oleh kebutuhan untuk menghilangkan air yang dipindahkan dari anoda ke sisi katoda baik dengan perpindahan atau dengan penguapan. Untuk memastikan operasi yang stabil, zona distribusi reaktan di katoda harus dirancang untuk menghilangkan tetesan air pada perbedaan tekanan rendah antara inlet dan outlet oksidan.

Aliran oksidan yang tinggi juga bermanfaat untuk mengoksidasi metanol secara kimia yang diangkut dari anoda ke sisi katoda. Jika dibandingkan dengan PEFC yang diberi makan hidrogen, yang biasanya dioperasikan pada tegangan sel tunggal rata-rata dalam kisaran 700–600 mV, tegangan sel tunggal DMFC tipikal lebih mungkin diatur dalam kisaran 500–350 mV.

Juga diketahui bahwa DMFC dioperasikan pada pemanfaatan oksidan yang lebih rendah daripada PEFC. Mempertimbangkan hal ini, pembangkitan tingkat daya tertentu dalam DMFC membutuhkan kira-kira dua kali arus listrik dan akibatnya lebih dari dua kali aliran oksidan dibandingkan dengan PEFC yang diberi hidrogen.

DMFC yang diberi makan cairan hanya menunjukkan sensitivitas rendah terhadap laju aliran bahan bakar asalkan tingkat konsumsi metanol tetap di bawah 10% selama satu lintasan dan kecepatan aliran bahan bakar keseluruhan cukup tinggi untuk mencegah pembentukan bagian besar berisi karbon dioksida dalam distribusi bahan bakar daerah.

Ketika kriteria ini terpenuhi, desain sebenarnya dari zona distribusi bahan bakar hanya memiliki sedikit pengaruh pada kinerja sel. (lihat Gambar 6). Pada suhu kamar, kurva karakteristik hampir identik pada aliran bahan bakar 4 mL min-1. Pada 110 °C, perilaku kerapatan arus rendah juga tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan, sementara batasan pengangkutan bahan bakar di atas 350 mA cm−1 terlihat.

Crossover di DMFC

Banyak peneliti bekerja pada parameter sel bahan bakar seperti tekanan, suhu atau konsentrasi umpan bahan bakar untuk mengurangi crossover bahan bakar di DMFC. Lainnya berfokus pada modifikasi bahan dan morfologi lapisan katalis (anoda dan/atau katoda) dan elektrolit sel bahan bakar untuk meningkatkan efisiensi DMFC.

Pendekatan yang berbeda dicapai untuk meminimalkan atau menghilangkan persilangan metanol baik dengan memodifikasi membran Nafion, menggunakan jenis baru bahan membran penghantar proton (misalnya PEEK), atau dengan membran polimer komposit. Tujuan utama di balik pengurangan persilangan metanol adalah untuk menghindari potensi campuran pada lapisan katalis katoda dan penggunaan bahan bakar yang rendah karena persilangan metanol.

Crossover yang terjadi di sel bahan bakar melalui saluran ion yang membengkak menurunkan efisiensi sel bahan bakar dan mengkonsumsi bahan bakar yang tidak bereaksi. Untuk mengatasi masalah ini, berbagai pengisi nano anorganik dan organik harus digabungkan dengan membran Nafion. Bahan organik ini harus memiliki sifat tertentu seperti stabilitas termal serta stabilitas kimia.

Bahan anorganik dapat meningkatkan jalur difusi metanol (dengan tortuositas anorganik) seperti zeolit ​​dan grafena oksida sehingga mengurangi crossover sel bahan bakar. Gagasan utama di balik pengembangan membran konduksi proton baru adalah untuk mempertahankan konduktivitas proton yang tinggi serta permeabilitas bahan bakar yang rendah.

Membran komposit organik/anorganik telah menunjukkan hasil yang menjanjikan. Ada peningkatan minat pada asam padat anorganik dengan berbagai oksida, membran komposit asam padat berbasis Zr, dan membran komposit zeolit. Faktanya, zeolit ​​​​adalah salah satu bahan yang paling umum digunakan untuk meningkatkan kinerja membran dalam sel bahan bakar membran pertukaran proton (PEMFCs).

Memasukkan membran Nafion dengan pengisi anorganik dapat meningkatkan kinerja sel dengan menghalangi metanol melewati sel. Juga meningkatkan sifat pembengkakan membran Nafion yang dianggap sebagai alasan utama permeabilitas metanolnya yang tinggi. Pembengkakan membran memiliki perilaku yang berbeda pada suhu tinggi yang berarti suhu sel harus dipertahankan selama percobaan.

 J. Kerres, W. Zhang et al [32], menemukan bahwa pembengkakan pada suhu tinggi, untuk beberapa membran yang digunakan dalam DMFC, dapat dihindari dengan menghubungkan membran ionomer secara kovalen, yang menunjukkan bahwa pembengkakan adalah fungsi suhu . Yuwei Zhang et al menurunkan permeabilitas metanol di membran Nafion dengan bekerja sama silika tersulfonasi (anorganik) dengan Nafion (polimer).

Penelitian dilakukan dengan melapisi lapisan tipis silika tersulfonasi (pengisi anorganik) pada permukaan membran. Membran tersebut dinamakan membran Si-Nafion. Mereka menunjukkan bahwa permeasi metanol melintasi membran Si-Nafion berkurang karena adanya silika tersulfonasi.

Selain itu, konduktivitas proton dalam membran Nafion dipertahankan karena sifat konduktif proton intrinsik dari gugus asam sulfonat silika tersulfonasi. Gugus asam (sulfonat) pada antarmuka Nafion dan silika tersulfonasi sangat berguna untuk mengangkut proton antara lapisan hibrid anorganik/organik.

Yuwei Zhang et al menemukan bahwa lapisan silika organik tersulfonasi adalah metode yang efektif untuk meminimalkan permeabilitas metanol dari membran Nafion. Sebagai fitur tambahan pada membran yang dimodifikasi, mereka mengklaim bahwa sifat pembengkakan membran Nafion ditunda dengan menggunakan metode ini. Sifat pengembangan dibuat dengan membandingkan ukuran geometri membran sebelum dan sesudah direndam dalam air selama 24 jam.

Namun, telah dilaporkan bahwa silika adalah bahan konduktor proton yang buruk, membuat lapisan tipis silika dapat sedikit mempengaruhi konduktivitas. Bahkan, memodifikasi permukaan film tipis yang terbuat dari silika memang menurunkan konduktivitas proton membran SiNafion dalam penelitian Yuwei Zhang et al.

Konduktivitas proton dan permeabilitas metanol untuk membran Nafion dan membran Si-Nafion, (dengan waktu perlakuan yang berbeda), diambil dan didapatkan bahwa konduktivitas proton membran Nafion menurun dari 0,092 cm-1 menjadi 0,029 cm-1 (pada menit ke-7).

Waktu perawatan) dan juga permeasi metanol berkurang ke tingkat yang sangat rendah di mana tidak dapat dideteksi. Hal ini menunjukkan bahwa modifikasi membran Nafion dengan filler anorganik untuk mengurangi crossover metanol dapat mempengaruhi konduktivitas proton yang mempengaruhi efisiensi sel bahan bakar.

Karena stabilitas termal dan mekanik Nafion, telah mendapat perhatian besar sebagai konduktor proton untuk sel bahan bakar membran pertukaran proton (PEM). Ikatan antara karbon dan fluor membuatnya tangguh dan tahan terhadap serangan kimia.

Selain itu, Nafion memiliki dua daerah yang sangat hidrofobik, sehingga digunakan pada elektroda sel bahan bakar untuk mendorong air yang dihasilkan keluar dari elektroda, sehingga mencegah terjadinya banjir di sel bahan bakar. Sementara itu, wilayah hidrofiliknya mengandung gugus ionik dan ion lawannya.

Zeolit ​​telah digunakan dalam sel bahan bakar untuk mengurangi fenomena crossover metanol yang terjadi selama pengoperasian sel bahan bakar. Ini memiliki struktur berpori mikro yang unik yang memiliki dimensi pori seragam yang memungkinkan beberapa molekul untuk memasuki kristal dan menolak yang lain tergantung pada ukuran molekul. Sifat pertukaran ion dalam zeolit ​​memungkinkan melakukan semua jenis reaksi pertukaran ion.

Selain itu zeolite memiliki kemampuan untuk mengembangkan keasaman internal yang membuat zeolit ​​menjadi bahan yang menarik untuk reaksi organik dan stabilitas termal yang tinggi dari zeolit. Para peneliti telah melakukan berbagai percobaan untuk memenuhi kebutuhan penelitian mereka karena keterbatasan zeolit. 

Beberapa keterbatasan tersebut adalah; pengotor yang tidak diinginkan, komposisi kimia yang bervariasi dari satu lapisan ke lapisan lainnya dalam deposit yang sama dan sifat zeolit ​​untuk aplikasi tertentu.

Distributor Zeolit Untuk Berbagai Aplikasi dan Industri

Jika Anda adalah perusahaan yang membutuhkan zeolit untuk pengolahan berbagai produk Anda, kami siap membantu. Ady Water jual zeolit untuk filter air jenis batu, pasir, dan tepung. Kemasan zeolit per karung 20 kilogram dan eceran 4 kilogram.

Kami juga sudah suplai zeolit ke industri food and beverage, berbagai BUMN, kebutuhan softener (Pelunak Air / Pengurang Kesadahan Air) rumah tangga. Semua produk kami ready stock. Selain itu, kami juga dapat memberikan suplai hingga puluhan ton secara rutin per bulan atau sesuai dengan kebutuhan Anda.

Untuk informasi lebih lanjut bisa hubungi kami di;

Pusat Zeolit Unggulan Ady Water Bandung

Jalan Mande Raya No. 26, RT/RW 01/02 Cikadut-Cicaheum, Bandung 40194

 

Zeolit Filtrasi Air Jakarta

Jalan Tanah Merdeka No. 80B, RT.15/RW.5 Rambutan, Ciracas, Jakarta Timur 13830

 

Zeolit Untuk Air Bersih Jakarta Barat

Jalan Kemanggisan Pulo 1, No. 4, RT/RW 01/08, Kelurahan Pal Merah, Kecamatan Pal Merah, Jakarta Barat, 11480

 

 Atau Anda juga bisa langsung kontak sales kami secara langsung baik via phone maupun WhatsApp:

•         0821 2742 4060 (Ghani)

•         0812 2165 4304 (Yanuar)

•         0821 2742 3050 (Rusmana)

•         0821 4000 2080 (Fajri)

•         0812 2445 1004 (Kartiko)

•         0812 1121 7411 (Andri)               

Untuk Anda yang membutuhkan zeolit baik untuk kebutuhan pengolahan air rumah tangga maupun industri termasuk bagi Anda yang menjalankan bisnis pengolahan air, silahkan kontak kami segera.

Jika Anda memiliki pertanyaan seputar zeolit, silahkan kontak kami untuk diskusi lebih lanjut dan temukan produk zeolit sesuai kebutuhan. Kami di Ady Water menawarkan zeolit terbaik untuk berbagai aplikasi. Silahkan datang ke kantor kami atau kontak sales kami di nomor di atas. Terima kasih.