tugas metopen

TUGAS METODOLOGI PENELITIAN

Synthesis of multi-walled carbon nanotube supported nickel catalysts by hydrazine reduction and their electrocatalytic activity

on ethanol electro-oxidationZheng Liu, Zhilin Li, Feng Wang, Jingjun Liu, Jing Ji, Jianjun Wang, Weihong

Wang,Shiyong Qin, Lianghu Zhang.

a State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, PR China

b Institute of Carbon Fibers and Composites, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, PR China

c Blue Star (Beijing) Chemical Machinery Co., Ltd., Beijing 100176, PR China

I. PENDAHULUAN

Multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) memiliki banyak karakteristik yang luar biasa, seperti luas area yang sangat tinggi, kekuatan mekanik yang kuat namun massanya sangat rendah, seta memiliki stabilitas kimia dan stabilitas termal yang tinggi, yang membuatnya sangat potensial untuk digunakan untuk berbagai aplikasi di bidang nanoteknologi, elektronik, optik maupun dalam bidang ilmu material. Baru-baru ini muncul minat yang yang besar untuk mengeksploitasi penerapan carbon nanotube (CNT) pada area katalis, dimana nanotube dapat berfungsi sebagai support pada katalis heterogen.

Nanopartikel Nikel (Ni) telah menarik perhatian yang besar, dikarenakan aplikasinya sebagai katalis untuk oksidasi senyawa organik kecil seperti glukosa dan glisin, terutama metanol dan etanol. Dalam aplikasinya sebagai electro-catalyst, nanopartikel Ni diperlukan berada pada kondisi bentuk diskrit yang baik, dimana ukuran dan bentuknya dijadikan sebagai parameter penting yang dapat dikontrol. Oleh karena itu, nanopartikel Ni telah disediakan dalam bentuk endapan pada berbagai support, seperti karbon nanofiber, silika mesopori, nanotube TiO2, dan karbon kaca, mealui reduksi kmia menggunakan glukosa atau etilen glikol (EG) sebagai pereduksi, metode sol-gel dan sebagainya. Namun, tingkat dispersi dan ukuran partikel yang didapatkan masih belum memuaskan. Oleh karena itu, pengembangan metode preparasi untuk meningkatkan dispersi dan pembentukan ukuran partikel yang lebih kecil masih menjadi tantangan tersendiri.

Dalam jurnal ini, penyusun melakukan sebuah proses reduksi kimia sederhana untuk sintesis nanopartikel Ni dengan tingkat dispersi yang tinggi pada MWCNT dengan menggunakan CTAB sebagai special additive nya. Penambahan CTAB menghasilkan nanopartikel Ni yang relatif lebih kecil dengan diameter sebesar 20 nm. Dalam rangka untuk menguji sifat katalitiknya, nanopartikel MWCNT/Ni digunakan sebagai elektro-katalis untuk oksidasi etanol dalam media basa.

Fachri Wahid, 11/316929/PA/14048


II. METODE PENELITIANII.1 Pembuatan dan Karakterisasi katalis MWCNT/Ni

Prosedur untuk sintesis katalis MWCNT/Ni dapat dijelaskan sebagai berikut: material MWCNT (diameter 50-80 nm, Showa Denko Co.Ltd.) dibersihkan asam di dalam campuran asam nitrat 14,6 M dan asam sulfat 18,4 M. Kemudian selanjutnya material MWCNT disentisasi dalam 20 mL larutan berair yang mengandung 9 x 10-3 M SnCl2, 2,3 x 10-3 M HCl dan 0,01 gram poli(diallydimethylammonium chrolide) (PDMA) selama 30 menit, kemudian diaktivasi dalam 20 mL larutan berair yang mengandung 1,2 x 10-3 M PdCl2, 1,2 x 10-2 M HCl dan 0,01 gram PDMA selama 30 menit. Sehingga dapat disimpulkan bahwa PDMA hanya bertindak sebagai agen pendispersi dari MWCNT dalam larutan berair. Selanjutnya, 50 mg MWCNT tersebut direndam dalam 50 mL larutan berair yang mengandung NiCl2.6H2O, 10-80 nM CTAB dan 0,01 gram PDMA, dimana pH larutan diatur pada angka 10. Selanjutnya 5 mL hidrasin ditambahkan, setelah larutan dipanaskan hingga 353 K dalam penangas minyak. Diaduk sehingga bereaksi selama 60 menit. Setelah itu endapan hitam yang diperoleh disaring, dicuci dengan air deionisasi dan dikeringkan dalam pada 80°C selama 24 jam pada kondisi vakum. Morfologi permukaan diukur dengan menggunakan Scanning Electron Microscope (FE-SEM, JEOL, JSM-6701F). Struktur katalis ditentukan dengan menggunakan X-Ray Diffraction (XRD, Rigaku etak 2200 V/PC)(Cu Kα, λ=1,54178 Å), Selective Area Electronic Diffraction (SAED, JEOL JEM-2000FE) dan Transmission Electron Microscope beresolusi tinggi (HR-TEM, JEOL JEM-2000FE).

II.2 Pengukuran ElektrokimiaElektroda untuk karakterisasi secara elektrokimia disiapkan sebagai berikut : 10 mg katalis didispersikan ke dalam campuran dari 100 µL Nafion dan 2 mL etanol. Untuk setiap elektroda, 30 µL larutan dibalutkan pada glassy carbon disk (0,071 cm2) dan pelarutnya diuapkan pada temperatur kamar. Selanjutnya akan diperoleh massa Ni yang tersisa sebesar 0,16 mg/cm2.Sebuah Potentiostat/Galvanostat M2273 dan sebuah sel uji tiga elektroda konvensional digunakan untuk pengukuran elektrokimia, dimana counter elektroda nya adalah Pt, dan sebagai elektroda referensi digunakan Saturated Calomel Elctrode (SCE). Semntara itu larutan elektrolit yang digunakan mengandung NaOH 1 M dan sejumlah tertentu etanol.



III. HASIL DAN PEMBAHASAN

Fig. 1. SEM images of MWCNT/Ni catalyst synthesized without (a) and with adding 10 mM of CTAB (b); HR-TEM image of MWCNT/Ni catalysts (with adding CTAB) (c)

Pada gambar diatas: (a) merupakan gambar SEM dari sintesis katalis MWCNT/Ni tanpa menggunakan CTAB, (b) merupakan gambar SEM sintesis katalis MWCNT/Ni menggunakan 10 mM CTAB, dan (c) merupakan gambar HR-TEM dari katalis MWCNT/Ni yang ditambahkan CTAB. Seperti yang dapat teramati, penambahan CTAB pada proses reduksi kimia secara tajam meningkatkan formasi nanopartikel Ni dalam MWCNT . Dispersi yang tak teratur dari nanopartikel Ni melekat langsung pada MWCNT setelah penambahan CTAB (gambar b), dan ukuran partikelnya diestimasikan sebesar 20 nm yang mana sangat kecil dibandingkan dengan ukuran partikel pada gambar a yang besarbya 40-50 nm. Sedangkan pada gambar c, terlihat pinggiran kisi dengan perbedaan orientasi, yang mengindikasikan struktur polikristalin dari nanopartikel Ni. SAED dari gambar c juga memperlihatkan tipe cincin difusi yang khas sesuai dengan nanopartikel Ni yang strukturnya polikristalin.

Fig. 2. XRD patterns of different MWCNT/Ni samples. 50 wt.% Ni loading synthesized(a) without and (b) with 10 mM of CTAB.



Gambar tersebut merupakan pola diftaksi katalis MWCNT/Ni yang disintesis tanpa CTAB (a) dan dengan penambahan 10 mM CTAB (b). Baik pada a maupun b, satu puncak difraksi yang tajam pada 2θ = 26,4° yang diamati, sesuai dengan (002) bidang grafit MWCNT (JCPDS card: no. 41-1487), sementara tiga puncak difraksi yang lain pada 2θ = 44,5°, 51,9° dan 76,4° sangat jelas teramati. Tiga puncak ini sesuai dengan (111), (200), dan (220) bidang FCC logam Ni (JCPDS card: no. 87-0712). Hasil dari XRD secara jelas mengindikasikan bahwa nanopartikel Ni telah teremban pada permukaan MWCNT melalui reduksi hidrasin. Namun, dibandingkan dengan pola XRD MWCNT/Ni tanpa penambahan CTAB (a), tiga puncak difraksi yang sesuai dengan Ni pada pola difraksi MWCNT/Ni dengan penambahan CTAB terlihat lebih lebar. Hal ini mengisyaratkan bahwa ukuran kristal dari katalis MWCNT/Ni dengan penambahan CTAB lebih kecil dibandingkan dengan katalis MWCNT/Ni tanpa penambahan CTAB. Hal ini mengindikasikan bahwa CTAB dapat memberikan struktur nanipartikel yang relatif lebih kecil, dan menurut literatur yang ada, CTAB juga dapat mencegah terjadinya agregasi nanopartikel Ni.

Fig. 3. Cyclic voltammograms of MWCNT/Ni catalysts modified GC electrode in 1.0 MNaOH solution (a) in absence and (b) presence of 0.5 M ethanol at 50 mV/s.

Gambar tersebut memperlihatkan voltamogram siklis (CV) dari katalis MWCNT/Ni dalam larutan NaOH 0,1 M tanpa dan dengan kehadiran etanol 0,5 M. Dapat terlihat pada kurva CV tanpa penambahan etanol bahwa terdapat sepasang puncak redoks yang diindikasikan merupakan transformasi Ni(OH)2/NiOOH. Namun, peningkatan yang signifikan pada kepadatan arus anodik teramati pada penambahan etanol ke elektrolit basa. Ini bertepatan dengan dimulainya transformasi Ni(OH)2 menjadi NiOOH,dan mencapai maksimum pada 720 mV, yang berasal dari proses oksidasi etanol. Selain itu, puncak oksidasi kembali terjadi pada bagian inisial dari arah katodik yang menujukkan oksidasi lebih lanjut dari intermediet produk.



Fig. 4. Cyclic voltammograms of the MWCNT/Ni catalysts modified GC electrode in1.0 M NaOH solution and presence of 0.1 M–0.9 M ethanol. Potential sweep rate is

50 mV/s. Inset is dependence of the anodic peak current density on the concentration ofethanol.

Gambar tersebut menunjukkan voltamogram siklis (CV) dari katalis MWCNT/Ni dalam larutan NaOH 0,1 M dengan kehadiran ethanol pada berbagai konsentrasi. Sangat jelas teramati bahwa kerapatan arus anodik meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi etanol, yang mengindikasikan bahwa reaksi dikendalikan oleh konsentrasi etanol pada permukaan elektroda. Maka dari itu, hubungan linear antara kerapatan arus anodik dengan konsentrasi etanol membuktikan bahwa oksidasi etanol dikendalikan oleh transport difusi etanol. Pada konsentrasi etanol sebesar 0,9 M, kerapatan arus dari dua puncak oksidasi pada aeah anodik dan katodik mencapai sekitar 200 mA/cm2 dan 235 mA/cm2 pada Ni lording yang sangat rendah, yaitu 0,16 mg/cm2. Hal ini menunjukkan aktivitas katalitik yang superior dibandingkan dengan katalis Hollow Nickel Sphere (17 mA/cm2), PdNix (217 mA/cm2) dan Pd-WC/MWCNT (130 mA/cm2).

IV. KESIMPULAN Sebuah rute sintesis baru untuk preparasi nanopartikel Ni dengan tingkat dispersi tinggi pada permukaan karbon nanotube telah dikembangkan untuki preparasi katalis MWCNT/Ni pada proses elektro-oksidasi etanol. Metode ini menyajikan nanopartikel Ni dengan tingkat dispersi yang tinggi dengan diameter 20 nm dan struktur kristalnya FCC. Penambahan CTAB dapat meningkatkan hasil dengan ukuran artikel yang relatif lebih kecil. Uji elektrokimia memperlihatkan bahwa katalis MWCNT/Ni sanagt baik untuk proses elektro-katalitik oksidasi etanol.


tugas metopen

Documents