Produksi Hidrogen Melalui Reaksi Komposit Al/Al 2 O 3 Hasil Canai Dingin dengan Larutan NaOH
Ali Alhamidi a, *, Zilla Mala Arti b , Dhimas Satria c
a,b Jurusan Teknik Metalurgi, Fakultas Teknik, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa
c Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa
Jl. Jendral Sudirman km.03 Cilegon, Banten, 42435
*E-mail: alhamidi@untirta.ac.id

## Abstract
Production of hydrogen through reaction of cold-rolled Metal Matrix Composites (MMCs) with NaOH or water was investigated. As  well known that alumunium (Al) with water is a generally problem due to  the presence of the oxide layer on the surface so that it is eliminated for improving  the hydrolisis reactivity  of  alumunium  to  generate  of  hydrogen.  It  is  found  that  the  reaction  directly  occurred between Al/Al 2 O 3 and NaOH. The highest of hydrogen production per unit volume of Al/Al 2 O 3 is 0.660 mL/min.  It  is  indicated  that  the  presence  of  the  thin  of  ocide  layer  as  passive  layer  is  reduce.  In  the present  study, the Al/Al 2 O 3 was  cold  rolled in  several  percent  reductions of i.e. 40%, 50% and 60%. The  SEM-EDAX  analysis  showed  that  the  compound  of  AlMgSi,  Oxygen,  AlSi  and  Al 2 O 3 is appeared.  The  XRD  peak  analysis  resulted  in  that  dislocation  density  increased  with  the increasing of percent reduction. The measurement of hydrogen capacity indicated that presence of Al 2 O 3 and the increase  of  dislocation  density for sample  after  rolled  prosess is fasilitated  to production of  hydrogen through react immediately  with  NaOH.  It  was  concluded  that the c o l d r o l l i n g   a n d   the  presence  of  Al 2 O 3 are  the  predominant  factor  in  determining  the  hydrolysis reactivity of the Al particles.
Kata kunci: Hydrogen, Metal matrix Composites (MMCs), SEM-EDAX, XRD, NaOH.

## Abstrak
Produksi hidrogen melalui reaksi Metal Matrix Composites (MMCs) hasil canai dingin dengan NaOH atau  air  telah  diteliti.  Seperti  diketahui  bahwa  aluminium  (Al)  dengan  air  pada  umumnya  memiliki masalah  karena  hadirnya  lapisan  oksida  pada  permukaanya  sehingga  perlu  dihilangkan  untuk meningkatkan  reaksi  hidrolisis  aluminium  untuk  menghasilkan  hidrogen.  Hasil  didapatkan  bahwa reaksi  langsung  terjadi  antara  Al/Al 2 O 3 dan  NaOH.  Hasil  tertinggi  perolehan  hidrogen  per  satuan volume  dari  Al/Al 2 O 3 adalah  0,660  mL/min.  Ini  menunjukan  bahwa  keberadaan  lapisan  oksida  tipis sebagai  lapisan  pasif  dapat  dikurangi.  Dalam  penelitian  ini  Al/Al 2 O 3 dipelajari  setelah  canai  dingin dengan  reduksi  40%,  50%  dan  60%.  Analisis  SEM-EDAX  menunjukkan  bahwa  senyawa  AlMgSi, Oxygen,  AlSi  dan  Al 2 O 3 napak  hadir.  Analisis  peak  XRD  menghasilkan  bahwa  kerapatan  dislokasi meningkat dengan meningkatnya persen reduksi. Pengukuran kapasitas hidrogen menunjukkan bahwa keberadaan Al 2 O 3 dan peningkatan kerapatan dislokasi untuk sampel setelah canai dingin memfasilitasi untuk  produksi  hidrogen  melalui  reaksi  dengan  NaOH.  Hasil  dapat  disimpulkan  bahwa  canai  dingin dan hadirnya Al 2 O 3 adalah faktor utama dalam menentukan reaktivitas reaksi hidrolisis partikel Al.
Kata kunci: Hidrogen, Metal matrix Composites (MMCs), SEM-EDAX , XRD , NaOH

## 1. Pendahuluan
Energi  mempunyai  peranan  yang  sangat  penting  bagi  kehidupan  manusia.  Manusia  tidak  dapat  lepas  dari penggunaan energi dalam kehidupan sehari-hari.  mulai dari peralatan rumah tangga, alat transportasi hingga peralatan pabrik membutuhkan energi sebagai media penggerak. Selama bertahun-tahun, bahan bakar fosil seperti minyak bumi, gas  bumi  dan  batu  bara  menjadi  sumber  energi  utama  didunia.  Berdasarkan  data  Ditjen  MIGAS,  Indonesia  memiliki cadangan minyak bumi sebesar 4,04 milyar barel pada tahun 2011 dan pada tahun 2012 sebesar 3,74 milyar barel. Data tersebut menunjukan adanya penurunan  jumlah  cadangan  minyak  yang terjadi  setiap tahunnya. Sedangkan rata  – rata konsumsi minyak bumi pertahun sebesar 385,239 ribu setara barel minyak [1]. Berdasarkan data Badan Pusat Statistik, pada tahun 2011 jumlah alat transportasi mobil di Indonesia mencapai 9.548.866 unit dan mengalami peningkatan pada tahun 2013 menjadi 11.484.514 unit [2]. Data tersebut menunjukan bahwa pengurangan jumlah cadangan minyak yang terjadi  tidak  sejalan  dengan  jumlah  konsumsi  energi  yang  tidak  mengalami  penurunan  terutama  dalam  bidang tansportasi yang menggunakan minyak bumi sebagai energi penggeraknya selain itu penggunaan minyak bumi sebagai bahan  bakar  memberi dampak terhadap peningkatan polusi udara. Hidrogen adalah unsur  yang  melimpah, pembuatan hidrogen dengan pemisahan air menggunakan reaksi hidrolisis aluminium atau paduan aluminium telah menarik banyak
perhatian  karena  kesederhanaan  sistem  reaksi  dan  bahan  dengan  biaya  yang  rendah.  Menurut  reaksi,  konsumsi  1g  Al dengan  air  bisa  menghasilkan  1360  cm 3 hidrogen  pada  temperatur  25ºC  dan  tekanan  1  atm.  Seluruh  proses  produksi hidrogen tidak  menghasilkan emisi karbon [3-4]. Hidrogen sebagai energi terbarukan dapat digunakan pada teknologi fuel  cell yang  memiliki sistem kerja seperti aki.  Hidrogen pada fuel  cell ini dapat diaplikasikan pada alat transportasi seperti  mobil  [5].  Limbah  dari  proses  pada  fuel  cell  ini  hanyalah  air  murni  sehingga  aman  untuk  dibuang  dan  tidak menyebabkan  polusi.  Dalam  kondisi  normal  aluminium  sulit  untuk  dapat  bereaksi  dengan  air  untuk  menghasilkan hidrogen  karena  aluminium  akan  membentuk  lapisan  oksida  pasif  yang  menutupi  permukaan  logam.  Lapisan  oksida pasif  dapat  dihilangkan  dengan  menggunakan  larutan  asam  maupun  basa.  Tetapi,  penggunaan  larutan  asam  ataupun basa  yang  terlalu  pekat  dapat  menyebabkan  terjadinya  korosi  yang  terlalu  cepet  dan  membuat  kontrol  reaksi  menjadi sulit.  Penghilangan  lapisan  oksida  pasif  dapat  dilakukan  dengan  penambahan  unsur  paduan  seperti  Gallium  (Ga), Indium (In), Zinc (Zn) dan Alumina (Al). Selain dengan penambahan unsur paduan, penghilangan lapisan oksida pasif juga  dapat  dilakukan  dengan  pemberian  perlakuan  khusus  terhadap  logam  seperti  pencanaian.  Alumina  (Al 2 O 3 )  yang ditambahkan  pada  penelitian  ini  berfungsi  untuk  memodifikasi  permukaan  material  aluminium.  Modifikasi  dilakukan agar  material  aluminium  dapat  bereaksi  dengan  air  untuk  dapat  menghasilkan  hidrogen.  Partikel  Al 2 O 3 yang  berada pada permukaan aluminuim membantu transportasi ion karena struktur yang cacat pada lapisan Al 2 O 3 sehingga ion Al 3+ bermigrasi dari permukaan  logam  aluminium  melalui  Al 2 O 3 dan  bereaksi dengan air untuk  membentuk boehmite dan pada saat yang sama ion H + mendapatkan elektron yang hilang dari atom aluminium untuk menghasilkan hidrogen [6]. Hidrogen yang dihasilkan kemudian akan digunakan sebagai energi yang ramah lingkungan. Alumina (Al 2 O 3 ) sebagai fasa penguat pada komposit Al/Al 2 O 3 banyak di aplikasikan pada tabung televisi atau pemancar satelit, baju anti peluru, pengganti  sendi  buatan,  implant gigi  dan  media grinding [7]. Dislokasi pada  logam  menyebabkan  energi dalam  batas butir  lebih tinggi dibandingkan didalam struktur kristal  yang tidak stabil. Oleh karena  itu, reaksi  hidrolisis pada  antar muka  lebih  mudah  terjadi.  Peningkatan  kerapatan  dislokasi  atau  energi  regangan  memegang  peran  kunci  dalam meningkatkan  kereaktivitasan  paduan  Al  terhadap  air  [8].  Densitas  dislokasi  dapat  dihitung  dengan  menggunakan persamaan (1.1) sebagai berikut [9].
2ρ = 3ƞ/(D) ……………………………………………………………………......................................................(1.)
Dengan  ρ  adalah  densitas  dislokasi  (m/m 3 ), ƞ suatu  konstanta  yang  harganya  mendekati  ~1  dan D adalah  ukuran kristalin. Tujuan dari penelitian ini adalah menganalisis pengaruh persen reduksi proses canai dingin terhadap produksi hidrogen pada komposit Al/Al 2 O 3 dan pengaruh konsentrasi NaOH terhadap produksi hidrogen  dari komposit Al/Al 2 O 3 hasil proses canai dingin.

## 2. Material dan metode penelitian
Gambar  2,  menunjukan  diagram  alir  penelitian.  Sampel  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah  komposit Al/Al 2 O 3 dengan  ukuran  40  x  15  x  15  mm  hasil  proses stir  casting dari  sumber  X.  Sampel  yang  telah  dipreparasi kemudian  dilakukan  proses  canai  dingin  ( cold  rolling )  dengan  reduksi  sebesar  40%,  50%  dan  60%.  Setelah  itu dilakukan  uji  hidrogen  pada  sampel  hasil  proses  canai  dingin  selama  300  menit  dengan  menggunakan  katalis  NaOH 0,5M;  0,8M  dan  1M  sebagaimana  diilustrasikan  pada  Gambar  3.  Untuk  mengetahui  pengaruh  proses  canai  dingin terhadap ukuran butir dan produksi hidrogen dilakukan pengamatan SEM-EDAX dan analisa XRD.
Gambar 3. Pengukuran Gas Hidrogen (1) Kompor (2) Larutan NaOH(3) Komposit Al/Al 2 O 3 (4) Erlenmeyer (5) Selang (6) Gas Hidrogen (7) Gelas Ukur (8) Gelas Beker (9) Air [6].

## 3. Hasil Dan Pembahasan
Gambar  4,  menunjukan  hasil  foto Scanning  Electron  Microscop es  (SEM)  dan Energy  Disperse  X-Ray (EDAX) pada  sampel  dengan  (a) as-received dan  (b)  setelah  proses  canai  dengan  reduksi  sebesar  60%.  Pada  analisa  EDAX Al/Al 2 O 3 sampel awal terlihat hadirnya unsur Oksigen (O 2 ), Magnesium (Mg), Silika (Si) dan Aluminium (Al) seperti terlihat pada Gambar 4(b). Hasil pengujian SEM-EDAX diketahui bahwa daerah yang berwarna putih pada foto mikro tersebut  merupakan  partikel  AlSi  sedangkan  daerah  yang  berwarna  hitam  berukuran  kecil  adalah  partikel  Al 2 O 3 merupakan penguat dan perantara pada reaksi hidrolisis yang tertanam didalam matriks aluminium.  Reaksi aluminium dengan  air  murni  dalam  sistem  Al/Al 2 O 3 adalah  hasil  dari  korosi  piting  karena  longgarnya  lapisan  permukaan  yang disebabkan  oleh  adanya  Al 2 O 3 pada  permukaan  aluminium.  Partikel  Al 2 O 3 yang  berada  pada  permukaan  aluminuim membantu transportasi ion karena struktur yang cacat pada lapisan Al 2 O 3 sehingga ion Al 3+ bermigrasi dari permukaan logam aluminium melalui Al 2 O 3 dan bereaksi dengan air untuk membentuk boehmite dan pada saat yang sama ion H + mendapatkan elektron yang hilang dari atom aluminium untuk menghasilkan hidrogen [6].
(b) Gambar 4. Scanning Electron Microscope - Energy Disperse X-Ray (SEM-EDAX) komposit Al/Al 2 O 3 dengan (a) sampel as-received dan (b) sampel setelah canai dengan reduksi 60%.
Proses deformasi dilakukan dengan  menggunakan  metode canai dingin pada komposit Al/  Al 2 O 3 . Deformasi  yang diberikan  berfungsi  untuk  merusak  lapisan  pasif  pada  permukaan  sampel.  Kecacatan  yang  terjadi  pada  lapisan  pasif, akan mempermudah terjadinya reaksi antara air dan sampel Al/ Al 2 O 3 [10].
Gambar 5 . (a) Pengaruh persen reduksi terhadap produksi gas hidrogen dan (b) Hasil analisa XRD pada komposit Al/Al 2 O 3 reduksi 0%, 40% 50% dan 60%.
Gambar  5(a)  terlihat  bahwa  hasil  produksi  gas  hidrogen  yang  diukur  selama  300  menit  pada  sampel  as-received adalah sebesar 180 mL/g Al/Al 2 O 3 , pada sampel dengan reduksi 40% sebesar 199 mL/g Al/Al 2 O 3 , pada sampel dengan reduksi  50%  sebesar  205  mL/g  Al/Al 2 O 3 dan  pada  sampel  dengan  reduksi  60%  adalah  sebesar  212  mL/g  Al/Al 2 O 3 . Hasil  produksi  gas  hidrogen  terbesar  diperoleh  pada  sampel  dengan  reduksi  60%  yaitu  sebesar  212  mL/g  Al  Al 2 O 3 . Kenaikan  produksi  hidrogen  dipengaruhi  oleh  dislokasi  yang  dihasilkan  pada  proses  canai  dingin.  Semakin  besar reduksi  yang  diberikan  pada  sampel,  akan  semakin  banyak  pula  dislokasi  yang  menumpuk  pada  permukaan  sampel. Dislokasi yang menumpuk menyebabkan ketidakstabilan pada lapisan  Al 2 O 3 yang terbentuk, sehingga memungkinkan air  untuk  dapat  melakukan  kontak  dengan  aluminium.  Dislokasi  sendiri  merupakan  suatu  pergeseran  atau  pegerakan atom–atom didalam  sistem  kristal  logam  yang diakibatkan oleh tegangan  mekanik  yang dapat  menciptakan deformasi plastis (perubahan dimensi secara permanen). Energi dalam  batas butir  ini  lebih tinggi dibandingkan didalam struktur kristal yang tidak stabil. Oleh karena itu, reaksi hidrolisis pada antarmuka lebih mudah terjadi. Energi yang dihasilkan dari  perlakuan  mekanik  yang  disimpan  pada  batas  butir  dapat  lebih  meningkatkan  aktivitas  dan  ketidakstabilan  pada paduan. Xiaoyang Hu [8] mengungkapkan bahwa proses canai meningkatkan energi regangan (kerapatan dislokasi) dan meningkatkan produksi hidrogen. Peningkatan kerapatan dislokasi atau energi regangan memegang peran kunci dalam meningkatkan kereaktivitasan paduan Al dan meningkatkan laju reaksi antara paduan Al dan air untuk melepaskan gas hidrogen.
Hasil analisa XRD dari sampel sebelum dan setelah proses canai dingin ditunjukan pada Gambar 5(b), Berdasarkan hasil  XRD  yang  diperoleh,  dapat  dihitung  densitas  dislokasi  yang  terdapat  pada  sampel  sebelum  dan  setelah  proses canai  dingin  dengan  menggunakan  persamaan  (1.1).  Berdasarkan  hasil  analisa  XRD  yang  dilakukan  diperoleh  nilai densitas dislokasi dari setiap sampel, pada sampel dengan reduksi 0% (as-received) diperoleh densitas dislokasi sebesar 1,1160 m/m 3 , pada sampel dengan reduksi 40% diperoleh densitas dislokasi sebesar 1.1193 m/m 3 , pada sampel dengan reduksi  50%  sebesar  1,1199  m/m 3 dan  pada  sampel  dengan  reduksi  60%  sebesar  31,124  m/m 3 .  Berdasarkan  data
(a)
(b)
Alhamidi, dkk. / ROTASI, Vol. 21 No. 2 (April  2019) Hal. 82-87
tersebut terlihat bahwa dengan semakin besarnya deformasi yang diberikan maka semakin besar pula densitas dislokasi yang  terdapat  pada  sampel  tersebut.  Data  ini  sesuai  dengan  pernyataan  Xiaoyang  Hu  [8]  bahwa  proses  canai meningkatkan energi regangan (kerapatan dislokasi) dan meningkatkan produksi hidrogen.
Gambar 6. Pengaruh Penambahan NaOH Pada Sampel Hasil Canai Dingin Reduksi (a) 40%, (b) 50% dan (c) 60%.
Tabel 1 . Produksi gas hidrogen rata-rata
Berdasarkan Gambar  6 dengan  semakin  meningkatnya konsentrasi NaOH  yang digunakan, tidak secara signifikan meningkatkan  volume gas  hidrogen  yang diperoleh. Hal  ini disebabkan karena pada proses produksi  hidrogen, NaOH yang digunakan hanya berperan sebagai katalis yang membantu mempercepat reaksi produksi hidrogen. Hal ini sesuai
Reduksi (%) Media Reaksi
Volume Actual (mL) pada menit ke- Produksi gasi H 2 rata-rata (mL/min) 50 100 150 200 250 300 As-Received Air 20 45 73 118 160 180 0,528 NaOH 0,5M 21 47 77 120 163 185 0,545 NaOH 0,8M 22 50 82 128 168 187 0,570 NaOH 1M 22 51 84 132 177 189 0,585 Reduksi 40% Air 19 40 86 129 172 199 0,568 NaOH 0,5M 21 49 91 136 176 204 0,597 NaOH 0,8M 23 51 94 139 180 206 0,616 NaOH 1M 24 52 96 145 190 208 0,636 Reduksi 50% Air 20 46 88 131 173 205 0,580 NaOH 0,5M 23 50 92 138 180 210 0,614 NaOH 0,8M 24 52 96 140 182 213 0,630 NaOH 1M 30 55 97 147 192 214 0,669 Reduksi 60% Air 22 48 90 134 176 213 0,600 NaOH 0,5M 24 53 95 140 180 214 0,629 NaOH 0,8M 24 55 99 142 185 217 0,644 NaOH 1M 31 59 102 152 194 220 0,693
Alhamidi, dkk. / ROTASI, Vol. 21 No. 2 (April  2019) Hal. 82-87
dengan  penelitian  yang  sebelumnya  telah  dilakukan  oleh  Yusraini  [11]  yang  mengatakan  bahwa  semakin  besar konsentrasi yang dipakai maka semakin cepat waktu yang diperlukan untuk produksi gas hidrogen. Data produkasi gas hidrogen rata-rata dari setiap sampel disajikan pada Tabel 1. Produksi gas hidrogen rata-rata dari setiap sampel dengan perlakuan yang berbeda mengalami peningkatan. Pada sampel dengan persen reduksi tertinggi yaitu 60%, produksi gas hidrogen rata-rata yang diperoleh pada media reaksi berupa air murni adalah sebesar 0,600  mL/menit. Namun dengan penggunaan  NaOH  0,5M  produksi  gas  hidrogen  meningkat  menjadi  0,629  mL/menit  dan  semakin  banyak  seiring dengan  semakin  meningkatnya  pula  konsentrasi  NaOH  yang  digunakan.  Pada  penggunaan  NaOH  0,8M  produksi  gas hidrogen  sebesar  0,644  mL/menit  dan  pada  NaOH  1M  produksi  gas  hidrogen  menjadi  0,693  mL/menit.  Penambahan volume yang terjadi dapat disebabkan oleh semakin cepat habisnya komposit Al/Al 2 O 3 yang direaksikan dalam NaOH.

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan maka dapat ditarik beberapa kesimpulan semakin tinggi reduksi yang  diberikan  maka  semakin  besar  kerapatan  dislokasi  yang  dihasilkan  dan  memfasilitasi  terhadap  produksi  gas hidrogen.  Produksi  gas  hidrogen  tertinggi  diperoleh  pada  sampel  hasil  proses  canai  dingin  dengan  reduksi  60%  yaitu sebesar 209  mL/g  Al/Al 2 O 3 selain  itu  semakin tinggi konsentrasi NaOH,  maka semakin  cepat  laju  reaksi.  Laju reaksi terbesar diperoleh pada sampel hasil proses canai dingin dengan reduksi 60% dan konsentrasi NaOH 1 M yaitu sebesar 0,693 mL/menit yang diakibatkan hadirnya alumina yang menghambat terbentuknya lapisan pasif dipermukaan Al.

## Daftar Pustaka
[1]  Ditjen Migas, “Statistik Cadangan Minyak Bumi dan Gas,” www.migas.esdm.go.id, diakses: 14 Mei 2016. [2]    Badan Pusat Statistik, “Jumlah Kendaraan di Indonesia,” www.bps.go.id, diakses: 30 Juli 2016.
[3]   Huang,  X.,  Chen,  Z.,  Gao,  T.,  Huang,  Q.,  Niu,  F.,  Qin,  L.,  dan  Huang,  Y.,  2013,  “Hydrogen  Generation  by Hydrolysis of an Al/ Al 2 O 3 Composite Power After Heat Treatment,” Energy Technol, 1, 751-756
[4]  Dincer,  I.,  Acar,  C.,  2016,  “ Review  and  evaluation  of  hydrogen  production  methods  for  better  sustainability”, Internasional Science Journal for Alternative Energy and Ecology , 2000-2016.
[5]  Jauhari, A., 2012, “Pengembangan Adsorbent Hydrogen Storage untuk Aplikasi Fuel Cell dalam Bentuk Padatan Partikel Nano Karbon Aktif dengan Bahan Pangikat Likuida Lignoselulosa,” Indonesia University.
[6]  Deng,  Z.Y.,  Sakka,  Y.,  2005,  ” Modification  of Al  Particle  Surfaces  by  γ-Al 2 O 3 and  Its Effect  on  The  Corrosion Behavior of Al ,” Journal of American. Ceramics Society, 88 [4]: 977-979.
[7]  Karen, D., 2010, “ Material Review: Alumina (Al 2 O 3 ),” School of Doctoral Studies.
[8]   Hu, X., Zhu, G., Zhang, Y., Wang, Y., Gu, M., Yang, S., Pingxin Song., Li X,J., Fang, H., Jiang, G., Wang, Z., 2012,  “ Hydrogen  Generation  Through  Rolling  Using  Al-Sn  Alloy ,”  International  Journal  of  Hydrogen    Energy 37:11012-11020.
[9]  Sugondo,  Futichah,  2007,  ”Pengaruh  Deformasi  Pada  Karakteristik  Kristalit  dan  Kekuatan  Luluh  Zircaloy-4,” Journal Teknologi Bahan Nuklir Vol. 3 No. 1: 1–48.
[10]  Namahoot, J., 2004, ” Effect of Deformation on Corrosion of Al-Mn Alloys, ” the University of Birmingham.
[11]  Yusraini, D.I.S., 2010, ”Produksi Gas Hidrogen dari Limbah Aluminium,” Valensi vol.2 No.1: 362-367