Sintesis Nickel – Yttria Stabilized Zirconia (Ni–

## YSZ) sebagai Anoda Solid Oxide Fuel Cell

## (SOFC)
Pulung Subuh Nur Baity, Suasmoro Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail : suasm@physics.its.ac.id
Abstrak —Cermet Nickel–Yttria  Stabilized  Zirconia (Ni– YSZ)  diperoleh  dari  proses  reduksi  pada  material Nickel Oxide–Yttria  Stabilized  Zirconia (NiO–YSZ)  yang  disintesis menggunakan  metode  reaksi  padat  dari  campuran  serbuk NiO–7YSZ  (7%mol  Y 2 O 3 dan  93%mol  ZrO 2 )– pore  former ( white starch ) dengan perbandingan komposisi massa 4:6:1. Reduksi  NiO–YSZ  dalam  bentuk  pelet,  dilakukan  dengan temperatur reduksi  1000°C selama  3 jam  dalam aliran gas 10%H 2 dan 90%Ar  untuk  menghasilkan  material  Ni–YSZ. Karakterisasi dilakukan dengan menggunakan Difraktometer Sinar–X (XRD). Berdasarkan hasil penelitian, cermet  Ni–YSZ  dihasilkan  pada  temperatur  reduksi 1000°C selama 3 jam dengan kuantitas komposisi fasa YSZ kubik 46,98% , YSZ monoklinik 18,39 %, Ni kubik 31,22% dan NiO kubik 3,40 % .
Kata Kunci — Anoda, porositas, reduksi.

## I. PENDAHULUAN
eningkatan kebutuhan masyarakat akan energi listrik terus  bertambah  seiring  dengan  laju  pertumbuhan jumlah  penduduk  dan  perkembangan  ekonomi  dunia[1]. Berdasarkan  laporan The  World  Energy  Council , kebutuhan  energi  dunia  akan  mengalami  peningkatan jumlah  konsumsi  dari  8,8  Gtoe  ( gigatons  of  oil equivalent )  pada  1990  menjadi  11,3  sampai  17,2  Gtoe pada  2020[2].  Kebutuhan  energi  listrik  yang  terus meningkat  ini,  mengakibatkan  semakin  besarnya konsumsi  akan  bahan  bakar  fosil.  Sedangkan,  bahan bakar  fosil  sebagai  sumber  energi  yang  tidak  dapat diperbarui mulai terbatas, sehingga secara financial juga mengalami  peningkatan.  Disamping  itu,  pemakaian bahan bakar fosil juga menyebabkan dampak negatif bagi lingkungan,  mulai  dari  polusi  udara,  penipisan  lapisan ozon,  pemanasan  global,  serta  emisi  dari  unsur radioaktif[3].  Oleh  karena  itu,  dibutuhkan  energi  listrik alternatif  yang  dapat  diperbarui  ( renewble  energy ), ramah  lingkungan,  serta  mampu  memenuhi  kebutuhan energi dimasa mendatang dengan biaya yang relatif lebih murah.
Salah  satu  teknologi  yang  dapat  digunakan  adalah SOFC  ( Solid  Oxide  Fuell  Cell ).  SOFC  adalah  sel  bahan bakar  keramik  yang  mampu  mengkonversi  energi  kimia bahan  bakar  menjadi  energi  listrik.  SOFC  memiliki keunggulan seperti efisiensi daya konversi tinggi, rendah emisi  polutan  serta  fleksibilitas  untuk  memanfaatkan berbagai  bahan  bakar  sehingga  menjanjikan  jika digunakan  sebagai  teknologi  konversi  masa  depan. Secara  umum,  SOFC  terdiri  dari  anoda,  elektrolit  dan katoda[4].  Gambar  2.1  menggambarkan  prinsip  operasi dari  SOFC[5].  Sebuah  SOFC  terdiri  dari  anoda,  katoda
dan  elektrolit. Fungsi  dari  komponen  anoda  adalah sebagai  katalis  gas yang  mengubah  gas  menjadi  ion bermuatan positif  dan  elektron  dalam  reaksi  oksidasi, elektrolit  berfungsi sebagai  media  yang  mengantarkan ion  negatif oksigen  dari  katoda  menuju  anoda  dan komponen  katoda  berfungsi  sebagai  katalis yang mengubah gas oksigen  menjadi ion negatif dalam  reaksi reduksi[6].
Gambar 1. Prinsip Kerja Solid Oxide Fuel Cell [7].
Dalam  notasi  Kr 𝑜̈ ger,  reaksi  reduksi  oksigen  pada katoda adalah sebagai berikut:
1 2 𝑂 2 + 2e + V𝑜̈ = 𝑂 o 𝑥 (2.1)
Pada  saat  yang  sama,  molekul  bahan  bakar  (misalnya, hidrogen) teroksidasi pada anoda dengan menggabungkan  ion  oksigen  dan  elektron  dalam  reaksi berikut:
H 2 + O o x = 𝐻 2 O + 2e + V𝑜̈ (2.2)
Kombinasi  dari  reaksi  (2.1)  dan  (2.2)  menghasilkan reaksi keseluruhan sel bahan bakar[7].
𝐻 2 + 1 2 O 2 = H 2 O (2.3)
Syarat–syarat  material  dapat  digunakan  sebagai  anoda SOFC  adalah  memiliki  kandungan  porositas  ~20–40% dan  konduktivitas  listrik  1–100  S/cm.  Material  yang sering  digunakan  sebagai  anoda  SOFC  adalah Nickel– Yttria  Stabilized  Zirconia (Ni–YSZ).  Ni–YSZ  memiliki keunggulan seperti konduktivitas listrik mampu mencapai  10 2 –10 3 S/cm,  porositas  ~20–40%  stabilitas kimia  dan  aktivitas  katalitiknya  sangat  baik  terhadap oksidasi hidrogen serta reformasi bahan bakar hidrokarbon[8].  Berdasarkan  penelitian  yang  dilakukan oleh  Tahereh  Talebi et.al pada  2010,  Ni–YSZ  dengan komposisi 50% Ni  dan 50%  YSZ, diperoleh konduktivitas  listrik  mencapai  1380  S/cm–1710  S/cm dan  porositas  mencapai  35–40%  untuk  variasi  sintering 800–1620˚C  selama  3  jam  pada  temperatur  reduksi 850˚C  dalam  aliran  gas  7%  H 2 dan  93%  Ar[9]. Sedangkan  dalam  penelitian  Jong–Yeol  Yo et.al pada 2011, Ni–YSZ dengan komposisi 60% Ni dan 40% YSZ,
P
diperoleh  konduktivitas  listrik  mencapai  2000  S/cm  dan porositas  mencapai  33%  dengan  temperatur  sintering 1400˚C  selama  4  jam  pada  temperatur  reduksi  800˚C dalam aliran gas 100% H 2 [10] . Dalam  penelitian  ini,  cermet Nickel–Yttria  Stabilized Zirconia (Ni–YSZ)  diperoleh  dari  proses  reduksi  pada Nickel  Oxide–Yttria  Stabilized  Zirconia (NiO–YSZ) dengan temperatur dan waktu tahan reduksi dalam aliran campuran  gas  Hidrogen  (H 2 ) dan  Argon  (Ar)  sehingga material  NiO  dalam  NiO–YSZ  dapat  tereduksi  menjadi Ni.

## II. METODE PENELITIAN

## Sintesis Material Ni–YSZ
Peralatan  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini, diantaranya  adalah  seperangkat beaker  glass ,  timbangan digital O’haus ,  mortar,  spatula,  kawat  nikelin  0,2  mm, Furnace  Carbolite 1400˚C, Furnace  Turbular, Etanol, Difraktometer  Sinar  X, Planetary  mill, Evaporator rotatif,  bola  zirconia, Crucible dan  plat  alumina ,  Uni– axial  Press diameter  13  mm, Software  Match2! dan Rietica . Sedangkan  bahan  yang  digunakan  dalam penelitian  ini, diantaranya adalah serbuk  Y 2 O 3 ( Ytrrium Oxide 99,999  % RED  Puratrem 93-3925),  serbuk  ZrO 2 ( Zirkonium  Oxide  Purum  Sigma-Aldrich GMBH– D30926),  serbuk  CH 4 Ni 3 O 7 .xH 2 O  ( Nickel  Carbonat Sigma/544183-250  6-A),  serbuk white  starch , Silver Conductive Paste (Ag) (Aldrich, 735825) dan alcohol . Sintesis cermet Ni–YSZ terdiri dari tiga proses sintesis bahan  dasar  yaitu  pembentukan  senyawa  NiO  dalam bentuk serbuk, sintesis serbuk YSZ dan sintesis material NiO–YSZ dalam bentuk pelet. Material NiO–YSZ dalam bentuk  pelet  ini  selanjutnya  direduksi  dengan  variasi temperatur dan waktu  tahan sehingga  didapatkan  cermet Ni–YSZ.
Serbuk  CH 4 Ni 3 O 7 .xH 2 O  dikalsinasi  pada  temperatur 500˚C  selama  3  jam  untuk  membentuk  senyawa  NiO. Sedangkan  sintesis  YSZ  dilakukan  dengan  mencampur serbuk  7%mol  Y 2 O 3 dan  93%mol  ZrO 2 menggunakan planetary milling dengan frekuensi putar 150 rpm selama 5  jam.  Kemudian  campuran  dikalsinasi  pada  temperatur 1350°C  selama  1  jam  untuk  membentuk  fasa  YSZ. Sintesis NiO–YSZ dilakukan dengan mencampur serbuk NiO  ( Nickel  Oxide ),  serbuk  YSZ  (7%mol  Y 2 O 3 dan 93%mol  ZrO 2 )  dan  serbuk white  starch dengan komposisi perbandingan masa 4:6:1. Kemudian, campuran  serbuk  dikompaksi  menggunakan uni–axial press pada  tekanan  9,32  MPA.  Tahap  ini  menghasilkan sampel  dalam  bentuk  pelet  yang  selanjutnya  disintering pada temperatur 1200˚C selama 4 jam. Reduksi terhadap material  NiO–YSZ  dilakukan  dalam  aliran  gas  10% H 2 /90%Ar  menggunakan furnace  turbular .  Temperatur dan waktu tahan yang digunakan adalah 1000˚C selama 3 jam.

## Karakterisasi
Karakterisasi dilakukan dengan menggunakan Difraktometer  Sinar–X  (XRD). Analisis  data  XRD dilakukan  dengan  menggunakan software  Match!  dan Rietica .
Gambar 2. Skema Alat Furnace Turbular dalam Aliran Gas 10%H 2 /90%Ar.

## III. HASIL DAN DISKUSI
Material  NiO–YSZ  ( Nickel  Oxide–Yttria  stabilized Zirconia )  disintesis  menggunakan  metode  reaksi  padat dari  campuran  serbuk  serbuk  NiO  ( Nickel  Oxide ),  YSZ (7%mol  Y 2 O 3 dan  93%mol  ZrO 2 )  dan  serbuk white starch (tepung  tapioka)  dengan  perbandingan  komposisi masa  4:6:1.  Analisa  data  dilakukan  dalam  2  tahap  yaitu berdasarkan  hasil  karakteriasi  XRD  dan  karakterisasi densitas dan SEM.
Analisa data XRD pada serbuk  CH 4 Ni 3 O 7 .xH 2 O tanpa perlakuan  kalsinasi  memiliki  fasa amorf yang  diindikasi dari  tidak  adanya  puncak–puncak  pada  sudut  2θ,  namun setelah  serbuk  CH 4 Ni 3 O 7 .xH 2 O  melalui  proses  kalsinasi pada  temperatur  500˚C  selama  3  jam,  serbuk CH 4 Ni 3 O 7 .xH 2 O  ini  mengalami  perubahan  fasa  dari amorf menjadi kristal yang diindikasi melalui terbentuknya  puncak–puncak  difraksi  pada  sudut  2 θ yaitu  37,24˚,  43,3˚  dan  62,92˚  dimana  dengan menggunakan software  Match! dan rietica dengan  basis nomor  COD–230029  menunjukkan  adanya  puncak  fasa NiO. Analisa data XRD pada serbuk YSZ menggunakan software Match! dan rietica dengan basis data PDF no. 00–030–1468, 00–072–1669 dan 00–076–0151 diperoleh informasi persentase berat yaitu YSZ kubik=46.77(09)%, YSZ  Monoklinik=  50.70(48)%,  Y 2 O 3 kubik=2.53(43)%. Analisa  data  XRD  pada  pelet  NiO––YSZ– white  starch menggunakan software Match! dan rietica dengan basis data data PDF no. 00–078–0423, 00–086–1451, 00–082– 1243  diperoleh  informasi  persentase  berat  yaitu  YSZ kubik=26,13(28)%,  YSZ  Monoklinik=31,51(44)%,  NiO kubik=42,36(51)%. Hasil penghalusan Rietveld ini sesuai dengan persentase masa NiO–YSZ yang dicampurkan di dalam campuran NiO–YSZ yaitu mendekati 40%:60%.
Gambar 3. Hasil karakterisasi XRD pada pellet YSZ – NiO – white starch (4:6:1) setelah proses sintering pada temperatur 1200˚C selama 4 jam.
Gambar  3  menunjukkan  hasil  karakterisasi XRD  pada Pelet  NiO–YSZ– white  starch (4:6:1)  dan  hasil  analisis data  XRD  secara  kualitatif  dengan  menggunakan software Match!.
Gambar 4. Hasil analisis data XRD secara kualitatif dengan menggunakan software Match! pada YSZ–NiO– white starch (4:6:1) sebelum dan setelah proses reduksi dengan temperatur dan waktu tahan 1000˚C 3 jam.
Terlihat  pada  gambar  4,  bahwa  puncak  difraksi  NiO telah  berubah  menjadi  puncak  Ni,  walapun  masih  ada sedikit puncak NiO  yang  teramati. Hal ini  menunjukkan bahwa  pada  temperatur  1000˚C  selama  3  jam,  energi aktivasi  yang  diterima  oleh  NiO  mampu  memutus ikatannya  walapun  tidak  seluruhnya  sehingga  sebagian oksigen yang tereduksi diikat oleh H 2 menjadi H 2 O (air). Untuk  mengetahui  pengaruh  proses  reduksi  terhadap fraksi  berat  relatif  (%)  NiO  yang  tereduksi  menjadi  Ni, maka  dilakukan  analisis  data  secara  kuantitatif  dengan rietica menggunakan metode Rietvield .
Gambar 5. Hasil penghalusan Rietveld pada pola difraksi NiO–YSZ setelah melalui reduksi pada temperatur 1000˚C selama 3 jam.
Gambar 5 menunjukkan hasil karakterisasi XRD  yang dianalisis  secara  kuantitatif  dengan  menggunakan software rietica untuk  mengetahui  kuantitas  komposisi fasa setelah melalui proses reduksi. Komposisi fasa NiO– YSZ  setelah  melalui  proses  reduksi  pada  temperatur 1000˚C  selama  3  jam menghasilkan  material  dengan kuantitas  komposisi  fasa  YSZ  kubik 46,98% ,  YSZ monoklinik 18,39 %,  Ni  kubik 31,22%  dan NiO  kubik 3,40 %. Berikut  adalah  reaksi  persamaan  terputusnya ikatan pada NiO menjadi Ni.
Reaksi  yang  terjadi  pada  proses  reduksi  NiO menjadi  Ni  dengan  pemanasan  dalam  aliran  gas  10% H 2 /90%Ar adalah sebagai berikut.
NiO (s) + H 2 → Ni(s) +H 2 O(g)
Nilai  fraksi  berat  (%)  NiO  yang  tereduksi  menjadi  Ni berkurang dari 42,36% NiO menjadi 31,22% Ni dan NiO kubik 3,40 % karena  oksigen  pada  NiO  terikat  oleh  H 2 menjadi uap air.
NiO (s) → Ni(s) + 1 2 O 2(g)

## IV. KESIMPULAN
Material NiO dalam NiO– 7YSZ (7%mol  Y 2 O 3 dan 93%mol  ZrO 2 )– pore  former ( white  starch ) dengan perbandingan  komposisi  masa  4:6:1  dapat  tereduksi menjadi Ni pada temperatur 1000°C selama 3 jam dalam aliran gas  10%  H 2 dan  90%Ar. Reduksi  NiO–YSZ  pada temperatur  1000°C  selama  3  jam menghasilkan  material dengan  kuantitas  komposisi  fasa  YSZ  kubik 46,98% , YSZ  monoklinik 18,39 %,  Ni  kubik 31,22%  dan NiO kubik 3,40 % .

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada  Allah SWT, kedua orang tua, Bapak Prof. Dr. Suasmoro, DEA selaku  dosen  pembimbing  sekaligus  penyandang  dana dan  riset,  seluruh  elemen  pengajar  dan  staf  jurusan Fisika, serta teman-teman Penulis yang telah memberikan  dukungan  dan  motivasi  kepada  Penulis dalam melakukan penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Boudghene  Stambouli,  A.,  Traversa,  E.,  2002.  Fuel cells,  an  alternative  to  standard  sources  of  energy. Renew. Sustain. Energy Rev. 6, 295–304.
doi:10.1016/S1364-0321(01)00015-6.
[2] Webmaster@iea-dpc.de,  n.d.  IEA:  SITES  2006 [WWW Document]. URL http://www.iea.nl/sites_2006.html (accessed 6.16.16). [3] Raharjo,  Jarot.  2008.  Perkembangan  Teknologi Material pada Sel Bahan Bakar  Padat Suhu Operasi Menengah. Institute Fuel Cell, University Kebangsaan Malaysia : Malaysia.
[4] Horri,  B.A.,  Selomulya,  C.,  Wang,  H.,  2012. Electrochemical  characteristics  and  performance  of anode-supported  SOFCs  fabricated  using  carbon microspheres  as  a  pore-former.  Int.  J.  Hydrog. Energy,  2011  International  Workshop  on  Molten Carbonates  &  Related  Topics  37,  19045–19054. doi:10.1016/j.ijhydene.2012.10.005.
[5] Halinen, M., others, 2015. Improving the performance of solid oxide fuel cell systems.
[6] Sulistyo.  2015.  Pengontrolan  Kualitas Anode  Solid Oxide  Fuel  Cell (SOFC)  melalui  Pengontrolan Porositas.  Jurusan  Teknik  Mesin  Fakultas  Teknik Universitas Diponegoro : Indonesia.
[7] Zuo,  C.,  Liu,  M.,  Liu,  M.,  2012.  Solid  oxide  fuel cells,  in:  Sol-Gel  Processing  for  Conventional  and Alternative Energy. Springer, pp. 7–36.
[8] Fergus,  J.,  Hui,  R.,  Li,  X.,  Wilkinson,  D.P.,  Zhang, J.,  2008.  Solid  oxide  fuel  cells:  materials  properties and performance. CRC press.
[9] Talebi,  T.,  Sarrafi,  M.H.,  Haji,  M.,  Raissi,  B., Maghsoudipour, A., 2010. Investigation on microstructures  of  NiO–YSZ  composite  and  Ni– YSZ cermet for SOFCs. Int. J. Hydrog. Energy, The 1st  Iranian  Conference  On  Hydrogen  &  Fuel  Cell 35, 9440–9447. doi:10.1016/j.ijhydene.2010.04.156. [10] Yoo, J.-Y., Cho, C.-K., Shon, I.-J., Lee, K.-T., 2011. Preparation  of  porous  Ni–YSZ  cermet  anodes  for solid  oxide  fuel  cells  by  high  frequency  induction heated  sintering.  Mater.  Lett.  65,  2066–2069. doi:10.1016/j.matlet.2011.04.032.