Volume 12  No.2 Juli 2020 ISSN : 2085 – 1669 e-ISSN : 2460 – 0288 Website : jurnal.umj.ac.id/index.php/jurtek Email :  jurnalteknologi@umj.ac.id

## U  N  I  V  E  R  S  I  T  A  S   M  U  H  A  M  M  A  D  I  Y  A  H   J  A  K  A  R  T  A

## PENGARUH PENAMBAHAN 14-16 wt.% NI PADA KOMPOSIT MG-NI HASIL PROSES BALL MILLING TERHADAP KARAKTERISTIK PENYERAPAN HIDROGEN
Dwi Rahmalina 1,* , Reza A. Rahman 1 , Agri Suwandi 2 , Gallang Hananto 2 , Dwi A. Rillianto 2 1 Program Studi Magister Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Pancasila, Jakarta, 12640
2 Program Studi Teknik Mesin S1, Fakultas Teknik, Universitas Pancasila, Jakarta, 12640 *Email: drahmalina@univpancasila.ac.id
Diterima: 7 Desember 2019 Direvisi: 20 Februari 2020 Disetujui: 4 Maret 2020

## ABSTRAK
Pengembangan Thermal Energy Storage (TES) sebagai teknologi menyimpan energi panas  untuk penghematan sumber  daya  listrik  dapat  ditingkatkan  melalui  optimasi  komposisi  material  penyimpan  panas.  Logam magnesium  merupakan  material  yang  menjanjikan  untuk  digunakan  sebagai  media  penyimpanan  hidrogen dengan  kapasitas  tinggi  dan  biaya  operasional  yang  efektif.  Penelitian  ini  mengembangkan  komposit  Mg-Ni dengan variasi Ni untuk meningkatkan kemampuan penyerapan hidrogen. Serbuk Magnesium dengan ukuran 63 mikron  diberikan  penambahan  Nikel  dengan  variasi  14,  15  dan  16  wt.%  menggunakan  proses  ball  milling dengan  kecepatan  1000  rpm  selama  3  dan  5  jam.  Komposit  Mg-Ni  selanjutnya  dilakukan  pengukuran  ukuran butir dan pengujian volumetrik dengan metode gravimetrik untuk mengetahui kemampuan penyerapan hidrogen. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penambahan Nikel sejumlah  16 wt.% di dalam logam magnesium mampu menaikkan temperature dari magnesium hydride. Serbuk komposit hasil proses memiliki hidrogenasi unggul dan waktu penyerapan hidrogen relatif singkat dengan waktu ball-milling selama 5 jam.
Kata kunci: Hydrogen storage, Magnesium Hydride, Komposit Magnesium Nikel, Ball Milling, Hydrogenasi

## ABSTRACT
Development of Thermal Energy Storage (TES) as a technology for storing thermal energy  can be achieved by optimizing the composition of heat storage materials. Magnesium metal is a promising material as a hydrogen storage  with  high  capacity  and  cost  effective  operations.  This  research  develops  Mg-Ni  composites  with variations of Ni to increase the ability of hydrogen absorption. Magnesium powder with a size of 63 microns was reinforced by Nickel with variations of 14, 15 and 16 wt.% using a ball milling process with a speed of 1000 rpm for 3 and 5 hours. Then the Mg-Ni composites is characterized by grain size measuring and volumetric testing with gravimetric methods to determine the ability of hydrogen absorption. The results showed that the addition of Nickel in the amount of 16 wt.% in magnesium based composite could increase the temperature of magnesium hydride.  Processed  composite  powder  has  superior  hydrogenation  and  hydrogen  absorption  time  which  is relatively short with a ball-milling time of 5 hours.
Keywords : Hydrogen storage, Magnesium Hydride, Magnesium Nickel Composite, Ball Milling, Hydrogenation

## PENDAHULUAN
Pengembangan thermal energy storage ( thermal  battery )  merupakan  suatu  langkah pemanfaatan  energi  panas  yang  terbuang, antara lain  energi  matahari  serta  limbah  panas industri.  Energi  panas  yang  disimpan  bisa digunakan  kembali  untuk  keperluan  lain seperti  pada  mesin  kalor  untuk  memperoleh energi  gerak  maupun  listrik.  Penyimpanan panas  dalam thermal  battery dapat  dilakukan dengan  memanfaatkan  perubahan  energi  di dalam  material  thermal  battery  melalui  proses fisika  dan  kimia.  Proses  tersebut  umumnya memanfaatkan  sifat sensible  heat,  latent–heat dan  atau  reaksi  termokimia dari  material  yang digunakan.  Secara  umum,  reaksi  termokimia memiliki  kemampuan  yang  lebih  baik  dengan besarnya kerapatan energi (~500 kWh/m 3 , 0,5– 1  kWh/kg),  dibandingkan  dengan  panas  jenis (~100 kWh/m 3 , 0,05–0,1 kWh/kg) dan sensible heat (~50  kWh/m 3 ,  0,02–0,03  kWh/kg) (Narayanan, 2015). Dengan tingginya kerapatan  energi  pada  sistem  berbasis  reaksi thermochemical,  dapat  dikatakan  penerapan reaksi thermochemical sebagai media penyimpanan  panas  pada  thermal  battery merupakan opsi terbaik (Nyamsi, 2018).
Salah  satu  material  yang  paling  sering digunakan  untuk  media  penyimpanan  panas dengan  memanfaatkan  reaksi  termokimia adalah  material  berbasis  metal  hydride. Penggunaan  metal  hydride  pada  thermal battery cukup direkomendasikan sebab banyak logam  dan  paduan  logam  yang  dapat  menyatu dengan  hidrogen  untuk  menghasilkan  metal hydride  pada  suhu  dan tekanan  hidrogen  yang relatif  kecil  (Gambini,  2017).  Fang  et  al., merekomendasikan  penggunaan  metal  hydride berbasis  magnesium  (Mg)  atau  magnesium hydride (MgH 2 ). Rekomendasi tersebut didasarkan  pada  karakteristik  cakupan  suhu magnesium pada sistem berkisar antara 220 o C– 550 o C  serta  tingkat  kerapatan  energi  yang tinggi yang dapat mencapai 2.257 kJ/kg (Fang, 2015)  Di  sisi    lain,  pengembangan  berbasis bahan  magnesium  cukup  cocok  dilakukan  di Indonesia  mengingat  cadangan  magnesium yang dimiliki cukup melimpah. Pengembangan dari sistem ini nantinya dapat menjadi peluang baru  sebagai  wujud  dari  pengembangan industri  hilir  (Zhang,  2018).  Magnesium merupakan  kandidat  untuk  media on-board
storage hidrogen  dalam  bentuk  padat,  karena material  ini  mampu  menampung  hidrogen sebesar  7,6%  berat  logam.  Namun,  proses hidrogenasi dan dehidrogenasi dari magnesium (Mg)  murni  masih  perlu  ditingkatkan  serta membutuhkan  temperature  yang  tinggi  (350  – 400  ˚C)  pada  tekanan  lebih  dari  3  MPa. Banyak usaha telah dilakukan untuk mengimprovisasi sifat MgH 2 dengan memadukan  magnesium  (Mg)  dengan  unsur logam  lain.  Dalam  penelitian  Lian  G,  Mg 2 Ni menjadi hal yang menarik untuk dikembangkan  sebagai  material hydrogen storage yang  menjanjikan  karena  mampu membentuk  hidrida  MgH 2 Ni  dengan  kapasitas penyerapan  hidrogen  (H 2 )  mencapai  3,6% massanya  dan  dapat  menyerap  dan  melepas hidrogen  pada  temperature  dan  tekanan  yang tidak  terlalu  tinggi  jika  dibandingkan  dengan material lain (Li, 2019 dan Crivello, 2016).
Meskipun magnesium hydride memiliki potensial  yang  tinggi  sebagai  thermal  battery, sistem  ini  memiliki  kelemahan  yakni  sifat termodinamis  sistem  yang  kurang  ideal  dan proses  penyerapan  atau  pelepasan  hidrogen yang  berlangsung  dengan  lamban  (Li,  2019 dan  Crivello,  2016a).  Hal  tersebut  menjadi tantangan  tersendiri  agar  sistem  ini  dapat diterapkan  pada  skala  luas.  Berbagai  upaya dilakukan  untuk  memperbaiki  kekurangan magnesium  hydride  seperti  perbaikan  ukuran mikrostruktur  magnesium,  penambahan  unsur lain  dan  MgH 2 berbasis  komposit.  Perbaikan mikrostruktur  atau  ukuran  butir  magnesium dapat  dilakukan  dengan  proses  ball  milling. Kombinasi  antara  nikel  (Ni)  dan  magnesium melalui metode ball milling serta penambahan sedikit  karbon  (C)  dapat  meningkatkan kemampuan  kinetis  hidrogen,  stabilitas  siklus kerja  sistem  juga  konduktifitas  termal  sistem (Crivello, 2016b)
Penambahan katalis nikel pada sistem memiliki risiko terhadap pengurangan kapasitas  penyimpanan  hidrogen  dimana Mg 2 NiH 4 hanya  mampu  menyimpan  3,6  % berat hidrogen. Di sisi lain, sifat termodinamik yang  ditujukan  oleh  Mg 2 NiH 4 lebih  baik dibandingkan  dengan  MgH 2 murni  karena mampu  menurunkan  suhu  penyerapan  dalam kondisi setimbang hidrogen pada tekanan 1 bar dari 300 o C menjadi 250 o C (Andreasen, 2004). Penambahan  15%  berat  bubuk  nikel  (dengan
Dwi  Rahmalina,  Reza A.  Rahman,  Agri  Suwandi,  Gallang  Hananto,  Dwi A.  Rillianto:  Pengaruh  Penambahan 14-16  wt.%  Ni  pada Komposit Mg-Ni, Hasil Proses Ball-Milling terhadap Karakteristik Penyerapan Hidrogen
Jurnal Teknologi 12 (2) pp 93-98 © 2020
ukuran  45–150μm)  pada  magnesium  dapat meningkatkan  kemampuan  balik  penyimpanan hidrogen  sampai  6%.  Dengan  demikian, penambahan  nikel  pada  sistem  mempengaruhi performa thermal battery dimana ada performa yang  meningkat  dan  di  sisi  lain  ada  performa yang  menurun  (Crivello,  2016b).  Aspek penting  lain  yang  perlu  diperhatikan  adalah pemrosesan  material  magnesium,  karena  nikel dapat memberikan pengaruh pada sifat struktur material yang dihasilkan (Andreasen, 2004)
Proses pencampuran material penambah dengan  matriks  komposit  magnesium  harus efektif  untuk  mendapatkan  ukuran  dan  bentuk tertentu  dari  partikel  serta  meningkatkan  luas area  permukaan  partikel  solid  yang  sangat berperan  penting  dalam  reaktivitas  proses reaksi  kimia,  penyerapan  ataupun  membentuk ikatan  secara  mekanik.  Pentingnya  proses pencampuran,  bukan  hanya  homogenisasi  dari material  dasar  tapi  juga  dimungkinkan sejumlah  aditif  yang  ditambahkan  yang  dapat menentukan sifat dari produk akhir (Andreasen,  2004). Ball-milling merupakan salah satu instrumen/alat yang dapat digunakan untuk  memproduksi  material  serbuk  (Rocher, 2012). Material yang terperangkap antara bola penghancur  dan  dinding vial akan  saling bertumbukkan  menghasilkan  deformasi  pada material  tersebut.  Deformasi  material  tersebut menyebabkan  fragmentasi  struktur  material sehingga  terpecah  menjadi  partikel  yang  lebih kecil.
Berdasarkan  latar  belakang  tersebut,  perlu dilakukan  penelitian  magnesium  hydride melalui  penambahan  nikel  dengan  proses ball milling untuk pengembangan teknologi thermal storage. Penelitian ini difokuskan pada efek  penambahan  nikel  14,  15  dan  16  wt.% pada  komposit  magnesium  yang  digunakan sebagai  media  penyimpanan  hidrogen  untuk thermal  battery dengan  metode mechanical ball milling selama 3 dan 5 jam dengan ball to powder ratio 2:1 (Lototskyy, 2019)

## METODE PENELITIAN
Material  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini adalah  serbuk  magnesium  dengan  ukuran  74 μm  yang  dilakukan  penambahan  serbuk  nikel berukuran 63 μm dengan variasi komposisi Ni sebanyak  14,  15  dan  16wt.%.  Pencampuran komposit Mg-Ni dilakukan dengan proses ball milling selama 3 dan 5 jam, dengan kecepatan proses  1000  rpm  dan ball  to  powder  ratio (BPR)  2:1  yang  artinya  200  gram  berat  bola dan 100 gram berat MgNi.
Material  hasil  proses ball  milling selanjutnya diuji  untuk  mengetahui  kemampuan  material tersebut dalam meyerap (hidrogenasi) hidrogen.  Model  pengujian  yang  digunakan adalah  uji  volumetrik  dengan  pertimbangan yakni  hasil  pengujian  lebih  akurat  dan  mudah dilakukan  dibandingkan  dengan  pengujian menggunakan  metode  gravimetrik.  Proses  ini dilakukan  selama  2  jam  dengan  target  suhu pengujian ialah sampai 400˚C (673,15 K) dan tekanan  yang  digunakan  sebesar  5,006  MPa sesuai  dengan  grafik  karakteristik  dari  MgH 2 (Gambini,  2017).  Setelah  sampai  pada  target tekanan,  komposit  dipanaskan  dengan  laju pemanasan  sebesar  5K/min.  Data  perubahan tekanan  dan  suhu  dari  sample  dan  reservoir dimasukan  ke  dalam  perhitungan  sehingga besarnya hidrogen yang diserap material dapat diketahui  seperti  berikut  (Carrillo-Bucio, 2018).
dimana: MH 2 : massa molar H 2 (g/mol) V sample : volume sample (cm 3 ) V reservoir : volume reservoir (cm 3 ) R : konstanta gas ideal (mol.K)
T
: suhu   (K)

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Penelitian  ini  membahas  pengaruh  komposisi penambahan  Nikel  pada  Magnesium  serta pengaruh waktu ball–milling terhadap kemampuan  penyerapan  hydrogen.  Pengujian dilakukan  selama  120  menit,  dengan  laju pemanasan  sebesar  5K/min.  Data  utama (temperature  dan  tekanan)  direkam  setiap  10
menit untuk mengetahui nilai faktor kompresibilitas  (Z)  dari  hidrogen    dan besarnya  penyerapan  hidrogen  (wt% total )  pada satuan waktu tersebut. Data pengujian hidrogenasi  dibuat  ke  dalam  grafik  hubungan antara  waktu,  temperatur  dan  besarnya penyerapan hidrogen.
Gambar  1  menunjukkan  grafik  ke-empat material yang sudah diuji.Pada gambar terlihat bahwa  Magnesium  murni  mulai  menyerap hidrogen  secara  efektif  pada  menit  ke-80. Besarnya  penyerapan  hidrogen  di  magnesium murni sangat rendah, dalam waktu 2 jam hanya mampu  menyerap  sebesar  0,214  %.  Komposit yang  merupakan  paduan  antara  magnesium dan  nikel  mulai  bereaksi  jauh  lebih  cepat dibandingkan  dengan  magnesium  murni. Waktu  tercepat  untuk  mulai  bereaksi  dicapai oleh sample dengan  komposisi  84  wt.%  Mg dan  16  wt.%  Ni  pada  menit  ke-10  sudah menyerap hidrogen.
Gambar 1. Grafik Hasil Proses Hidrogenasi
Besarnya  penyerapan  hidrogen  maksimal  juga diperoleh  oleh  sample  dengan  komposisi  84 wt.%  Mg  dan  16  wt.%  Ni  dengan  total penyerapan  dalam  waktu  2  jam  sebesar 0,901%. Berdasarkan data–data tersebut, maka dapat disimpulkan bahwa penambahan nikel di dalam magnesium berpengaruh terhadap percepatan  reaksi magnesium  hydride .  Hal  ini sesuai  dengan  teori  yang  dijabarkan  dalam penelitian  Lian  G  bahwa  nikel  berperan  aktif sebagai  katalisator  reaksi  magnesium  dengan hidrogen. Penambahan nikel di dalam magnesium  mampu  menurunkan  temperature
adsorpsi  dari magnesium  hydride sesuai dengan penelitian V.A Yartys. Sehingga dapat dikatakan  bahwa  proporsi  terbaik  untuk thermal  battery dengan  material  utama magnesium  adalah  paduan  antara  magnesium dengan nikel dengan proporsi Mg:Ni 84:16%.
Terdapat  dua  parameter  penggilingan  material pada  alat ball  milling yaitu  paduan  logam Magnesium  dengan  penambahan  katalis  Nikel yang  komposisinya  yaitu  86  wt.%  Mg  dan  14 wt.% yang di proses 3 jam dan di proses 5 jam menggunakan kecepatan putar alat ball-milling 1000 rpm. Pada komposit dengan komposisi 86 wt.%  Mg  dan  14  wt.%  dengan  parameter waktu  penggilingan  3  jam,  ukuran  target  44 µm diperoleh sebanyak 43,35%. Pada komposit  dengan  komposisi  84  wt.%  Mg  dan 16 wt.% dengan parameter waktu penggilingan 5 jam, ukuran target 44 µm diperoleh sebanyak 79,19%.  Gambar  2  membuktikan  bahwa  lama waktu penggilingan sangat berpengaruh terhadap  penurunan  ukuran  partikel  material. Hal ini bertujuan semakin kecil ukuran partikel maka semakin besar pula kemampuan material menyerap Hidrogen.
Gambar  2. Perbandingan  Hasil  Milling dengan waktu 3 dan 5 jam
Maka  dapat  disimpulkan  bahwa  komposit dengan  komposisi  84  wt.%  Mg  dan  16  wt.% Ni merupakan hasil yang terbaik secara khusus dibandingkan  dengan sample 1  dengan proporsi campuran yang sama namun
Dwi  Rahmalina,  Reza A.  Rahman,  Agri  Suwandi,  Gallang  Hananto,  Dwi A.  Rillianto:  Pengaruh  Penambahan 14-16  wt.%  Ni  pada Komposit Mg-Ni, Hasil Proses Ball-Milling terhadap Karakteristik Penyerapan Hidrogen
Jurnal Teknologi 12 (2) pp 93-98 © 2020
kemampuan  material  menyerap  hidrogen sebesar  0,9012  WT%H 2 yang  bereaksi  pada suhu  700K  dapat  dilihat  pada  Gambar  3.
Gambar  3. Hasil  penyerapan  Hidrogen material yang di proses 5 jam

## KESIMPULAN
Dari hasil penelitian diperoleh bahwa komposisi  84  wt.%  Mg  dan  16  wt.%  Ni  yang dilakukan proses penggilingan dengan waktu 5 jam,  didapatkan  penurunan  ukuran  partikel target  44  μm  terbaik,  yaitu  memperoleh sebanyak  79,19  %.  Penyerapan  hidrogen  pada komposit  dengan  komposisi  84  wt.%  Mg  dan 16 wt.% Ni yang diproses penggilingan 5 jam mampu  menyerap 0.938 WT%H 2 dan bereaksi pada menit ke-20.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada Kementrian  Riset,  Teknologi  dan  Pendidikan Tinggi  atas  Hibah  Penelitian  Tesis  Magister Tahun Anggaran 2019 yang mendanai penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
Aceh,  D. et  al. , Statistik  Perdagangan  Luar Negeri, 2013.
Andreasen,  A.  2004. Predicting  formation enthalpies  of  metal  hydrides ,  Denmark: Riso  National  Library,  ISBN  87-550- 3382-2
Carrillo-Bucio, J.L., Tena-Garcia, J.R., Armenta-Garcia,  E.P.,  Hernandez-Silva, O.,  Cabañas-Moreno,  J.G.,  Suárez- Alcántara,  K.  2018. Low-cost  Sieverts- type  apparatus  for  the  study  of hydriding/dehydriding reactions, HardwareX: 4 (00036): 1-14
Crivello,  J.C.,  Dam,  B.,  Denys,  R.V., Domheim  M.,  Grant,    D.M.,  Hoot,  J., Jensen, T.T., dr Jongh, P., Latroche, M., Milanes,  C., Milicius,  D., Walker,  G.S., Webb,  J.,  Zlotes,  C.,  Yartys,  V.A.
2016a. Review  of  magnesium  hydride- based  materials:  development  and optimisation, Appl.  Phys.  A  Mater.  Sci.
Process: 122 (2):  1–20 Crivello,  J.C.,  Denys,  R.V.,  Duraheim,  M., Felderhoff,  M.,  Grant,  D.M.  Hoot,  J., Jensen, T.R., de Jongh, P., Latroche, M., Walker,  G.S.,  Webb,  C.J.,  Yartys,  V.A . 2016b. Mg-based compounds for hydrogen  and  energy  storage, Appl. Phys. A Mater. Sci. Process : 122 (2): 1– 17
Fang,  Z.Z.,  Zhou,  C.,  Fan  P.,  Udell,  K.S., Bowman, R.C., Vajo, J.J., Purewal, J.J., Kekelia,  B.  2015. Metal  hydrides  based high  energy  density  thermal  battery ,  J. Alloys  Compounds:  645  (S1):  S184– S189
Gambini,  M.,  Stilo,  T.,  Vellini  M.,  & Montanari  R.  2017. High  temperature metal  hydrides  for  energy  systems  Part A:  Numerical  model  validation  and calibration , Int. J. Hydrogen Energy: 42 (25): 16195–16202
Li,  J.,  Zhou,  C.,  Fang,  Z.Z.,  Bowman,  R.C.,
Lu,  J.  &  Ren  C.  2019. Isothermal hydrogenation  kinetics  of  ball-milled nano-catalyzed magnesium hydride , Materialia: 5: 100227.
Lototskyy, M. Goh, J., Davids, M.W., Linkov, V.,  KHotseng,  L.,  Ntsendwana,  B., Denys, R., Yartys, V.A. 2019. Nanostructured hydrogen storage materials  prepared  by  high-energy reactive  ball  milling  of  magnesium  and ferrovanadium , Int. J. Hydrogen Energy:
44 (13): 6687–6701
Narayanan, S., et al. 2015. Thermal battery for portable  climate  control ,  Appl.  Energy, 149 : 104–116
Nyamsi,  S.N.,  Lototskyy  M.,  &  Tolj  I.  2018. Selection of metal hydrides-based thermal energy storage: Energy storage efficiency  and  density  targets ,  Int.  J.
Hydrogen  Energy:  43  (50)  :  22568– 2258.
Rocher,  G.  J.  2012. Hydrogen  Storage Properties of Mg-Ni-H through Pressure Composition  Isotherms  Combined  with
Thermodynamic  Calculations ,  Tesis, Canada: Concordia University Zhang  J.,  Yan,  S.  &  Qu  H.  2018. Recent progress in magnesium hydride modified through  catalysis  and  nanoconfinement, Int.  J.  Hydrogen  Energy:  43  (3):  1545– 1565