## Studi Katalis Ni Nano pada Material Penyimpan Hidrogen MgH 2 yang Dipreparasi melalui Teknik Mechanical Alloying
Nirmala Sari 1 , Adi Rahwanto 2 , Zulkarnain Jalil 2
1 Program Studi Magister Fisika, PPs Universitas Syiah Kuala, Banda Aceh
2 Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Syiah Kuala, Banda Aceh zjalil@unsyiah.ac.id
Received 21-10-2015, Revised 01-01-2016, Accepted 15-01-2016, Published 20-04-2016

## ABSTRACT
The main obstacle which hinders the application of fuel cell fuels in motor vehicles today is the hydrogen  storage  tubes.  One  of  the  latest  efforts  in  hydrogen  storage  research  is  to  insert hydrogen in certain metals or called solid state hydrogen storage. Magnesium (Mg) is regarded as one of the material potential candidates absorbing hydrogen, because theoretically, it has the ability  to  absorb  hydrogen  in  the  large  quantities  of  (7.6  wt%).  This  amount  exceeds  the minimum limit which is targeted Badan Energi Dunia (IEA), that is equal 5 wt%. However Mg has shortage, namely its kinetic reaction is very slow, it takes time to absorb hydrogen at least 60  minutes  with  very  high  operating  temperatures  (300-400  °C).  The  aim  of  this  study  is  to improve  the  hydrogen  desorption  temperature  hydrogen  storage  material  based  MgH 2 .  In  this method, milling of material is done  in the time of 10 h with the variation of catalyst inserts a for 6wt%, 10wt% and 12 wt%. The results from XRD measurements in mind that the sample was reduced to scale nanocrystal. Phase that appears of the observation of result XRD is MgH 2 phase as the main phase, and followed by Ni phase as minor phase. The result of observations with DSC, to the lowest temperature obtained on the sample with a weight of catalyst 12 wt% Ni catalyst that is equal to 376 °C. These results successfully repair pure temperature of  Mg- based hydrides.
Keywords: Material  penyimpan  hidrogen,  mechanical  alloying,  temperatur  desorpsi, magnesium

## ABSTRAK
Kendala utama yang menghambat aplikasi bahan bakar fuel cell pada kendaraan bermotor saat ini  adalah  tabung  penyimpan  hidrogen.  Salah  satu  upaya  mutakhir  dalam  riset  penyimpan hidrogen  adalah  dengan  menyisipkan  hidrogen  dalam  logam  tertentu  atau  disebut solid  state hydrogen  storage .  Magnesium  (Mg)  dianggap  sebagai  salah  satu  kandidat  potensial  material penyerap  hidrogen,  karena  secara  teoritis,  memiliki  kemampuan  menyerap  hidrogen  dalam jumlah  besar  (7,6  wt%).  Jumlah  ini  melebihi  batas  minimum  yang  ditargetkan  Badan  Energi Dunia  (IEA)  yakni  sebesar  5  wt%.  Akan  tetapi  Mg  memiliki  kekurangan,  yakni  reaksi kinetiknya  sangat  lambat,  untuk  menyerap  hidrogen  dibutuhkan  waktu  minimal  60  menit dengan  temperatur  operasi  yang  sangat  tinggi  (300  –  400  °C).  Tujuan  dari  studi  ini  adalah untuk memperbaiki temperatur desorpsi hidrogen material penyimpan hidrogen berbasis MgH 2 . Pada metode ini, penghalusan ( milling ) material dilakukan dalam waktu 10 jam dengan varisi sisipan  katalis  sebesar  6wt%,  10wt%  dan  12  wt%Ni.  Hasil  dari  pengukuran  XRD  diketahui bahwa  sampel  berhasil  direduksi  hingga  skala  nanokristal.  Fasa    yang  muncul  dari    hasil observasi    XRD    adalah    fasa    MgH 2 sebagai    fasa    utama,  dan  diikuti  fasa  Ni  sebagai  fasa minor. Hasil observasi dengan DSC, temperatur  terendah diperoleh pada sampel dengan berat katalis 12 wt%Ni, yaitu sebesar 376 °C. Hasil ini menunjukkan bahwa penambahan katalis Ni skala nano ke dalam material MgH 2 berhasil memperbaiki temperatur desorpsi Mg murni.
Kata kunci: Solid storage hydrogen, mechanical alloying, desorption temperature, magnesium hydrides

## PENDAHULUAN
Penggunaan  hidrogen  sebagai  sumber  energi  alternatif  untuk  transportasi  memiliki beberapa keuntungan, seperti kelimpahan tinggi,  ringan, menghasilkan pembakaran panas tinggi,  reprodusibel,  dan  non  emisi  polutan  atau  ramah  lingkungan  selama  pembakaran. Banyak  media  yang  digunakan  untuk  menyimpan  hidrogen,  seperti  gas,  cair,  dan padatan [1] . Hidrogen membentuk hidrida logam dengan beberapa logam atau paduan yang menyebabkan  terbentuknya  penyimpanan  ( solid  storage ) yang  memberikan  keamanan lebih  tinggi  dari  penyimpanan  dalam  bentuk  gas  maupun  cair.  Metoda solid  storage ini dipicu  oleh  kenyataan  bahwa  jika  menyimpan  hidrogen  dalam  bentuk  gas  harus  dalam bentuk  tabung  dengan  tekanan  tinggi  (700  bar  (4.4  MJ/L)).  Sementara  itu  jika  disimpan dalam bentuk cair, maka suhu harus stabil pada -253°C (* MJ/L). Kedua teknik di atas dari sisi  keamanan  belum  memadai.  Oleh  karena  itu,  logam  hidrida  adalah  penyimpanan hidrogen yang aman dan efisien untuk aplikasi kendaraan on-board [2] .
Magnesium merupakan salah satu logam yang banyak diteliti sebagai material penyimpan hidrogen.  Secara  teoritis  magnesium  memiliki  kemampuan  menyerap  hidrogen  dalam jumlah  besar  (7,6  wt%),  ringan  dan  biaya  yang  ekonomis [3] .  Jumlah  ini  melebihi  batas maksimum  yang  ditargetkan  Badan  Energi  Dunia    yakni  sebesar  5  wt%  dan  mampu bekerja  pada  suhu  di  bawah  100  °C [4] .  Selain  itu  sifat  Mg  yang  ringan,  mudah  diperoleh dan  harganya  yang  terjangkau  juga  menjadi  pertimbangan  peneliti  dunia  saat  ini.  Akan tetapi  Mg  memiliki  kelemahan  yakni  reaksi  kinetiknya  yang  lambat,  demikian  juga temperatur  operasinya  relatif  tinggi  (~300  °C).  Banyak  upaya  telah  dilakukan  untuk meningkatkan  sifat  penyerapan  dan  kinetika  reaksi  seperti  substitusi  unsur  (logam  atau oksida logam) sebagai katalis [5-6] , mereduksi ukuran butir material hingga skala nanokristal dengan teknik mechanical alloying [7] serta membentuk material komposit [8] .
Dalam  penelitian  ini  digunakan  teknik mechanical  alloying dengan  sisipan  Ni  nano  (6 wt%,  10  wt%,  dan  12  wt%)  sebagai  upaya  untuk  memperbaiki  sifat-sifat  serapan  dan kinetika  reaksi  material  penyimpan  hydrogen  berbasis  MgH 2 .  Penggunaan  Ni  –yang merupakan logam transisi- dalam skala nano mampu terdistribusi secara homogen di atas permukaan  MgH 2 dan  pada  saat  yang  sama  akan  dapat  mereduksi  proses  miling  dalam waktu yang lebih singkat, serta regangan ( strain ) internal dapat dihindari [9] .

## METODE
Bahan-bahan pada penelitian ini terdiri dari material utama serbuk MgH 2 (99,99%, 50 µm, Sigma  Aldrich) dan serbuk  Ni  nanopartikel  (99%,  50  nm,  Hongwu  Nano ) .  Selanjutnya dilakukan  proses mechanical  alloying dengan  mesin planetary  ball  mill  (Fritsch,  P6). Dengan  rasio  berat  bola  dan  serbuk  (BPR)  10:1 .  Komposisi  berat  katalis  nikel  adalah  6 wt%, 10 wt%, dan 12 wt%Ni. Milling berlangsung  selama  10 jam dengan kecepatan 350 rpm.
Untuk  mengetahui  komposisi  fasa  yang  hadir,  maka  dilakukan  identifikasi  kualitatif menggunakan  X-ray  diffraction  (XRD)  (Shimadzu  D6000,  CuK α dengan  λ=  1,54060  Å). Selanjutnya,  sifat  termal  desorpsi  hidrogen  diamati  dengan  menggunakan Differential Scanning Calorimetry (DSC, Shimadzu D50).
Data  hasil  uji  XRD,  dipergunakan  untuk  mendapatkan  ukuran  kristal  sampel  yang dikalkulasi menggunakan metode Scherrer [11] ,
𝐷  = 0,9  𝐵 𝐶𝑜𝑠  (1)
Dimana  D  merupakan  ukuran  kristal  (Å),  merupakan  panjang  gelombang  (XRD  = 1.54060 Å),  merupakan  sudut  kristal  terukur,  dan  B  merupakan  lebar  setengah puncak/FWHM (rad)

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pola  difraksi  sinar-X    pada  Gambar  1  diperoleh  informasi  kehadiran  fasa  utama  adalah MgH 2 pada sudut difraksi 2𝜃 = 37,87° . Sedangkan fasa minor Ni muncul di posisi 2𝜃 = 44,36° ,  Namun,  pada  saat  proses  pemindahan  dari  tempat  sampel  ke  wadah milling material terkontaminasi dengan udara sehingga munculnya fasa Mg(OD) 2 pada sudut 2𝜃 = 18,34° .  Fasa  Mg(OD) 2 dianggap  sebagai  impuritas  yang  dapat  mempengaruhi  proses pelepasan temperatur desorpsi hidrogen [4] .
Dari  pola  difraksi  sinar-X  pada  Gambar  1  didapatkan  informasi  pelebaran  puncak  yang terjadi,  dapat  disebutkan  bahwa  puncak  difraksi  semakin  melebar  seiring  dengan meningkatnya  jumlah  sisipan  katalis  dari  Ni  artinya  ukuran  butir  kristal  semakin  kecil seiring  dengan  penambahan  katalis,  hal  ini  disebabkan  karena  nikel  sebagai  katalis memiliki  sifat  keras  sehingga  akan  mempercepat  proses  pecahnya  serbuk [4] .  Dengan adanya  reduksi  ukuran  butir  diyakini  akan  terjadi  peningkatan  permukaan  material terhadap  rasio  volume  butir.  Dengan  demikian  hidrogen  akan  mudah  berinteraksi  dan berabsorpsi di dalam material MgH 2 [3] . Karena dengan ukuran partikel yang semakin kecil akan  memperpendek  jalur  difusi  hidrogen  dan  pada  saat  yang  sama  memperbesar  batas butir serta luas permukaan material [10] .
Hasil perhitungan ukuran kristal diringkas pada Tabel 1 yang merupakan hasil perhitungan masing-masing bidang fasa MgH 2 -wt%Ni dengan waktu milling selama 10 jam.
Gambar 1. (colour online) Profil XRD material MgH 2 -wt%Ni dengan waktu milling 10 jam
Tabel 1 . Hasil kalkulasi ukuran butir pada fasa MgH 2 -wt%Ni
Sampel Parameter Pengukuran Bidang Kristal FWHM ( o ) θ ( o ) Ukuran Kristal (nm) 6wt% Ni 0,7798 18,9190 10,78 10wt% Ni 0,7847 18,9261 10,71 12wt% Ni 0,8155 18,9350 10,32
Gambar 2. (colour online) Kurva DSC MgH 2 -wt%Ni pada variasi berat katalis dengan waktu milling 10 jam
Tabel 2 . Ringkasan Hasil Uji DSC Material Waktu milling Temperatur (°C) MgH 2 -12wt%Ni 10 jam 376 MgH 2 -10wt%Ni 10 jam 383 MgH 2 -6wt%Ni 10 jam 393 MgH 2 murni - 409
Pada  Gambar  2  terlihat  bahwa  temperatur  puncak  desorpsi  material  MgH 2 murni  berada pada temperatur 409 °C. Hasil ini sesuai dengan penelitian sebelumnya yang dilakukan Xie [6] yang  menunjukkan  bahwa  temperatur  operasi  MgH 2 yang  masih  tinggi  dengan  kisaran 400 °C. Kemudian upaya untuk menurunkan temperatur dilakukan dengan menambahkan katalis Ni dengan proses milling selama 10 jam.
Temperatur  desorpsi  menunjukkan  penurunan  dibandingkan  dengan  MgH 2 murni. Penurunan temperatur desorpsi  hidrogen selanjutnya dapat  dilihat pada Tabel  2.  Hasil ini menunjukkan bahwa penambahan katalis Ni skala nano ke dalam material MgH 2 berhasil memperbaiki temperatur desorpsi Mg murni.

## KESIMPULAN
Penggunan katalis   Ni  sangat  efektif untuk  memperbaiki karakteristik  MgH 2 . Dari data difraksi  sinar-X  tampak  puncak  difraksi  melebar/mengecil.  Ini  merupakan  indikasi terjadinya proses reduksi ukuran kristal yang mencapai  10 nm.  Fasa  yang muncul dari hasil    observasi    XRD    adalah    fasa  MgH 2 sebagai    fasa    utama,  dan  diikuti  fasa  Ni sebagai  fasa  minor.  Hasil  observasi  dengan  DSC,  temperatur  terendah  diperoleh  pada sampel  dengan  berat  katalis  12  wt%Ni,  yaitu  sebesar  376°C  .  Hasil  ini  menunjukkan bahwa penambahan katalis Ni skala nano ke dalam material MgH 2 berhasil memperbaiki temperatur desorpsi Mg murni. Merujuk  hasil  penelitian  ini,  nyata diperlihatkan bahwa teknik mechanical  alloying menggunakan planetary  ball  mill sangat  atraktif  dan menjanjikan  dalam  preparasi  material  penyimpan hidrogen berbasis Mg.

## DAFTAR PUSTAKA
1. Zuettel, A. 2003. Materials for Hydrogen Storage. Materials Today, Vol. 6, No. 9, pp. 24-33.
2. Budi,  Pratama,  F.,  dan  Widyastuti.  2012.  Pengaruh  Penambahan  Ni,  Cu  dan  Al  dan Waktu  Milling pada Mechanical  Alloying Terhadap Sifat  Absorpsi  dan  Desorpsi Mg sebagai Material Penyimpan Hidrogen. Jurnal Teknik ITS, Vol. 1.
3. Insani, A. 2009. Paduan Mg 3 CoNi 2 sebagai Penyerap Hidrogen. Disertasi . Universitas Indonesia Jakarta.
4. Jalil,  Z.  2011.  Material  Penyimpan  Hidrogen  Sistem  MgH 2 -SiC  Yang  Dipreparasi Melalui Rute Reactive Mechanical Alloying. Disertasi . Universitas Indonesia Jakarta.
5. Liang,  G.,  Wang,  E.,  and  Fang,  S.  1995.  Hydrogen  Absorption  and  Desorption Characteristics  of  Mechanically  Milled  Mg-35  wt.%  FeTi1.2  Powders. J.  Alloys Compd. , Vol. 223, No. 1, pp. 111-114.
6. Xie, L., Liu, Y., Zhang, X., Qu, J., Wang, Y., and Li, X. 2009. Catalytic effect of Ni nanoparticles on the desorption kinetics of MgH 2 nanoparticles. Journal of Alloys and Compounds , Vol. 482, pp. 388–392.
7. Mustanir,  dan  Zulkarnain,  J.  2009.  Hydrogen  Sorption  Behavior  of  the  MgH 2 -Ni Prepared by Reactive Mechanical Alloying. Journal for Technology and Science , Vol. 20, No. 4.
8. Wang, L., Wang, Y., and Yuan, H. 2001. Development of Mg-based hydrogen storage alloy. Journal of Material Science and Technology , Vol. 17, No. 6.
9. Hanada,  N.,  Ichikawa,  T.,  Isobe,  S.,  Nakagawa,  T.,  Tokoyoda,  K.,  and  Honma,  T. 2009.  X-ray  Absorption  Spectroscopic  Study  on  Valence  State  and  Local  Atomic Structure  of  Transition  Metal  Oxides  Doped  in  MgH 2 . Journal  of  Physics  Chemistry C , Vol. 113, pp. 13450-13455.
10. Tian,  M.,  and  Shang,  C.  2012.  Effect  of  TiC  and  Mo 2 C  on  Hydrogen  Desorption  of Mechanically Milled MgH 2 . Journal of Chemical Science and Technology , Vol. 1, No. 2, pp. 54-59.
11. Gastón, P., Barreto, Morales, G., and Quintanilla, M. L. L. 2013. Microwave Assisted Synthesis  of  ZnO  Nanoparticles:  Effect  of  Precursor  Reagents,  Temperature, Irradiation  Time,  and Additives on Nano-ZnO  Morphology Development, Journal of Materials , Vol. 2013. Article ID 478681.