Pengamatan In-Situ Tekanan dan Temperatur pada Pembentukan MgH 2 /Ni melalui Metode Reactive Mechanical Alloying (RMA) untuk

## Aplikasi Material Penyimpan Hidrogen
Erfan Handoko 1,# , Aditia Pradipta 1 ,  Bambang Soegijono 2 , Zulkarnain Jalil 3
1 Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Negeri Jakarta, Jl. Pemuda No.10 Rawamangun Jakarta 13220, Indonesia
2 Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia
3 Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Syiah Kuala, Aceh. Banda Aceh 23111, Indonesia
# Corresponding author; erfisika92@gmail.com
Received 30-05-2014, Revised 15-07-204, Accepted 01-09-2014, Published 31-10-2014

## ABSTRACT
The  observation  on reactive  mechanical  alloying  (RMA)  process  had  been  done  to  form MgH 2 material  with  adding  Ni  nanoparticles  as  catalist  for  hydrogen  storage  material applications.  Pressure  and  temperature  of  material  forming  were  recorded  by microcontroller set for 30 minutes. Mg with adding Ni 5 wt % was milled by High Energy Ball Mill (HEBM) at H 2 atmosphere in 1 atm of pressure. The measurement results showed that the pressure had been changed and temperature also changes up to 38 o C. This process proves that the alloying betwen Mg and H 2 had been formed. The X-ray diffraction pattern identify MgH 2 phase. SEM image showed the morphology of MgH 2 particles.
Keywords: reactive  mechanical alloying, high energy ball mill (HEBM), MgH 2 ,  hydrogen storage material.

## ABSTRAK
Telah  dilakukan  pengamatan  terhadap  proses reactive  mechanical  alloying (RMA)  pada pembentukan  material  MgH 2 dengan  partikel  Ni  berukuran  50  nm  yang  berperan  sebagai katalis dan dapat digunakan sebagai material penyimpan hidrogen. Tekanan dan temperatur pada  pembentukan  material  terekam  langsung  melalui  perangkat  mikrokontroler  yang dimiling  selama  30  menit.  Material  Mg  yang  disiapkan  ditambahkan  5  wt%  Ni  dan dilakukan  proses  miling  dengan  menggunakan High  Energy  Ball  Mill (HEBM)  dengan rasio  perbandingan  sampel  dan  bola  1:10  dalam  suasana  gas  H 2 bertekanan  1  atm.  Hasil pengukuran tekanan telah terjadi perubahan nilai tekanan sedangkan pada temperatur telah terjadi  kenaikan  temperatur  sampai  dengan  38 o C  yang  menunjukkan  telah  terjadi  proses pemaduan  antara  Mg  dan  H 2 .  Pola  difraksi  sinar-x  memperlihatkan  telah  terbentuk  fasa MgH 2 .  Hasil  Foto  SEM  mengindikasikan  Mg  yang  ditambahkan  katalis  Ni  telah memperlihatkan bentuk morfologi partikel MgH 2 .
Kata  kunci: reactive  mechanical  alloying, high  energy  ball  mill (HEBM),  material penyimpan hidrogen, MgH 2 .

## PENDAHULUAN
Konsumsi  energi yang tidak  diiringi  dengan  bertambahnya  sumber  energi akan menyebabkan sumber energi tersebut dalam waktu dekat akan mengalami krisis dan habis. Selain  sumber  energi  yang  terbatas,    konsumsi  energi  fosil  memberikan  dampak  negatif yaitu bertambahnya karbondioksida di atmosfer. Karbondioksida juga yang menyebabkan naiknya temperatur bumi [1] . Oleh karena itu dunia harus mencari alternatif sumber energi baru yang lebih aman agar kebutuhan manusia akan energi bisa tercukupi. Indonesia yang tidak lepas dari kondisi global di atas juga memiliki permasalahan  yang sama. Cadangan minyak bumi Indonesia akan habis dalam kurun waktu 10-15 tahun mendatang [2] .
Penemuan  teknologi  fuel  cell  dengan  gas  hidrogen  merupakan  salah  satu  pemecahan masalah  energi  dewasa  ini,  namun  harus  melalui  serangkaian  proses  perubahan (reforming)  terlebih  dahulu  untuk  bisa  digunakan [3] .  Hidrogen  merupakan  sarana  ideal untuk  media  simpan,  transport  dan  konversi  energi  dengan  tujuan  untuk  pengembangan konsep energi bersih serta tanpa emisi. Hidrogen  juga menjadi  salah satu sumber energi alternatif  pilihan  yang  dapat  menggantikan  bahan  bakar  yang  berasal  dari  fosil.  Dikenal ada  tiga  metode  penyimpanan  hidrogen,  yaitu  dalam  bentuk  gas,  cair,  dan  padat.  Dua metode pertama yaitu dalam bentuk gas (pada tekanan tinggi 700 bar) dan cair (suhu harus tetap stabil pada 253°C) dari sisi keamanan belum memadai [4] .  Sehingga, perkembangan dari  penelitian  hidrogen  saat  ini  difokuskan  pada  pengembangan  hidrida  logam  (metal hydride) untuk menyimpan hydrogen yang lebih aman.
Salah  satu  material  tersebut  adalah  Magnesium  (Mg)  yang  diyakini  sebagai  kandidat potensial  untuk  penyimpan  hidrogen, karena  memiliki  kemampuan  menyerap  hidrogen dalam  jumlah  besar  (7,6  wt%),  sifatnya  yang  ringan  dan  tersedia  di  alam  dalam  jumlah besar.  Namun  Mg  masih  memiliki  kelemahan,  yaitu  reaksinya  sangat  lambat  serta temperatur operasi yang diperlukan sangat tinggi ( 300 °C) [5] .
Beberapa  upaya  telah  dilakukan  secara  intensif  untuk  memperbaiki  sifat- sifat  Mg  ini. Dengan  proses  membentuk  material  hingga  berskala  nanokristal  dengan  teknik  milling [5,6] , membentuk material komposit [7] demikian juga menambahkan katalis tertentu, seperti logam dan oksida logam ke dalam MgH 2 dalam skala nanokristal [8,9] .

## METODE
Material  Mg  (Merck,  98%)  dan  Ni  (Hongwu  Nano,  99%)  berupa  serbuk  halus  disiapkan dengan perbandingan sampel dengan bola milling (BPR) adalah 1 : 10. Material tersebut dengan massa total 2 gram dimasukkan kedalam vial lalu divakum. Setelah itu diberikan tekanan  hidrogen  sebesar  1  atm.  Sampel  dimiling  dengan  SPEX  8000  Pengamatan perubahan  suhu  dan  tekanan  yang  terjadi  selama  proses  milling  selama  30  menit  dengan menggunakan  sensor  yang  terintegrasi  dengan  peralatan  microcontroller  sehingga  dapat diamati  perubahan  tekanan  dan  suhu  yang  terjadi  pada  layar  monitor.  Difraksi  sinar-X (Philips  PW  1730)  digunakan  untuk  mengetahui  terbentuknya  fasa  MgH 2 dan  struktur morfologi material dengan menggunakan scanning electron microscope (SEM, JEOL).

## HASIL DAN PEMBAHASAN
a. Desain perangkat untuk sintesis material MgH 2
Pada Gambar  1 berikut  diperlihatkan  rangkaian  peralatan  untuk    mensintesis material penyimpan hidrogen berbasis MgH 2 .
Gambar1. (color online) Peralatan milling yang dilengkapi micro controller untuk pengamatan tekanan dan temperatur.
Desain alat dirancang sehingga proses  yang sedang terjadi pada reaksi mekanik di dalam vial (tabung sampel) saat proses milling berlangsung dapat dipantau secara langsung (in- situ).  Variabel  temperatur  dan  tekanan  dideteksi  dengan  menggunakan  sensor  yang didukung dengan perangkat mikrokontroler LM 35.

## b. Proses reaksi pemaduan
Proses reaksi pemaduan secara mekanik adalah proses dimana vial yang berisi magnesium dan  hidrogen  dilakukan  proses  milling.  Pengamatan  perubahan  tekanan  dan  suhu  yang sedang  terjadi  dipantau  setiap  detik    selama  30  menit  terekam  dengan  menggunakan peralatan micro controller. Hasil pengamatan tekanan dan temperatur seperti terlihat pada Gambar 2 di bawah.
Hasil  pengamatan  menginformasikan  bahwa  telah  terjadi  perubahan  terhadap  temperatur yang  di  awal  naik  lebih  cepat  dari  suhu  kamar  menjadi  38 o C  dan  cenderung  terus meningkat  secara  perlahan  dengan  bertambahnya  waktu  milling.  Ini  mengindikasikan bahwa  telah  terjadi  reaksi  antara  Mg  dan  H 2 menjadi  MgH 2 dengan  pemicu  perlakuan mekanik  selama  miling  berlangsung.  Berbeda  dengan  informasi  tekanan  yang  cenderung tetap  dikarenakan  tekanan yang  diberikan  hanya  1  atm.  Perubahan  yang  terjadi  pada tekanan  apabila  dikonfirmasi  terhadap  perubahan  temperatur  telah  terjadi  proses pemaduan (alloying) dengan terbentuknya MgH 2 [10] , meskipun dalam jumlah yang sedikit.
98 100 102 104 106 108 110 112 114 0 500 1000 1500 2000 2500 Time ( second ) P re s s u re ( 1 0 -2 a tm ) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 500 1000 1500 2000 2500 Time ( second ) T e m p e ra tu re ( o C )
Gambar 2. Grafik perubahan tekanan (atas) dan perubahan temperatur (bawah) terhadap waktu milling terhadap material Mg/Ni dalam suasana H 2 sebesar 1 atm

## c. Identifikasi fasa
Pengukuran  dengan  difraksi  sinar-X  (XRD)  terhadap  material  hasil  proses  pemaduan dengan  milling  selama  30  menit  telah  menunjukkan  terbentuknya  fasa  MgH2  meskipun dalam  jumlah  yang  sedikit.  Pada  Gambar  3  ditunjukkan  hasil  analisis  kualitatif  yang memperlihatkan  bahwa  fasa  Mg  terlihat  masih  dapat  dipertahankan  dalam  jumlah  yang cukup  banyak.  Ini  membuktikan  bahwa  tidak  semua  Mg  membentuk  MgH 2 dikarenakan jumlah H 2 yang terbatas [11] .
Gambar 3. (color online) Pola difraksi sinar-X material standar dari Mg dan MgH 2 serta hasil proses pemaduan dengan penambahan Ni.

## d. Struktur mikro
Pengamatan  struktur  mikro  material  Mg  hasil  proses  miling  dengan  menggunakan  SEM ditunjukkan  pada  Gambar  4. Hasil  pemaduan  antara  Mg  dan  H 2 melalui  proses  milling selama  30  menit, secara  morfologi, struktur  serbuk  memperlihatkan  perbedaan  secara signifikan antara sebelum dan sesudah proses RMA.
Gambar 4. (color online) Foto SEM material Mg (atas) dan Mg / 5 % berat Ni setelah proses milling 30 menit (bawah).
Terlihat bahwa serbuk mengalami reduksi ukuran butir, dimana ukuran butir tampak lebih halus pasca 30 menit miling dalam atmosfir hidrogen. Adapun warna putih yang dominan menunjukkan  bahwa  fasa  MgH 2 telah  terbentuk.  Secara  visual,  hal  ini  menunjukkan bahwa reactive mechanical alloying mampu memadukan Mg dan H 2 walau dengan waktu miling yang singkat, yakni 30 menit. Hanya saja, penggunaan tekanan yang rendah (1 atm) tampaknya kurang efektif untuk membentuk fasa MgH 2 dalam jumlah banyak [12] .

## KESIMPULAN
Telah  diamati  perubahan  temperatur  dan  tekanan  selama  proses  pemaduan  material  Mg dan H 2 dengan  penambahan  Ni  5  %  berat.  Pembentukan MgH 2 melalui  proses  reaksi pemaduan  mekanik  dengan  milling  selama  30  menit  telah  mengakibatkan  perubahan temperatur  dan  tekanan  di  awal  proses.  Hal  ini  menginformasikan  bahwa  proses pembentukan MgH 2 dapat  dilakukan  walau  dengan  miling  yang  singkat. Hanya  saja tekanan yang rendah belum optimal untuk menghasilkan fasa hidrida dalam jumlah besar. Pola difraksi sinar-X menunjukkan fasa MgH 2 dalam jumlah yang sedikit dan telah terjadi perbedaan morfologi struktur partikel setalah proses milling.

## DAFTAR PUSTAKA
1 Zuttel A. , 2003. “ Hydrogen storage methods and materials ”, www.ifres.ch/homepage
2 Imbang Istiadi, 2005. “ Kebijakan Industri dalam mengantisipasi masuknya teknologi fuel  cell  ke  Indonesia ”,  Seminar  dan Konggres  I  Konsorsium  Fuel  Cell  Indonesia, Jakarta.
3 Gunter R. Simader, 2002. “ Fuel cell technologies for hydrogen ”, http://www.eva.ac.at/publ/pdf/fuelcell_hydro1.
4 Schlapbach and Zuettel, 2001. Hydrogen storage materials for mobile applications, Nature, Vol 414.
5 Liang G. 2004. Synthesis  and  hydrogen  storage  properties  of  Mg- based  alloys, Journal of Alloys and Compounds, 370, p123- 128.
6 Gennari F.C.,  Castro F.J,  Urretavizcaya G., 2001. Hydrogen  desorption  behavior from  magnesium  hydrides  synthesized  by  reactive  mechanical  alloying,  Journal  of Alloys and Compounds, p46- 53.
7 Ichikawa T.,  Hanada N.,  Isobe S.,  Leng H.,  Fujii H., 2005. Composite  materials based on light elements for hydrogen storage, Materials Transactions, 46, p1- 14.
8 Oelerich W., Klassen T., Bormann R., 2001. Metal oxides as catalysts for improved hydrogen desorption in nanocrystalline Mg- based materials, Journal of Alloys and Compounds,375, p 237- 242.
9 Varin R.A.,  Czujko T.,  Wasmund E.B.,  Wronski Z.S., 2007. Hydrogen  desorption properties  of  MgH 2 nanocomposites  with  nano- oxides  and  Incro  micrometric  and nanometric- Ni, Journal of Alloys and Compounds, 446- 447, p 63- 66.
10 Chen C.P., Liu B.H., Li Z.P., Wu J., Wang Q.D., The activation mechanism of Mg- based hydrogen storage alloys. Z Phys Chem 1993;181(1-2):259-67.
11 Liang  G,  Wang  E,  Fang  S. Hydrogen  absorption  and  desorption  characteristics  of mechanically milled Mg-35 wt% FeTi powders. J Alloys Comp. 1995;223(1):111-4.
12 Song  MY. Improvement  in  hydrogen  storage  characteristics  of  magnesium  by mechanical alloying with nickel. J Mater Sci 1995;30:1343-51.