Grafit Sebagai Peyimpan Hidrogen dalam Sistem Fuel Cells : Studi Kimia Komputasi dalam Energi Terbarukan
Graphite as A Hydrogen Storage in Fuel Cell System:  Computational Material Study for Renewable Energy
Rahmat Gunawan* ) , Cynthia Linaya Radiman** ) , Muhamad Abdulkadir Martoprawiro*** ) , Hermawan K. Dipojono**** )
*Jurusan Kimia, Universitas Mulawarman, Samarinda, Kalimantan Timur
** , ***Program Studi Kimia, Institut Teknologi Bandung, Bandung **** Program Studi Teknik Fisika, Institut Teknologi Bandung, Bandung *) Email: gunawan@fmipa.unmul.ac.id

## ABSTRACT
The Hydrogen  storage  based-graphite  materialshave  been  investigated  theoretically  via Density Functional    Theory    (DFT)    approach.  The    native    graphite    was    compared    to    the    modified graphite, namely  the  intercalation  graphite  (GICs, graphite  intercalated  compounds). HeretheGICs was intercalated  by  alkali  metals  (Li,  Na  and  K). The  electronic  structures,  energetics  and atomic  orbital    contributions  of  hydrogen-graphite    system,    GICs,    and    hydrogen-GICs    were studied  by calculation   approach   of gradient   corrected PBE   (Perdew-Burke-Ernzerhof)   for recovery      of  exchange-correlationenergy.  The  calculationwas  supported  by  using  basis  set  of  the plane  waves  whereas  the    computation    of    electron-core  by  using  Ultrasoft    Vanderbilt pseudopotential.    The  computationalcalculation      provides      four      main  studies      i.e.molecular geometry      relaxation, determination    of    electronic    bandsstructure  of  energy,    energy    state density(DOS)  andatomic orbital contribution by charge density differences
Keywords: density functional theory, hydrogen gas, graphite intercalated material

## PENDAHULUAN
Salah satu tantangan besar untuk pengembangan era  baru  hemat  energi  yang  berbasis hydrogen economy di  saat  krisis  energi  adalah  pencarian material-material  yang  memiliki  kemampuan sebagai  penyimpan  hidrogen  pada  kondisi  yang cukup memadai (Nikitin dkk, 2005). Cheng dkk. (2008),  mempelajari  masalah  ini  dengan mengusulkan  perubahan  paradigma  dari  model penyimpan  hidrogen  keras  (hard  hydrogen storage),  yang  menyimpan  gas  hidrogen  dengan tabung  ukuran  besar,  menjadi  model  penyimpan hidrogen  lunak  (soft  hydrogen storage),  yang menyimpan  molekul  hidrogen  dengan  cara adsorpsi H 2 pada permukaan/antar lapisan media pada ukuran molekul (Zhang dan Book, 2009). Konsep  penyimpan  hidrogen  lunak  memiliki efisiensi penggunaan molekul hidrogen yang jauh lebih  tinggi dibandingkan  dengan  model penyimpan  hidrogen  keras (Cheng et  al. 2008).
Kajian  eksperimen  di  laboratorium  tentang peranan  dan  sintesis  grafit  sebagai  media penyimpan  hidrogen  lunak  telah  dilakukan  oleh beberapa  ilmuwan  misalkan  yang  dimotori  oleh Chambers et al. (1998) kemudian ditindaklanjuti oleh  Park et  al. (1999)  yang  mengamati  proses adsorpsi  kimia  gas  hidrogen  pada graphite nanofiber.  Browning  dkk.  (2002),  melaporkan bahwa sintesis karbon nanofiber sangat potensial sebagai  media  penyimpan  hidrogen  karena mampu  mengadsorpsi  hidrogen  lebih  dari  4% berat.  Para  peneliti  masih  terus  berusaha meningkatkan  kemampuan  media  penyimpan hidrogen  ini  dengan  penelitian  baik  melalui kajian eksperimen maupun kalian teori (Atkinson et  al. 2001).  Kajian  teori  tentang  interaksi  pada material  penyimpan  hidrogen  lunak,  telah dilakukan oleh beberapa ilmuwan  misalkan oleh Di˜no et  al. (2004)  yang  mempelajari  sifat adsorpsi disosiasi molekul H2 terhadap sisi ujung grafit  berupa  bentuk zig-zag dan armchair dari grafit penyimpan H 2 .
Kajian  teori  peneliti  yang  lain  yaitu  oleh Ataca et  al. .  (2008)  yang  meneliti  kemampuan materi graphene (suatu  lempeng  tunggal  grafit ukuran atom) sebagai meteri penyimpan H 2 yang berinteraksi dengan atom logam Li pada isi atas dan  bawahnya  dan  mengadsorpsi  sejumlah modelkul  H 2 (Ataca et  al. ,  2008). Permasalahan yang  belum  dilakukan  pada  penelitian  terdahulu adalah  memprediksikan  kemampuan  material grafit  mengadsorpsi  molekul  H 2 dengan kehadiran  atom  logam  alkali  dan  bagaimana sifat-sifat elektronik sistem tersebut.
Permasalahan  tersebut  telah  diteliti  pada disertasi ini dengan menyusun model penyimpan hidrogen lunak yaitu sistem interaksi molekul H 2 pada  sistem  GICs  (Graphite  Intercalated Compounds ) dengan interkalat logam alkali (Li, Na,  dan  K)  melalui  metode  eksperimen komputasi. Diharapkan model ini berguna untuk mewujudkan materi penyimpan H 2 masa depan

## METODE
Semua perhitungan menggunakan Program VASP dan paket  Program  Quantum  Espresso  sedangkan visualisasinya  dengan  Program  XCrysDen  berbasis UNIX, ketiganya berbasis UNIX. Parameter penentuan fungsi  energi  potensial exchangecorrelation,  yang dilakukan berdasarkan pendekatan metode generalized-gradient-corrected Perdew-Burke- Ernzerhof (PBE).
Sedangkan  persamaan  orbital  fungsi  gelombang Kohn-Sham  untuk  grafit  ditentukan  dengan  ekspansi orbital  basis  set  gelombang  datar  untuk  setiap  atom pada sistem yang terlibat, yaitu resonansi cincin grafit, molekul H 2 , dan atom-atom alkali (Li, Na, dan K). Interaksi antara elektron valensi dalam suatu atom padatan, ditentukan dengan pendekatan
kurva  Vanderbilt ultrasoft  pseudopotential.  Sifat struktur  sistem  periodik  yang  dipilih  berupa  sistem supersel  grafit  (4x4)  untuk  semua  interaksi  antar atom/molekul dengan grafit.
Penentuan  potensial  eksternal  dilakukan  melalui konversi  400 eV cutoff sedangkan  perhitungan  sifat energetika sistem periodik dilakukan dengan memakai 90 k -points khusus pada Brillouin Zone (BZ) sampling (8  8  2)  Monkhorst-Pack mesh .  Sel  satuan  kristal dihitung  dengan  parameter  pada  tetapan  kisi a = b = 2,46 Å, c= 6,73 Å, dan jarak hampa antar lapisan grafit untuk  perhitungan  sistem  grafit  model  permukaan adalah 16 Å.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Interaksi  dan  Sifat  Elektronik  Sistem H2- GICs
Pemahaman  tentang  perbedaan  sifat  elektronik dan peranan kontribusi orbital atom untuk ketiga sistem H 2 -GICs menjadi landasan penting dalam memahami  model  grafit  sebagai  materi penyimpan  hidrogen.  Prediksi  kemampuan mengadsorpsi molekul H 2 sistem-sistem ini dapat dilakukan dengan baik melalui kajian eksperimen komputasi ini. Untuk masingmasing sistem dapat diurutkan sebagai berikut. n H 2 -Li/grafit Interaksi dan sifat elektronik sistem H 2 -Li/grafit: melalui kajian ini dihasilkan model penyimpanan hidrogen  terbaik  dengan  menghasilkan  data-data yang  akurat.  Investigasi  untuk  mendapatkan bentuk  PES  untuk  sistem  interaksi  molekul  H 2 - Li/grafit  dilakukan  melalui scanning energi interaksi  secara  menyeluruh  pada  banyak  titik permukaan grafit dengan 117 titik, dimana titik- titik  ini  yang  diperoleh  dari  investigasi  PES sebelumnya yaitu dari sistem H 2 -grafit dan sistem alkali-grafit.
Hasil  investigasi PES  ini  dapat  dilihat  pada Gambar  1  (AB)  dan  menghasilkan  hubungan antara  nilai  energi  interaksi  dari  molekul  H 2 - Li/grafit  tersebut  dengan  bentuk  permukaan energinya,  yang  ditinjau  dari  semua  titik.  Pada Gambar 1 (C), titik energi Fermi (E F ) lebih tinggi dari  tingkat  energi  HOMO  dan  LUMO  akibat kehadiran molekul H2, dengan penurunan energi yang lebih besar dari pada sistem Li/grafit tanpa kehadiran molekul H 2 . Hal ini karena pada sistem H 2 -Li/grafit  terjadi  pengisian  rapat  muatan  pada tingkat energi s dan sdari molekul H 2 . Kontribusi orbital atom pada sistem H 2 -Li/grafit, khususnya orbital  2 s dan  2 p dari  atom  Li  di  tingkat  energi konduksi memperbesar penurunan tingkat energi orbital π-π* pada  pita  energi  yang  terjadi.  Sifat grafit  interkalat  ini  diperlihatkan oleh  bentuk energi  pita  dimana  interaksi  tingkat  energi elektron  dari  orbital π-π* terjadi  pada  titik bersimetri tinggi, K. Perbedaan  rapat  muatan  dalam  bentuk isosurface untuk sistem ini tampak pada Gambar 1 (D), yang mana perbandingan kontribusi orbital atom  untuk  setiap  interaksi  molekul  H 2 dengan setiap  Li/grafit  secara  umum  memiliki  pola kontribusi orbital atom yang sama. Pengaruh  interaksi  berupa  kontribusi  orbital atom  atom  Li/grafit  sebesar  0.68  e/Å 3 kepada molekul  H 2 ditandai  dengan  warna  merah. Semakin  berwarna  biru  semakin  menunjukkan muatan  elektron  kosong,  yang  nilai  kekosongan rapat elektron sebesar -0.47 e/Å 3 untuk interaksi interaksi molekul H 2 dengan Li/grafit. Proses  interaksi  orbital  di  daerah  konduksi untuk  interaksi  molekul  H 2 dengan  sistem Li/grafit  merupakan  proses  terjadinya  kontribusi orbital  atom  yaitu  orbital  2 -π* dan  2 p-π* pada orbital σ* dari  molekul  H 2 dan  menghasilkan orbital  hibrid σ* -2s- π* dan  hibrid σ* -2s- π* , seperti  diungkapkan  pada  Gambar  1  (E). Proses interaksi orbital oleh molekul H 2 di daerah Fermi ini  tidak  terjadi  secara  signifikan  karena kerapatan elektron sangat rendah. Kedua kondisi di atas menyebabkan energi Fermi menjadi lebih tinggi  dan  tingkat  energi  HOMO  dan  LUMO menjadi lebih rendah.
Dengan  turunnya  tingkat  energi π-π* ,  maka sistem  ini  merupakan  kondisi  dimana  peluang untuk  menambah  terjadinya  interaksi  molekul dalam jumlah banyak.
Pada daerah valensi, terjadi proses kontribusi orbital  atom  yang  cukup  signifikan  oleh
Gambar  1. Interaksi  dan  sifat  elektronik  sistem H 2 -Li/grafit.  (A-B)  Bentuk  2  dan  3  dimensi  dari  konsep permukaan  energi  potensial,  (C)  Kurva  struktur  elektronik  pita  energi,  (D)  Bentuk  beda  rapat muatan dengan model isosurface, dan (E) Kurva PDOS sistem.
kehadiran  orbital s dari  molekul  H 2 dengan  2 s- σ dan  2 p-σ dengan  kerapatan  energi  yang  cukup tinggi,  dan  menghasilkan  orbital  hibrid σ -2 s-σ dan σ -2 p-σ . Interaksi di daerah valensi ini relatif mempengaruhi  proses  interaksi  sistem H 2 - Li/grafit. n H 2 -Na/grafit Seperti  pada  investigasi  PES  untuk  sistem interaksi  molekul  hidrogen  dengan  Li/grafit, maka  pada  interaksinya  dengan  Na/grafit, penentuan  bentuk  PES  dilakukan  melalui scanning secara  menyeluruh  pada  banyak  titik permukaan  grafit  yang  sudah  ditetapkan  pada perhitungan  terdahulu.  Hasil  investigasi  PES  ini dapat  dilihat  pada  Gambar  2  (A-B),  dimana terdapat  permukaan  dengan  energi  yang  sangat tinggi  yaitu didaerah atom  Na dan juga terdapat permukaan dengan energi interaksi dari  molekul hidrogen yang paling rendah.
Bentuk  struktur  elektronik  energi  pita  akibat kehadiran  molekul n H 2 atom  pada  sistem Na/grafit menghasilkan penurunan energi HOMO dan  LUMO  dan  peningkatan  yang  relatif  sama terhadap  titik  energi  Fermi  (EF),  dapat  dilihat pada Gambar 2 (C).
Bentuk  pita  energi  ini  akan  menghasilkan sifat  materi  dari  sistem  ini  berupa  peningkatan proses metalisasi grafit. Besar penurunan tingkat energi  ini  pada  setiap  interaksi  Na/grafit  adalah 1.582  eV, 1.584  eV,  1.586  eV, 1.593  eV,  1.592
eV, dan 1.597 eV, untuk molekul H 2 dengan n = 1, 2, 3, 4, 5, dan 6, secara berturut-turut. Penurunan tingkat energi HOMO dan LUMO ini tidak terlalu besar dengan semakin banyaknya molekul H 2 dibandingkan  pada  sistem  tanpa kehadiran molekul H 2 , hal ini disebabkan adanya kontribusi kontribusi orbital atom bersama antara Na/grafit  dan  molekul H 2 ,  walaupun  dengan dominasi  kontribusi  orbital  yang  berbeda  untuk setiap  jumlah n molekul H 2 .  Pada  Gambar  2  (D) menunjukkan  beda  rapat  muatan  dalam  bentuk isosurface untuk  sistem  ini  yang  mana perbandingan  kontribusi  orbital  atom  untuk setiap  interaksi  molekul H 2 dengan  setiap Na/grafit,  memiliki  pola  kontribusi  orbital  atom yang berbeda.
Pengaruh  interaksi  berupa  kontribusi  orbital atom  atom  Na/grafit  sebesar  0.26  e/ Å 3 ditandai warna  merah.  Semakin  berwarna  biru  semakin menunjukkan muatan elektron kosong, yang nilai kekosongan  rapat  elektron  sebesar -0.40  e/Å 3 untuk  interaksi  interaksi  molekul H 2 dengan logam Na/grafit.
Kontribusi  orbital  atom  yaitu  orbital  untuk interaksi  molekul H 2 dengan  sistem  Na/grafit merupakan  proses  terjadinya  proses  interaksi orbital di daerah konduksi, yaitu 3 s-π* dan 3 p-π*
Gambar  2. Interaksi  dan  sifat  elektronik  sistem H 2 -Na/grafit.  (A-B)  Bentuk  2  dan  3  dimensi  dari  konsep permukaan  energi  potensial,  (C)  Kurva  struktur  elektronik  pita  energi,  (D)  Bentuk  beda  rapat muatan dengan model isosurface, dan (E) Kurva PDOS sistem.
pada orbital σ* dari molekul H 2 dan menghasilkan orbital  hibrid σ* -3 s-π* dan  hibrid σ* -3 p-π* , seperti  diungkapkan  pada  Gambar  2  (E).  Hal yang  sama  seperti  yang  terjadi  pada  sistem H 2 - Li/grafit, maka pada daerah Fermi ini juga tidak terjadi  secara  signifikan  karena  kerapatan elektron sangat rendah.
Hal  ini  menyebabkan  energi  Fermi  menjadi lebih  tinggi  dan  tingkat  energi  HOMO  dan LUMO  menjadi  lebih  rendah.  Dengan  turunnya tingkat  energi π-π* .  Proses  kontribusi  orbital atom yang cukup signifikan pada daerah valensi, oleh  kehadiran  orbital σ dari  molekul H 2 dengan 3 s-σ dan  3 p-σ dengan  kerapatan  energi  yang cukup tinggi, dan menghasilkan orbital hibrid σ - 3 s-σ dan σ -3 p-σ .  Hal  ini  relatif  mempengaruhi proses interaksi sistem H 2 -Na/grafit.
n H 2 -K/grafit Interaksi dan sifat elektronik sistem H 2 -K/grafit: melalui  kajian  ini  juga  belum  menghasilkan model penyimpanan hidrogen terbaik. Investigasi PES  untuk  sistem  interaksi  molekul  hidrogen dengan  K/grafit  dilakukan  melalui scanning secara  menyeluruh pada banyak titik permukaan K/grafit,  yang  hasilnya  dapat  dilihat  pada Gambar  3  (A-B).  Berbeda  dengan  sistem sebelumnya,  yaitu H 2 -Li/grafit  dan H 2 -Na/grafit, maka  kontribusi  orbital  atom  pada  sistem H 2 - K/grafit,  berasal  dari  4 s dan  tanpa  melibatkan orbital  3 d dan  4p dari  atom  K,  sehingga  hal  ini
juga  memperbesar  penurunan  tingkat  energi orbital p �ppada pita energi konduksi, dan dapat dilihat pada Gambar 3 (C).
Beda  rapat  muatan  dalam  bentuk isosurface untuk  sistem  ini  tampak  pada  Gambar  3  (D), yang mana perbandingan kontribusi orbital atom untuk  setiap  interaksi  molekul H 2 dengan  setiap K/grafit, secara umum,  memiliki pola kontribusi orbital atom yang tidak sama. Pengaruh interaksi berupa  kontribusi  orbital  atom  atom  K/grafit kepada  molekul H 2 adalah  0.18  e/°A3,  yang ditandai dengan warna merah. Semakin berwarna biru  semakin  menunjukkan  muatan  elektron kosong,  yang  nilai  kekosongan  rapat  elektron sebesar -0.73  e/Å 3 ,  untuk  interaksi  interaksi molekul H 2 dengan logam K/grafit.
Pada Gambar 3 (E), menunjukkan adanya proses interaksi  orbital  di  daerah  konduksi  untuk interaksi  molekul H 2 dengan  sistem  K/grafit merupakan  proses  terjadinya  kontribusi  orbital atom  yaitu  orbital  4 s-π* pada  orbital σ* dari molekul H 2 dan  menghasilkan orbital  hibrid σ* - 4 s-π* . Proses interaksi orbital oleh molekul H 2 di daerah  Fermi  ini  tidak  terjadi  secara  signifikan karena kerapatan elektron sangat rendah. Dari  kedua  kondisi  di  atas,  menyebabkan energi  Fermi  menjadi  lebih  tinggi  dan  tingkat energi HOMO dan LUMO menjadi lebih rendah.
Gambar  3 . Interaksi  dan  sifat  elektronik  sistem H 2 -K/grafit.  (A-B)  Bentuk  2  dan  3  dimensi  dari  konsep permukaan  energi  potensial,  (C)  Kurva  struktur  elektronik  pita  energi,  (D)  Bentuk  beda  rapat muatan dengan model isosurface, dan (E) Kurva PDOS sistem.
Pada  daerah  valensi,  terjadi  proses  kontribusi orbital  atom  yang  cukup  signifikan  oleh kehadiran  orbital σ dari  molekul H 2 dengan  4 s-σ dengan  kerapatan  energi  yang  cukup  tinggi,  dan menghasilkan  orbital  hibrid σ- 4 s-σ .  Interaksi  di daerah  valensi  ini  relatif  mempengaruhi  proses interaksi sistem H 2 -K/grafit.

## Model Penyimpanan hidrogen
Bentuk beda rapat muatan untuk  masing-masing pengaruh  interaksi  dari  ketiga  logam  alkali menunjukkan  pola  kontribusi  orbital  atom  yang sama  terjadi  untuk  alkali,  dimana  kontribusi orbital  atom  terhadap  molekul H 2 cenderung menurun untuk sistem Li/grafit bila dibandingkan dengan Na/grafit dan K/grafit, dengan kontribusi orbital  atom  yang  ditandai  warna  merah  dan warna biru, seperti yang tampak pada Gambar 4.
Perhitungan  geometri  relaksasi  dan  penentuan permukaan energi potensial untuk interaksi enam molekul H 2 pada  permukaan  GICs  dengan interkalat  logam  alkali  (Li,  Na,  dan  K) menghasilkan  pola  tegak  vertikal  dimana  setiap molekul H 2 akan  mendekati  dan  mengelilingi atom  logam  alkali.  Bentuk  terbaik  dari  ketiga interkalat  adalah  logam  Li,  dimana  pada  sistem
H 2 -Li/grafit  menghasilkan  bentuk  pola  yang diharapkan. Analisis  energi  pita  elektron,  rapat  keadaan, dan  beda  rapat  muatan,  menunjukkan  adanya peningkatan  kontribusi  orbital  atom  dari permukaan  grafit  terhadap  enam  molekul hidrogen,  dengan  membentuk  hibridisasi  orbital σ-2s-σ ; σ-2p-σ dan σ-3s-σ ; σ-3p-σ pada  daerah energi valensi dan σ* -2s- π* ; σ* -2s- π* dan σ* - 3 s- π* ; σ* - 3 s- π* pada  daerah  energi  konduksi  untuk interkalat logam Li dan Na, secara berturut-turut. Sedangkan  interkalat  logam  K  tetap  tidak melibatkan  orbital p ,  sehingga  hanya menghasilkan hibridisasi σ-4s-σ dan σ* - 4 s- π* pada daerah energi valensi dan konduksinya. Dari  data  di  atas,  maka  pengaruh  jumlah molekul H 2 sistem  GICs  menjadi  hal  yang penting diteliti.
Hasil  ini  menunjukkan  secara  kualitatif,  adanya peningkatan  kapasitas  penyimpanan  hidrogen dari  GICs,  dimana  untuk  setiap  satu  atom  alkali dapat  mengadsorpsi  enam  molekul  hidrogen untuk  sistem  sistem n H 2 -Alkali/grafit.Nilai kontribusi  orbital  atom  sangat  mempengaruhi kemampuan  sistem  dimana  semakin  besar  harga kontribusi  orbital  atomnya  maka  semakin  besar kemampuan sistem untuk mengadsorpsi molekul
Gambar 4. Model kontribusi orbital atom untuk sistem 6H 2 -alkali/grafit.
108 Grafit Sebagai Penyimpan Hidrogen …
Pada  daerah  valensi,  terjadi  proses  kontribusi orbital  atom  yang  cukup  signifikan  oleh kehadiran  orbital σ dari  molekul H 2 dengan  4 s-σ dengan  kerapatan  energi  yang  cukup  tinggi,  dan menghasilkan  orbital  hibrid σ- 4 s-σ .  Interaksi  di daerah  valensi  ini  relatif  mempengaruhi  proses interaksi sistem H 2 -K/grafit.

## Model Penyimpanan hidrogen
Bentuk beda rapat muatan untuk  masing-masing pengaruh  interaksi  dari  ketiga  logam  alkali menunjukkan  pola  kontribusi  orbital  atom  yang sama  terjadi  untuk  alkali,  dimana  kontribusi orbital  atom  terhadap  molekul H 2 cenderung menurun untuk sistem Li/grafit bila dibandingkan dengan Na/grafit dan K/grafit, dengan kontribusi orbital  atom  yang  ditandai  warna  merah  dan warna biru, seperti yang tampak pada Gambar 4.
Perhitungan  geometri  relaksasi  dan  penentuan permukaan energi potensial untuk interaksi enam molekul H 2 pada  permukaan  GICs  dengan interkalat  logam  alkali  (Li,  Na,  dan  K) menghasilkan  pola  tegak  vertikal  dimana  setiap molekul H 2 akan  mendekati  dan  mengelilingi atom  logam  alkali.  Bentuk  terbaik  dari  ketiga interkalat  adalah  logam  Li,  dimana  pada  sistem
H 2 -Li/grafit  menghasilkan  bentuk  pola  yang diharapkan. Analisis  energi  pita  elektron,  rapat  keadaan, dan  beda  rapat  muatan,  menunjukkan  adanya peningkatan  kontribusi  orbital  atom  dari permukaan  grafit  terhadap  enam  molekul hidrogen,  dengan  membentuk  hibridisasi  orbital σ-2s-σ ; σ-2p-σ dan σ-3s-σ ; σ-3p-σ pada  daerah energi valensi dan σ* -2s- π* ; σ* -2s- π* dan σ* - 3 s- π* ; σ* - 3 s- π* pada  daerah  energi  konduksi  untuk interkalat logam Li dan Na, secara berturut-turut. Sedangkan  interkalat  logam  K  tetap  tidak melibatkan  orbital p ,  sehingga  hanya menghasilkan hibridisasi σ-4s-σ dan σ* - 4 s- π* pada daerah energi valensi dan konduksinya. Dari  data  di  atas,  maka  pengaruh  jumlah molekul H 2 sistem  GICs  menjadi  hal  yang penting diteliti.
Hasil  ini  menunjukkan  secara  kualitatif,  adanya peningkatan  kapasitas  penyimpanan  hidrogen dari  GICs,  dimana  untuk  setiap  satu  atom  alkali dapat  mengadsorpsi  enam  molekul  hidrogen untuk  sistem  sistem n H 2 -Alkali/grafit.Nilai kontribusi  orbital  atom  sangat  mempengaruhi kemampuan  sistem  dimana  semakin  besar  harga kontribusi  orbital  atomnya  maka  semakin  besar kemampuan sistem untuk mengadsorpsi molekul
Gambar 4. Model kontribusi orbital atom untuk sistem 6H 2 -alkali/grafit.
108 Grafit Sebagai Penyimpan Hidrogen …
Pada  daerah  valensi,  terjadi  proses  kontribusi orbital  atom  yang  cukup  signifikan  oleh kehadiran  orbital σ dari  molekul H 2 dengan  4 s-σ dengan  kerapatan  energi  yang  cukup  tinggi,  dan menghasilkan  orbital  hibrid σ- 4 s-σ .  Interaksi  di daerah  valensi  ini  relatif  mempengaruhi  proses interaksi sistem H 2 -K/grafit.

## Model Penyimpanan hidrogen
Bentuk beda rapat muatan untuk  masing-masing pengaruh  interaksi  dari  ketiga  logam  alkali menunjukkan  pola  kontribusi  orbital  atom  yang sama  terjadi  untuk  alkali,  dimana  kontribusi orbital  atom  terhadap  molekul H 2 cenderung menurun untuk sistem Li/grafit bila dibandingkan dengan Na/grafit dan K/grafit, dengan kontribusi orbital  atom  yang  ditandai  warna  merah  dan warna biru, seperti yang tampak pada Gambar 4.
Perhitungan  geometri  relaksasi  dan  penentuan permukaan energi potensial untuk interaksi enam molekul H 2 pada  permukaan  GICs  dengan interkalat  logam  alkali  (Li,  Na,  dan  K) menghasilkan  pola  tegak  vertikal  dimana  setiap molekul H 2 akan  mendekati  dan  mengelilingi atom  logam  alkali.  Bentuk  terbaik  dari  ketiga interkalat  adalah  logam  Li,  dimana  pada  sistem
H 2 -Li/grafit  menghasilkan  bentuk  pola  yang diharapkan. Analisis  energi  pita  elektron,  rapat  keadaan, dan  beda  rapat  muatan,  menunjukkan  adanya peningkatan  kontribusi  orbital  atom  dari permukaan  grafit  terhadap  enam  molekul hidrogen,  dengan  membentuk  hibridisasi  orbital σ-2s-σ ; σ-2p-σ dan σ-3s-σ ; σ-3p-σ pada  daerah energi valensi dan σ* -2s- π* ; σ* -2s- π* dan σ* - 3 s- π* ; σ* - 3 s- π* pada  daerah  energi  konduksi  untuk interkalat logam Li dan Na, secara berturut-turut. Sedangkan  interkalat  logam  K  tetap  tidak melibatkan  orbital p ,  sehingga  hanya menghasilkan hibridisasi σ-4s-σ dan σ* - 4 s- π* pada daerah energi valensi dan konduksinya. Dari  data  di  atas,  maka  pengaruh  jumlah molekul H 2 sistem  GICs  menjadi  hal  yang penting diteliti.
Hasil  ini  menunjukkan  secara  kualitatif,  adanya peningkatan  kapasitas  penyimpanan  hidrogen dari  GICs,  dimana  untuk  setiap  satu  atom  alkali dapat  mengadsorpsi  enam  molekul  hidrogen untuk  sistem  sistem n H 2 -Alkali/grafit.Nilai kontribusi  orbital  atom  sangat  mempengaruhi kemampuan  sistem  dimana  semakin  besar  harga kontribusi  orbital  atomnya  maka  semakin  besar kemampuan sistem untuk mengadsorpsi molekul
Gambar 4. Model kontribusi orbital atom untuk sistem 6H 2 -alkali/grafit.
H 2 , serta kemungkinan  mengadsorpsi lebih dari enam molekul H 2 menjadi lebih besar. Model  sistem  GICs  dengan  kemampuan mengadsorpsi  sejumlah n molekul H 2 dapat diungkapkan pada Persamaan berikut:
n H 2 -Li/grafit > n H 2 -Na/grafit > n H 2 -K/grafit Model  sistem  GICs  sebagai  materi penyimpan  hidrogen  yang  dihasilkan  dari penelitian  ini  telah  memberikan  pengertian tentang interaksi dan kontribusi orbital atom dari sejumlah molekul H2 pada sistem GICs, dengan perbedaan  atom  alkali  sebagai  interkalatnya. Eksperimen  komputasi  yang  dilakukan  dengan hasil  model  grafit  penyimpan hidrogen  pada penelitian  ini  diharapkan  menjadi  bahan pertimbangan untuk dilakukan prediksi pembuatan  model  grafit  penyimpan  hidrogen secara eksperimen laboratorium

## KESIMPULAN
Studi  interaksi  grafit  melalui  kajian  eksperimen komputasi untuk mempelajari interaksi komponen  grafit  sebagai  materi  penyimpan hidrogen (hydrogen storage) dapat dengan sangat baik dilakukan menggunakan metode teori fungsi kerapatan atau DFT (Density Functional Theory).
Dari  perhitungan  relaksasi  geometri  dan penentuan  permukaan  energi  potensial  yang dihitung  melalui  penelusuran  molekul  hidrogen di  atas  permukaan  grafit,  diperoleh R H--C = 3,2Å pada  posisi top sebagai  posisi  terbaik  dengan energi  minimum  sebesar -0,019 e V.  Kajian eksperimen komputasi juga menunjukkan bahwa kehadiran  atom  Li  memberikan  peningkatan kapasitas  hidrogen  yang  lebih  baik  dari  pada kehadiran  atom  Na  dan  atom  K.  Hasil  ini menunjukkan secara kualitatif, adanya peningkatan  kapasitas  penyimpanan  hidrogen dari  GICs,  dimana  untuk  setiap  satu  atom  alkali dapat  mengadsorpsi  minimal  enam  molekul hidrogen.

## Ucapan Terima Kasih
Terimakasih  banyak  kepada  Professor  Hideaki Kasai  dari  Kasai  Laboratory,  Osaka  University, Japan,  atas  Fasilitas Superkomputer untuk menyelesaikan  perhitungan  komputasi  dalam penelitian ini

## DAFTAR PUSTAKA
Ataca, C., E.  Akt¨urk,  S.  Ciraci,  ,  and  H.  Ustunel. Highcapacity  hydrogen  storage  by  metallized graphene . App. Phys. Lett., 93:043123(1–3), 2008 Atkinson, K., S.  Roth,  M.  Hirscher,  and  W. Gr¨unwald. Carbon  nanostructures:  An  efficient hydrogen storage medium for fuel cells? Fuel Cells Bulletin, 38:9–12, 2001.
Cheng, H., L. Chen, A. C. Cooper, X. Shaa, and G. P.
Pez., Hydrogen  spillover  in  the  context  of hydrogen  storage  using  solid-state  materials . Energy Environ. Sci., 1:338–354, 2008. Nikitin, A., H. Ogasawara, D. Mann, R. Denecke, Z.
Zhang,  H.  Dai,  K.  Cho,  ,  and  A.  Nilsson., Hydrogenation of singlewalled carbon nanotubes . Phys. Rev. Lett., 95:225507(1–4), 2005.
Zhang,  Y., and  D.  Book., Hydrogen  storage  in nanostructured graphite: a solution for economic energy  storage  for  low-carbon  vehicles  and  the buffering  of  renewable  energy? Universitas  21 International  Graduate  Research  Conference, Sustainable  Cities  for  the  Future  Melbourne  and Brisbane.(Nov 29–Dec 5):217–220, 2009.