Laporan Hasil Penelitian Tahun ke 2 HIBAH...

V 3

Infra struktur, transportasi, dan

Industri pertahanan

Laporan Hasil Penelitian Tahun ke 2

HIBAH KOMPETENSI

P E M B U A T A N P R O T O T Y P E S E N S O R G A S N O X M E N G G U N A K A N

M A T E R I A L K O N D U K T O R IONIK B E R B A S I S ION N A +

H A S I L P R E P A R A S I

Ketua Tim Pengusul

Dr. Agus Setiabudi, M.Si

( A n g a k a t a n II T a h u n 2 0 1 0 )

Dibiayai oleh Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi, Kementrian Pendidikan Nasional

Sesuai dengan Surat Perjanjian Tugas Pelaksanaan Penelitian

Nomor: 256/SP2HI/PP/DP2MA/I/2010 Tanggal 1 Maret2010

Hibah Kompetensi,

U n i v e r s i t a s P e n d i d i k a n I n d o n e s i a ( U P I )

Lembar Pengesahan

HIBAH KOMPETENSI

I . Judul Kegiatan

2. Jenis Kegiatan 3. Nama Ketua Tim Pengusul 4. Jurusan

Fakultas Perguruan Tinggi

5. Alamat No. Telepon/Faks E-mail No. Telepon

6. Lamanya Kegiatan 7. Nama dan alamat lengkap

peers - dari dalam negeri

- dari luar negeri

Pembuatan Prototype Sensor Gas NOx Menggunakan Material Konduktor Ionik Berbasis Ion Na+ Hasil Preparasi Penelitian Dr. Agus Setiabudi Pend. Kimia/Prodi Kimia Pend. MI PA Universitas Pendidikan Indonesia (UP1 Jl. Dr. Setiabudhi 229, Bandung 40154 0222000579/0222000579 [email protected] 08157193569 3 (tiga) tahun

Dr. Bambang Soegijono Program Studi Material Sains, Pasca Sarjana Universitas Indonesia (Ul) J I. Salemba Raya No 4 Depok Phone/Fax, E-mail Dr. lr. Michiel Makkee Delft University of Technology Julianalaan 136, Delft 2628 BM The Netherlands E-mail: [email protected]

Mengetahui, IIP,

0IDIO0^

• ( D ^ f ^ s e p Kadarohman, M.Si.) 987031002

Bandung, 16 November 2010 Ketua Tim Pelaksana,

( Dr. Agus Setiabudi, M.Si) NIP 196808031992031002

Mengetahui Ketua Lembaga Penelitian/Pengabdian Kepada Masyarakat

(Prof. Dr. H. Sumarto,MSIE) NIP 195507051981031

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

DAFTAR T A B E L

Tabel 4.1. Nilai AEMF/dec untuk NASICON yang telah dimodifikasi 23 denganNaN02, Pt dan AgCl, Ag pada variasi suhu operasi.

Tabel 4 .2. Jumlah mol KNO3 yang bereaksi dan konsentrasi gas N 0 2 25 yang dihasilkan

Tabel 4 .3. Jumlah mol, konsentrasi dan perubahan arus deteksi (AI) 31

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1. Prinsip kerja sensor amperometric gas NOx 2 Gambar 2.1 Sekema umum yang disederhanakan sensor amperometri 5 Gambar 2.2. Struktur NASICON. dari J .B. Goodenough et al, (1976).

Material Research Bulletin Vol. 11 halaman. 203-220 7 Gambar 3.1. Tahapan umum penelitian 12 Gambar 3.2. Tahap Sintesis dan tahap karakterisasi 13 Gambar 3.3. Tahap uji kinerja NASICON 14 Gambar 3.4. Skema bagian-bagian rancangan Sel 15 Gambar 3.5. Penampang lintang rancangan sel sensor 15 Gambar 3.6. Peralatan yang digunakan untuk pengujian kinerja NASICON 16

Gambar 4.1. a), sol saat ditambahkan ZrOCl2.8H20 (b). sol setelah didiamkan beberapa detik sebelum dilakukan pengocokan ... 18

Gambar 4.2. Konduktifitas material konduktor ionic yang dipreparasi dengan asam fa). Xerogel, (b). Pelet xerogel setelah kalsinasi 18 pada suhu 750°C, (c). Pelet NASICON

Gambar 4.3. Spektra F T - I R xerogel, material hasil kalsinasi 750°C, dan material hasil kalsinasi 1000 °C 19

Gambar 4.4. Pola difraktogram material konduktor ionik NASICON dengan penambahan konsentrasi asam sitrat 6M 21

Gambar 4.5. Konduktifitas NASICON yang disintesis dengan penambahan asam sitrat 6 M 22

Gambar 4.6. Nilai beda potensial (AE ) pada berbagai suhu dibandingkan secara teoritis 24

Gambar 4.7. (a)Deteksi gas N 0 2 oleh sel sensor (N02(g), Pt, NaN027NASICON/AgCl, Ag) sebagai fungsi waktu, (b) 26 hubungan AE dengan konsentrasi gas N 0 2 pada suhu 200°C

Gambar 4.8. (a)Deteksi gas N 0 2 oleh sel sensor (N02(g), Pt, NaN02 / 27 NASICON/AgCl, Ag) sebagai fungsi waktu, (b) hubungan AE dengan konsentrasi gas N 0 2 pada suhu 250°C

Gambar 4.9. (a)Deteksi gas N 0 2 oleh sel sensor (N02(g), Pt, NaN02 / NASICON / AgCl, Ag) sebagai fungsi waktu, (b) hubungan 25 AE dengan konsentrasi gas N 0 2 pada suhu 300°C

Gambar 4.10. Reaksi yang terjadi antara NASICON dengan gas N 0 2 27 Gambar 4.11. Konduktifitas NASICON hasil preparasi yang dialiri berbagai

variasi konsentrasi gas N 0 2 32 Gambar 4.12. Respon arus sel NASICON hasil preparasi yang dialiri

berbagai variasi konsentrasi gas N 0 2 33

i i i

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Oksida Nitrogen (NOx) merupakan komponen polusi udara yang

menyebabkan terjadinya hujan asam dan kabut fotokimia. Senyawa oksida ini

juga dapat menyebabkan gangguan syaraf dan organ pernapasan. NOx di udara

terutama bersumber dari emisi gas buang kendaraan bermotor dan fasilitas mesin

bakar tak bergerak seperti tungku bakar dan mesin diesel (Miura N. et.al, 1994).

Monitoring dan kontrol emisi gas pencemar dari sumbernya merupakan aktivitas

penting dalam upaya menekan laju pencemaran udara.

Deteksi kadar gas NOx dapat dilakukan dengan instrument spektroskopi.

Peralatan pengukur kadar NOx ini bekerja berdasarkan sistem luminisensi kimia

atau absorpsi sinar infra merah. Pengukuran gas NOx secara tidak langsung juga

dapat dilakukan dengan instrument kromatografi gas. Tetapi peralatan-peralatan

tersebut biasanya tidak cocok digunakan sebagai sistem kontrol 'on-site' karena

waktu pengukuran yang lama, ukuran peralatan yang besar dan biaya yang relatif

mahal (Jiang M.R.M, et.al, 1996; Miura N, 1998).

Alternatif pengukuran gas NOx yang lain adalah mengunakan sensor

amperometrik. Sensor amperometrik merupakan sensor yang berbasis

elektrokimia. Konsentrasi gas NOx yang diukur merupakan variable yang

menentukan besarnya arus listrik yang dihasilkan oleh sel elektrokimia.

Komponen utama dalam pembuatan sensor amperometrik untuk deteksi NOx

adalah konduktor ionik Na3Zr2Si2POi2 atau dikenal dengan sebutan NASICON

(Natrium Super Ionic Conductor).

Penelitian mengenai sensor amperometrik ini merupakan aplikasi dari

prinsip-prinsip dalam ilmu elektrokimia. Melalui penelitian terdahulu, kelompok

peneliti pengusul telah mengembangkan material konduktor ionik untuk sensor

gas NOx baik melalui metode padat-padat maupun melalui metode sol-gel

anorganik dan diperoleh karakter material yang sangat mirip dengan NASICON.

Untuk menguji kinerjanya pada kondisi aplikasi dan untuk mengevaluasi peluang

Laporan Penelitian Hibah Kompetensi Batch II tahun 2 Page 1

penggunaan material hasil preparasi tersebut perlu dilakukan studi kinerja material

dalam rangkaian sel sensor pada kondisi pengukuran kadar gas NOx.

B. Tujuan Khusus

Penelitian yang diusulkan ini bertujuan untuk mengaplikasikan material

hasil preparasi sendiri yang telah berhasil dibuat melalui metode sol-gel anorganik

pada penelitian sebelumnya, terhadap prototype sensor gas NOx hasil rakitan.

Evaluasi peluang penggunaan material hasil preparasi pada sel sensor perlu

dilakukan pada pengukuran berbagai kadar gas NOx.

C. Urgensi Penelitian

Konduktor ionik NASICON merupakan komponen paling penting dalam

sensor gas. Pada sel sensor yang menggunakan NASICON, ion natrium

merupakan spesi ion penghantar arus listrik. Material ini juga berperan sebagai

membran yang memisahkan dua setengah sel elektrokimia (Jiang M.R.M, et.al,

1996; Miura N , 1998; Yang Y et.al, 2000). Untuk sensor gas NOx prinsip kerja

sensor ini ditunjukkan pada Gambar 1.1.

NO, Na* + N 0 2 + e -> NaN02

Na3Zr2Si2P01-

e-elektroda NaN02 N 0 2 + e- +Na+

Gambar 1.1. Prinsip kerja sensor amperometric gas NOx

Penelitian NASICON hasil preparasi melalui reaksi padat-padat yang

dimodifikasi telah diuji karakternya serta nilai konduktivitasnya pada sel sensor

hasil rakitan. Hasil yang telah diperoleh menunjukan bahwa material NASICON

yang dibuat menunjukan si fat kristalinitas yang sangat mirip dengan material yang

dipreparasi melalui metode sol-gel (Traversa E et.al, 2000). Sedangkan pengujian


terhadap NASICON hasil preparasi melalui reaksi sol-gel anorganik menunjukan

kestabilan yang lebih tinggi dengan adanya modifikasi berupa penambahan zat

aditif asam (Setiabudi, 2006). NASICON hasil perparasi dengan metode padat-

padat menunjukkan nilai konduktivitas pada rentang 10 S/m baik diukur

dengan Impedance spectroscopy maupun dengan menggunakan sel hasil rakitan.

Sedangkan NASICON hasil preparasi melalui metode sol-gel anorganik

menunjukan nilai konduktifitas pada rentang 10"3 S/m.

Peralatan sensor yang berbasis NASICON merupakan peralatan yang

penting untuk memonitor kadar pencemaran udara oleh polutan NOx . Penguasaan

dan pengembangan teknologi sensor untuk deteksi polutan sangat penting untuk

dilakukan karena merupakan langkah awal dalam pengendalian masalah

lingkungan.

D. Masalah Penelitian

Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan, maka secara lebih

terperinci permasalahan dalam penelitian ini adalah:

a. Bagaimana kecenderungan perubahan potensial sell dan arus (AI) deteksi yang terjadi seiring naiknya konsentrasi gas NOx pada rentang 30 - 2700 ppm?

b. Bagaimanakah sifat linieritas sel sensor terhadap konsentrasi NOx?


BAB II

STUDI PUSTAKA

A. Sensor Elektrokimia

Sensor adalah peralatan yang digunakan untuk merubah suatu besaran fisik

menjadi besaran listrik sehingga dapat dianalisa dengan rangkaian listrik tertentu.

Sensor elektrokimia dengan elektrolit padatan dapat digolongkan sebagai sel

elektrokimia yang mampu mengkonversi potensial suatu spesies kimia tertentu

yang tidak diketahui kedalam signal elektris yang terukur mengikuti persamaan

Nernst. Persamaan ini menerangkan bahwa bila terdapat gradient konsentrasi

kimia melewati suatu elektrolit maka akan terbentuk potensial elektris.

RT P}

Dalam membangun sistem sensor, beberapa parameter harus dipenuhi agar

sensor bekerja dengan baik. Parameter itu antara lain sensitifitas, selektifitas dan

waktu respon. Sensitifitas yaitu seberapa sensitif sensor dapat mengetahui

perubahan kondisi alam yang akan dideteksi. Dalam sistem gas, sensitifitas

ditunjukkan dari kemampuan sensor untuk mendeteksi gas dalam jumlah yang

sedikit.

Selektifitas adalah kemampuan sensor untuk memisahkan perubahan

kondisi yang ingin dideteksi dibandingkan dengan gangguan-gangguan yang ada.

Beberapa sensor gas menggunakan teknik katalitik untuk meningkatkan

selektifitas sensor. Sedangkan waktu respon adalah waktu yang dibutuhkan sensor

untuk merespon perubahan kondisi alam yang ada. Tentunya semakin cepat nilai

waktu respon ini, berarti akan semakin baik sensor tersebut.

Sensor elektrokimia dapat dikelompokan menjadi sensor potensiometri

dan sensor amperometri. Sensor potensiometric bekerja berdasasarkan keadaan

kesetimbangan pada interface konduktor padatan ionik dengan medium yang

dianalisa, melalui pertukaran spesi elektrokimia. Pada sensor potensiometri,

besaran yang diukur adalah beda potensial, EMF (gaya gerak listrik), dari sel

galvanik yang merupakan fungsi logaritma dari rasio P2 /P| , dimana P| dan P 2


adalah tekanan gas parsial dari komponen aktif pada kedua elektroda.

Sebagaimana diterangkan sebelumnya, hubungan antara logaritma tekanan parsial

dan EMF dikenal sebagai persamaan Nernst. Biasanya sensor potensiometri

digunakan untuk mengukur rentang konsentrasi yang rendah (W.Weper, 1987).

Sensor amperometric bekerja berdasarkan reaksi elektrokimia yang

tergantung pada difusi spesi elektroaktif melalui suatu barier (Fabry P, 1997).

Barier ini biasanya terdiri atas suatu lapisan porous yang netral. Tegangan sel

dibuat tetap pada nilai plateu diffusi dari kurva I (V) . Struktur umum rakitan sel

sensor elektrokimia ditunjukan pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Sekema umum yang disederhanakan sensor amperometri

Dalam sensor amperometri, limit arus yang mengalir, 1(V) melalui

elektrolit padatan diukur sebagai nilai preset dari voltage yang digunakan.

Besarnya limit arus proporsional dengan tekanan parsial dari komponen aktif gas

(Jacob K . T et.al, 1989. Kondisi operasi pengukuran biasanya pada temperatur

tinggi (Dietz H, 1982). Karena respon dari sensor amperometrik adalah linier,

dimana signal elektrik menunjukkan besarnya tekanan parsial gas, maka

perubahan tekanan parsial yang kecil sekalipun dapat diamati. Sehingga

pengukuran dengan sensor ini mempunyai presisi yang sangat tinggi (Fray D.J.,

Dalam sel elektrokimia, elektrolit padat dapat digunakan bersama-sama

dengan reaktan kimia baik dalam bentuk gas maupun cairan. Elektolit padat yang

Gas Inlet

Insulator Aliran Eelktron

"Solid Ionic Conductor

1996).


digunakan dalam sensor galvanik menghasilkan beberapa fungsi kritis antara lain:

(a) memisahkan reaktan; (b) voltage pada circuit terbuka melalui elektrolit

padatan adalah suatu ukuran potensial kimia dan (c) muatan yang melewati

elektrolit padatan ditentukan oleh transport ion. Dengan konsep sel galvanik ini,

pemanfaatan elektrolit padat semakin berkembang (Bruce P.G., 1995).

B. Konduktor Ionik

Konduktor ionik adalah konduktor yang daya hantarnya dihantarkan oleh

ion. Ion-ion ini dapat bergerak dengan mudah karena adanya ketidakteraturan atau

cacat dalam struktur kristal bahan tersebut baik diakibatkan oleh cacat Schottky

maupun cacat Frenkel.. Ketidakteraturan posisi atom atau adanya cacat dalam

struktur menyebabkan tersedianya posisi kosong pada tempat-tempat tertentu

dalam kristal. Posisi yang kosong ini dapat diisi oleh atom lain di sekitarnya dan

meninggalkan posisi kosong yang baru, demikian seterusnya sehingga ion dalam

kristal tersebut dapat berpindah-pindah. Inilah yang berperan dalam tingginya

konduktifitas ionik elektrolit padat.

Nilai konduktifitas konduktor ionik adalah 10"3 S/cm - 10 S/cm, sedangkan

konduktor ionik yang memiliki nilai konduktivitas lebih besar dari 10"4 - 10"5

S/cm pada suhu ruangan disebut fast ion atau superionic conductor (Nalbandyan

dan Rao, tanpa tahun). Fast ion conductors dapat berasal dari bahan organik

maupun anorganik. Contoh fast ion conductors dari bahan organik antara lain gel

poliakrilamida, litium perklorat dalam polietilen oksida dan ionomer seperti

nafion. Sedangkan fast ion conductors dari bahan anorganik antara lain natrium

klorida, zirkonium dioksida, elektrolit padat alumina, lanthanum florida, perak

sulfida, perak iodida, timbal klorida, rubidium perak iodida, beberapa keramik

perovskite serta keramik konduktif seperti NASICON (Na3Zr2Si2P012).

Setiap material mempunyai karakteristik yang khas dan untuk mengetahui

karakteristik NASICON dapat dilihat dari pola X R D dan spektra inframerahnya.

Pola X R D untuk NASICON berada pada puncak 29 = 14, 19, 20, 22, 27.5, 32, 41,

46, dan 53 (Mouzer et al, 2003). Sedangkan untuk mengetahui gugus fungsi pada

NASICON digunakan spektroskopi inframerah. NASICON memberikan serapan


pada bilangan gelombang 400-1600 cm'1. Serapan pada bilangan gelombang 420-

750 cm"1 menunjukkan vibrasi tekuk (bending) Zr06, , dan Serta serapan dengan

bilangan gelombang sekitar 800-1091 menunjukkan adanya vibrasi ulur

(stretching) Z r 0 6 , , dan (Zhang et al, 2003).

C. Natrium Super Ionic Conductor (NASICON)

NASICON adalah akronim dari Natrium Super Ionic Conductor.

NASICON memiliki network tiga dimensi kaku yang dibangun dari tetrahedral

P 0 4 dan S i 0 4 . Sudut tetra hedral P 0 4 dan S i 0 4 , gugus O, berbagi dengan sudut

oktahedral Zr06 dan sebuah hubungan ruang interstisi yang terhubung secara tiga

dimensi sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 2.2. Area cross-section terkecil

interstisi membentuk "bottleneck" dengan diameter terkecilnya lebih besar

daripada dua kali jumlah jari-jari anion dan ion alkali. Bottleneck ini berbentuk

heksagon seperti terlihat pada gambar 2.4. Diameter terkecil dari "bottlenecks"

adalah 4.9 A yang melebihi dua kali jumlah jari-jari Na+ dan 02"(Hong , 1976).

Gambar 2.2. Struktur NASICON. dari J .B . Goodenough et al, (1976). Material Research Bulletin Vol. 11 halaman. 203-220

Sejak ditemukannya NASICON oleh Hong dan Goodenough pada tahun

1976, penelitian tentang NASICON sudah mengalami banyak perkembangan.

Metode sol-gel dan metode reaksi padat-padat adalah dua metode yang banyak

digunakan. Sintesis NASICON dengan metode sol-gel dilakukan dengan beberapa

pereaksi yang berbeda. Fabin Qiu et al (2003) mensintesis NASICON dengan

pereaksinya adalah ZrO(N0 3 ) 2 , NaN03 , S i ( C 2 H 5 0 ) 4 dan ( N H 4 ) 2 H P 0 4 . Sedangkan


Youichi Shimizu dan Takashi Usijima (2000) memvariasikan beberapa

hidroksiacid dengan ZrO(N0 3 ) 2 8H 2 0, (NH 4 ) 2 HP0 4 dan Na 2 Si0 3 9H 2 0 . Satu lagi

contoh keragaman pereaksi dalam sintesis NASICON dengan metode sol-gel

adalah Zr (OC 3 H 7 ) 4 , Na 2 0-3H 2 0 dan N H 4 H 2 P 0 4 (Yang, Y dan Liu, C.C., 2000).

Sintesis NASICON dengan reaksi padat-padat juga telah dikembangkan.

Hong (1976) menggunakan Na 2 C0 3 , Z r 0 2 dan N H 4 H 2 P 0 4 sebagai material

awalnya, sedangkan Z r 0 2 , S i 0 2 , Na 2 C0 3 . dan N H 4 H P 0 4 dijadikan pereaksi oleh

Lee et al (2004). Campuran Na 3 P0 4 dan ZrS i0 4 juga digunakan sebagai pereaksi

oleh Ono et al (2000) dalam proses sintesis NASICON untuk membuat sensor gas

NOx .

D. Konduktor Ionik Sensor gas NOx dan Hasil yang Telah Dicapai

Terdapat beberapa pilihan material sensor untuk gas NOx. Telah

dilaporkan dalam literature bahwa Ag0 .4Na7 .6(AlSiO4)6(NO)2 dapai digunakan

sebagai konduktor ionic pada peralatan sensor gas NOx (Jiang M.R.M, et.al,

1996). Akan tetapi tidak ditemukan literatur-literatur lain yang menunjukan

pengembangan lebih lanjut aplikasi material ini sebagi sensor.

Material konduktor ionik lain yang banyak diteliti adalah, konduktor ionik

berbasis ion Natrium (Natrium Superionik Konduktor/ NASICON) ( Miura N ,

1998; . Yang Y et.al, 2000; Traversa E , 2000). Material ini memiliki rumus kimia

Na 3Zr 2Si 2POi 2 . Untuk mendapatkan NASICON yang memiliki porositas yang

tinggi, telah dikembangkan metode preparasi sol-gel (Zhang S, 2003; Shimizu, Y ,

2000). Hasil preparasi berbagai teknik ini telah diujicoba sebagai sensor gas C 0 2

(Zhang S, 2003), dan gas NOx (Miura N, 199, Yang Y . , 1999, Qui F., 2002).

Metode pembuatan NASICON menggunakan reaksi padatan yang

dimodifikasi telah berhasil dikembangkan oleh kelompok penelitian pengusul

(Setiabudi, 2005). Modifikasi yang dilakukan diantaranya. kontrol luas kontak

antara prekursor zat padat yang bereaksi (luas permukaan padatan), prosedur

pencampuran, dan perlakuan panas. Pembuatan NASICON menggunakan metode

sol-gel anorganik juga telah dikembangkan oleh kelompok penelitian pengusul.


Pada penelitian-penelitian yang dilaporkan (Zhang S, 2003; Miura N,

1999; Yang Y . , 1999; Qui F. , 2002), material yang diperoleh melalui metode

padat-padat masih menunjukan ketidakmurnian akibat adanya Z r 0 2 sebagaimana

ditunjukan melalui pengukuran dengan X R D . Sedangkan pada material hasil

preparasi tim peneliti pengusul puncak difraktogram karakteristik Z r 0 2 tidak lagi

tampak walaupun muncul puncak baru yang belum diketahui jenis spesinya

(Setiabudi, 2005).

Keuntungan reaksi padat-padat yang telah dimodifikasi dibandingkan

metode sol-gel organik adalah teknik yang lebih sederhana dan bahan baku yang

relatif murah. Sedangkan keuntungan dari metode sol-gel anorganik diantaranya

adalah temperatur reaksi yang rendah, mudah untuk di doping, dan mudah dalam

pembuatan film. Metode sol-gel anorganik juga terbukti mempunyai homogenitas

dan konduktifitas yang lebih baik. Karena itu material (serupa) NASICON yang

dihasilkan berpotensi untuk dikembangkan sebagai komponen sensor gas NOx.


BAB III

M E T O D E PENELITIAN

A. Tempat Penelitian

Penelitian mengenai material konduktor ionik ini dilaksanakan di

laboratorium Riset (Research Laboratory) Jurusan Pendidikan Kimia FPMIPA

UPI. Karakterisasi FT-IR dilakukan di laboratorium Kimia Instrumen Jurusan

Pendidikan Kimia FPMIPA UPI, karakterisasi IS dan uji kinerja dilakukan di

laboratorium Riset Jurusan Pendidikan Kimia FPMIPA UPI , Gedung J I C A lantai

5, JL Dr. Setiabudhi No. 229 Bandung. Karakterisasi X R D dilaksanakan di

laboratorium Pusat Penelitian Geologi, Pasteur Bandung.

B. Alat dan Bahan

1. Alat

Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini, diantaranya:

• peralatan gelas, tungku (Uchida, IMF-72),

• lumpang alu dan cawan crus, alat FTIR (SHIMADZU, FTIR-8400),

• magnetic stirrer, X-ray difraktometer, dan

• alat pembuat pelet, set alat pengukur konduktifitas

2. Bahan

Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah:

• Na 2 Si0 3 p.a (Aldrich), NaN02 p.a,

• ZrO(N0 3 ) 2 p.a (Aldrich), Ba(N0 3 ) 2 p.a,

• NH 4 H 2 P0 4 , Aquades, dan

Asam Sitrat p.a (Merck), Fiber keramik

C. Desain Penelitian

Secara garis besar penelitian ini dibagi menjadi tiga tahap yaitu:

1. Tahap sintesis material konduktor ionik

2. Tahap karakterisasi material konduktor ionik

3. Tahap uji kinerja material konduktor ionik


Sintesis Material Konduktor Ionik

Pada penelitian ini NASICON dibuat dengan menggunakan metode sol gel

melalui penambahan larutan Na 2 Si0 3 , ZrO(N0 3 ) 2 , N H 4 H 2 P 0 4 dan larutan aditif

dengan perbandingan molar untuk asam malonat dan asam tartarat 2:2:1:3,

sedangkan asam sitrat dibuat tiga perbandingan 2:2:1:3, 2:2:1:5.5, dan 2:2:1:6.5.

Ke dalam larutan Na 2 Si0 3 ditambahkan larutan NH 4 H 2 P0 4 . Setelah larutan

tercampur, terlebih dahulu ditambahkan larutan asam hidroksi baru kemudian

ditambahkan larutan ZrO(N0 3 ) 2 . Campuran kemudian distirer hingga terbentuk

sol (Gambar 1).

Setelah sol terbentuk, sol dikeringkan dengan menggunakan oven pada

suhu 120°C. Pemanasan berlangsung kurang lebih 13 jam sehingga diperoleh gel.

Gel F ini ketika dipanaskan kembali akan membentuk gel kering (xerogel). Setiap

xerogel yang dihasilkan dibuat pelet dengan tekanan 60 psi. Pelet-pelet yang

dihasilkan (pelet 1) dikalsinasi pada suhu 750°C selama 1 jam. Pelet-pelet hasil

kalsinasi pertama di gems dan dibuat pelet kembali (pelet 2). Pelet 2 kemudian

dikalsinasi kembali pada suhu 1000°C selama 3 jam sehingga diperoleh material

konduktor ionik.

Karakterisasi Material Konduktor Ionik

Pada tahap karakterisasi, material hasil sintesis dianalisis menggunakan

FTIR, X R D , dan IS serta tahap akhir adalah uji kinerja NASICON. Dalam bentuk

skema tahapan umum penelitian ditunjukkan pada Gambar 3.1. Secara lebih rinci,

tahap sintesis dan karakterisasi ditunjukkan pada Gambar 3.2. sedangkan tahap uji

kinerja NASICON ditunjukkan pada Gambar 3.3.


Tahap Sintesis

Tahap Ka rakterisasi

Pelarutan bahan baku Pencampuran bahan baku Variasi konsentrasi asam sitrat

Uji Kinerja NASICON

Analisis - FTIR - XRD - Pengukuran Konduktifitas

Uji kinerja terhadap gas inert - Pengukuran respon arus terhadap

keberadaan gas inert

Uji kinerja terhadap gas NOx - Pengukuran respon arus terhadap

konsentrasi gas NOx (linieritas) - Pengukuran waktu respon untuk

berbagai konsentrasi gas NOx

Gambar 3.1. Garis Besar tahapan penelitian


Larutan Na>SiO? Larutan KH4H3PO4 (Pelarut air) (Pelarut air)

dicmnpurkan

Caiupuran N'asSiOj dengan XH4H2PO4

dicampnrkan

Campnran NajSiO.v KHoILPCh dan asam sinat

Lanitan Asam Sitrat (Pelarut air)

clicampurknu Larutan ZrOfNO})j (Pelanit air)

.Analisis FTIR

Analisis • FTIR • X R D • Pengukuran

konduktifitas • Uji kinerja

Campuran NajSiOj. NH4H2PO4 a sain hidroksi dan ZrO(NO;)j

distirer 10 nienit

Sol

dikeringkan pada suhu 120*C selama 16 jam

Xeiosel

T dibuat pelet dengan tekanan 60 psi

Pelet xerogel

I dikalsinasi pada ?50CC selama 1 jam

Pelet hasil kalsinasi pertama

digenis dan dibuat pelet kembali dengan tekanan 60 psi dikalsinasi pada 1000:C selama 3 jam

X AS ICON"

Gambar 3.2.. Tahap Sintesis dan tahap karakterisasi


NASICON

NASICON yang sudah dilapisi Pt

dicoating dengan Pt

• diukur konduktifitasnya

dilapisi NaNO?

NASICON yang sudah dilapisi Pt dan NaN02

> diukur kinerjanya

dirangkai pada alat sensor dialirkan gas inert (N2) diukur respon arusnya

dirangkai pada alat sensor dialirkan gas NOx diukur respon arusnya diukur waktu responnya

Gambar 3.3. Tahap uji kinerja NASICON

Uji Kinerja NASICON

Sebelum dilakukan uji kinerja NASICON, terlebih dahulu dilakukan

pengukuran nilai konduktifitas. Pada pengukuran konduktifitas ini NASICON

dilapisi dengan Pt dan pengukuran dilakukan pada suhu 150°C, 175°C, 200°C,

225°C, 250°C, 275°C, 300°C, 325°C, 350°C, 375°C dan 400°C. Setelah nilai

konduktifitas NASICON diketahui, langkah selanjutnya adalah menguji respon

NASICON terhadap gas NOx yang dialirkan. Pada uji kinerja ini NASICON yang

sudah dilapisi Pt dilapisi lagi dengan NaN02 sebagai fasa pendukung. NASICON

yang sudah dilapisi Pt dan NaN02 dimasukan ke dalam alat uji kemudian dialiri

gas N 0 2 yang berasal dari hasil pemanasan Ba(N0 3 ) 2 dan juga berasal dari hasil

pemanasan K N 0 3 . Respon dari NASICON terhadap gas yang dialirkan dapat

terlihat dari adanya peningkatan nilai arus. Skema bagian-bagian alat pengukur

konduktifitas dan uji kinerja diperlihatkan pada Gambar 3.4 dan Gambar 3.5.


A NAS«COM t-toHK-f

B Honl»r

Sal tampok samp^ng

Gambar 3.4. Skema bagian-bagian rancangan Sel

70 mr

Gambar 3.5. Penampang lintang rancangan sel sensor A : Tempat sampel, B : pemanas, C : Alas, D : Selimut, E : Lubang gas keluar)


BAB IV

ANALISIS DAN PEMBAHASAN

4.1 Sintesis dan Karakterisasi NASICON

4.1.1 Sintesis NASICON

Pada penelitian ini material super konduktor ionik berbasis ION natrium

(NASICON) disintesis menggunakan metode sol gel. metode ini mempunyai

beberapa kelebihan dibandingkan dengan metode padat-padat, yaitu memiliki

kehomogenan dan kemurnian yang tinggi serta menghasilkan material antara yang

bersifat amorf dan nanopori. Akan tetapi sintesis NASICON menggunakan

metode sol-gel dengan larutan bahan baku Na2Si03 , ZrOCl 2 .8H 2 0, dan

N H 4 H 2 P 0 4 yang perbandingan molarnya 2:2:1 mempunyai kelemahan yaitu

sulitnya memperoleh sol yang stabil.

Sol yang stabil sulit diperoleh disebabkan karena terbentuknya zirkonil

posfat (ZrOHP0 4 ) atau zirkonium posfat (Zr (HP0 4 ) 2 ) ketika larutan ZrOC1.8H20

dan larutan N H 4 H 2 P 0 4 ditambahkan. Ion Z r 4 + di dalam larutan lebih mudah

bereaksi dengan OH" dari basa membentuk Z r O H 3 + yang kemudian akan terurai

menjadi Z r 0 2 + . Ion Z r 0 2 + dalam larutan inilah yang akan bereaksi dengan ion

HP0 42" membentuk ZrOHP0 4 (Mouazer et al.,2003).

Z r 4 + + OH" ~ ZrOH 3 + K = 1014 (1)

Z r O H 3 + ~ Z r 0 2 + + H + K = 10°7 (2)

Z r 0 2 + + HP0 42 " «-> ZrOHP0 4 K = 1019 5 (3)

Jumlah endapan ZrOHP0 4 atau Z r ( H P 0 4 ) 2 dapat dikurangi dengan

membentuk senyawa kompleks antara ion Zr 4 + dengan menambahkan senyawa

asam, yaitu asam sitrat. Pemilihan asam sitrat dengan perbandingan konsentrasi

2:2:1:6 dengan larutan bahan bakunya didasarkan pada penelitian sebelumnya,

dimana konsentrasi tersebut merupakan konsentrasi optimum untuk kestabilan sol

(Okto R, 2009). Sehingga pada reaksi pembentukkan kompleks ini Zr 4 + akan

bereaksi dengan gugus karbonil pada asam sitrat membentuk kompleks

{(CH 2 ) 2 COH}COOZr . Reaksi yang terjadi adalah:


Z r 4 + + ( C H 2 ) 2 C O H (COOH)(COO)22" ~ [Zr(COO)2(COOH) ( C H 2 ) 2 C O H ] 2 +

[Zr(COO)2(COOH) ( C H 2 ) 2 C O H ] 2 + + H + - [Zr(COO)(COOH)2 ( C H 2 ) 2 C O H ] 3 +

Pencampuran dari larutan bahan baku dan asam sitrat tersebut

menghasilkan sol yang stabil sebelum dilakukan pengocokan terlebih dahulu,

namun agar lebih optimal maka dilakukan pengocokan selama 10 menit.

Perubahan sol menjadi gel dilakukan melalui pemanasan selama 16 jam pada suhu

120°C. Pemanasan gel secara berkelanjutan menghasilkan gel kering atau xerogel.

Gambar 4.1 dan 4.2 berturut-turut menunjukkan sol sebelum pengocokan, gel,

pelet xerogel dan pelet NASICON yang disintesis menggunakan asam sitrat 6 M.

Gambar 4.2. (a). Xerogel. (b). Pelet xerogel setelah kalsinasi pada suhu 750 C, (c). Pelet NASICON


Xerogel yang dihasilkan dari pemanasan sol berwama kuning dan lengket.

Xerogel tersebut selanjutnya dipelet dengan tekanan 60 psi dan dikalsinasi pada

suhu 750°C menghasilkan pelet yang berwama abu dan rapuh. Tetapi

NASICON yang berwama putih dan keras diperoleh setelah pemanasan pada suhu

1000°C.

4.1.2 Karakterisasi NASICON dengan F T I R

Analisis FT-IR berfungsi untuk mengetahui gugus fungsi pada material

hasil sintesis. Analisis F T - I R pada sintesis NASICON ini dilakukan pada tiga

sampel, yaitu xerogel (gel yang sudah dikeringkan pada suhu 120°C), material

hasil kalsinasi 750°C, dan material hasil kalsinasi 1000 °C. Hasil analisis F T - I R

dari ketiga material tersebut diperlihatkan pada Gambar 4.3.

\ e.\j

120°C 750°C

100 - 1000°C y — 1

A i l J 80 -

JC-^ Y A \ / ff 60 -

40 -Is

20 - \\ \VA/ • V

0 -4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

Bilangan gelombang (cm' 1 )

Gambar 4.3 Spektra FT-IR xerogel, material hasil kalsinasi 750°C, dan material hasil kalsinasi 1000 °C

Gambar 4.3 menunjukkan spektra FT-IR pada xerogel, xerogel hasil

kalsinasi pada suhu 750°C, dan NASICON yang dikalsinasi pada suhu 1000°C.

Puncak-puncak serapan pada daerah panjang gelombang 400-750 cm"1,

850-1100 cm-1, 3300-3500 cm'1 menunjukkan serapan NASICON yang


dikalsinasi pada suhu 1000°C. Puncak-puncak pada gelombang 400-750 cm"1

menunjukan adanya vibrasi tekuk dari Zr-O, P-O-P, dan Si-O, sedangkan puncak-

puncak pada daerah 850-1100 cm'1 merupakan vibrasi ulur dari Zr-O, P-O-P, dan

Si-O, dan pada daerah 3300-3500 cm"1 menunjukan adanya gugus O-H yang

berasal dari ikatan air yang teradsorpsi dalam material.

Vibrasi-vibrasi yang terdapat pada NASICON diantaranya panjang

gelombang 800-1091 cm"1 yang merupakan Z r 0 6 , S i0 44 " , P 0 4

3 ' strecing, dan

Zr0 6 , S i0 44 " , P0 4

3 " bending pada panjang gelombang 420-780 cm"1 (Zhang et al,

2003), pada panjang gelombang 890-1200 cm"1 merupakan daerah Z r 0 6 , S i0 44 " ,

P0 43 " strecing dan mendekati 470 cm"1 merupakan daerah P 0 4 tetrahedral

(Rao et al, 2001). Pada panjang gelombang 560 cm"1 terdapat P-O-P bending,

panjang gelombang 890-920 cm"1 terdapat P-O-P bending dan 940-1051 cm"1

terdapat ion P0 43 " (Qui et al, 2003). Hal serupa terjadi pada kalsinasi 750°C, akan

tetapi belum terbentuk ikatan P-O-P bending yang maksimal, yang ditandai

adanya spektra yang masih membahu (shoulder) pada panjang gelombang

850-1100°C. Hal ini mengindikasikan masih terdapat pengotor hidrokarbon,

selain itu ikatan-ikatan yang membentuk NASICON belum maksimal, karena

suhu yang dibutuhkan untuk menaikkan energi ikatan antar unsur-unsur pengusun

kerangka kaku tiga dimensi NASICON belum cukup. Pada suhu pemanasan

xerogel (120°C), spektra FT- IR memperlihatkan bahwa belum ada panjang

gelombang yang identik dengan pola spektra NASICON. Dimana pada panjang

gelombang 400-550 cm"1; 650 cm"1; 1010-1240 cm"1; 1350 cm"1; 1748 cm'1; dan

3500 cm"1, berturut-turut merupakan gugus organik C-Cl , CH 2 . C-O, N-O, C=0

dan OH.

Berdasarkan hasil analisis FT-IR dapat disimpulkan bahwa material yang

dikalsinasi pada suhu 1000°C memiliki spektra yang sesuai dengan spektra

NASICON.

4.1.3 Karakterisasi XRD

Analisis X R D terhadap material konduktor ionik hasil sintesis NASICON

adalah untuk mengetahui keberhasilan sintesis material hasil sintesis dengan


melihat pola difraksi sinar-X dari NASICON hasil sintesis. Pola difraktogram

sinar-x terhadap material yang dihasilkan dengan penambahan asam sitrat 6 M

menghasilkan puncak 26 = 14, 19, 20, 22, 27.7, 32, 35, 35.5, 41 , 46, 50, 53, 60

dan 62. Pola difraktogram dari NASICON hasil sintesis dengan penambahan asam

sitrat 6 M dapat dilihat pada Gambar 4.4.

10 20 30 40 50 60 70 80 2 teta

Gambar 4.4 Pola difraktogram material konduktor ionik NASICON dengan penambahan konsentrasi asam sitrat 6M

Gambar 4.4 menunjukkan pola difraktogram sinar x dari NASICON yang

disintesis dengan penambahan asam sitrat 6M. Puncak-puncak yang menunjukan

NASICON berada pada 20 = 14, 19, 20, 22, 27.5, 32, 41, 46, dan 53. Sedangkan

Z r 0 2 berada pada 20 = 35, 35.5, 50, 60 (Mouzer et al, 2003). Dari gambar 4.4

diperoleh puncak-puncak NASICON yang ditunjukan pada 20 = 14. 19, 20, 27.7.

32, 41, 46, dan 53, sedangkan pada puncak-puncak dengan nilai 20 = 35. 35.5, 50,

60, 62 menunjukan adanya zat pengotor zirkonia. Adanya kompleks zirkonia

dalam NASICON dapat mempengaruhi nilai pergerakan ion Na' pada NASICON

hasil sintesis.


4.2 Pengukuran Konduktivitas dan Nilai Beda Potensial (AE)

4.2.1 Pengukuran Konduktivitas NASICON

Pengukuran konduktifitas dilakukan untuk mengetahui kelayakan dari

material konduktor ionik yang dihasilkan sebagai komponen sensor gas NOx.

Pengukuran konduktifitas dilakukan dengan menggunakan alat IS (Impendancy

Spectroscopy). Nilai konduktifitas ionik dari NASICON yang dihasilkan diukur

sebagai fungsi waktu. Gambar 4.5 merupakan hasil pengukuran konduktifitas

NASICON pada suhu 200°C, 250°C, dan 300°C.

-3 .6

-3 8 -

E (73 -4.2 -

suhu 2 0 0 ' C suhu 2 5 0 ' C suhu 3 0 0 ' C

60 t ( s e k o n )

120

Gambar 4.5 Konduktifitas NASICON yang disintesis dengan penambahan asam sitrat 6 M

Pada gambar 4.5 diperoleh nilai konduktifitas pada NASICON yang

disintesis dengan penambahan asam sitrat 6 M, dengan nilai terendah pada

log o = -3,04 pada suhu 200°C, dan nilai konduktifitas paling tinggi berada pada

log o = -2,55 pada suhu 300°C. Sedangkan pada suhu 250°C diperoleh nilai

konduktifitas log a = -2.56. Nilai konduktifitas pada suhu 250°C dan 300°C tidak

menunjukkan peningkatan yang signifikan. Dari nilai konduktifitas yang

dihasilkan maka NASICON dapat digolongkan sebagai fast ionic conductor yang

memiliki rentang nilai konduktifitas sebesar o =10"4—10*" S/cm dan dapat

digunakan sebagai komponen sensor gas NOx.


4.2.2 Pengukuran Beda Potensial (AE)

Pengukuran nilai beda potensial dimaksudkan untuk mengetahui

kelayakan dari material konduktor ionik yang dihasilkan sebagai komponen

sensor gas NOx. Material konduktor ionik yang digunakan telah dimodifikasi

dengan NaN02 , Pt sebagai elektroda sensor dan AgCl, Ag sebagai elektroda

referen yang diagram selnya sebagai berikut:

N02(g), Pt, NaN02 / NASICON / AgCl, Ag

Pengukuran AE dilakukan pada beberapa suhu yaitu 27°C, 200°C, 250°C,

dan 300°C menggunakan multimeter digital model DT8302B. Variasi suhu

bertujuan untuk mengetahui hubungan antara nilai potensial sel dengan kenaikan

suhu. Nilai-nilai AE yang diperoleh sensor bervariasi sesuai meningkatnya suhu

(Whyo et al, 2005), hal ini diperlihatkan dalam Tabel 4.1.

Tabel 4 .1 . Nilai AEMF/dec untuk NASICON yang telah dimodifikasi denganNaN02, Pt dan AgCl, Ag pada variasi suhu operasi.

Suhu (°C) A EMF (mV)

27 18.60

200 65.65

250 82.38

300 84.86

Nilai AE meningkat seiring dengan meningkatnya suhu dan

peningkatannya cenderung stabil pada suhu diatas 250°C. Secara teoritis kalkulasi

dari nilai Aemf ditunjukkan pada gambar sebagai garis kontinu. Nilai teoritis

tersebut dapat dihitung dari persamaan 2.3 (RT / nF). di mana n sama dengan 1

mewakili jumlah reaksi elektron yang berpartisipasi dalam reaksi sel pada

berbagai suhu (whyo et al, 2005).


Eksperimen

Teoritis

Suhu (°C)

Gambar 4.6. Nilai beda potensial (AE ) pada berbagai suhu dibandingkan secara teoritis

Adapun nilai teoritis itu diperoleh untuk suhu operasi 27°C, 200°C, 250°C

dan 300°C berturut-turut adalah 59.45 mV, 93.73 mV, 103.64 mV, dan 113.54

mV. Pada suhu antara 250°C, nilai-nilai eksperimental mendekati sekitar 79%

dari nilai teoritis. Namun, nilai AE di bawah suhu 250°C sangat rendah dan

banyak menyimpang dari nilai teoritis. Hal ini berhubungan dengan efek energi

kinetik yang rendah yang dihasilkan antara masing-masing elektroda dengan

elektrolit sehingga mencapai titik yang tidak berkesetimbangan.

4.3 Deteksi Gas Nox dengan Sell Potensiometri

Untuk mengetahui kelayakan NASICON sebagai komponen sensor gas

N02 /NO maka dilakukan pengaliran gas N02 /NO terhadap NASICON yang telah

dimodifikasi dengan NaN02 , Pt dan AgCl, Ag . Melalui uji ini dapat diketahui

seberapa besar kinerja NASICON dalam mendeteksi gas NOx. Pengaliran gas

N 0 2 pada sel sensor dihasilkan dari pemanasan KNO3 hingga pada tekanan 1 bar.

Persamaan reaksi yang terjadi dari pemanasan KNO3 adalah (Restiana, 2008):

2 K N 0 3 (s) • K 2 0 (s) + 2N0 2 (g) + Vi 02 (g) (reaksi 4.1)

Banyaknya mol KNO3 yang bereaksi dan konsentrasi gas N 0 2 yang dihasilkan

dari pemanasan K N 0 3 awal dan setelah pengenceran dapat dilihat pada tabel 4.2.


Tabel 4.2 Jumlah mol K N 0 3 yang bereaksi dan konsentrasi gas N 0 2 yang dihasilkan

Pengenceran Konsentrasi gas yang dihasilkan

ke- suhu 200UC suhu 250°C suhu 300°C

Sebelum pengenceran 0,0000495 mol 0,0000396 mol 0,0000396 mol

1 1479 ppm 1184 ppm 1184 ppm

2 989 ppm 792 ppm 792 ppm

3 668 ppm 529 ppm 529 ppm

4 446 ppm 353 ppm 353 ppm

Berdasarkan besarnya konsentrasi gas N 0 2 dalam tabel 4.2 yang dialirkan

pada rangkaian sel N02(g) , Pt, NaN02 / NASICON / AgCl, Ag diperoleh nilai-

nilai beda potensial yang diukur pada suhu 200°C, 250 °C, dan 300 °C yang

diperlihatkan oleh Gambar 4.6, 4.7, dan 4.8.

Gambar 4.7 menunjukkan peningkatan nilai AE terhadap peningkatan

konsentrasi gas N 0 2 pada suhu 200°C. Konsentrasi gas N 0 2 yang dialirkan mulai

dari 446 ppm hingga 1479 ppm. Kemiringan kurva nernst sebesar 65.18 mV/dec

diperoleh dengan memplotkan AE rata-rata terhadap konsentrasi gas N0 2 . Nilai

AE pada konsentrasi gas N 0 2 1497 ppm sebesar 76.6 mV. Nilai AE ini menurun

setelah gas N 0 2 diencerkan dengan menambahkan gas nitrogen. Pengenceran

selanjutnya menghasilkan gas N 0 2 dengan konsentrasi 989 ppm, 668 ppm, dan

446 ppm dan nilai AE yang terukur dari konsentrasi gas N 0 2 yang diencerkan

berturut-turut sebesar 73.6 mV. 71.5 mV. dan 70.6 mV.


so

7 8 -|

7 6 -

7 4 -

7 2 -

7 0 -

6 8

6 6 H

2 0 0 ° C

> E UJ

<1

G a s N . - G a s N O , 4 4 6 p p m

G a s N O , 6 6 8 p p m — G a s N O , 9 8 9 p p m — G a s N O , 1 4 7 9 p p m

6 0 8 0

t ( s e k o n )

1 2 0

(a)

faktor nerst = 65.28 mV/dec

10 100 1000

log PNO2 (ppm)

10000

(b)

Keterangan : Perhitungan besarnya konsentrasi gas N 0 2 yang dialirkan terdapat di lampiran

Gambar 4.7.(a)Deteksi gas N 0 2 oleh sel sensor I N( )2^g), Pt. NaN02 / NASICON / AgCl, Ag) sebagai fungsi waktu. (b) hubungan AE dengan konsentrasi gas N 0 2 pada suhu 200°C.


EX3

1 0 O 2 5 0 ° C

1 4 0

G a s N . G a s N O j 3 5 3 p p m G a s N O , 5 2 9 p p m G a s N O . 7 9 2 p p m G a s N 0 2 1 1 8 4 p p m

(a)

faktor Nerst = 82.27

10 100 1000

Log P N 0 2 (ppm)

10000

I

(b)


Gambar 4..S. (a)Deteksi gas N 0 2 oleh sel sensor (N02(g), Pt, NaN02 / NASICON / AgCl. Ag) sebagai fungsi waktu. (b) hubungan AE dengan konsentrasi gas N 0 2 pada suhu 250°C.

Laporan Penelitian Hibah Kompetensi Batch 11 tahun 2 Page 27

Gambar 4.8 dan 4.9 menunjukkan adanya peningkatan nilai A E pada

rangkaian sel Pt, NaN02 / NASICON / AgCl, Ag tanpa dialiri gas N 0 2 dan

dengan dialiri gas N 0 2 pada suhu 250°C dan 300°C. Konsentrasi gas N 0 2 yang

dialirkan mulai dari 353 ppm hingga 1184 ppm. Kemiringan kurva nernst

berturut-turut pada suhu oprasi 250°C dan 300°C sebesar 82.37 mV/dec dan

84.57 mV/dec diperoleh dengan memplotkan AEMF rata-rata terhadap konsentrasi

gas N0 2 .

Nilai AE tertinggi diperoleh pada suhu pengujian 300°C dengan

mengalirkan gas N 0 2 sebesar 1189 ppm yaitu 99.90 mV dan pada suhu pengujian

250°C nilai AE yang diperoleh sebesar 98.08 mV. Nilai ini cenderung menurun

setelah dilakukan pengenceran gas N 0 2 dengan menambahkan gas nitrogen

masing-masing hingga tekanan 2 bar. Konsentrasi gas N 0 2 yang dihasilkan dari

pengenceran tersebut adalah 792 ppm, 529 ppm, 353 ppm dan nilai AEMF yang

terukur berturut-turut yaitu 96.03 mV, 95.06 mV dan 92.75mV pada suhu 250°C.

Pada suhu 300°C nilai AEMF yang diperoleh adalah 98.15 mV, 96.16 mV, dan

94.85 mV.

Adanya peningkatan beda potensial yang dihasilkan dari rangkaian sel

sensor tersebut menunjukkan adanya reaksi antara NASICON dengan gas N 0 2 .

Dimana semakin besar konsentrasi gas N 0 2 yang dialirkan, semakin besar pula

potensial sel yang terukur. Hal ini sesuai dengan persamaan Nernst E =E° + R T /

nF In PNO2- Berikut merupakan reaksi pada masing-masing elektroda dan

mekanisme kerja dari sel sensor dapat dilihat pada gambar 4.10.

elektroda sensor : N 0 2 ( g ) + Na+ + e" •NaNO;. (reaksi 4.3)

elektroda referen : Ag (s) + CI" — A g C l + e" (reaksi 4.4)

Reaksi total : N 0 2 (g) + Na++ CI" • NaN02 + AgCl


LU

1 0 5

1 0 0 -

3 0 0 ° C

1 AO

G a s N -G a s N O ; 1 1 8 4 p p m G a s N O ; 7 9 2 OOm G a s N O . 5 2 9 p p m G a s N O , 3 5 3 p p m

t ( s e k o n )

(a)

102,0000 100,0000 98,0000 96,0000 94,0000 92,0000 90,0000 88,0000 86,0000 84,0000 82,0000

10 100 1000 10000

(b)


Gambar 4.9. (a)Deteksi gas N 0 2 oleh sel sensor (N02 (g) , Pt, NaNG2 / NASICON / AgCl, Ag) sebagai fungsi waktu, (b) hubungan AE dengan konsentrasi gas N 0 2 pada suhu 300°C.

Laporan Penelitian Hibah Kompetensi Botch II tahun 2 Page 29

Elektroda sensor, elektrolit padat Na+ , elektroda referen

Gambar 4.10 Reaksi yang terjadi antara NASICON dengan gas N 0 2 (Yao et al, 2002)

Ketika kedalam rangkaian sensor dialiri gas N 0 2 , maka gas N 0 2 akan

bereaksi dan mendapatkan elektron dari Pt membentuk N02" pada lapisan NaN02 ,

untuk menyeimbangkan muatan negatif yang dihasilkan pada oleh N02" maka

muatan dari Na+ pada NASICON akan bermigrasi ke lapisan NaN02 . Pada saat

yang bersamaan muatan A g + dalam AgCl akan berpindah ke NASICON untuk

menyeimbangkan perubahan muatan yang disebabkan karena kehilangan ion Na+ .

secara sederhana dapat dilihat pada persamaan dibawah:

Na* (NaN02) +=> Na+(NASICON)

Ag + (NASICON) +=* Ag + (AgCl)

Akibat dari adanya perpindahan ion Ag + ke NASICON, maka lapisan Ag akan

teroksidasi membentuk Ag+dalam AgCl untuk menjaga netralitas listrik.

4.3 Deteksi Gas NOx berdasarkan pengukuran arus (Sell Amperometrik)

Untuk mengetahui kelayakan NASICON sebagai sensor gas NOx maka

dilakukan pengaliran gas NOx terhadap NASICON hasil preparasi. Melalui uji ini

dapat diketahui seberapa besar kinerja NASICON dalam mendeteksi gas NOx.

Pengaliran gas N 0 2 dilakukan pada NASICON yang dipreparasi dengan

penambahan asam sitrat 6 M pada suhu 350°C. Pengaliran gas NOx dihasilkan


dari pemanasan KNO3 yang dilakukan sampai pada tekanan 2 bar. Persamaan

reaksi yang terjadi dari pemanasan KN0 3 adalah :

2KN03(S) • K 2 0 { „ + 2N02(g) + Yi 0 2 ( g )

Banyaknya mol, konsentrasi gas N 0 2 dan perubahan arus deteksi (Al) yang

dihasilkan dari pemanasan KN0 3 awal dan setelah pengenceran dapat dilihat pada

tabel 4.1.

Tabel 4.3 Jumlah mol, konsentrasi dan perubahan arus deteksi (Al)

Pengen Proses pengenceran KNO3 Konsentrasi perubahan arus

ceran ke: gas N 0 2 yang deteksi (Al)

ke : terdeteksi

1 0,0000864mol/0,00398 gr (1) 2652 ppm 1.388 x 10"JA

2 (l)diencerkan dengan 1,5 barN2(2) 137 ppm 5.35 x 10"5A

3 (2)diencerkan dengan 1 bar N 2 (3) 89 ppm 2.84 x 10'5A

4 (3)diencerkan dengan 1 bar N 2 (4) 58 ppm OA

5 (4)diencerkan dengan 1 bar N 2 (5) 38 ppm 2.4 x 10"6A

Pada Gambar 4.5 dapat dilihat nilai konduktivitas pengaliran gas NOx

dari pemanasan KNO3. Nilai arus paling tinggi yang diperoleh dari hasil

pengaliran gas NOx yang berasal dari pemanasan KNO3 hingga tekanan 2 bar

sebesar 0,00999 A. Kemudian nilai arus deteksinya semakin kecil seiring makin

kecilnya konsentrasi N 0 2 yang dialirkan pada saat dilakukan pengenceran dengan

gas N 2 . Setelah pengenceran terus-menerus pada akhirnya diperoleh nilai arus

yang harganya konstan. Penurunan nilai arus ini disebabkan oleh karena semakin

sedikitnya gas N 0 2 yang berinteraksi dengan lapisan NaN02 sehingga pergerakan

ion Na+ berkurang, sehingga konduktivitasnyapun mengecil, demikian sebaliknya

hal ini terjadi untuk kondisi yang berlawanan. Pada kondisi konsentrasi gas N 0 2

terkecil nilai konduktivitasnya cenderung konstran, karena merupakan batas

kemampuan NASICON dalam mendeteksi gas NOx. Hal ini menunjukan

terjadinya reaksi antara gas N 0 2 dengan NASICON. Pada saat N 0 2 bereaksi

dengan NaN02 sebagai elektroda kerja, N 0 2 akan beraksi dengan Na+. Sedangkan

Laporan Penelitian Hibah Kompetensi Batch II tahun 2

NaN02 pada elektroda pembantu terurai menjadi Na+ dan N 0 2 . Reaksi yang

terjadi dapat dilihat pada Gambar 4.7.

Elektroda kerja NO,(g) + Na* + e"

Elektroda pembantu • NaNOj

NaNO,

NO z (g) + Na* * e"

N O . , 0 + N:>' + e • N a N O , ( e l e k t r o d a / k e r j a )

P t ( e l e k t r o d a r e f e r e n c e ) N A S I C O N ( N a . Z r ^ S i ^ P O , , )

Gambar 4.11 Reaksi yang terjadi antara NASICON dengan gas N 0 2

Deteksi gas NOx oleh NASICON hasil preparasi dilakukan untuk

mengetahui seberapa efektif kinerja NASICON yang dihasilkan dalam mendeteksi

gas NOx. Kemampuan NASICON sebagai material konduktor ionik untuk

mendeteksi gas NOx dapat dilihat setelah NASICON hasil preparasi dialirkan gas

NOx. Pengaliran gas NOx dilakukan dengan pemanasan KNO3 sampai pada

tekanan tertentu. Gambar 4.6 menunjukan nilai konduktivitas yang dihasilkan

dengan pengaliran gas NOx terhadap NASICON yang dipreparasi dengan

penambahan asam sitrat 6 M pada suhu 350°C.


Grafik deteksi gas N 0 2 pada suhu 350°C

1.8e-4 - I

l.6e-4 -

1.4e-4 -

1.2e-4 -

_ 1.0e-4 -< ^ 3.0e-5 H

6.0e-5 -

4.0e-5 -

2.0e-5 -

0.0

20

Tanpa gas N 0 2 2652 ppm 137 ppm 89 ppm 58 ppm 38 ppm

40 60

t ( sekon) 80 100 120

Keterangan : Perhitungan besarnya gas N02yang dialirkan terdapat di lampiran

Gambar 4. Respon arus sel NASICON hasil preparasi yang dialiri berbagai variasi konsentrasi gas N 0 2

Laporan Penelitian Hibah Kompetensi Batch II tahun 2 Paee 33

DAFTAR PUSTAKA

Bruce, P.G, Solid State Electrochemistry (Cambridge University Press, Camridge,

(1995) 1-4.

Dietz H., Solid State Ionics 6 (1982) 175.

Fray D.J. , "The use of solid electrolytes as sensor for aplication in molten metal",

Solid State Ionics 86-88 (1996) 1045-1054.

Fabry P. and Siebert E . , Electrochemical Sensor, in P. J . Gellings and H.J.M.,

Bouwmeester, The C R C Handbook of Solid State Electrochemistry, C R C Press,

Bocaraton: 1997

Goodenough, J .B. , Hong, H.Y.P. dan Kafalas, J.A. (1976). "Fast Na+ Ion

Transport in Skeleton Structures". Material Research Bulletin. 11, 203-220.

Hong, H.Y.P. (1976). "Crystal Structure and Crystal Chemistry in the System

Nai+xSixP3-xOi2w . Material Research Bulletin. 11, 173-182.

Jacob K . T . and Mathews T., High Conductivity Solid Ionic Conductors (Elsevier,

North Holland Inc., Amsterdam, 1989) 513-563.

Jiang M.R.M. and Weller M.T, A nitrite solidate N 0 2 gas sensor. Sensors and

Actuator B: Chemical 30 (1996) 3-6

Lee, J.S. et al. (2003). "NASICON-Based Amperometric C 0 2 Sensor Using

Na 2 C0 3 -BaC0 3 . Sensor and Actuators B 96, 663-668.


Miura N., Ono M., Shimanoe K, and Yamazoe N., "A compact amperometric N 0 2

sensor based on Na + conductive solid electrplyte", Journal of Applied

Electrochemistry 2% (1998) 863-865

Miura M, Yao S., Shimizu Y . , and Yamazoe N, "New auxiliary sensing material

for solid electrolyte N02 sensors", Solid State Ionic, 70/71 (1994) 572-577

Ono, M. et al. (2000). "Amperometric Sensor Based on NASICON and NO

Oxidation Catalysts for Detection of Total NOx in Atmospheric Environment".

Solid State Ionic. 136-137, 583-588.

Setiabudi A, Nahadi, dan Bambang Soegijono, "Preparasi dan Karakterisasi

Material konduktor Ionik Berbasis Ion Natrium", Laporan Penelitian Hibah

Pekerti, 2005.

Shimizu, Y . dan Ushijima,T. (2000). "Sol-gel Processing of NASICON Thin Film

Using Aqueous Complex Precursor". Solid State Ionics. 132, 143-148.

Traversa E . , Aono H., Sadaoka Y. , and Montanaro L , "Electrical properties of sol-

gel processed NASICON having new composition", Sensor and Actuators B: 65

Chemical (2000) 204-20

Qiu, F. et al. (2004). "Preparation of planar C 0 2 Sensor Based on Solid-

Electrolyte NASICON Synthesized by Sol-Gel Process". Materials Chemistry

and Physics. 83, 193-198.

West, A.R. (1989). Solid State Chemistry and Its Aplications. Singapore: John

Wiley & Sons.

Weppner W., "Solid state electrochemical gas sensor", Sensors and Actuators 12

(1987) 107.


Yang,Y. dan Liu, C.C. (2000). "Development of A NASICON-Based

Amperometric Carbon Dioxide Sensor". Sensors and Actuators B. 62,30-34.

Zhang S, Quan B . , Zhao Z., Zhao B. , He Y . , and Chen W, (2003), "Preparation

and characterisation of NASICON with a new sol-gel proses", Material Letters

58, 226-229


Laporan Hasil Penelitian Tahun ke 2 HIBAH...

Documents

Transcript of Laporan Hasil Penelitian Tahun ke 2 HIBAH...