Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials Science

Vol. 11, No. 1, Oktober 2009, hal :66 - 70ISSN : 1411-1098

66

PENDAHULUAN

Dengan adanya isu lingkungan dan problemdeplesi bahan bakar minyak bumi (BBM), banyakkalangan melirik kembali hidrogen sebagai energialternatif. Hidrogen dapat dibakar langsung untukmenghasilkan energi panas, atau dapat pula dialirkan kepiranti fuel cell untuk diubah menjadi listrik. Beberapahal yang menguntungkan dari hidrogen diantaranyaenergy content jauh lebih tinggi dari pada bahan bakarfosil dan dipandang lebih bersih, ramah lingkungan sertaterbarukan [1,2].

Untuk memproduksi hidrogen diperlukan carayang juga lebih bersahabat dengan lingkungan dansejalan dengan konsep ekonomi hidrogen. Metodetersebut adalah elektrolisis air [3]. Pada prinsipnya cara

ini menggunakan sumber listrik untuk mengurai airmenjadi hidrogen dan oksigen. Ketika sumber listrikberasal dari solar cell atau wind turbin, maka proseselektrolisis dapat digolongkan sebagai totally freecarbon dioxide process. Karena hanya perlu air dalamproses produksinya, maka hidrogen termasuk sumberenergi terbarukan.

Faktanya, hampir 96% seluruh produksi hidrogendi bumi ini dihasilkan dengan menggunakan metodepembakaran gas metan yang dikenal tidak ramahlingkungan [4]. Pilihan terhadap cara tersebut sebagaiakibat dari metode elektrolisis yang dipandang belumcukup efektif untuk produksi hidrogen terutama padaskala produksi kapasitas besar. Hukum Faraday dari teori

Akreditasi LIPI Nomor : 536/D/2007Tanggal 26 Juni 2007

PERUBAHAN KARAKTERISTIK LISTRIK ELEKTRODANIKEL AKIBAT SONIKASI PADA PROSES

ELEKTROLISIS AIR

M. Rosyid RidloPusat Penelitian Fisika (P2F)-LIPI

Kawasan Puspiptek Serpong 15314, Tangerange-mail : mrridlo@yahoo.com

ABSTRAKPERUBAHAN KARAKTERISTIK LISTRIK ELEKTRODANIKELAKIBAT SONIKASI PADA

PROSES ELEKTROLISIS AIR. Elektrolisis air dengan penyertaan teknik sonikasi telah dilakukan dengantujuan untuk meningkatkan efisiensi sistem energi. Data yang diperoleh menggambarkan terjadinya penurunannilai overpotential sel ketika iradiasi energi ultrasonik (sonikasi) diberikan. Hal ini mengindikasikan adanyapeningkatan efisiensi sel elektrolisis. Analisis terhadap Tafel plot juga menunjukkan adanya pertambahan luasefektif permukaan elektroda selama sonikasi berlangsung. Dalam paper ini dibahas hasil pengamatanterhadap beberapa parameter yang berpengaruh pada nilai overpotential sel yaitu laju transfer elektron daridan ke permukaan elektroda - elektrolit, resistensi dan kapasitansi elektrolit. Pada setiap setting percobaan,digunakan sumber ultrasonik berfrekwensi 20 kHz, 30% KOH sebagai katalis elektrolit dan plat nikel sebagaielektroda sel.

Kata kunci : Nikel, Elektroda, Elektrolisis, Ultrasonik, Sonikasi, Hidrogen

ABSTRACTELECTRICAL CHARACTERISTIC CHANGE OF NICKEL ELECTRODE CAUSED BY

SONICATION ON WATER ELECTROLYSIS PROCESS. Water electrolysis with applied sonicationtechnique was carried out for the aim of energy system efficiency improvement. The obtained data showreduction of the cell overpotential as ultrasonic irradiation (sonication) involved in the electrolysis process. Itindicates the energy conversion efficiency was increased. The Tafel plot analysis pointed out that the effectivesurface area of electrode raised. In this paper the result on observation parameters affected the value of celloverpotential, i.e : electron transfer rate from/to electrode surface-electrolyte, electrolyte resistance andcapacitance were discussed. In each experiment setting, 20 kHz ultrasonic energy source, 30% KOH aselectrolyte catalyst, and nickel plate electrode were used.

Key words : Nickel, Electrode, Electrolysis, Ultrasonic, Sonication, Hydrogen

Perubahan Karakteristik Listrik Elektroda Nikel Akibat Sonikasi pada Proses Elektrolisis Air (M. Rosyid Ridlo)

67

elektrolisis menyatakan laju produksi hidrogensebanding dengan besar arus listrik yang diberikan.

Sedangkan di sisi lain, karakteristik khas selelektrolisis menunjukkan makin besar arus listrik makinrendah nilai efisiensi konversi energi. Dengan demikianpada kapasitas produksi besar sistem elektrolisismengalami penurunan efisiensi konversi energi. Padapiranti sistem elektrolisis air yang telah beredar di pasarrata-rata berefisiensi maksimal 60%. Ini berarti hampirsetengah energi listrik yang diberikan tidak dikonversimenjadi hidrogen. Pada akhirnya, produksi yang tidakefisien menyebabkan harga hidrogen tidak kompetitif .

Berbagai upaya penelitian untuk meningkatkannilai efisiensi sel terus dilakukan baik dari disainkonstruksi sel, pemilihan bahan untuk elektroda,membran diafragma hingga jenis elektrolit yangdigunakan [5].

Pada makalah ini penulis mencoba menggunakanenergi ultrasonik untuk meningkatkan efisiensi selelektrolisis. Ide ini didasarkan atas teori kavitasi dalamsonochemistry yang menyatakan energi ultrasonik yangdiiradiasikan dalam suatu larutan kimia menyebabkantumbuhnya micro bubble dalam larutan tersebut [6].Dalam orde mikrodetik, bubble akan meledak denganmenghasilkan tekanan dan panas yang sangat tinggidisekitar posisinya. Kondisi seperti itu akan mampumemutuskan ikatan ionik molekul senyawa larutan.Tatkala fenomena ini diterapkan dalam sel elektrolisisakan membantu memudahkan terurainya atom hidrogendan oksigen.

Dengan teori ini dihipotesiskan bahwa proseselektrolisis akan lebih cepat terjadi jika kedalam larutandiiradiasikan energi ultrasonik (sonikasi). Percobaanyang telah dilakukan menunjukkan fenomena ini terjadi[7,8]. Berbagai penjelasan mengenai fenomena ini masihterbatas pada penjelasan kualitatif. Pada paper ini penulisakan memaparkan beberapa percobaan tentangperubahan resistensi total sel selama sonikasi.

METODE PERCOBAAN

Pengamatan Pertambahan Luas EfektifPermukaan

Untuk mendapatkan kurva polarisasi yaitu kurvaantara tegangan sel elektrolisis terhadap arus disusunpercobaan seperti pada Gambar 1 [9].

Di sini digunakan frekwensi ultrasonik 20 kHz,larutan 30% KOH dan elektroda nikel berpenampangsilinder dengan luas 0,196 cm2. Pemilihan konsentrasiKOH sebesar 30% didasarkan atas data eksperimen yangmenunjukkan bahwa pada konsentrasi ini konduktivitasKOH bernilai maksimum [10]. Dengan demikian efisiensisel paling tinggi pada penggunaan elektrolit KOH dengankonsentrasi tersebut.

Pada percobaan ini digunakan sumber arus tetapdengan horn ultrasonik yang dicelupkan ke dalam larutanelektrolisis. Dari kurva polarisasi dapat diturunkanpersamaan Tafel :

V = a + b(log I/A) ............................................ (1)

dimana :V = Tegangan selI = Besar arusA =b = Kemiringan atau Tafel slopea = Konstanta

Dari garis lurus antara tegangan sel, V sebagaifungsi (log I/A) yang disebut dengan Tafel Plot dapatdiperoleh nilai Tafel slope (b) dan a yang merupakantitik perpotongan pada sumbu V.

Dari dua Tafel Plot yang diketahui nilai a dan bnya maka dapat dihitung perubahan luas permukaanelektroda efektif (A) dari masing masing proses tanpadan dengan sonikasi.

Rangkaian Ekuivalen Resistansi ElektrolitPada proses elektrolisis tegangan sel dapat

dituliskan:

V = Velektrokimia + RtotI

RtotI disebut sebagai overpotential dan Velektrokimia adalahbesar tegangan untuk memutus ikatan ion oksigendengan hidrogen. Rangkaian ekuivalen Rtot dapatdinyatakan seperti Gambar 2 dengan R1, R2 dan C masingmasing adalah resistensi disebabkan oleh adanya energiaktivasi elektroda, resistensi ohmic larutan elektrolit dankapasitansi double layer.

Pengamatan Resistensi ElektrolitUntuk mengukur resistansi elektrolit, digunakan

metode current interrupter[11]. Metode inimenggunakan arus listrik bentuk persegi sehingga

Gambar 2. Rangkaian ekuivalen sel elektrolisis

R1 R2

CGambar 1. Set-up percobaan untuk mendapatkan kurvapolarisasi ; (a). ultrasonic horn, (b). anoda dan (c). katoda

(a)

(b)

Catu Daya

(c)

Elektrolit

Luas permukaan elektroda

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials Science

Vol. 11, No. 1, Oktober 2009, hal :66 - 70ISSN : 1411-1098

68

tegangan akibat ohmic resistansi dapat dibedakan daritegangan sel secara keseluruhan. Set-up percobaanseperti pada Gambar 3.

Pengamatan Kapasitansi ElektrolitPada proses elektrolisis terdapat fenomena

adanya perubahan kapasitansi sel. Kapasitansi inimuncul pada interface elektroda-elektrolit yang dikenalsebagai double layer capacitance. Perubahankapasitansi akan berpengaruh terhadap tegangan kerjasel. Pengukuran kapasitansi dilakukan denganmenggunakan metode AC Bridge. Set-up percobaantampak pada Gambar 4 [11].

Pengamatan Laju Transfer ElektronUntuk mengetahui laju transfer elektron dilakukan

percobaan menggunakan metode Linier SweptVoltametry (Gambar 5) [11].

Sebuah current source diprogram untukmenghasilkan beberapa nilai tegangan dari terkecilhingga terbesar dengan kenaikan pada range waktu

tertentu dan set-up percobaan seperti ditunjukkan padaGambar 6. Dari kurva I-V yang diperoleh dapat diketahuiefek iradiasi pada nilai laju transfer elektron.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pengamatan Luas Efektif ElektrodaProses sonikasi berakibat pada penurunan

tegangan sel (Gambar 7). Karena efisiensi didefinisikansebagai perbandingan antara tegangan elektrokimiadengan tegangan sel, maka dapat dikatakan penurunanini menunjukkan efisiensi proses meningkat. Pengukuranterhadap jumlah hidrogen yang dihasilkan jugamenunjukkan adanya peningkatan kecepatan produksigas ini.

Pengamatan mencatat, besar daya ultrasonik yangdiberikan tidak berbanding lurus dengan pertambahankecepatan produksi (Gambar 8).

Dengan menggunakan Persamaan 1 maka dapatdigambarkan Tafel plot seperti terlihat pada Gambar 9.Tiap plot mewakili luas permukaan efektif elektroda yang

Gambar 3. Set-up metode current interrupter

AmpliSignalGenerator

osiloskopUltrasonik

Resistor

Horn

Elektroda

Gambar 4 . Set-up eksperimen untuk mengukurkapasitansi sel

Ultrasonik

Hornn

AC Bridge ExternalCurrent Source

Elektroda

Gambar 6. Set-up percobaan mengukur laju transferelektron elektroda-elektrolit

Ultrasonik

Horn

ProgramableCurrent/Voltage

source

Elektroda

Gambar 5. Metode Linier swept voltametry

V1

V2

waktu

Tegangan

Gambar 7. Penurunan overpotential sel akibat sonikasi

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 500 1000

Rapat arus listrik ( m A/cm 2)

Tega

ngan

sel(

volt

)

Tanpasonikas iSonikasi

Gambar 8. Peningkatan kecepatan produksi hidrogenakibat sonikasi

0

0 .04

0 .08

0 .12

0 .16

0 .2

0 0 .5 1 1 .5Ar us (A)

Hid

roge

n(L/

jam

) Tanpasonikas iP = 40wattP = 80watt

Perubahan Karakteristik Listrik Elektroda Nikel Akibat Sonikasi pada Proses Elektrolisis Air (M. Rosyid Ridlo)

69

berbeda. Plot kedua yang terletak lebih bawahmemperlihatkan kurva untuk proses dengan sonikasi.Terlihat sonikasi mengakibatkan luas permukaan efektifmengalami perubahan. Di sini luas efektif didefinisikansebagai luas permukaan total elektroda yang terlibatdalam proses reaksi elektrokimia. Cacat pada permukaan,impuritas yang tidak dikehendaki serta korosi dapatmengurangi luas permukaan efektif elektroda.Kemiringan/slope pada kurva sonikasi sebesar 0,428 danmemotong sumbu V pada nilai 0,8443. Dari kalkulasimenggunakan Persamaan 1 diperoleh nilai A rata ratasebesar 0,21 cm2. Mengingat luas elektroda nikel yangdipakai 0,196 cm2 maka dengan demikian dapatdisimpulkan telah terjadi penambahan luas efektif selamaproses sonikasi.

Pengamatan Resistensi ElektrolitBentuk arus listrik yang diberikan dan tegangan

keluaran dapat dilihat melalui osiloskop seperti tampakpada Gambar 10.

Tegangan pada elektrolit mirip seperti fenomenapada kapasitor. Hanya saja di sini terdapat Vyang merupakan tegangan akibat resistansi elektrolit.

Besar resitansi dapat dihitung melalui hubungan ohmikRelektrolit=V/ I.

Dari set-up eksperimen seperti di atas dapatdiperoleh hubungan iradiasi ultrasonik denganperubahan resistensi elektrolit. Pada Gambar 11 terlihatsonikasi tak berpengaruh terhadap besar resistansi meskiarus telah divariasikan dari kecil hingga arus besar. Initerlihat dari berhimpitnya kurva resistensi dengan dantanpa sonikasi.

Pengamatan Kapasitansi Double LayerPada Gambar 12 tampak sonikasi menyebabkan

pertambahan nilai kapasitansi sel. Bentuk kurva yangtidak linier diperkirakan disebabkan kecepatan ionisasidalam elektrolit jauh lebih cepat dari pada kecepatantransfer elektron ke elektroda. Akibatnya pada arus yanglebih besar lebih banyak ion yang terakumulasi danmerapat ke masing-masing permukaan elektroda sesuaijenis muatannya. Ini dapat dimengerti karena energiultrasonik menimbulkan kavitasi yang dapatmempercepat proses terputusnya ikatan ion elektrolit(ionisasi) [6]. Peningkatan kapasitansi berbandingterbalik dengan impedansi. Dengan demikian impedansiyang turun berakibat pada penurunan tegangan sel.

Pengamatan Laju Transfer ElektronGambar 13 memperlihatkan kurva I-V sebagai hasil

pengukuran dengan metode Linier Swept Voltametry(LSV). Ketika sonikasi dilakukan terjadi kenaikan arusterutama pada tegangan 0,1 volt. Pada tegangan yanglebih tinggi, besar arus tampak sama. Jika dibandingkan

Gambar 9. Perbandingan Tafel plot akibat sonikasi dantanpa sonikasi

Y2 = 0,428 X2 + 0,8443

Y1 = 0,4083 X1 + 1,0049

0

0,5

1

1,5

2

2,5

1,5 2 2,5 3 3,5log (I/A)

Tega

ngan

Sel,

V(v

olt)

dengan sonikas itanpa sonikas i

Gambar 10. (a) Bentuk arus persegi sebagai masukan dan(b) Bentuk potensial yang dihasilkan pada elektroda sel

V

I(a)

(b)

Gambar 11. Pengamatan resistensi elektrolit dengan dantanpa sonikasi

0

0.3

0.6

0.9

0 200 400

Arus listrik ( mA)

Res

ista

n(o

hm)

Sonikasi

Tanpasonikasi

Gambar 12. Perubahan kapasitansi sel tanpa dan dengansonikasi

0

5

10

15

20

25

-0.1 0 0.1 0.2 0.3

Arus ( amp)

Kap

asita

nsi(

xm

ikro

fara

d)

Tanpasonikasi

Sonikasi

Gambar 13. Hasil pengamatan menggunakan metodelinier swept voltametry

0

3

6

9

-1 0 1 2

Tegangan sel ( volt)

Aru

s(m

A)

TanpasonikasiSonikasi

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials Science

Vol. 11, No. 1, Oktober 2009, hal :66 - 70ISSN : 1411-1098

70

dengan simulasi teoritik kenaikan ini mengindikasikanterjadi penambahan laju transfer elektron dari permukaanelektroda ke elektrolit. Akibatnya arus sel mengalamipeningkatan atau overpotential mengalami penurunan.Diperkirakan proses kavitasi membuat energi aktivasimenjadi lebih kecil sehingga elektron lebih mudahmelompat dari elektroda ke elektrolit. Pada teganganrendah kontribusi sonikasi ini cukup besar padapenurunan overpotential.

KESIMPULANData pengamatan menunjukkan sonikasi atau

irradiasi ultrasonik dalam larutan elektrolit sel elektrolisisdapat menurunkan nilai overpotential sel. Analisis padaTafel Plot mengindikasikan adanya pertambahan luasefektif elektroda selama proses sonikasi. Pertambahanluas efektif dapat diartikan bahwa resistansi total selmengalami penurunan, sehingga overpotential sel jugaturun. Sonikasi berpengaruh terhadap peningkatan lajutranfer electron dari elektroda ke elektrolit. Efek ini lebihmudah diamati pada tegangan rendah.

Peningkatan laju ini terkait dengan penurunanenergi aktivasi yang selanjutnya dapat menurunkanoverpotential sel. Kapasitansi sel juga mengalamipeningkatan, yang berarti impedansi kapasitif selmengalami penurunan. Hal ini memberi sumbangan padapenurunan overpotential. Sedangkan hambatanelektrolit tidak mengalami perubahan.

DAFTAR ACUAN[1]. G. DUTTON, Hydrogen : The Fuel for Future,

Tyndall Center for Climate Change Research,London, (2003)

[2]. R. J. SPRAFKA, et al, Hydrogen from RenewableEnergy-Photovoltaic/Water Electrolysis as anExemplary Approach, Proceedings of theTwentieth Space Congress, Cocoa Beach, FL,(1983)

[3]. SVEIN SUNDE, Electrolysis for HydrogenProduction, Dept. of Material Science,Sen SaelansVeig, Trondheim Denmark, (2006)

[4]. Natural gas reforming http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/production/natural_gas.html.

[5]. I. DARDIK, et al, Progress in ElectrolysisExperiments at Energetic Technology, Proc. of 12thInternational Conference on Condensed MatterNuclear Sciense, Yokohama Japan, (2005)

[6]. J. W. DAVID, Sonoelectrochemistry-TheAplication of Ultrasound in the EctrochemicalSystem,Arkivoc (iii) (2002) 198-218

[7]. M. ROSYID RIDLO dkk, Pengaruh GelombangUltrasonic pada Sel Elektrolisis Air, ProsidingSeminar Nasional Kimia : Peranan Kimia dalamMembangun Kemandirian Masyarakat di EraPasar Bebas di Universitas Indonesia Jakarta,(2007)

[8]. B. CORY et al, Electroanalityc Effect of Ultrasoundon Hydrogen Evolution Reaction in KOH, Proc.33rd IEEE Photovoltaic Specialist Conference,USA, (2008)

[9]. M. ROSYID RIDLO dkk, Agitasi Ultrasonik padaElektroda Sel Elektrolisis, Prosiding SeminarNasional : Teknologi Untuk Kesejahteraan yangBerkelanjutan di Universitas TeknologiYogjakarta, (2008)

[10]. WALT PILEY et al, Solar hydrogen production byelectrolysis, www.dangerouslaboratories.org/h2homesystem.pdf

[11]. M. ROSYID RIDLO, ACHIAR OEMRY, EfekSonikasi pada Resistansi Elektrolit Sel ElektrolisisUntuk Produksi Hydrogen, Prosiding SeminarNasional : Perkembangan Riset dan Teknologidibidang Industri ke 14 di FT-UGM Yogyakarta,(2008)

[12]. M.ROSYIDRIDLO,ACHIAROEMRY,MekanismePenurunan Overpotensial Sel Elektrolisis AkibatIradiasi Ultrasonik, Prosiding Seminar NasionalKimia dan Pendidikan Kimia IV : Peran Kimiadan Pendidikan Kimia dalam MeningkatkanLiterasi Sains Masyarakat di UPI Bandung, (2008)