Prosiding Seminar Nasional Daur Bahan Bakar 2009Serpong, 13 Oktoher 2009

ISSN 1693-4687

Absorpsi Hidrogen pada Hidrida Logam SistemMg-Ti dengan Penambahan 10 % Berat Fe

Hadi Suwamol dan Wisnu Ari Ade

IPusat Teknologi Bahan BakarNuklir- BAT ANE-mail: hsuwamo@yahoo.com

2Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir- BAT AN

ABSTRAK -- ABSORPSI HIDROGEN PADA HIDRIDALOGAM SISTEM Mg-Ti DENGAN PENAMBAHAN IO %BERAT Fe. Telah dilakukan sintesis dan karakterisasi paduanhidrida logam sistem Mg- Ti dengan penambahan 10% berat Femelalui proses mechanical alloying. Paduan Mg - Ti dibuatmelalui proses milling dengan variasi waktu milling selama 10,20, dan 30 jam. Sedangkan penambahan 10% berat Fe ke dalammatrik Mg-Ti dimilling selama 2 jam. Hasil refinement dari poladifraksi sinar-x menunjukkan bahwa paduan sistem Mg-Ti-Feyang terbentuk dari proses mechanical alloying adalah fasa Fe,TiH2 dan Mg2 Ti dengan fraksi massa berturut-turut sebesar 9 %;55 %; dan 36 %. Kemudian setelah proses hydriding sampelmengalami transformasi fasa membentuk fasa Fe, Mg2 TiH4,

TiH2 dan y-MgH2 dengan fraksi massa berturut-turut sebesar 9%, 35 %; 34 %; dan 22 %. Disimpulkan bahwa Keberadaan Fememberikan ruang kosong dan memudahkan masuknyahidrogen ke dalam matrik Mg-Ti yang menyebabkan prosesikatan interstitial antara matrik Mg-Ti dengan hidrogen semakinmembaik.

Kata kunci: Hidrida logam, Sistem Mg- Ti-Fe, Mechanicalalloying, Proses hydriding

ABSTRACT -- HYDROGEN ABSORPTION PROPERTIES OF

THE Mg-Ti ALLOY WITH 10% wt Fe ADDITION. The

synthesis and characterization of the Mg- Ti alloy with 10% wtFe addition using a mechanical alloying technique have beenpeiformed. The Mg and Ti powders are milled with thevariation of milling time 10, 20, and 30 h. After milling. the10% wt Fe powders are added into Mg-Ti alloy andfollowed bymilling for 2 h. Refinement result of the x-ray diffractionsshowed that the mechanical milling resulted in the formation ofFe. TiH2 and Mg2Ti phases with the mass fraction of9 %, 55 %

and 36 %, respectively. On hydriding at temperature of 250°C.the sample compositions are transformed into Fe. Mg2TiH4•

TiH2 and y-MgH2 phases with the mass fraction of 9 %, 35 %.34 % and 22 %. respectively. It is concluded that the Fe

addition causes void spaces growth that make hydrogen easilyabsorbed due to the interstitial bonding.

Keywords: metal hydride. Mg- Ti system. mechanical alloying.hydriding process

I. PENDAHULUAN

Hidrogen yang merupakan energi karier sangat banyakdijumpai di alamo Dan hidrogen ini diharapkan akanmampu menggantikan kedudukan bahan bakar minyakbumi dan gas alam di masa akan datang. Agar bisa

C-18

dipakai sebagai bahan bakar maka diperlukan suatu bahanyang mampu digunakan sebagai media penyimpanhidrogen dalam kondisi padal. Berbagai bahan sepertilogam transisi dan paduannya dapat menyerap hidrogenmembentuk ikatan interstitial dengan hidrogen dalambentuk senyawa biner, terner, dan seterusnya. Namundemikian, tidak semua logam dapat dijadikan sebagaikandidat on board storage [1-5].

Penelitian hydrogen storage material hingga saat IllIsudah berkembang pesat dan akhir-akhir ini banyakpeneliti yang mengonsentrasikan penelitiannya padalogam magnesium (Mg) sebagai base-material. Mg-base

dipilih karena dari hasil-hasil penelitian merekamenunjukkan bahwa magnesium mampu menyeraphidrogen cukup besar (mengandung 7,6% berat H2),

disamping ringan, mudah diperoleh, dan harganya murah.Meskipun magnesium memiliki kapasitas tampunghidrogen yang besar, logam ini memiliki kelemahanmendasar, yaitu proses hydriding dan dehydridingberlangsung sangat lamban dan operasinya pada suhuyang relatif tinggi sekitar 350 - 400°C. Agar magnesiumbisa dipromosikan sebagai material on board storage

maka perlu dilakukan penelitian pembuatan paduanmagnesium dengan logam lain sedemikian rupa sehinggadiharapkan dapat menurunkan suhu hydriding­

dehydriding menjadi sekitar 80 - 150°C dengan tanpamengurangi kapasitas tampung magnesium terse butterhadap hidrogen [6-10].

Pada penelitian ini digunakan paduan hidrida logamsistem Mg-Ti dengan menggunakan teknik mechanical

alloying metode basah [II]. Hasil proses mechanical

alloying pada hidrida logam system Mg-Ti ini dapatmenghasilkan paduan Mg2Ti dan TiH2 dengan fraksimassa berturut-turut sebesar 30,6 % dan 62,9 %, danmasih menyisakan Mg serta Ti. Dan setelah proseshydriaing sampel mengalami transformasi fasa

membentuk fasa Mg2 TiH4, TiH2 dan y-MgH2 denganfraksi massa berturut-turut sebesar 25,5 %; 64,0 %; dan10,5 %. Absorpsi hidrogen terhadap pembentukan fasabaru pada paduan hidrida logam sistem Mg- Ti ini akanmembentuk ikatan interstitial dengan hidrogen dalambentuk senyawa biner. Namun absorpsi hidrogen inimenurut perhitungan stoikiometri ini tidak menghasilkanreaksi yang sempurna. Masih banyak Mg yang tidakberikatan baik dengan Ti maupun H. Dengan demikiandiperlukan sebuah katalis yang clapat berfungsi untukmempercepat dan meningkatkan proses absorpsi

Prosiding Seminar Nasional Daur Bahan Bakar 2009Serpong, J 3 Oktober 2009

ISSN 1693-4687

TABLE l.

CRITERIA (FACTOR R) AND GOODNESS OF FIT (S).

Fasa M 13 Fasa Ti 14

ruang : P6]imrnc Gmp mang : P6)/mrnc (194)Sistem kristal : heksagonaia = b = 2,819(1) A, dan c= 4,682(2) A

20 40 60 80 100

Sudllt 2iJ / 0

Gambar 1. Hasil refinement poJa difi'3ksi sinar-x campuran MgdanTi sebelum milling dan setelah milling selama 30 jam.

Ti hampir hilang. dan tinggal intensitas p!lneak tertinggidari keduanya yang masih terlihat namun nilainya sangatrendah. Menurunnya intensitas dari Mg dan Ti ini didugasebagian telah menjadi amOlphouse dan sebagian lagitelah bereaksi menjadi fasa lain. Berdasarkan hasilrefinement tersebut menunjukkan bahwa sampel terdiridari 4 fasa, yaitu fasa Mg, Ti, TiH2 dan Mg2Ti.

Sedangkan fraksi massa dari fasa Mg, Ti, TiH2 danMg2 Ti berturut-turut sebesar 5%; 1%; 57% dan 37%.Terbentuknya fasa TiH2 ini menunjukkan telah terjadiinteraksi antara Ti dengan hidrogen yang diduga kuatberasal dari toluen (C7Hg). Namun fasa TiH2 inimerupakan fasa yang metastabil dan pada kondisi tertentumudah mengalami dekomposisi menjadi Ti dan H2 sepertihalnya dengan Mg. Kandungan fraksi massa Mgseharusnya eukup besar, namun kenyataannya Mg hanyatersisa 5%. Hal ini karena sebagian besar Mg telahberubah menjadi mnolphouse.

Campuran Mg dan Ti yang telah di-milling selama 30jam, ditambahkan Fe sebanyak 10% berat setelah itu di­milling kembali selama 2 jam, kemudian dianil pada suhu435 ·C. Hasil refinement pola difraksi sinar-x pada keduasampel tersebut ditunjukkan seperti pada Gambar 2. PadaGambar 2, tampak bahwa puneak-puneak yang hadir darieampuran Mg- Ti tidak berubah, namun muneul puneakbaru yang teridentifikasi merupakan puneak Fe.

Gmp(194)Sistem kristal : heksagonala = b = 3,223(5) A, dan c =

5,249(6) AFasa TiH2 1151

Gmp mang : Fm3m (225)Sistem kristal : kubik

a = b = c = 4,330(3) ASebelum mill inSetelah milling 30 iam

hidrogen. Pada penelitian ini akan ditambahkan unsur Fesebanyak 10 % berat ke dalam paduan hidrida logamsystem Mg- Ti terse but. Sehingga dengan adanyapenambahan unsur katalis Fe diharapkan dapatmempereepat sekaligus meningkatkan proses absopsihidrogennya. Jadi tujuan penelitian ini adalah untukmengetahui pengaruh penambahan Fe ini terhadappeningkatan absorpsi hidrogen pada paduan hidridalogam system Mg- Ti baik ditinjau dari pembentukan fasabarunya maupun dari kurva PCTnya.

II. BAHANDANTATA KERJA

Paduan hidrida logam system Mg- Ti dibuat sebanyak15 gram melalui teknik mechanical alloying denganperbandingan stoikiometri unsur Mg : Ti = 2 : 1.Magnesium (Mg) dan titanium (Ti) berasal dari produkMerck dengan tingkat kemumian lebih dari 99 %. Alatyang digunakan untuk teknik mechanical alloying adalahHigh Energy Milling (HEM) Spex 8000. HEM ini beradadi laboratorium Bidang Karakterisasi dan Analisis Nuklir(BKAN), Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir(PTBIN), Badan Tenaga Nuklir Nasional (BAT AN)dengan spesifikasi normal speed 1400 rpm, run time 90menit, off time 30 menit, dan on of cycle 1 kali. Dimensivial HEM, panjang 7,6 em dan diameter 5,1 em.Sedangkan diameter ball mill sebesar 12 mm, terbuat daribahan stainless steel. Campuran Mg dan Ti iniditambahkan toluen di lingkungan Argon dan di.,millingselama 10, 20, dan 30 jam pada suhu ruang. Kemudianeampuran Mg-Ti yang telah di-milling selama 30 jamditambahkan dengan Fe sebanyak 10% berat dan di­milling kembali selama 2 jam agar Fe dapat terdistribusiseeara merata di dalam matrik Mg-Ti tersebut.

Absorpsi hidrogen dengan paduan Mg-Ti 10% Fedilakukan dengan alat hydriding-dehydriding yang beradadi PT. BATAN Teknologi Serpong. Tekanan untukproses absorpsi hidrogen ini dari kondisi vakuum sampai1.000 mbar. Kualitas dan kuantitas fasa-fasa yang ada didalam sampel diukur menggunakan alat x - raydiffractometer (XRD) Philip tipe PW1710. Pengukuranpola difraksi sampel dilakukan dengan berkas sinar-x daritube anode Cu dengan panjang gelombang, 'A. = 1,5406 A,mode: continuous-scan, step size: 0,02°, dan time perstep : 0,5 detik. Profil difraksi sinar-x dianalisismenggunakan perangkat lunak program RIET AN(Rietveld Analysis) 1994 [12].

III. HASILDANPEMBAHASAN

Hasil refinement pola difraksi sinar-x pada eampuranMg dan Ti sebelum milling dan setelah milling selama 30jam ditunjukkan seperti pada Gambar 1 dan kriteria(faktor R) and goodness of fit (S) untuk fasa Mg, Ti, TiH,dan Mg2Ti ditunjukkan pada Tabel 1. Hasil refinementdari pola difraksi sinar-x pada Gambar 1 menunjukkanbahwa fraksi mass a eampuran Mg dan Ti sebelum millingberturut-turut sebesar 63% dan 37%. Hasil ini

bersesuaian dengan komposisi stoikiometri dari eampuranyang diharapkan. Sedangkan pada eampuran Mg dan Tiyang telah di-milling selama 30 jam, tampak bahwaintensitas dari puneak-puneak yang dimiliki oleh Mg dan

C-19

'"~

~f1~'Ur 1TlH

it..Mg L 1 M~1:T1 T1H):.,.I "".~I II I I II II I I" I

I I III II I 111111111111111

'101• Mg

'0'11

10011 1002

11

Setelah Milling 30 jam

)11 mTlHz 11Hz..." ..•....•..III I I I I I I II III I I II I I

111111 1111111 1I11II11I111n. 'IIIIR~I

Sebeltm Mming

400

Mg

1.1.I I I I ,I I I!.~

Prosiding Seminar Nasional Daur Bahan Bakar 2009Serpong, 13 Oktober 2009

F·T1•

F

," I I:' I nil III I Iial .11111." 1,1.: •••••••• 1~.IUIUt:~

ISSN 1693-4687

dituliskan sebagai berikut :Mg2Ti + TiH2 + 4Mg + Ti + Fe + 7H2 -7Mg2TiH4 + 2TiH2 + 4MgH2+ Fe

Sedangkan parameter struktur dan Criteria (factor R)and goodness offit (S) ditunjukkan pada Tabel 2 .

20 40 60 80 100Sudut 20 /'

Gambar 2. Hasil refinement pola difTaksi sinar-x sampel setelahditambahkan 10% berat Fe kemudian dimilling kembali selama 2jam dan setelah proses pemanasan (ani I) pada suhu 435°C

Gambar 2 tampak bahwa puncak-puncak Fe hadir padasudut 28 = 44°,64°, dan 81°.

Berdasarkan hasil refinement pada Gambar 1, bahwafasa Mg dan Ti sudah hampir tidak terlihat, sebagianberbentuk amorphous dan yang lain sudah bereaksimembentuk fasa baru. Dengan demikian setelah adapenambahan fasa Fe sebanyak 10%, fasa Mg dan Ti tidakperlu di-refine. Pada Gambar 2, sampel terdiri dari 3 fasa,yaitu fasa Fe, TiH2 dan Mg2Ti dengan fraksi massaberturut-turut sebesar 8%; 56%; dan 36%. Hasil inihampir bersesuaian dengan komposisi stoikiometri daricampuran yang diharapkan. Dan jumlah fraksi massasetelah dilakukan proses anil pada 435°C berturut-turutsebesar 9%; 55%; dan 36%. Proses pemanasan ini tidakmerubah jumlah fraksi massa dari hasil milling selama 30jam, namun pemanasan ini memberikan pengaruhterhadap bentuk dari pola difraksi sinar-x tersebut.Tampak bahwa pola difraksi sinar-x fasa TiH dan Mg2Ti

semakin menajam setelah dipanaskan pada suhu 435°C.Hal ini menunjukkan bahwa telah terjadi kristalisasi padafasa tersebut setelah proses milling selama 30 jam.

Kemudian sampel setelah proses anil dilakukan proseshydriding. Hasil refinement pola difraksi sinar-x darisample yang telah dihydriding ditunjukkan seperti padaGambar 3. Berdasarkan hasil refinement menunjukkanbahwa sampel terdiri dari 4 fasa, yaitu fasa Fe, Mg2 TiH4,TiH2 dan y-MgH2 dengan fraksi massa berturut-turutsebesar 9 %, 35 %; 34 %; dan 22 %. Sehingga persamaanreaksi yang dihasilkan dari proses hydriding ini dapat

§ 100

.d~ 80<J>

.~ 60c<l>

E 40

20

-20

-40

w ~ 60 W 100Sudut 20 / •

Gambar 3. Hasil refinement pola difTaksi sinar-x sampel yangtelah dihidriding

C-20

Pada Gambar 3 terlihat bahwa setelah proses hydridingtampak terjadi pertumbuhan fasa baru dengan jumlahfraksi mass a yang cukup besar. Pada penelitiansebelumnya, yaitu sebelum ditambahkan Fe ke dalammatrik Mg- Ti, intensitas puncak fasa TiH2 bidang (111)ini tampak semakin tinggi. Sedangkan pertumbuhan fasaMg2TiH4 dan y-MgH2 juga sangat kecil. Sedangkan padapenelitian sekarang dengan penambahan katalis Fe kedalam matrik Mg- Ti ini ternyata dapat meningkatkanpembentukan fasa Mg2TiH4 dan y-MgH2• Hal inimenunjukkan bahwa proses absopsi hidrogen meningkat.Meningkatnya proses absorpsi ini diduga bahwakeberadaan Fe memberikan ruang kosong danmemudahkan masuknya hydrogen ke dalam matrik Mg­Ti. Jadi proses ikatan interstitial antara matrik Mg- Tidengan hidrogen semakin membaik.

IV. KESIMPULAN

Pada penelitian ini telah berhasil dilakukan sintesispaduan hidrida logam sistem Mg- Ti dengan penambahan10% berat Fe. Hasil refinement dari pohi difraksi sinar-xmenunjukkan bahwa paduan sistem Mg-Ti yangterbentuk dari proses mechanical alloying adalah fasa Fe,TiH2 dan Mg2Ti dengan fraksi massa berturut-turutsebesar 9 %; 55 %; dan 36 %. Kemudian setelah proseshydriding sampel mengalami transformasi fasamembentuk fasa Fe, Mg2TiH4, TiH2 dan y-MgH2 denganfraksi massa berturut-turut sebesar 9 %, 35 %; 34 %; dan22 %. Keberadaan Fe memberikan ruang kosong danmemudahkan masuknya hidrogen ke dalam matrik Mg-Tiyang menyebabkan proses ikatan interstitial antara matrikMg- Ti dengan hidrogen semakin membaik.

DAFTAR PUSTAKA

[I] IMAMURA, H., TAKESUE, Y., AKIMOTO, T.,TABA TA, S., Journal of Alloys and Compounds, 293-295,564-568, 1999.

[2] JEAN-LOUIS, B., CHEVALIER, B., DARRIET, B.,Journal of Alloys and Compounds, 330-332, 738-742,2002.

[3] ZALUSKA et al., Appl. Phys. A 72, 157-165 (reviewpaper), 2001.

[4] ZALUSKA, L. ZALUSKI, 1.0. STROM-OLSEN, 1.Alloys Comp., 228, 217,1999.

[5] CRIVELLO, 1.c., NOBUKI, T., KATO, S., ABE, M.,KUJI, T., Journal of Advanced Science, vol. 19, 3 - 4,2007.

Prosiding Seminar Nasional Daur Bahan Bakar 2009Serpong, 13Oktoher 2009

[6] BOURICHA, S., DODELET, J.P., GUAY, D., HUOY, J.,BOILY, S., SCHULZ, R, Journal of Alloy andCompounds, 297, 282 - 293,2000.

[7] TAKAMURA, H., MIYASHITA, T., KAMEGAWA, A,OKADA, M., J. Alloys Comps., 356-357,804-808,2003.

[8] B. ARNASON, T.r. SIGFUSSON, Int. J. HydrogenEnergy, 25 389, 2000.

[9] G. LIANG, J. HUOT, S. BOILY, AV. NESTE, R.SCHULTZ, J. Alloys Comp., 348, 319, 2003.

[10] HARRIS, J.R., "Matemathical Modelling of MechanicalAlloying', Thesis submitted to The University ofNottingham for the degree of Doctor of Physlosophy,Sepetember 2002.

[II] HAD! SUWARNO, WISNU A A., ANDON r.,International Conference Solid State Ionic Proceeding,PTBIN, Serpong, 2007.

C-21

ISSN 1693-4687

[12] IZUMI, F., Rietan Manual, 1994 (private communication).[13] SWANSON, TAGE, JC Fe Reports, NBS, Natl. Bur.

Stand. Report, 1951.[14] SAILER, R., MCCARTHY, G., North Dakota State

University, North Dakota, USA, ICDD Grand in Aid,1993.

[15] CRANE et aI.,J. Less-Common Met., 25, 225 1971.[16] SOUBEYROUX, J.L. et al., Mater. Res. Bull., 19, 895,

1984.[17] HAYAKAWA, H. et aI., J. Nat. Chern. Labor. Ind., 80,

443 1985.[18] BASTIDE, J. ET AL., Mater. Res. Bull., 15, 1779, 1980.