Pengaruh Penambahan Aluminium (Al)
Terhadap Sifat
Hidrogenasi/Dehidrogenasi Paduan
Mg2-xAlxNi Hasil Sintesa Reactive Ball Mill
I Wayan Yuda Semaradipta
2710100018
Dosen Pembimbing
Hariyati Purwaningsih, S.Si, M.Si
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
OUTLINE
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
PENDAHULUAN
TINJAUAN PUSTAKA
METODOLOGI PENELITIAN
ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
KESIMPULAN DAN SARAN
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
PENDAHULUAN
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
LATAR BELAKANG
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
LATAR BELAKANG
Populasi
Meningkat
Kebutuhan
Energi
Meningkat
Keterbatasan
persediaan
Energi (Bahan
Bakar Fossil)
Alternative
Renewable
Energy
H2
Penelitian Tentang
Teknologi Energi
H2
REACTIVE
BALL MILL Mg2-xAlxNi
Technical University of Denmark
Mg
Ni
Mg2Ni
Al
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
RUMUSAN MASALAH
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
RUMUSAN MASALAH
Pengaruh penambahan aluminium (Al) terhadap pembentukan paduan Mg2-xAlxNi
pengaruh metode reactive ball milling terhadap struktur mikro dan pembentukan paduan Mg2-xAlxNi
sifat penyerapan dan pelepasan hidrogen (H2) paduan Mg2-xAlxNi
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
TUJUAN
Mg2-xAlxNi
REACTIVE
BALL
MILL
Pengaruh Penambahan Al Pada Pembentukan
Paduan
Struktur Mikro dan Pembentukan Paduan
Peyerapan dan Pelepasan H2
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
BATASAN MASALAH
Penelitian
Ukuran Serbuk
Homogen
Pencampuran
Serbuk
Homogen
Tidak Ada Unsur
Pengotor
Kecepatan Milling
Konstan
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
MANFAAT
Mg2-xAlxNi Penelitian
Lanjut
H2 Storage
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
TINJAUAN PUSTAKA
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
Penelitian Sebelumnya
Sintesa serbuk magnesium (Mg) dan nikel (Ni) membentuk fase Mg2Ni saat proses hidriding dengan metode ball milling pada lingkungan argon (Ar) mampu menyerap hidrogen (H2) sebenyak 3,4% massanya pada temperatur 300°C selama satu jam. Hasil ini memberikan kinetik empat kali lebih cepat pada penyerapan hidrogen (H2) dibanding dengan Mg2Ni hasil sintesa konvensional (Zaluski, 1994).
Kecepatan penyerapan
hidrogen yang lebih baik (Fan, 2007)
Subtitusi Mg oleh Al menyebabkan ikatan
H-Ni melemah (destabilisasi
Mg2NiH4), namun ikatan H-Mg semakin kuat (J. Zhan, 2011)
Doping Al
Doppiu, S (2005)
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
Penelitian Sebelumnya
Mg87Ni10Al3 Reactive Ball
Milling
• ß-MgH2 setelah 4 jam milling • Temperatur dekomposisi MgH2
(<300ºC) hasil RBM lebih rendah daripada MgH2 murni (300ºC-390ºC)
• Kandungan H2 maksimum 3,5 wt%
Wang, L.B. (2004)
Interdifusi
• Terbentuk fasa baru Mg3AlNi2 • Mg1,9Al0,1Ni memiliki kemampuan
penyerapan H2 yang lebih besar daripada Mg1,5Al0,5N
• Mg1,5Al0,5Ni memiliki plateu hidriding/hidriding yang lebih rendah daripada Mg1,9Al0,1Ni
Mg2-xAlxNi
Fan, Chao (2010)
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
Penelitian Sebelumnya
Mg1,9Al0,1Ni Mechanical Milling
• Kecepatan penyerapan hidrogen lebih cepat daripada Mg2Ni
• Kapasitas penyerapan/pelepasan H2 semakin meningkat dengan bertambahnya siklus H/D
• Fase Mg2NiH4 tumbuh selama proses H/D
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
MEKANISME ABSORPSI/DESORPSI
Skema penyerapan hidrogen (H2) dalam logam.
H2 Metal
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
MEKANISME ABSORPSI/DESORPSI
Skema penyerapan hidrogen (H2) dalam logam.
H2 Metal
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
USAHA MEMPERBAIKI SIFAT ABSORPSI/DESORPSI
Absorbsi
dan
Desorbsi
Memperbaiki
Sifat
Permukaan
Pemaduan
dengan Logam
Transisi
Membuat
Lapisan Tipis
Film Hidrida
Penambahan
Katalis
Memperluas permukaan difusi & menciptakan
cacat untuk menurunkan energi
aktivasi difusi
Memperbaiki sifat penyerapan H2 seperti
menurunkan temperatur desorpsi dan berbagai
hambatan termodinamika
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
MECHANICAL MILLING
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
MECHANICAL MILLING
MM
Mechanical Milling
dapat meningkatkan
luas permukaan,
formasi struktur
mikro/makro dan
penyusunan defect
pada permukaan dan di
dalam struktur kristal
material. Induksi pada
defect difusi hidrogen
dalam material dengan
menyediakan banyak
ruang pada struktur
kristal sehingga energi
aktivasi difusi rendah
(Sakintuna et al., 2007).
• Luas
Permukaan
partikel
• Formasi
struktur
mikro/makro
• Defect pada
struktut kristal
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
REACTIVE BALL MILLING
J.L. Bobet, 2000
H/D pada Mg-10%Co hasil RMA pada temperatur
623 K
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
METODOLOGI PENELITIAN
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
DIAGRAM ALIR PENELITIAN
Analisa Data
Kesimpulan
Selesai
Persiapan alat dan bahan
Mulai
Serbuk Mg, Al, dan Ni (masing-masing 99%) dengan komposisi Mg2-xAlxNi (x =
0;0,1;0,25;0,5)
Reactive Ball Milling dalam atmosfer H2 dengan tekanan 5 bar, kecepatan 400 rpm, BPR
10:1 selama 20 jam, dan temperatur kamar
Hidrogenasi temperatur 300ºC dan tekanan 5 bar selama 1 jam
XRD DSC/TGA SEM/EDX
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
BAHAN PENELITIAN
Raw materials Wt Mg Wt Al Wt Ni Berat Total per
batch (gr) at% Gr at% Gr at% Gr
Mg2Ni 66,67 3,17 0 0 33,33 3,83
7
Mg1,9Al0,1Ni 63,33 3,01 3,33 0,176 33,33 3,83
Mg1,75Al0,25Ni 58,33 2,76 8,33 0,44 33,33 3,83
Mg1,5Al0,5Ni 50 2.35 16,67 0,87 33,33 3,83
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
PENGUJIAN
Mg2-xAlxNi
XRD
DSC/TGA
Hidrogenasi
SEM
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
XRD
Analisis struktur dan ukuran kristal serta fasa paduan
setelah proses milling dan hidriding/dehidriding
Pembiasan sinar X oleh bidang kristal sampel yang kemudian ditangkap detektor. Kemudian diterjemahkan sebagai sebuah puncak difraksi. Semakin banyak bidang kristal yang sama yang terdapat dalam sampel, makin kuat intensitas pembiasan yang dihasilkannya. Tiap puncak yang muncul pada pola XRD mewakili satu bidang kristal yang memiliki orientasi tertentu dalam sumbu tiga dimensi.
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
SEM
Analisis topografi permukaan, bentuk, serta ukuran partikel
paduan setelah proses milling dan hidriding
Memanfaatkan hamburan balik elektron (BSE dan SE) untuk menampilkan gambar
sampel dengan perbesaran 3-150000 kali
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
DSC/TGA
Analisis perilaku desorpsi material terhadap hidrogen setelah proses hidrogenasi
Mengukur perubahan massa terhadap adanya perubahan panas
Mengukur panas yang diberikan kepada sampel untuk menjaga temperaturnya sama dengan
reference sample
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
PENGUJIAN HIDROGENASI
Menganalisa pembentukan metal hidrida pada paduan
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
ANALISA DATA DAN
PEMBAHASAN
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
HASIL SINTESA REACTIVE BALL MILLING
- Belum terjadi perubahan fasa - Terjadi reduksi Mg(OH)2 pada
permukaan magnesium - Pembentukan lapisan aktif pada
permukaan magnesium - Terjadi reduksi ukuran kristal dan
naiknya microstrain
Hasil XRD Mg2-xAlxNi x = 0
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
HASIL SINTESA REACTIVE BALL MILLING
- Belum menghasilkan perubahan fasa
- Mg(OH2) pada masih tertinggal pada permukaan magnesium
- Terjadi reduksi ukuran kristal dan naiknya microstrain
Hasil XRD Mg2-xAlxNi x = 0,1
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
HASIL SINTESA REACTIVE BALL MILLING
Hasil XRD Mg2-xAlxNi x = 0;0,1;0,25;0,5
“Melalui proses milling dalam atmosfer hidrogen bertekanan 1,1 MPa, akan terbentuk lapisan aktif H2 yang bersifat protektif serta hilangnya lapisan pasif pada permukaan magnesium. Energi yang
dihasilkan oleh alat milling, pada atmosfer hidrogen, akan digunakan untuk reaksi hidrogenisasi terlebih dahulu sebelum akhirnya terjadi reduksi partikel serbuk”
-Bobet (2000)- “Cacat kisi yang akan memudahkan difusi hidrogen kedalam kristal dengan menurunkan energi aktivasi
difusi” -Sakintuna (2007)
- Reduksi Mg(OH)2 berkurang dengan adanya penambahan
aluminium - Cacat kristal berkurang dengan
adanya penambahan aluminium
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
HASIL SINTESA REACTIVE BALL MILLING
Perhitungan Parameter Kisi Mg2-xAlxNi x = 0;0,1;0,25;0,5
“Ketika proses reactive ball milling dilakukan pada campuran serbuk magnesium, nikel, dan aluminium, maka aluminium akan larut kedalam kristal magnesium membentuk larutan padat (solid solution) yang
dibuktuikan dengan menurunnya parameter kisi kristal magnesium” -Bobet (2000)-
“
- Penurunan parameter kisi terjadi pada paduan dengan x = 0,25
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
HASIL SINTESA REACTIVE BALL MILLING
Hasil SEM Mg2-xAlxNi x = 0 dan x = 0,1
- Ukuran partikel magensium turun dari 400 µm menjadi
200 µm
- Ukuran partikel magensium turun dari 400 µm menjadi
300 µm
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
HASIL SINTESA REACTIVE BALL MILLING
Hasil SEM Mg2-xAlxNi x = 0;0,1;0,25;0,5
- Serbuk magnesium, nikel, dan aluminium masih berdiri sendiri
- Serbuk nikel dan aluminium menempel pada permukaan
serbuk magnesium secara tidak merata
a b
c d
(a) x=0 (b) x=0,1 (c) x=0,25 (d) x=0,5
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
HASIL HIDRIDING
Hasil XRD Mg2-xAlxNi x = 0;0,1;0,25;0,5
- Terbentuknya fasa MgH2 pada komposisi serbuk x = 0
- Terbentuknya oksida MgO pada seluruh paduan
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
HASIL HIDRIDING
Hasil SEM Mg2-xAlxNi x = 0;0,1;0,25;0,5
(a) x=0 (b) x=0,1 (c) x=0,25 (d) x=0,5
- Serbuk aluminium menempel pada permukaan
magnesium - Serbuk nikel menempel pada permukaan aluminium
pada serbuk magnesium
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
HASIL HIDRIDING
Hasil EDX Mg2-xAlxNi x = 0,1
- Serbuk aluminium menempel pada permukaan
magnesium
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
HASIL DEHIDRIDING
Hasil DSC/TGA Mg2-xAlxNi
X = 0 X = 0,1
X = 0,5 X = 0,25
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
HASIL DEHIDRIDING
Hasil DSC dan DTG Mg2-xAlxNi
Kurva DTG Kurva DSC
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
HASIL DEHIDRIDING
Paduan Tonset
(ºC)
Tendset
(ºC)
%wt H
X = 0 325 380 2,750 X = 0,1 350 395 0,046
X = 0,25 340 390 1,032 X = 5 340 390 0,61
Komparasi Dehidriding Serbuk Mg2-xAlxNi
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
KESIMPULAN DAN SARAN
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
KESIMPULAN
1. Sintesa reactive ball milling pada lingkungan hidrogen (H2) 5 bar antara serbuk magnesium, aluminium, dan nikel dengan komposisi Mg2-xAlxNi (x = 0;0,1;0,25;0,5) belum menghasilkan paduan Mg2-xAlxNi
2. Sintesa reactive ball milling dengan penambahan aluminium membentuk paduan solid solution aluminium di dalam magnesium pada paduan Mg2-xAlxNi, x = 0,25
3. Sintesa reactive ball milling yang diikuti pemanasan pada temperatur 300°C menghasilkan paduan solid solution aluminium di dalam magnesium pada paduan Mg2-xAlxNi, x = 0,1;0,25;0,5
4. Sintesa reactive ball milling pada lingkungan hidrogen (H2) menghasilkan permukaan aktif magnesium dan mereduksi lapisan pasif oksida magnesium sehingga magnesium dapat menyerap hidrogen pada siklus pertama tanpa dilakukan aktivasi
5. Aluminium pada permukaan magnesium yang belum bereaksi sempurna membentuk paduan menurunkan kapasitas penyerapan hidrogen (H2) serta menaikan temperatur pelepasan hidrogen (H2)
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
SARAN
1. Disarankan untuk menggunakan ball mill yang memiliki energi milling yang lebih tinggi seperti Planetary Ball Mill dan High Energy Ball Mill. Hal ini dikarenakan ukuran serbuk yang dihasilkan tidak tereduksi secara signifikan sehingga persentase berat H2 yang diikat juga rendah.
2. Untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat dalam pengukuran hidrogenisasi/dehidrogenasi, disarankan untuk menggunakan alat pengukur yang standar seperti PCI /PCT.
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
TERIMAKASIH
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
FASA
ASM Metal Handbook Vol.3
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
FASA
J. Zhang, 2011
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
FASA
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
Gambar Dari AOS 1
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
Gambar Dari AOS 2
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
Gambar Dari AOS 3
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
Gambar Dari AOS 3
JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGI
FTI-ITS
Efek Doping Al
Ukuran kristal yang berkurang akibat radius atom Al lebih kecil dari Mg
dan keelektronegatifan Al yang lebih tinggi daripada Mg
Subtitusi Mg oleh Al menyebabkan ikatan H-Ni melemah (destabilisasi
Mg2NiH4), namun ikatan H-Mg semakin kuat
Satu atom H hilang dari NiH4 tetahedral, membentuk struktur
tripod NiH3
J. Zhang, 2011
Perbandingan Mg-Ni milled 25 jam dalam H2 (Huot, 1995)