Optimasi katalis berbasis nikel untuk Proton Exchange Membrane Fuel Cells

Abstract

Peningkatan temperatur global telah menjadi perhatian dunia dan banyak upaya perlu dilakukan untuk mengurangi emisi karbon yang merupakan akar permasalahan. Green hydrogen adalah salah satu alternatif bahan bakar yang tidak melepaskan emisi karbon. Hidrogen dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik menggunakan sebuah fuel cell. Di antara banyaknya jenis fuel cell, PEMFC menarik untuk diteliti karena aplikasinya luas, salah satunya adalah untuk transportasi, dan banyak kelebihan lainnya. Terdapat tiga fokus penelitian mengenai PEMFC yang berkaitan dengan biaya, performa dan durabilitas. Ketiga segi tersebut dalam katalis komersial (Pt/C) masih dapat ditingkatkan. Penelitian ini berfokus pada katalis katoda yang membutuhkan aktivitas tinggi akibat kinetika ORR yang lambat. Alloy platinum dengan nikel secara intrinsik memiliki aktivitas yang lebih tinggi dibandingkan platinum murni sekaligus mengurangi penggunaan platinum. Morfologi nanowire (NW) memiliki surface defect yang lebih sedikit, surface energy yang lebih rendah dan permukaan aktif yang lebih banyak dibanding morfologi spherical nanoparticle (NP). Berdasarkan alasan tersebut, 4 jenis katalis akan diteliti: Pt NP/C; Pt NW/C; PtNi NP/C; PtNi NW/C. Analisis TGA (Thermogravimetric Analysis) mengonfirmasi adanya platinum pada katalis. Katalis dengan morfologi nanowire memiliki range temperatur pembakaran yang lebih rendah, menandakan kontak platinum yang lebih banyak dengan support karbon. Karakteristik katalis yang dihasilkan memiliki partikel platinum dengan struktur face centered cubic. Terdapat penambahan ukuran partikel setelah alloying yang diduga akibat penambahan atom nikel dan sintering akibat tahap annealing. Pergeseran peak terlihat untuk sampel PtNi NP/C namun tidak pada PtNi NW/C yang kemungkinan menandakan pembentukan struktur core-shell atau rendahnya kadar nikel pada variasi PtNi NW/C. Katalis diuji dengan tes single cell dengan katalis Pt/C komersial sebagai anoda. Performa katalis dinilai berdasarkan hasil pengukuran kurva polarisasi (power density yang dinormalisasi dengan loading katalis pada potensial 0,6 V) dan spektra electrochemical impedance spectroscopy. Hasil pengujian menunjukkan peningkatan performa katalis PtNi NW/C secara intrinsik yang signifikan sebesar 3,91 kali lipat relatif terhadap katalis Pt/C komersial. Peningkatan tersebut disebabkan oleh efek ligand akibat alloying dan morfologi nanowire. Secara individual, kontribusi efek alloying lebih tinggi, yaitu 2,56 kali lipat dibanding morfologi nanowire yang hanya meningkatkan performa sebesar 1,53 kali lipat. Performa PtNi NP/C tidak sebaik PtNi NW/C diduga akibat tingginya kadar nikel pada permukaan katalis yang menutupi permukaan platinum yang lebih aktif. Hasil penelitian ini diharapkan dapat berkontribusi untuk menghasilkan PEMFC yang lebih baik dari segi performa, durabilitas dan biaya yang bermanfaat bagi umat manusia.