Penggunaan Graphene pada layer katalis untuk Proton Exchange Membrane Fuel Cells

Abstract

Setiap tahun konsumsi energi terus meningkat dikarenakan penggunaannya yang luas mengakibatkan sektor energi menjadi kontributor terbesar dalam emisi GHG (Greenhouse Gas). Berbagai upaya mitigasi perubahan iklim mendorong pengembangan teknologi yang menggunakan sumber energi yang lebih bersih seperti hidrogen. Energi hidrogen dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan daya dengan energi spesifik yang tinggi menggunakan fuel cell, khususnya jenis PEMFC yang merupakan solusi ideal untuk mengatasi masalah ini dikarenakan potensial aplikasinya yang luas dan banyak kelebihan lainnya. Permasalahan utama dalam perkembangan PEMFC dapat dikaitkan dengan degradasi komponen utamanya, MEA, salah satunya pada carbon support katalis yang dapat mengalami korosi akibat kondisi operasi PEMFC, memicu proses degradasi lainnya. Penelitian ini berfokus pada penggunaan grafena sebagai bahan penyangga katalis PEMFC. Grafena memiliki banyak properti menarik untuk aplikasi elektrokimia dikarenakan keseragaman struktur karbon sp2 yang dimilikinya. Grafena juga dapat disintesis menggunakan metode LPE untuk menghasilkan graphene nanosheets dengan kualitas yang baik. Studi mengenai aplikasi grafena pada lapisan GDL juga menunjukkan peningkatan aktivitas katalitik dan ketahanan korosi. Berdasarkan alasan tersebut, grafena diaplikasikan dengan variasi muatan yang berbeda pada 2 jenis GDL yaitu: Pt/GDL Toray 090 dengan loading grafena 0 mg/cm2; 1 mg/cm2; 1,25 mg/cm2; 1,5 mg/cm2 dan Pt/GDL Sigracet 39BB dengan loading grafena 0 mg/cm2; 0,5 mg/cm2; 0.8 mg/cm2; 1 mg/cm2. Berbeda dengan GDL Toray, terdapat perlakuan treatment PTFE yang membentuk lapisan microporous pada GDL Sigracet. Analisis pengujian karakterisasi fisik graphene nanosheet yang telah disintesis memiliki properti muatan dispersi akhir sebesar 0,232 mg/mL dengan variasi SDS 3 wt%, graphene nanosheet yang terbentuk adalah bilayer dengan sedikit defek berupa pembentukan gugus hidroksil pada edge plane lembaran grafena, dan grafena terdeposit pada substrat karbon GDL membentuk microporous layer dengan struktur flake-like. Analisis pengujian karakterisasi fisik GDE mengkonfirmasi platinum telah berhasil tereduksi pada dummy GDE 2x2 (muatan Pt 0,455 mg/cm2) dan menunjukkan penambahan coating grafena dapat meningkatkan konsentrasi Pt (muatan Pt 0,679 mg/cm2) dan sifat graphitic GDE. Walaupun begitu pengujian TGA untuk sampel GDE lainnya belum dapat menyimpulkan loading katalis yang pasti. Selain itu, didapatkan muatan optimum penambahan grafena yaitu 1 mg/cm2 untuk GDL Sigracet 39BB dan 1,25 mg/cm2 untuk GDL Toray 090 dengan GDL Toray menunjukkan peningkatan intensitas kandungan graphitic yang lebih tinggi dan pergeseran puncak karbon yang lebih besar (0,1o) serta GDL Sigracet menunjukkan intensitas Pt (111) yang lebih besar. Setiap variasi sampel telah disintesis dan siap untuk dilanjutkan uji elektrokimia. Hasil penelitian ini diharapkan dapat berkontribusi untuk menghasilkan PEMFC yang lebih baik dari segi performa, durabilitas dan biaya yang bermanfaat bagi umat manusia.