New Resume (2)

Download New Resume (2)

Post on 25-Sep-2015

212 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

DESCRIPTION

petrokimia

TRANSCRIPT

<p>RESUME</p> <p>PHOTOCATALYTIC WATER SPLITTING</p> <p>Di susun Oleh :KELOMPOK 6SHELA MARANATHA3335111247KARTIKA PRATIWI 3335110262 LINA TRIANA 3335111742</p> <p>JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS SULTAN AGENG TIRTAYASACILEGON BANTEN2015RESUMEWATER SPLITTING1. PendahuluanEnergi merupakan salah satu kebutuhan kedua yang terpenting setelah kebutuhan manusia akan pangan, sandang, dan papan. Masalah energi merupakan salah satu hal yang sedang hangat dibicarakan saat ini. Di Indonesia, ketergantungan kepada energi fosil masih cukup tinggi, terutama energi minyak dan gas bumi. Menipisnya cadangan energi fosil di Indonesia dan kenyataan yang harus kita terima bahwa pemakaian energi berbahan dasar dari fosil telah menjadi salah satu penyebab terjadinya kelangkaan energi, oleh karena itu sudah saatnya untuk melakukan pengembangan dan pemanfaatan energi terbarukan yang dimiliki. Indonesia memiliki potensi dan cadangan energi terbarukan yang besar, seperti tenaga matahari, panas bumi, dan air, termasuk lautan.Energi matahari adalah salah satu sumber energi terbarukan yang melimpah, bebas polusi, dan dapat dieksplorasi secara optimal. Dalam pemanfaatan energi matahari, perlu dikembangkan suatu teknologi yang mampu mengubah energi matahari menjadi energi yang diinginkan. Dalam beberapa tahun terakhir, produksi hidrogen (H2) dari air secara fotokatalitik menggunakan cahaya matahari telah menarik perhatian yang cukup besar. Studi ekstensif terus dilakukan dalam upaya ekplorasi semikonduktor fotokatalis yang efisien dalam mereduksi air menjadi hidrogen dan oksigen melalui reaksi yang disebut water-splitting.2. Photocatalytic Water SplittingWater Splitting merupakan proses mereduksi air menjadi hydrogen dan oksigen dengan menggunakan bantuan cahaya dan material katalis. </p> <p>Gambar 1. Fotokatalis Water Splitting</p> <p>Katalis yang digunakan adalah jenis fotokatalis, yang diartikan sebagai suatu proses kombinasi reaksi fotokimia yang memerluakan unsur cahaya dan katalis untuk mempercepat terjadinya transformasi kimia. Transformasi tersebut terjadi pada permukaan katalis. Fotokatalisis atau reaksi fotokatalitik dapat diartikan sebagai perubahan kecepatan reaksi kimia atau inisiasi reaksi karena adanya radiasi cahaya dan material (fotokatalis) yang menyerap cahaya tersebut dan melibatkan perubahan kimia. Reaksi ini melibatkan katalis dan cahaya dalam prosesnya (Idral Amri, 2011).</p> <p>Proses photocatalytic water splitting merupakan salah satu metode yang potensial untuk memperoleh energi bersih dan terbarukan dari sumber air yang melimpah menggunakan energi matahari (Indar K, 2010). Dalam proses water splitting, fotokatalis yang digunakan biasanya berupa semikonduktor. Semikonduktor mempunyai struktur elektronik yang berbeda dari bahan lain, yaitu dengan adanya conduction band (bagian teratas dari semikonduktor yang tidak terisi electron) dan valence band (bagian terbawah dari semikonduktor yang terisi electron). Dua jenis band ini dipisahkan oleh bandgap yang nilainya ditunjukkan oleh bandgap energy (Eg). Bandgap energy inilah yang menjadi salah satu faktor penentu effisiensi reaksi foto katalitik (Idral Amri, 2011).</p> <p>3. Mekanisme Photocatalytic Water Splitting</p> <p>Gambar 2. Prinsip dasar fotokatalitik terdekomposisinya air menjadi hidrogen dan oksigenPrinsip dekomposisi fotokatalitik air (reaksi water-splitting) didasarkan pada konversi energi cahaya menjadi listrik ketika cahaya diserap oleh semi konduktor (lihat Gambar 2, step 1). Fotokatalis menggunakan foton untuk merangsang elektron dari pita valensi ke pita konduksi (step 2, pers.1), tingkat energi pada bagian bawah pita konduksi disebut lowest unoccupied molecular orbital (LUMO). Sedangkan tingkat energi paling atas dari pita valensi disebut highest occupied molecular orbital (HOMO) yang menyatakan ukuran kemampuan oksidasi dari foto-hole (h+) (Serpone, 1997).Hole (h+) bertujuan untuk memecahkan molekul H2O menjadi gas O2 dan ion H+ (step 3, pers.2), sedangkan elektron (e-) bertujuan untuk mereduksi ion hidrogen menjadi gas H2 (step 3, pers.3). Katalis tambahan bisa digunakan mengkatalisis dua setengah reaksi dan mempercepat reaksi pembentukan hydrogen dari reduksi air.Reaksi water splitting menjadi H2 dan O2 membutuhkan perubahan energi bebas Gibbs (G) sebesar 237 kJ/mol atau 1.23 eV. Reaksi ini terjadi menurut mekanisme berikut (Maeda, 2011).</p> <p>Photon absorption: 2hv 2e- + 2h+(1) H2O (l) + 2h+ O2 (g) + 2H+(2) 2H+ + 2e- H2 (g) (3)</p> <p>Overall :H2O (l) + 2hv H2 (g) + O2 (g) G = +237 kJ/mol(4)4. Macam-macam SemikonduktorBeberapa material semi konduktor yang dapat digunakan untuk mereduksi air menjadi hydrogen dan air adalah sebagai berikut :Tabel 1. Beberapa material semi konduktor untuk mereduksi air menjadi hidrogen dan oksigen (Oudenhoven et al, 2004)SenyawaStrukturProperti listrik</p> <p>CaOxKristalIsolator</p> <p>TiOxKristalLogam</p> <p>VoxKristalLogam</p> <p>MnOxKristalSemikonduktor</p> <p>FeOxKristalSemikonduktor</p> <p>CoOxKristalSemikonduktor</p> <p>NiOxKristalSemikonduktor</p> <p>CuOxPTSSemikonduktor</p> <p>ZnOxWurziteGap tipe-n semikonduktor</p> <p>Material semikonduktor yang banyak digunakan untuk mereduksi air menjadi hidrogen dan oksigen adalah TiO2. Fotokatalis TiO2 merupakan salah satu semikonduktor yang memiliki berbagai keunggulan, terutama untuk aplikasi produksi hidrogen. Keunggulan dari TiO2 antara lain : 1. Memiliki kestabilan yang tinggi.2. Ketahanan terhadapa korosi.3. Ketersediaan yang melimpah di alam.4. Harga yang reltif murah. TiO2 juga memenuhi persyaratan khusus untuk water splitting, yaitu posisi pita konduksi dan pita valensi tertentu agar dapat terjadi pembentukan hidrogen dan oksigen dari air (Radecka M., 2008). Struktur kristal 3 jenis yaitu anatase, rutile dan brookite. Struktur Rutile dan anatase cukup stabil keberadaannya dibandingkan dengan struktur brookite dan biasa digunakan sebagai fotokatalis (Gates, 1991). Perbedaan kedua struktur ini menyebabkan perbedaan massa jenis (3,9 g/mL untuk anatase dan 4,2 g/mL untuk rutile), energy gap, serta kemampuan penyerapan sinar. Struktur kristal brookite sulit untuk dipreparasi sehingga biasanya hanya struktur kristal rutile dan anatase yang umum digunakan pada reaksi fotokatalitik. Secara fotokatalitik, struktur anatase menunjukkan aktivitas yang lebih baik dari segi kereaktifan dibandingkan dengan struktur rutile (Wu, 2004). Struktur anatase merupakan bentuk yang paling sering digunakan karena memiliki luas permukaan serbuk yang lebih besar serta ukuran partikel yang lebih kecil dibandingkan dengan struktur rutile. Selain itu band gap energi anatase lebih besar daripada rutile sehingga memiliki aktivitas fotokatalitik yang tinggi (Licciuli, 2002).Perbedaan struktur kristal juga mengakibatkan perbedaan energi struktur pita elektroniknya.Persyaratan untuk fotokatalis adalah memiliki celah pita lebih tinggi dari 2.43 eV dan cahaya tampak atau sinar UV. Cahaya tampak atau sinar UV merupakan energi yang diperlukan untuk pemisahan air. Cahaya tampak yang dapat digunakan memiliki range panjang gelombang 400 nm - 800 nm, sedangkan untuk sianr UV menggunakan panjan gelombang &lt; 300nm, seperti yang dapat dilihat pada Gambar 3.</p> <p>Gambar 3. Spektrum Sinar Untuk Fotokatalis5. Penggunaan DopantPenggunaan dopant pada katalis juga akan sangat signifikan membantu meningkatkan produksi hidrogen dan meminimalisir terjadinya pengembalian elektron tereksitasi kedalam hole. Dopant yang biasa digunakan adalah yang berasal dari golongan logam seperti Pt, Au, Ni, Cu dalan lain-lain. Penggunaan dopan telah banyak diteliti dalam berbagai publikasi ilmiah. Salah satunya adalah Bawenda et al (1995) yang membandingkan produksi hidrogen dari air-etanol menggunakan fotokatalis Au-loaded TiO2 dan Pt-loaded TiO2 , dari penelitian tersebut didapatkan hasil bahwa dopant Pt menunjukkan hasil yang lebih baik dari dopan Au dalam produksi hidrogen. Tujuannya adalah untuk memecah air menjadi hidrogen dan oksigen dengan menggunakan reaksi redoks. (Oudenhoven et al, 2004 ).Upaya merekayasa katalis TiO2 untuk meningkatkan kinerjanya dalam memproduksi hidrogendari gliserol dan air telah banyak dilakukan. Diantaranya dengan merubah ukuran katalis menjadi berukuran nano dan menambah dopant pada katalis TiO2. Dopant yang digunakan dapat dibagi menjadi dua jenis yaitu dopant logam dan non-logam. Dopant non-logam digunakan untuk memodifikasi energy band gap TiO2 sehingga dapat aktif terhadap sinar tampak.Fungsi dopant logam adalah sebagai electrontrapping yang dapat meningkatkan aktifitas fotokatalitik. Beberapa hasil penelitian menunjukkan bahwa logam Pt memiliki kinerja yang lebih dibanding dengan dopant logam mulia yang lain. Namun tingginya harga Pt merupakan hambatan dalam penggunaannya sehingga perlu dicari alternatif pengganti logam lain sebagai doping TiO2 diantaranya nikel (Ni) atau tembaga (Cu).Dopant logam yang paling banyak digunakan adalah logam platina (Pt). Penambahan dopant logam di satu sisi dapat berfungsi sebagai inti aktif proses reformasi gliserol sekaligus sebagai electron trapper untuk mencegah rekombinasi electron-hole sehingga dapat meningkatkan kinerja fotokatalitik dalam mengkonversi gliserol menjadi hidrogen.6. Penambahan Sacrificial Agent Penambahan sacrificial agent ke dalam reaksi fotokatalitik dapat meningkatkan effisiensi reaksi dengan cara mencegah terjadinya reaksi rekombinasi antara elektron dan hole. Dalam sistem ini, sacrificial agent akan bereaksi dengan hole sehingga transfer elektron ke conduction band dapat berlangsung secara efektif. Untuk mendapatkan hasil yang effisien, sacrificial agent yang ditambahkan harus berupa senyawa yang mudah dioksidasi oleh hole. Oleh karena itu, senyawa organik biasanya dipilih sebagai sacrificial agent. Beberapa senyawa organik yang telah terbukti dapat meningkatkan produksi hidrogen melalui reaksi fotokatalitik diantaranya adalah asam format, asam asetat, methanol, etanol, formaldehid, sukrosa, dan gliserol.Selain menggunakan senyawa organik murni, sacrificial agent juga dapat digantikan dengan limbah dan polutan organik. Dalam hal ini, selain berfungsi sebagai sacrificial agent untuk meningkatakan effisiensi produksi hidrogen, limbah dan polutan tersebut juga akan dioksidasi menjadi produk lain. Dengan demikian proses yang terjadi adalah simultan berupa reduksi air pada conduction band dan oksidasi limbah atau polutan pada valence band. Hal ini tentu saja memberikan nilai lebih secara ekonomis yaitu dengan menambah produk samping dan pengolahan limbah yang lebih murah. Beberapa peneliti telah membuktikan proses ini bisa dicapai secara efektif. </p> <p>7. Reaktor Water SplittingReaktor adalah tempat terjadinya reaksi. Reaktor yang digunakan untuk water splitting, sebagai berikut</p> <p>(a) (b)Gambar 4. Reaktor water splitting (a) multi tube solar reactor; (b) a. Compound parabolic collectors (CPC) mirror; b. pipa kaca dari Compound parabolic collectors (CPC)8. Penelitian Water SplittingFotokatalis Water Splitting telah banyak diteliti dan dipublikasikan salah satunya seperti berikut ini : Pada penelitian Xeulian Yu et al, 2014 water splitting yang menggunakan CZTS sebagai media nanopartikel dan menggunakan kokatalis Au dan Pt. Dengan heterostruktur CZTS-Au dan CZTS-Pt menunjukan peningkatan aktifitas fotokatalis terhadap fotodegradasi pada RhB dan produksi hydrogen dengan water splitting. Pada penelitian Husni Husin 2012, water splitting menggunakan NaTaO3 sebagai media nanopartikel dan menggunakan NiO sebagai kokatalisnya. Sampel NaTaO3 memiliki bentuk struktur Kristal orthorhombic, memiliki derajat kristalinitas tinggi, dan ukuran partikel berkisarantara 80-250 nm. NaTaO3 tanpa deposisi nikel menunjukkan photoreaktivitas tinggi dalam reaksi water-splitting menjadi hidrogen dan oksigen. Produksi hidrogen meningkat secara signifikan ketika nikel dideposit pada permukaan NaTaO3. Pada penelitian Matsuoka 2007, reaksi water splitting fasa gas menggunakan platinized SrTiO3 sebagai salah satu kristal yang dilapisi dengan lapisan NaOH digunakan untuk reaksi water splitting dan produksi hidrogen yang mencapai 1600 monolayer/jam dibawah radiasi sinar UV. Cahya tampak yang bereaksi pada TiO2 atau SrTiO3co-doped dengan Ni2+ dan Ta5+ menunjukan transfer transisi dari donor elektron yang dihsilkan oleh orbital 3d pada doped Ni2+ untuk konduksi band pada host material. Fotolatalis TiO2 doped dengan macam-macam ion logam transisi yang dapat mengabsorb cahaya tampak dan water split dapat terjadi pada reagen seperti metanol atau silver nitrat. Menurut Sato dan White 1980, semikonduktor logam menunjukan perbedaan selektifitas didalam reaksi fotokatalitik heterogen dibandingkan semikonduktor saja. Sato dan White mempelajari reaksi H2O terhadapTiO2 dan platinized TiO2 (Pt/TiO2) dan tidak menemukan aktifitas katalitik untuk dekomposisi air, kasus yang terdapat pada penelitian ini adalah ditemukannya aktifitas katalitik ketika Pt/TiO2 dalam keadaan basah. Menurut A. Salim Afrozi dkk 2013, pemberian dopant logam Cu dengan konsentrasi 5 %dan nitrogen mampu meningkatkan produksi H2 sampai 10 kali, sedangkan untuk dopant Ni dengan konsentrasi 5% dan nitrogen mampu meningkatkan produksi H2 sampai 8 kali dibandingkan dengan TiO2.</p> <p>DAFTAR PUSTAKAGates, B. C. 1991. Catalytic Chemistry. Kanada: John Willey &amp; Sons, Inc.</p> <p>Husni Husin. (2012).Produksi Hidrogen Secara Fotokalitik dari Air Murni Pada Katalis NaTaO3 . Jurnal Rekayasa Kimia dan Lingkungan Vol. 9 No. 2 hal 51-56.</p> <p>Kazuhiko Maeda. (2011). Photocatalytic water splitting using semiconductor particles: history dan recent developments. Journal of Photochemistry and Photobiology C:Photochemistry, 237-268.</p> <p>Licciulli A., Lisi D. 2002. Self-Cleaning Glass. Universita Degli Studio Di Lecce</p> <p>Matsuoka M.,Kitano M.,Takeuchi M.,Tsujimaru K.,Anpo M.,Thomas J M.(2007). Photocatalysis for new energy production recent advances in photocatalytic water splitting reactions for hydrogen production. Journal of Science Direct., 122, 51-61</p> <p>Oudenhoven J., Scheijen F., Wolffs M.(2004). Fundamental of photocatalytic water splitting by visible light. Facultiet Scheikundige Technologie</p> <p>Radecka, M., Rekas, M., Trenezek-Zajac, A., Zakrzewska, K. 2088. Importance of the band gap energy and flat band potential for application of modified TiO2 photoanodes in water photolysis.J. Power. Sources., 181, 46-55</p> <p>S. Sato ., J.M White.(1980). Photodecomposition of water over Pt/TiO2 catalysis. Journal of Photochemistry and Photobiology A:Chemistry, Vol. 72 number !.</p> <p>Serpone, N. (1997). Relative photonic efficiencies and quantum yields in heterogeneous photocatalysis. Journal of Photochemistry and Photobiology A:Chemistry, 104(1-3): 1-12.</p> <p>Yu Xuelian.,Shavel Alexey., An Xiaoqianng., Luo Zhishan., Ibanez Maria., Cabot Andreu. (2014). Cu2ZnSnS4-Pt and Cu2ZnSnS4-Au Heterostructured Nanoparticles For Photocatalytic Water Splitting and Pollutan Degradation . Journal of American Chemical Society. February, 2014</p> <p>Wu N.L., Lee M.S. 2004. Enhanced TiO2 photocatalysis by Cu in hidrogen production from aqueous methanol solution. Volume 29, Issue 15, 1601-1605.</p>