Menaklukkan Hidrogen: Carbon Nanotube (CNT) Sebagai Solusi Penyimpanan Energi Ramah Lingkungan

Artikel ditulis oleh:

• Julina Indah Gewa Sitompul 4213510020
• Muhammad Khoirul Fahrozi 4213510007
• Tiara Ramadhani 4213210021
• Zata Zahirah 4211210013

Mahasiswa/i Kimia Angkatan 2021 Universitas Negeri Medan

Sebagai Project Untuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah Nanoteknologi dengan Dosen Pengampu Moondra Zubir, S.Si, M.Si, Ph.D

:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::

Hidrogen merupakan sumber energi terbarukan yang menjanjikan dan sangat berlimpah di alam semesta serta ramah lingkungan karena tidak berdampak pada lingkungan (Liu & Li, 2022). Namun, di balik keunggulan tersebut, sumber energi dari hidrogen juga memiliki tantangan terpenting, lho. Nah, salah satu tantangan terpenting yang perlu diatasi yaitu penyimpanannya harus di tempat yang aman dan efesien karena gas hidrogen ternyata juga berbahaya, guys!

Gas hidrogen mempunyai volume yang besar dan mudah terbakar. Bahkan, pada konsentrasi 4-47% gas hidrogen membentuk campuran ekplosif dengan udara. Kemudian campuran tersebut akan spontan meledak apabila dipicu oleh api, panas ataupun sinar matahari. Selain itu, gas hidrogen tidak berwarna dan berbau, sehingga sulit untuk dideteksi apabila terjadi kebocoran. Waduh, bahaya banget, ya!

Bagaimana solusinya, 'dong?

Dalam beberapa tahun terakhir, masalah penyimpanan hidrogen ini menjadi pusat perhatian para ilmuwan sehingga muncul lah carbon nanotube (CNT) sebagai solusi yang potensial untuk mengatasi tantangan dari penyimpanan hidrogen.

Carbon nanotube (CNT) merupakan material mirip tabung yang terbuat dari karbon dengan diameter yang dihitung pada skala nanometer. CNT berasal dari lembaran grafit dan lapisan grafit ini tampak mirip dengan struktur jaring heksagonal yang tidak dapat dipecahkan tanpa henti dan molekul karbon muncul di puncak struktur heksagonal (Anzar et al., 2020).

Sejak Iijima (1991) melaporkan sintesis carbon nanotube (CNT) pada tahun 1991, CNT telah dianggap sebagai material yang baik untuk penyimpanan hidrogen. Dillon (1992) melaporkan bahwa struktur satu dimensi CNT unik, rasio aspeknya besar, dan bobotnya rendah sehingga baik menjadi material penyimpanan hidrogen. Kemudian, sejak tahun 1997, semakin banyak peneliti mulai menyelidiki kapasitas penyimpanan hidrogen dari struktur carbon nanotube karena potensinya sebagai bahan penyimpanan yang menjanjikan tersebut. CNT sebagai penyimpanan hidrogen ini dapat menjadi solusi jangka panjang karena memiliki kepadatan massa yang rendah dan luas permukaan yang tinggi. 

Sifat-Sifat Carbon Nano Tube (CNT)

Nah, tahukah kamu kalau diantara alotrop karbon lainnya, carbon nanotubes (CNT) mampu menjadi salah satu material unggul teknologi nano yang membawa banyak keuntungan, lho! 

Alotrop karbon merupakan senyawa yang terbentuk dari atom unsur karbon dengan struktur yang berbeda. Grafit, intan, fullerene dan karbon amorf merupakan contoh dari alotrop karbon. Semua alotrop karbon berbentuk padat dalam kondisi normal, tetapi grafit merupakan alotrop karbon yang paling stabil secara termodinamik diantara alotrop-alotrop lainnya.

CNT ini dikenal dengan struktur antar karbon membentuk heksagonal dengan ikatan C-C berhibridisasi sp. CNT juga memiliki sifat-sifat yang unik dan menarik sehingga membuat CNT memiliki banyak kelebihan dibandingkan dengan material-material lainnya. Kelebihan tersebut berupa sifat mekanik yang baik, seperti modulus tinggi, bobotnya yang ringan, kekuatan yang baik, luas permukaan yang tinggi serta memiliki fleksibilitas tinggi. Nah, karena sifatnya yang unik dan memiliki banyak kelebihan, menjadikan CNT banyak dimanfaatkan di berbagai aplikasi nano-devices dan material komposit. Potensi CNT ini juga dapat disalurkan ke dalam beberapa aplikasi salah satunya adalah aplikasi penyimpanan hidrogen.

(Sumber: Thang et al., 2018)

Metode Menyimpan Hidrogen Dalam Carbon Nanotube

Berdasarkan metode penyimpanannya, secara umum adsorpsi hidrogen dalam CNT terbagi menjadi dua kategori, yaitu penyimpanan hidrogen fase gas dan penyimpanan hidrogen elektrokimia. 

Dalam teknik penyimpanan hidrogen fase gas, sampel makroskopis nanotube terkena gas hidrogen murni pada berbagai kondisi suhu dan tekanan kesetimbangan. Jumlah hidrogen yang diserap oleh nanotube kemudian diukur secara gravimetri menggunakan keseimbangan mikro. 

Adapun metode yang lebih populer untuk menentukan jumlah hidrogen yang tersimpan yaitu dengan menggunakan peralatan volumetrik tipe Sieverts secara volumetrik, yaitu teknik yang melibatkan pemaparan tabung nano karbon terhadap gas hidrogen dalam volume yang diketahui dan menentukan kapasitas penyimpanan dari perubahan volume bebas sistem pada pemaparan. Dengan jumlah sampel yang lebih kecil, kapasitas penyimpanan gravimetri juga dapat ditentukan menggunakan desorpsi terprogram suhu atau analisis termogravimetri. 

Selanjutnya, metode kedua untuk menyimpan hidrogen dalam tabung nano karbon adalah dengan elektrokimia. Untuk melakukan hal ini, sel elektrokimia dibuat dengan carbon nanotube (CNT) sebagai elektroda kerja, Pt sebagai elektroda lawan, dan elektrolit yang sesuai. Pada sistem seperti ini, hidrogen akan disimpan dalam elektroda CNT melalui reduksi air pada potensial yang sesuai. Penyimpanan yang setara dengan kapasitas pelepasan 110 mAh/g dapat diperoleh pada saat hidrogen disimpan secara elektrokimia. Meskipun carbon nanotube murni menunjukkan kapasitas penyimpanan hidrogen yang luar biasa pada suhu kriogenik, tetapi kapasitas penyimpanannya berkurang hingga < 1,0% berat pada suhu kamar.

Nah, berdasarkan penjelasan di atas, penyimpanan hidrogen elektrokimia dibandingkan dengan metode penyimpanan hidrogen lainnya sangat menjanjikan, 'kan? Hal ini karena pada metode elektrokimia dapat dilakukan pada suhu dan tekanan rendah serta dengan tingkat reversibilitas yang tinggi (hidrogen yang tersedia yang disimpan dengan cara ini dalam bahan dapat membangun superkapasitor dengan kapasitansi spesifik yang sangat tinggi).

Penelitian dan Pengembangan CNT Sebagai Media Penyimpanan Hidrogen

Penelitian dan pengembangan carbon nanotubes (CNT) sebagai media penyimpanan hidrogen telah menjadi fokus utama dalam teknologi energi alternatif. CNT memiliki struktur unik yang berbentuk tabung dengan diameter nanometer, memberikan karakteristik fisik dan kimia yang sangat menguntungkan untuk aplikasi penyimpanan hidrogen. Keunggulan utama CNT terletak pada kapasitas penyerapannya yang tinggi dan kestabilan termalnya yang luar biasa. Selain itu, struktur berongga dari CNT memungkinkan hidrogen disimpan dengan kepadatan tinggi melalui adsorpsi fisis dan kimia. Adsorpsi fisis terjadi pada permukaan luar dan dalam CNT melalui gaya van der Waals, sementara adsorpsi kimia melibatkan pembentukan ikatan kovalen antara atom hidrogen dan karbon pada dinding CNT.

Berbagai pendekatan telah diterapkan untuk meningkatkan kapasitas penyimpanan hidrogen dalam CNT. Modifikasi permukaan CNT dengan logam transisi seperti palladium dan platinum telah menunjukkan peningkatan signifikan dalam kapasitas penyimpanan melalui mekanisme spillover, di mana hidrogen pertama kali diadsorpsi pada logam dan kemudian disebarkan ke CNT. Selain itu, doping dengan elemen seperti boron atau nitrogen dapat mengubah sifat elektronik CNT, sehingga meningkatkan afinitas mereka terhadap hidrogen.

Namun, ada tantangan yang harus diatasi untuk memaksimalkan potensi CNT sebagai media penyimpanan hidrogen. Salah satu tantangan utama adalah mencapai kapasitas penyimpanan yang cukup pada suhu dan tekanan yang dapat diterima untuk aplikasi praktis. Banyak penelitian sedang berlangsung untuk mengembangkan teknik sintesis dan modifikasi yang dapat menghasilkan CNT dengan struktur yang lebih teratur dan permukaan yang lebih reaktif.

Kemajuan dalam teknologi ini memiliki potensi untuk merevolusi industri energi, mengingat hidrogen adalah sumber energi bersih yang dapat digunakan untuk mengurangi ketergantungan pada bahan bakar fosil dan mengurangi emisi karbon. Dengan peningkatan kapasitas penyimpanan hidrogen dalam CNT, diharapkan hidrogen dapat digunakan secara lebih luas sebagai bahan bakar alternatif dalam berbagai aplikasi, termasuk kendaraan listrik dan penyimpanan energi skala besar. Penelitian dan pengembangan dalam bidang ini terus berlanjut, dan setiap langkah maju membawa kita lebih dekat ke pemanfaatan yang lebih efisien dan praktis dari hidrogen sebagai sumber energi yang bersih dan terbarukan.

Tantangan Pada Pengembangan Berkelanjutan

Pengembangan Carbon Nanotubes (CNT) untuk penyimpanan hidrogen memiliki beberapa tantangan utama yang perlu diatasi agar teknologi ini bisa diterapkan secara luas dan efisien. Berikut adalah beberapa tantangan tersebut beserta referensinya

• Kapasitas Penyimpanan yang Efektif

Mencapai kapasitas penyimpanan hidrogen yang tinggi pada kondisi operasi yang praktis (tekanan dan suhu moderat) tetap menjadi tantangan utama. Banyak studi menunjukkan bahwa kapasitas penyimpanan hidrogen di CNT pada suhu dan tekanan kamar masih belum memenuhi target yang diinginkan untuk aplikasi komersial.

• Dispersi dan Penyusunan CNT

Pengendalian dispersi dan penyusunan Carbon NanoTubes dalam matriks material sangat penting untuk meningkatkan kapasitas penyimpanan hidrogen. Penyusunan yang buruk dapat mengurangi efektivitas interaksi antara hidrogen dan CNT.

• Metode Sintesis dan Skala Produksi

Produksi Carbon Nanotubes dengan kualitas tinggi dan dalam jumlah besar dengan biaya yang ekonomis masih menjadi tantangan. Metode sintesis seperti Chemical Vapor Deposition (CVD) memerlukan kontrol yang ketat terhadap kondisi reaksi untuk menghasilkan CNT dengan sifat yang diinginkan.

• Keamanan dan Stabilitas

Keamanan dan stabilitas material CNT selama siklus penyimpanan dan pelepasan hidrogen harus dipastikan. Material harus mampu bertahan dalam kondisi operasi tanpa mengalami degradasi signifikan.

• Kinetika Adsorpsi dan Desorpsi

Kinetika adsorpsi dan desorpsi hidrogen pada CNT harus cepat dan efisien untuk aplikasi praktis. Tantangan ini mencakup peningkatan laju adsorpsi dan memastikan desorpsi hidrogen yang efektif pada kondisi yang aman.

DAFTAR PUSTAKA

Anzar, N., Hasan, R., Tyagi, M., Yadav, N., & Narang, J. (2020). Carbon nanotube-A review on Synthesis, Properties and plethora of applications in the field of biomedical science. Sensors International, 1, 100003.

Darkrim, F. L., Malbrunot, P., & Tartaglia, G. P. (2002). Review of hydrogen storage by adsorption in carbon nanotubes. International Journal of Hydrogen Energy, 27(2), 193-202.

Dillon, A. C., & Heben, M. J. (2001). Hydrogen storage using carbon adsorbents: past, present and future. Applied Physics A, 72(2), 133-142.

Froudakis, G. E. (2011). Hydrogen storage in nanotubes & nanostructures. Materials Today, 14(7-8), 324-328.

Liu, H., & Li, Y. (2020). Modified carbon nanotubes for hydrogen storage at moderate pressure and room temperature. Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures, 28(8), 663-670.

Lobo, R., Ribeiro, J., & Inok, F. (2021). Hydrogen uptake and release in carbon nanotube electrocatalysts. Nanomaterials, 11(4), 975.

Monthioux, M., & Kuznetsov, V. L. (2006). "Who should be given the credit for the discovery of carbon nanotubes?" Carbon, 44(9), 1621-1623.

Panella, B., Hirscher, M., & Roth, S. (2005). Hydrogen adsorption in different carbon nanostructures. Carbon, 43(10), 2209-2214.

Saboori, A., Dadkhah, M., Fino, P., & Pavese, M. (2018). An overview of metal matrix nanocomposites reinforced with graphene nanoplatelets; mechanical, electrical and thermophysical properties. Metals, 8(6), 423.

Saputri, D. D., & Saraswati, T. E. (2021). Sintesis Carbon Nanotubes (CNT) Berbasis Bahan Alam Limbah Tempurung Kelapa dan Aplikasinya dalam Pembuatan Polimer Komposit Polimida-CNT: Review. In Proceeding of Chemistry Conferences 6(38), 55088-55138.

Singh, P., et al. (2019). Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications: A Review. Nanomaterials, 9(1), 77.

Strbel, R., et al. (2006). Hydrogen storage by carbon materials. Journal of Power Sources, 159(2), 781-801.1s

Sun, X., Zhu, H., Wang, K., Wei, J., & Wu, D. (2009). Recent advances in hydrogen storage in metal-organic frameworks. Science in China Series B: Chemistry, 52(10), 1611-1617.

Tang, C., Man, C., Chen, Y., Yang, F., Luo, L., Liu, Z. F., ... & Wong, K. W. (2013). Realizing the storage of pressurized hydrogen in carbon nanotubes sealed with aqueous valves. Energy Technology, 1, 309.

Zhou, L., Zhou, Y., & Sun, Y. (2006). Enhancement of hydrogen storage on platinum-doped carbon nanotubes. International Journal of Hydrogen Energy, 31(10), 2348-2355.

Zhu, Y., et al. (2018). "Hydrogen storage in carbon materials: A review." Carbon, 136, 179-196.