Perpustakaan Digital ITB

Ketergantungan penggunaan energi fosil sebagai sumber utama listrik global telah memberikan dampak signifikan terhadap kerusakan lingkungan, terutama akibat peningkatan emisi karbon dan efek rumah kaca. Kondisi krisis energi ini mendesak percepatan transisi menuju sumber energi terbarukan, di mana hidrogen yang diproduksi melalui metode elektrolisis air menjadi salah satu solusi energi bersih yang potensial karena tidak menghasilkan emisi karbon dioksida. Namun, penerapan teknologi ini secara komersial masih terkendala oleh penggunaan elektrokatalis berbasis logam mulia (Platinum Group Metals) yang memiliki ketersediaan terbatas dan biaya tinggi. Sebagai alternatif yang lebih ekonomis, material Transition Metal Phosphides (TMPs), khususnya paduan besi-kobaltnikel- fosfor (FeCoNiP), menawarkan aktivitas katalitik yang unggul melalui efek sinergis antarlogam transisi dan atom fosfor. Penelitian ini bertujuan untuk memfabrikasi lapisan elektrokatalis FeCoNiP menggunakan metode one-step electrodeposition yang dinilai lebih efisien, aman, dan sederhana dibandingkan metode termal konvensional. Fokus utama studi ini adalah mengevaluasi pengaruh variasi parameter rapat arus, konsentrasi fosfor, dan duty cycle terhadap kinerja reaksi evolusi hidrogen (hidrogen evolution reaction, HER), serta memodelkan optimasi prosesnya menggunakan pendekatan statistik Box-Behnken. Serangkaian percobaan dilakukan untuk menyelidiki pengaruh berbagai parameter proses pada fabrikasi lapisan FeCoNiP melalui metode elektrodeposisi, yang terdiri dari rapat arus (J = 1 – 10 amps-per-squared-decimeter, ASD), konsentrasi fosfor ([P] = 0 – 0,5 M), dan duty cycle (D = 50 – 100) terhadap kinerja elektrokatalitik FeCoNiP dalam reaksi HER. Percobaan dimulai dengan perancangan eksperimen menggunakan metode Box-Behnken Design (BBD) untuk mengidentifikasi faktor yang signifikan, dan memodelkan hubungan kompleks antarvariabel yang digunakan dalam proses elektrodeposisi FeCoNiP. Selanjutnya, dilakukan preparasi substrat, kemudian proses elektrodeposisi sesuai dengan parameter yang telah ditentukan. Pengujian elektrokimia yaitu Linear Sweep Voltammetry (LSV) dan Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) dengan menggunakan sistem tiga elektroda dalam larutan elektrolit kalium hidroksida (KOH 1 M). Data LSV dan EIS kemudian diolah dengan perangkat lunak ZView versi 4 dan Microsoft Excel 365 untuk menentukan nilai overpotential dan kemiringan Tafel, yang berfungsi sebagai data yang dianalisis lebih lanjut menggunakan Minitab versi 22 untuk memprediksi parameter optimum percobaan. Setelah prediksi analisis ditentukan, uji validasi dilakukan untuk memverifikasi hasil prediksi optimum. Setelah terverifikasi, parameter optimum kemudian divariasikan terhadap rapat arus dan konsentrasi fosfor. Pengujian kinerja elektrokatalitik lapisan FeCoNiP dilakukan dengan pengujian LSV, EIS, Cyclic Voltammetry (CV), dan Chonopotentiometry (CP). Karakterisasi lapisan FeCoNiP berupa Difraksi Sinar-X (X-ray Diffraction, XRD), Field Emission Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (FESEM-EDS), dan X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) dilakukan untuk menganalisis karakteristik lapisan FeCoNiP. Parameter optimum pada variasi percobaan diperoleh pada kondisi dengan rapat arus 6,09 ASD, konsentrasi fosfor sebesar 0,28 molar, dan duty cycle sebesar 76%. Respons pada parameter tersebut diperoleh nilai overpotential sebesar 41,90 mV dan kemiringan Tafel sebesar 50,63 mV/dekade. Analisis statistik menunjukkan bahwa parameter rapat arus dan konsentrasi fosfor berkontribusi signifikan terhadap kinerja elektrokatalitik HER, sedangkan duty cycle hanya berkontribusi signifikan pada kuadratik respons overpotential. Lapisan FeCoNiP terbentuk dari larutan padat (solid solution) FeCoNi dengan atom fosfor yang terinkorporasi masuk ke dalam kisi logam atau terlarut ke dalam fasa amorf dengan morfologi nodular. Inkorporasi fosfor ke dalam kisi logam menciptakan situs ganda yang meningkatkan kinerja elektrokatalitik lapisan FeCoNiP. Selain unggul pada kinerja elektrokatalitik, lapisan FeCoNiP menunjukkan kemampuan untuk mempertahankan kestabilan pada proses HER selama 20 jam.