Perpustakaan Digital ITB

Karbon dioksida (CO2) sebagai gas rumah kaca utama dari pembakaran bahan bakar fosil industri merupakan penyebab utama pemanasan global dan perubahan iklim. Penelitian ini mengembangkan sistem terintegrasi Carbon Capture Utilization (CCU) melalui kombinasi teknologi penangkapan CO2 dan reduksi elektrokimia CO2 (ECO2R) untuk mengonversi CO2 menjadi asam format sebagai bahan kimia bernilai tambah, dengan menghilangkan unit regenerasi CO2 yang membutuhkan energi tinggi. Teknologi CO2 capture dikembangkan menggunakan metode adsorpsi Pressure Swing Adsorption (PSA) berbasis activated carbon (AC) dan molecular sieve (MS) Zeolit 13X, serta metode absorpsi berbasis NaOH dan KOH. Hasil simulasi menunjukkan MS memiliki kinerja superior dengan kapasitas adsorpsi 18,79 L/menit dibandingkan karbon aktif (0,38 L/menit) pada kondisi 30°C, 6 bar, dan 10% CO2, dengan interval swing mencapai 10.180 detik. Absorpsi menggunakan NaOH menghasilkan konversi CO2 hingga 94,19% lebih tinggi dibandingkan KOH. Purwarupa adsorber berbasis MS 13X berhasil difabrikasi dan divalidasi, mampu meningkatkan kemurnian CO2 dari 25-30% menjadi lebih dari 95%. Pengembangan elektroda dilakukan melalui modifikasi substrat karbon berpori berupa carbon paper (CP), Sigracet 22BB Carbon Paper (SCP), dan TGP-H-060 Toray Carbon Paper (TCP) dengan logam Sn, Cu, Pb, dan Zn menggunakan lima metode sintesis: presipitasi, impregnasi, ko-presipitasi, presipitasi bertahap, dan elektrodeposisi. Evaluasi terhadap tiga jenis substrat menunjukkan TCP memiliki performa optimal dengan Faradaic Efficiency (FE) 15,31% pada sel PEM karena permeabilitas gas tinggi, resistivitas rendah, dan luas permukaan 30,49 m2/g. Karakterisasi komprehensif menunjukkan metode presipitasi menghasilkan distribusi partikel logam paling merata dengan luas permukaan tinggi dan stabilitas termal sangat baik, metode impregnasi memberikan dispersi baik dalam struktur berpori namun terbatas oleh kejenuhan situs aktif, ko-presipitasi menghasilkan material homogen dengan luas permukaan tertinggi 109,75 m2/g melalui presipitasi simultan multi-logam, presipitasi bertahap memungkinkan kontrol presisi terhadap komposisi dan morfologi partikel multilogam, dan elektrodeposisi memungkinkan kontrol morfologi optimal dengan lapisan seragam, adhesi kuat, serta versatilitas tinggi terhadap berbagai substrat Elektroda TCP yang dimodifikasi dengan kombinasi logam Sn-Zn melalui metode elektrodeposisi menunjukkan kinerja terbaik dengan FE 40,81% dan perolehan 0,27%, merepresentasikan peningkatan 218% untuk FE dan 252% untuk perolehan dibandingkan elektroda logam tunggal Sn (12,82% FE). Karakterisasi komprehensif mengungkapkan peningkatan ini berasal dari efek sinergi katalitik pembentukan fasa intermetalik Sn-Zn yang stabil pada rasio sekitar 5:1, menghasilkan modifikasi elektronik, optimasi energi adsorpsi CO2, dan pembentukan ensemble sites kooperatif. Validasi pada kondisi CO2 terencerkan 50% menunjukkan elektroda Sn-Zn/TCP mampu mempertahankan aktivitas dengan FE 17,44% dan tingkat retensi 42,7%, sementara elektroda Sn-Cu/TCP mengalami kegagalan total akibat selective dissolution dan keruntuhan struktural. Pengujian ketahanan operasional selama 33 jam pada konsentrasi CO2 £20% menunjukkan stabilitas dengan laju deaktivasi terkontrol 1,8% per jam. Integrasi sistem CO2 capture dengan ECO2R menggunakan elektroda Sn-Zn/TCP pada sel PEM berhasil menurunkan resistansi transfer muatan secara dramatis dari 600 ? menjadi 25 ? (penurunan 96%) pada kondisi CO2 kemurnian tinggi (>95%) yang dihasilkan oleh unit capture. Sistem capture dengan cycle time 70 detik mampu memproses gas buang dengan laju alir 15 L/menit mengandung <20% CO2, menghasilkan hingga 7,15 kg CO2 murni per hari. Validasi purwarupa terintegrasi menunjukkan stabilitas operasional selama 33 jam dengan arus konsisten 100-105 mA. Sistem terintegrasi diproyeksikan dapat mengonsumsi 46,54 kg CO2/tahun dan menghasilkan 0,34 kg asam format/tahun pada skala laboratorium. Proyeksi scaleup dengan pemanfaatan penuh kapasitas CO2 capture menunjukkan potensi produksi 19,2 kg asam format/tahun yang setara dengan 7,36 kg asam format/ton CO2, serta intensitas energi sangat rendah 113,39 MJ/ton CO2, menunjukkan prospek komersial yang sangat menjanjikan untuk implementasi skala industri berkelanjutan. Kebaruan utama penelitian ini terletak pada integrasi langsung proses penangkapan dan konversi CO2 tanpa unit regenerasi yang membutuhkan energi tinggi, evaluasi komprehensif lima metode sintesis untuk elektroda multilogam dengan carbon support, serta penggunaan elektroda bimetalik Sn-Zn/TCP yang memiliki kestabilan elektrokimia tinggi dan aktivitas katalitik sinergis melalui pembentukan fasa intermetalik. Sehingga penelitian memberikan fondasi teknologi solid untuk solusi energi rendah karbon berkelanjutan.