Article Details

SINTESIS MEMBRAN ELEKTROLIT DARI POLI(ARILEN ETER KETON) TERSULFONASI DENGAN SUBSTITUSI PARSIAL GUGUS KARBOKSILAT DAN KOMPOSITNYA DENGAN PENAMBAHAN NANOSILIKA

Oleh   Abdul Aziz [30515016]
Kontributor / Dosen Pembimbing : Prof. Dr. I Made Arcana, M.S.;Dr. Deana Wahyuningrum, S.Si., M.Si.
Jenis Koleksi : S3-Disertasi
Penerbit : FMIPA - Kimia
Fakultas : Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Subjek : Chemistry
Kata Kunci : membran elektrolit, polimer aromatik tersulfonasi, membran komposit, membran SPAEK
Sumber :
Staf Input/Edit : Latifa Noor   Ena Sukmana
File : 1 file
Tanggal Input : 04 Agu 2022

Membran polimer konduktif dalam dua dekade terakhir telah menyedot minat peneliti karena fungsinya yang sangat penting dalam sel bahan bakar elektrolit dan baterai. Pada saat ini membran yang digunakan dalam sel bahan bakar elektrolit adalah membran polimer komersial perfluorosulfonat ionomer (PFSI) seperti Nafion® (DuPont) dan Aquivion (Solvay Solexis). Struktur kimia PFSI terdiri dari rantai utama hidrofob politetrafluoro-etilen dan rantai samping hidrofil perfluoroalifatik eter dengan gugus ujung sulfonat. Rantai utama membran PFSI bertanggungjawab dalam memberi keunggulan sifat mekanik, kestabilan termal dan kimia, sedangkan gugus asam sulfonat bertanggungjawab dalam konduktivitas proton yang tinggi. Namun demikian, membran PFSI memiliki kekurangan seperti turunnya hantaran proton secara drastis pada suhu di atas 80 oC atau kelembaban rendah, harganya mahal dan limbahnya tidak ramah lingkungan karena mengandung fluor. Sebagai konsekuensinya, banyak penelitian dilakukan untuk menemukan material baru pengganti membran PFSI. Di antara material baru tersebut, polimer aromatik tersulfonasi khususnya poli(arilen eter keton) tersulfonasi (SPAEK) menarik minat peneliti karena memiliki sifat mekanik yang baik, stabil secara kimia dan termal, konduktivitas proton yang tinggi. Namun, penggunaan SPAEK sebagai membran elektrolit secara komersial masih terkendala oleh beberapa permasalahan seperti terjadinya ketidakstabilan dimensional yang menyebabkan rendahnya kinerja sel karena bahan bakar dapat menembus membran. Ketidakstabilan dimensional ini dipicu oleh struktur polimer dan gugus hidrofil seperti karboksilat dan sulfonat. Salah satu varian SPAEK yang menarik minat peneliti adalah SPAEK dengan gugus samping yang mengandung gugus karboksilat (SPAEK-C). Penelitian ini berfokus kepada upaya mengatasi ketidakstabilan dimensional membran SPAEKC melalui pendekatan modifikasi struktur dan pengembangan membran komposit. Modifikasi struktur dilakukan dengan teknik subtitusi parsial monomer hidrofil asam dihidroksi fenil valerat (DPA) dengan monomer hidrofob dihidroksi fenil propana (BPA), sedangkan pengembangan membran komposit dilakukan dengan pencampuran aditif bahan anorganik silika. Subtitusi parsial ini dimaksudkan untuk mengontrol kandungan komposisi gugus hidrofil untuk menekan penyerapan air 4 secara berlebihan dan swelling rasio untuk menjaga kestabilan dimensional membran dalam pengoperasiannya. Salah satu monomer yang diperlukan dalam proses sintesis polimer SPAEK-C dengan teknik sulfonasi langsung adalah monomer tersulfonasi. Oleum telah digunakan secara paten dan menjadi pilihan para peneliti dalam melakukan sulfonasi terhadap monomer aromatik untuk memproduksi monomer tersulfonasi. Namun, pada saat ini oleum tidak diproduksi secara komersial dengan status discontinued. Penelitian ini berupaya mengatasi persoalan tersebut dengan cara mengganti bahan pensulfonasi dengan asam sulfat pekat (H2SO4 98%). Sulfonasi dilakukan terhadap difluorobenzofenon (DFBP) menghasilkan difluorobenzofenon tersulfonasi (SDFBP) dengan rendemen tidak tinggi yaitu rata-rata 53%. Produk monomer tersulfonasi dikonfirmasi dengan menggunakan metode spektroskopi FTIR dan NMR. Spektrum inframerah menunjukkan keberadaan gugus sulfonat pada bilangan gelombang 1354 cm-1 dan 1082 masing-masing merupakan vibrasi regang asimetri dan simetri ikatan O=S=O dan karakteristik untuk gugus sulfonat dari arilsulfonat, dan pita serapan pada bilangan gelombang 598 cm-1 mengonfirmasi vibrasi ikatan C-S. Spektra 1H-NMR memperlihatkan munculnya tiga puncak pergeseran kimia proton pada ? 7,53 ppm (2H = C-H), 8,12 ppm (2H, = C-H) dan 8,50 ppm (2H, = C-H) Modifikasi SPAEK-C dilakukan dalam proses sintesis kopolimer SPAEK dengan membuat variasi perbandingan mol DPA/BPA dan SDFBP/DFBP sehingga diperoleh seri kopolimer SPAEK-x/y dengan x perbandingan mol DPA/BPA dan y perbandingan mol SDFBP/DFBP. Produk sintesis kopolimer SPAEK dikonfirmasi dengan menggunakan metode spektroskopi FTIR untuk memastikan keberadaan gugus fungsi dalam polimer dan metode SEM-EDS untuk analisis komposisi unsur secara kualitatif dan kuantitatif. Indikasi terbentuknya kopolimer SPAEK dipastikan dari adanya ikatan eter aromatik sebagai gugus fungsi baru yang terbentuk dari proses kondensasi monomer. Spektrum FT-IR memperlihatkan keberadaan ikatan eter aromatik pada puncak serapan duplet 1307 cm-1 dan 1275 cm-1 . Keberadaan gugus sulfonat dikonfirmasi melalui pita serapan pada 1365 cm1 dan 1082 cm-1 yang masing-masing merupakan vibrasi O=S=O secara simetri dan asimetri dan pita serapan pada 598 cm-1 merupakan vibrasi ikatan C-S. Spektrum EDS mengonfirmasi terbentuknya kopolimer sesuai target sintesis secara kualitatif dan kuantitatif berdasarkan komposisi unsur dan memastikan bahwa setiap unit perulangan dalam kopolimer SPAEK-50/50 memiliki 1 gugus sulfonat. Proses pembuatan membran SPAEK dilakukan dengan metode cetak-tuang larutan (casting solution). Semua kopolimer produk sintesis dicetak membrannya, tetapi membran yang stabil hanya SPAEK-50/00, SPAEK-50/25, SPAEK-50/50, SPAEK-75/25 dan SPAEK-75/50. Hasil uji membran memperlihatkan membran SPAEK-50/50 memiliki sifat-sifat yang lebih unggul dari membran SPAEK lainnya. Membran SPAEK-50/50 memilki sifat mekanik paling kuat sebesar 23,6 MPa, paling stabil secara termal dengan residu 54,93%, lebih tahan terhadap bahan pengoksidasi Fenton’s dengan kestabilan 1 jam 99,57% dan kestabilan 96 jam sebesar 55,52%, memiliki daya serap air dan swelling rasio paling ideal masingmasing sebesar 30,6% dan 17,7% pada suhu 80 ?, konduktivitas proton pada suhu 5 80 ? paling tinggi sebesar 0,102 S/cm mendekati Nafion 117 sebesar 0,120 S/cm. Temuan ini menegaskan bahwa subtitusi parsial monomer hidrofil DPA dengan 50% mol BPA dengan kandungan komposisi gugus sufonat 50% menghasilkan membran SPAEK yang lebih bagus. Pengembangan membran SPAEK menjadi membran komposit SPAEK/Silika menggunakan TEOS sebagai sumber silika. Penambahan silika sebesar 2,5%, 5% dan 10% dari berat polimer ke dalam matriks membran SPAEK-50/50 memperlihatkan adanya peningkatan signifikan sifat-sifat membran komposit SPAEK/Silika dengan kandungan silika 5% dan 10%. Dari kedua membran tersebut, komposit dengan kandungan silika 10% memperlihatkan sifat-sifat yang lebih unggul. Penambahan silika sebesar 10% pada membran SPAEK memberi peningkatan kekuatan membran sebesar 27%, peningkatan kestabilan termal 79% dengan menurunnya laju degradasi maksimum dari 8,7 menjadi 1,8 %/menit, peningkatan ketahanan kimia terhadap oksidasi Fenton’s dari 99,57% menjadi 99,65% dalam uji Fenton’s selama 1 jam pada suhu 80?, peningkatan daya serap air dan kestabilan dimensional dan peningkatan konduktivitas proton dari 0,102 S/cm menjadi 0,113 S/cm pada suhu 80 ? dan kelembaban relatif 100