Simulasi Dinamika Molekuler Proses Adsorpsi Hidrogen pada

Simulasi Dinamika Molekuler Proses Adsorpsi Hidrogen pada Carbon Nanotube dengan Lithium sebagai Unsur Doping

Ihsan Ahmad Zulkarnain1

1Departemen Teknik Mesin, FT UI, Kampus UI Depok 16424

[email protected]

Abstrak

Penggunaan gas hidrogen sebagai sumber energi pada sel bahan bakarmenjadikannya sebagai potensi

sumber energi di masa depan. Salah satu permasalahan yang cukup perlu diperhatikan pada pemanfaatan

hidrogen sebagai sumber energi ini adalah media penyimpanannya. Untuk dapat menyimpan hidrogen

dalam jumlah besar, diperlukan tekanan operasi yang sangat tinggi dan temperatur yang sangat rendah.

Penyimpanan hidrogen dapat ditingkatkan dengan pemanfaatan fenomena adsorpsi gas hidrogen pada

media berporos seperti Carbon Nanotube (CNT). Kapasitas adsorpsi hidrogen pada CNT ini juga dapat

ditingkatkan dengan menyisipkan unsur doping pada CNT. Salah satunya adalah dengan menyisipkan

senyawa alkali metal seperti Lithium.Simulasi dinamika molekuler proses adsorpsi hidrogen pada CNT

dengan Lithium sebagai unsur doping ini memberikan perkiraan bahwa kapasitas adsorpsi

hidrogendapat meningkat hingga 100% dibandingkan dengan kapasitas adsorpsi hidrogen pada CNT

tanpa doping Lithium pada tekanan 40 atm dan temperatur 293 K dari sebelumnya 1 wt% menjadi 2

wt%.

Abstract

The uses of hydrogen gas as energy resources in fuel cell let it to be future energy resources potential.

One of the problems which need to be concerned about the uses of hydrogen gas as energy resources is

its storage medium. To be able to store hydrogen gas in large amount, very high operational pressure

and very low operational temperature are required. Hydrogen storage capacity can be improved by using

adsorption phenomena of hydrogen gas on porous medium like Carbon Nanotube (CNT). Hydrogen

adsorption capacity of CNT can be improved too by inserting alkaline metal, such as Lithium, into CNT.

Molecular dynamic simulation of hydrogen adsorption process on Lithium-doped CNT predicts that its

hydrogen adsorption capacity can be improved until 100% compared to its hydrogen adsorption capacity

without Lithium at pressure of 40 atm and temperature of 293 K from 1 wt% become 2 wt%.

Keywords: Hydrogen, Carbon Nanotube, Molecular Dynamics Simulation, Lithium

1. PENDAHULUAN

Sumber energi alternatif yang cukup menarik

perhatian para peneliti saat ini adalah sumber energi

dari sel bahan bakar hidrogen. Sel bahan bakar,

sebagai teknologi konversi energi yang efisien, dan

hidrogen, sebagai media penyimpan energi yang

ramah lingkungan karena tidak menghasilkan gas

efek rumah kaca, merupakan suatu kombinasi yang

sangat berpotensi untuk menjadi sumber energi

alternatif di masa depan.

Sel bahan bakar hidrogen dapat diaplikasikan di

berbagai sektor kebutuhan, seperti transportasi atau

pembangkit listrik. Dalam penerapannya di sektor

transportasi, sel bahan bakar hidrogen menemui

beberapa kendala yang harus dihadapi. Gas hidrogen

merupakan gas yang sangat reaktif. Dalam

konsentrasi tertentu, gas hidrogen dapat membentuk

campuran eksplosif dengan udara bebas yang akan

meledak jika dipicu oleh api, panas, atau cahaya

matahari. Oleh karena itu, teknologi penyimpanan gas

hidrogen haruslah dirancang sedemikian rupa untuk

menjamin keamanan dalam pemanfaatannya sebagai

sel bahan bakar.

Selain masalah pencegahan kebocoran gas

hidrogen ke udara bebas, teknologi penyimpanan gas

hidrogen juga menemui masalah lain yang harus

diatasi, yakni masalah besarnya volume alat

penyimpanan gas hidrogen. Jika disimpan dalam

bentuk fase gas dengan kondisi tekanan dan

temperatur lingkungan, hidrogen memiliki volume

per satuan massa yang sangat besar. Oleh karena itu,

media penyimpanan gas hidrogen akan sangat besar

dan menjadi tidak efisien saat digunakan sebagai

tangki bahan bakar kendaraan.

Kendala tersebut terjawab dengan

ditemukannya ide sistem penyimpanan hidrogen

dengan metode adsorpsi pada material berpori. Sistem

ini dapat meningkatkan kapasitas penyimpanan

hidrogen cukup baik karena densitas gas hidrogen

yang teradsorpsi akan mendekati nilai densitasnya

dalam fase cair. Material berpori yang yang dinilai

Simulasi dinamika..., Ihsan Ahmad Zulkarnain, FT-UI, 2013

efektif untuk digunakan sebagai media penyerap

hidrogen adalah Carbon Nanotubes (CNT).

Simulasi Dinamika Molekuler merupakan suatu

teknik yang digunakan untuk memprediksi

pergerakan molekul yang saling berinteraksi.

Pergerakan molekul ini dipengaruhi oleh berbagai

gaya interaksi antar molekul, salah satunya adalah

gaya tarik-menarik antar massa molekul. Fenomena

adsorpsi umumnya disebabkan oleh adanya gaya

tarik-menarik ini. Selain itu, sebenarnya ada bentuk

gaya lain yang cukup besar juga pengaruhnya

terhadap pergerakan molekul, yakni gaya tarik-

menarik dan tolak-menolak antar molekul bermuatan.

Oleh karena itu, penyisipan senyawa yang dapat

menginduksikan muatan pada CNT dapat menjadi

suatu potensi peningkatan kapasitas adsorpsi

hidrogen.

Hasil penelitian Rao et al., 1997, menunjukkan

bahwa doping logam alkali seperti Lithium pada CNT

menghasilkan fenomena pergeseran posisi elektron

sehingga meningkatkan karakteristik ionik CNT

tersebut. Simonyan et al., 1999, menyatakan bahwa

induksi muatan pada CNT ini dapat meningkatkan

kapasitas adsorpsi hidrogen. Kemudian Chen et al.,

1999, menunjukkan hasil peneilitiannya bahwa

doping Lithium pada CNT dapat meningkatkan

kapasitas adsorpsi hingga 20% fraksi massa adsorben

pada proses pendinginan dari temperatur 670 K – 470

K pada tekenan 1 atm. Dengan hasil penelitian

kapasitas adsorpsi yang sangat besar ini, Ralph T.

Yang, 2000, melakukan penelitian yang sama dengan

menggunakan gas hidrogen kering dan memberikan

hasilnya klarifikasi mengenai besar kapasitas

adsorpsinya yakni hanya sekitar 2% fraksi massa

adsorben. Pinkerton et al., 2000, menjelaskan bahwa

kapasitas adsorpsi 20% yang dilaporkan oleh Chen

disebabkan penelitian dilakukan menggunakan gas

hidrogen yang masih mengandung uap air sehingga

uap air ikut terserap ke dalam Li-CNT membentuk

senyawa Li(OH).H2O. Namun demikian, dengan

kapasitas adsorpsi sebesar ini pada tekanan 1 atm,

doping Lithium pada CNT cukup diperhitungkan

sebagai cara peningkatan kapasitas adsorpsi hidrogen.

Oleh karena itu, penelitian lebih lanjut mengenai

fenomena adsorpsi pada Li-CNT terus

dikembangkan. (Yang et al., 2003 [1])

Hal tersebutlah yang mendasari penelitian ini.

Senyawa Lithium dipilih sebagai senyawa doping

yang akan disisipkan pada CNT. Kapasitas adsorpsi

hidrogen pada Li-CNT tersebut kemudian akan

dievaluasi pada berbagai variasi tekanan dan

temperatur dengan menggunakan metode Simulasi

Dinamika Molekuler (SDM).

2. METODE PENELITIAN

Penelitian yang dilakukan kali ini menggunakan

software LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular

Massively Parallel Simulator) yang dikembangkan

oleh Sandia National Laboratories, Departemen

Energi Amerika.

Dalam melakukan penelitian simulasi dinamika

molekul ini, hal-hal yang harus dipersiapkan antara

lain: molekul-molekul yang akan disimulasikan, data-

data karakteristik molekul-molekul tersebut, volume

simulasi yang akan digunakan, inisialisasi koordinat

molekul, perancangan simulasi dengan software

LAMMPS, Pengambilan data dengan variasi tekanan

dan temperatur, serta visualisasi hasil simulasi..

Volume Simulasi yang digunakan tergantung

pada diameter dan panjang CNT yang akan

disimulasikan. Dimensi dari volume simulasi

ditentukan berdasarkan perbandingannya dengan

ukuran CNT seperti yang digambarkan pada gambar

1.

Ukuran CNT yang digunakan dalam simulasi

kali ini yaitu CNT berbentuk armchair dengan indeks

chirality (8,8) dan panjang 4 nm. Pemilihan ukuran

CNT ini didasarkan pada besar diameter rata-rata

CNT yang dapat diproduksi yakni berkisar antara 1 –

1,2 nm. Oleh karena itu, CNT yang dipilih adalah

CNT (8,8) yang memiliki diameter sekitar 1,08 nm.

Sehingga besarnya dimensi dari volume

simulasi adalah 2 nm x 2 nm x 8 nm. Yakni sebesar

32 nm3.

Koordinat Lithium dirancang dengan berdasar

pada teori fungsi densitas, dimana Lithium akan

memposisikan diri pada potensial terrendah dengan

CNT yakni 2 Angstrom tepat di atas pusat heksagonal

CNT.

Gbr 1. Dimensi ruang CNT


Untuk melakukan simulasi dinamika molekul

dengan menggunakan software LAMMPS, hal-hal

yang harus dipersiapkan antara lain: koordinat

molekul; volume simulasi; data-data simulasi seperti

massa atom molekul dan parameter interaksi antar

molekul (parameter Lennard-Jones); penentuan

ensemble simulasi; variasi data temperatur dan

tekanan yang akan disimulasikan; serta output dari

simulasi yakni berupa data koordinat molekul dan

temperatur sistem selama simulasi.

Parameter potensial Lennard-Jones meliputi

besarnya nilai energi potensial minimum [ε] dan jarak

dimana potensial sama dengan nol [σ]. Nilai ε

merepresentasikan besarnya energi kinetik yang

dibutuhkan oleh suatu molekul untuk dapat terbebas

dari ikatan antar molekul sesama jenisnya. Dengan

kata lain, semakin besar nilai ε, maka semakin tinggi

pula temperatur didih material tersebut.

( ) [(

)

(

)

] (1)

Untuk nilai parameter interaksi antara molekul

yang berbeda jenis, maka nilai parameter Lennard-

Jones yang digunakan dapat dihitung dengan berdasar

pada teori campuran Lorentz-Berthelot yang

menyatakan bahwa nilai parameter energi suatu

campuran adalah nilai rata-rata geometrik keduanya

dan nilai parameter jarak suatu campuran adalah nilai

rata-rata aritmatik keduanya.

√ (2)

(3)

Nilai parameter Lennard-Jones yang digunakan

dalam simulasi disajikan pada tabel 1 Nilai tersebut

adalah nilai yang diambil berdasarkan penelitian

Tahery, 2007 [2] dan Tildesey, 1987 [3].

Untuk CNT yang didoping oleh Lithium, maka

nilai parameter Lennard-Jones tidak bisa diestimasi

menggunakan teori campuran Lorentz-Berthelot

karena karakteristik ionik CNT meningkat setelah

didoping dengan Lithium (Rao et al, 1997) [1].

Sehingga nilai parameter Lennard-Jones harus

diestimasi dengan disimulasikan menggunakan teori

fungsi densitas yang akan menghasilkan besar nilai

energi adsorpsi Lithium pada CNT dan nilai energi

adsorpsi gas hidrogen pada CNT yang telah didoping

Lithium tersebut.

Tabel 1. Parameter potensial Lennard-Jones

Molekul [kcal/mol] [A]

H-H 0.050 2.81

C-C 0.101 3.35

H-C 0.071 3.08

Pada penelitian kali ini, nilai parameter

Lennard-Jones diestimasi berdasarkan hasil penelitian

Cho et al., 2007 [4]. Cho melakukan simulasi

pengaruh doping Lithium pada CNT dengan

menggunakan teori fungsi densitas. Keberadaan

Lithium meningkatkan karakteristik ionik pada CNT

sehingga gaya interaksi antara molekulnya pun akan

berubah. Cho menyatakan bahwa energi adsorpsi

hidrogen pada CNT akan berbeda-beda sesuai

posisinya terhadap Lithium. Pada bagian CNT yang

jauh dari Lithium, energi adsorpsi hidrogen akan

meningkat sebesar 20% dibandingkan dengan CNT

murni, yakni 2,2 kcal/mol menjadi 2,6 kcal/mol.

Sedangkan pada bagian yang dekat dengan Lithium,

energi adsorpsi hidrogen akan meningkat hingga dua

kali lipat dibandingkan dengan energi adsorpsi pada

CNT murni, yakni 4,4 kcal/mol.

Berdasarkan nilai peningkatan energi adsorpsi

tersebut, maka nilai parameter Lennard-Jones untuk

simulasi adsorpsi hidrogen pada Li-CNT dapat

diestimasi dengan melakukan simulasi minimalisasi

energi pada CNT dengan doping satu buah Lithium

dan satu molekul gas hidrogen (lihat gambar 2). Nilai

parameter Lennard-Jones pada simulasi minimalisasi

energi tersebut akan terus disesuaikan hingga

didapatkan nilai energi adsorpsi hidrogen sesuai

dengan besar peningkatan energi adsorpsi hidrogen

pada penelitian yang dilakukan Cho et al. Nilai

parameter Lennard-Jones tersebut dijabarkan pada

tabel 2.

Tabel 2. Nilai parameter Lennard-Jones untuk

simulasi pada Li-CNT

Molekul [kcal/mol] [Å]

H-H 0.050 2.81

C-C 0.101 3.35

Li-Li 0.025 2.18

H-C 0.090 3.08

H-Li 0.700 2.495

C-Li 6.000 2.765

Gbr 2. Simulasi minimisasi energi untuk

mendapatkan nilai parameter Lennard-Jones

(biru: CNT, ungu: Lithium, merah: Hidrogen)


Gbr 3. Energi ikatan antar atom hidrogen

Dalam melakukan simulasi dinamika molekul,

bukan hanya interaksi dengan potensial Lennard-

Jones saja yang dimodelkan, tapi juga interaksi dalam

ikatan molekul. Energi ikatan molekul tersebut

didekatkan dengan persamaan ikatan harmonik

berikut,

(4)

Dengan K adalah konstanta ikatan harmonik, R

adalah jarak antar atom, dan Rc adalah jarak

equilibrium antar atom dalam suatu ikatan.

Untuk ikatan dalam gas hidrogen, jarak

ikatannya adalah 0,74 Angstrom dengan besar energi

ikatan 436 kJ/mol. Energi ikatan ini digambarkan

dalam grafik berikut pada gambar 3.

Dengan nilai energi ikatan dan jarak ikatan

equilibrium tersebut, maka nilai K yang paling sesuai

adalah 66890,33 kJ/molA2 atau sekitar 15987,17

kkal/molA2.

Simulasi dinamika molekul pada proses

adsorpsi ini diasumsikan terjadi pada kondisi

adiabatik, dimana energi total sistem dijaga konstan.

Maka jenis ensemble simulasi yang cocok digunakan

pada proses ini adalah ensemble mikrokanonikal (N,

V, E).

Tekanan dan temperatur yang divariasikan

adalah temperatur akhir proses simulasi dinamika

molekuler. Tekanan divariasikan antara 10-80 atm,

dan temperatur divariasikan dari 263 K, 293 K, dan

323 K.

Untuk mendapatkan variasi data keluaran

simulasi tersebut, maka data temperatur awal simulasi

divariasikan antara 233 K, 253 K, 273 K, 283 K, 313

K, dan 323 K. Serta untuk mendapatkan variasi

tekanan, jumlah molekul hidrogen yang

disimulasikan pun divariasikan dari sekitar 74 sampai

172 molekul gas hidrogen.

Data hasil keluaran simulasi berupa data

fluktuasi temperatur dan koordinat molekul dalam

ruang simulasi. Kedua output inilah yang akan diolah

untuk menganalisa karakteristik proses adsorpsi.

Simulasi dinamika molekul dengan ensemble

mikrokanonikal menjaga energi total sistem tetap

konstan. Hal ini menyebabkan temperatur sistem

cenderung meningkat selama proses adsorpsi yang

bersifat eksotermis. Maka data yang akan diolah

adalah data fluktuasi temperatur sistem. Saat

temperatur sistem sudah relatif stabil, maka saat itu

sistem dianggap telah mencapai kondisi

equilibriumnya. Pada saat itulah data temperatur dan

konsentrasi adsorbat diolah untuk mendapatkan

tekanan equilibrium sistem pada proses adsorpsi.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Simulasi dilakukan dengan terlebih dahulu

mengikuti pemodelan yang dibuat oleh Banerjee,

2008 [5]. Banerjee melakukan pemodelan simulasi

dinamika molekuler proses adsorpsi hidrogen pada

CNT yang didoping Lithium. Dalam pemodelan ini,

Banerjee mengasumsikan Lithium didoping pada

CNT dalam bentuk nanowafer yang menjadi

penghubung antar ujung CNT (lihat gambar 4).

Gbr 4. Pemodelan simulasi Banerjee (2008)


Gbr 5. Lithium teradsorp sebagai ion pada

permukaan CNT

Pemodelan ini dinilai kurang tepat jika ditinjau

dari berbagai literatur lain yang menyatakan bahwa

Lithium sebagai ion yang terdoping pada CNT akan

cenderung terserap pada permukaan CNT, tepat di

atas tengah heksagonal CNT seperti pada gambar 5

(Cho et al., 2008 [4]).

Selain mengkoreksi pemodelan posisi Lithium,

pendekatan metode menjaga temperatur pada

pemodelan Banerjee yang menggunakan temperature-

rescaling pun diteliti dengan meninjau temperatur

sebenarnya pada gas hidrogen yang teradsorp dan

yang masih bebas (lihat gambar 6).

Gambar 6 menunjukkan bahwa terjadi

perbedaan temperatur yang cukup signifikan antara

gas hidrogen yang teradsorp dengan gas hidrogen

bebas.Ini menandakan pendekatan metode

temperature-rescaling pada pemodelan Banerjee

kurang tepat.Untuk membandingkannya, maka

simulasi selanjutnya dilakukan tanpa metode

temperature-rescaling. Hasil simulasi ini kembali

diteliti dengan meninjau fluktuasi temperatur gas

hidrogen selama simulasi proses adsorpsi.

Tanpa metode temperature-rescaling, maka

kalor yang dihasilkan oleh proses adsorpsi akan

menyebabkan temperatur sistem meningkat. Hal ini

ditunjukkan pada gambar 4.4, dimana temperatur gas

hidrogen yang telah terserap akan secara signifikan

naik hingga 400 K. Total energi kalor yang

dilepaskan oleh proses adsorpsi berubah menjadi

energi kinetik gas hidrogen itu sendiri sehingga

temperaturnya naik secara signifikan.

Pada fenomena adsorpsi yang sebenarnya, kalor

yang dilepas oleh proses adsorpsi tidak sepenuhnya

diserap oleh adsorbat, melainkan diserap juga oleh

adsorben. Sehingga temperatur tidak meningkat

terlalu signifikan karena kalor jenis adsorben relatif

lebih tinggi dibandingkan kalor jenis adsorbat dalam

fasa gas.

Pada pemodelan simulasi yang dilakukan oleh

Banerjee, molekul CNT yang bertindak sebagai

adsorben dianggap diam sehingga tidak dapat

menerima kalor atau melepaskan kalor sama sekali.

Inilah yang menyebabkan total energi kalor adsorpsi

berubah menjadi energi kinetik pada molekul gas

hidrogen yang teradsorp.

Gbr 6. Fluktuasi temperatur gas hidrogen tanpa temperature-rescaling


Gbr 7. Fluktuasi temperatur gas hidrogen pada pemodelan Banerjee

Untuk mendapatkan pemodelan yang lebih

tepat, maka simulasi selanjutnya dilakukan dengan

membuat CNT dapat bergerak bebas juga sehingga

dapat merepresentasikan temperatur molekul CNT

tersebut. Sebagai karbon nanostructure, CNT

dianggap berfase solid, sehingga pergerakan

molekulnya hanya dalam bentuk gerakan bergetar

saja. Hasil simulasi ini kembali diteliti dengan

meninjau fluktuasi temperatur selama simulasi proses

adsorpsi.

Dengan mengsimulasikan sistem dimana CNT

dapat ikut bergerak, maka CNT sebagai adsorben

dapat menerima atau melepas kalor juga.Oleh karena

itu kalor adsorpsi dapat diserap oleh CNT juga. Hal

ini lebih memenuhi kaidah perpindahan panas. Pada

gambar 7, ditunjukkan bahwa temperatur CNT

sebagai adsorben cenderung meningkat namun tidak

terlalu signifikan.Hal ini dikarenakan CNT sebagai

karbon nanostruktur memiliki nilai kapasitas kalor

yang lebih tinggi. Walaupun simulasi ini

menunjukkan bahwa temperatur rata-rata sistem

relatif naik, namun kenaikan temperatur ini tidak

terlalu signifikan sehingga masih dapat diterima

sebagai hasil simulasi yang mendekati fenomena

yang sebenarnya.

Proses adsorpsi fisis yang reversibel

menyebabkan jumlah adsorbat selamat proses

adsorpsi tidak selalu konstan setiap waktunya. Jumlah

molekul adsorbat ini cenderung meningkat dan

perlahan stabil ketika sudah mencapai kondisi

kesetimbangan adsorpsi. Pada gambar 8 berikut ini

disajikan data fluktuasi jumlah adsorbat selama

simulasi proses adsorpsi untuk data pada temperatur

253 K dan jumlah molekul gas hidrogen 75 molekul.

Gbr 8. Fluktuasi jumlah adsorbat selama simulasi proses adsorpsi


Gbr 9. Fluktuasi tekanan selama simulasi proses adsorpsi

Sama halnya dengan fluktuasi temperatur proses

adsorpsi yang cenderung meningkat dan kemudian

stabil, konsentrasi adsorbat pun memiliki

kecenderungan yang sama selama proses adsorpsi.

Jumlah adsorbat yang telah stabil menunjukkan

sistem sudah berada pada kondisi kesetimbangan

adsorpsi.

Penggunaan ensemble mikrokanonikal (N, V,

E) menyebabkan jumlah partikel dalam ruang

simulasi selalu konstan. Hal tersebut menyebabkan

jumlah molekul gas hidrogen bebas pada ruang

simulasi akan terus berkurang selama proses adsorpsi

terjadi. Karena hanya molekul gas hidrogen bebas

yang berkontribusi pada tekanan ruang simulasi.

Maka tekanan ruang akan cenderung menurun seiring

dengan berkurangnya jumlah molekul gas hidrogen

bebas.

Pada gambar 9, ditunjukkan bahwa tekanan

proses adsorpsi pada CNT dengan doping Lithium

menurun relatif lebih cepat dan lebih besar

dibandingkan dengan tekanan proses adsorpsi pada

CNT murni. Hal ini mengindikasikan CNT dengan

doping Lithium menyerap lebih banyak adsorbat

dibandingkan dengan CNT murni.

Keberadaan Lithium pada CNT dapat

mempengaruhi kapasitas adsorpsi gas hidrogen pada

CNT tersebut. Gambar 10 dan gambar 11 secara

kualitatif menunjukkan konsentrasi adsorbat pada

CNT dengan doping Lithium lebih besar

dibandingkan pada CNT murni.

Gbr 10. Visualisasi posisi hidrogen pada CNT murni

Gbr 11. Visualisasi posisi hidrogen pada Li-CNT


Hasil simulasi pada berbagai variasi temperatur

dan tekanan awal menghasilkan data konsentrasi

adsorpsi pada berbagai tekanan dan temperatur

equilibrium. Temperatur equilibrium dikelompokkan

kedalam tiga nilai temperatur yang mendekati, yakni

263 K, 293 K, dan 323 K. Kemudian kapasitas

adsorpsi dikorelasikan den tekanan equilibrium

menggunakan pendekatan persamaan Freundlich

sebagai berikut:

(6)

Dengan x = jumlah adsorbat, m = massa

adsorben, k = konstanta adsorpsi, P = tekanan

equilibrium, n = faktor korelasi.

Pendekatan Freundlich merepresentasikan

fenomena dimana kapasitas adsorpsi sebanding

dengan tekanan equilibriumnya. Namun besarnya

peningkatan kapasitas adsorpsi cenderung menurun

pada tekanan yang lebih tinggi.

Hasil pengolahan data simulasi ini

direpresentasikan dalam grafik pada gambar 12 dan

gambar 13.

Sama halnya dengan adsorpsi pada CNT murni,

proses adsorpsi gas hidrogen pada CNT dengan

doping Lithium memiliki kecenderungan yang sama,

yakni semakin tinggi tekanan equilibrium proses

adsorpsi menyebabkan semakin besarnya kapasitas

adsorpsi. Sebaliknya, semakin rendah temperatur

proses adsorpsi, maka semakin besar konsentrasi

adsorbat.

Gbr 12. Hubungan tekanan - kapasitas untuk CNT tanpa Lithium

Gbr 13. Hubungan tekanan-kapasitas untuk Li-CNT


Gbr 14. Perbandingan kapasitas adsorpsi CNT murni dan Li-CNT

Lithium yang didoping pada permukaan CNT

tentunya mempengaruhi karakteristik proses adsorpsi

gas hidrogen pada CNT tersebut. Pengaruh tersebut

ditunjukkan pada gambar 14 yang menggambarkan

perbandingan konsentrasi adsorpsi hidrogen pada

CNT tanpa dan dengan doping Lithium pada berbagai

temperatur.

Hasil ini menunjukkan keberadaan Lithium

pada CNT dapat meningkatkan kapasitas adsorpsi gas

hidrogen. Pada tekanan 40 atm dan temperatur 293 K,

kapasitas adsorpsi meningkat hampir 100% dari

sebelumnya 1 wt% menjadi 2 wt%.

Untuk tujuan validasi, hasil simulasi dinamika

molekuler proses adsorpsi pada CNT tanpa Lithium

ini harus dibandingkan dengan hasil eksperimen yang

meneliti kesetimbangan isoterm adsorpsi CNT pada

temperatur lingkungan yakni sekitar 293 K. Berikut

pada gambar 15 disajikan perbandingan hasil simulasi

dengan hasil eksperimen yang dilakukan oleh Anson

et al, 2004 [6], Smith, 2002 [7], dan Gallego, 2003

[8].

Hasil perbandingan ini menunjukkan adanya

perbedaan yang cukup signifikan antara hasil simulasi

dengan hasil eksperimen.Perbedaan ini bisa

disebabkan oleh kesalahan dalam memilih besar nilai

parameter Lennard-Jones. Pada bab metodologi, besar

nilai parameter Lennard-Jones untuk interaksi antar

molekul hidrogen memiliki variasi berdasarkan pada

beberapa literatur. Dari variasi tersebut, besar nilai

parameter Lennard-Jones yang dipilih adalah besar

nilai yang disajikan oleh Tahery (2007), yakni ε 0,05

kcal/mol atau sekitar 0,2092 kJ/mol.

Gbr 15. Perbandingan hasil simulasi dengan hasil eksperimen untuk kapasitas adsorpsi CNT murni pada

temperatur lingkungan, 290 – 297 K.


Dengan perbedaan yang cukup signifikan antara

hasil simulasi dengan hasil eksperimen ini

mengimplikasikan bahwa besar nilai parameter

Lennard-Jones yang berdasar pada Tahery (2007)

kurang tepat.Oleh karena itu, hal ini memunculkan

peluang penelitian selanjutnya, yakni mengenai

pemilihan besar nilai parameter Lennard-Jones yang

lebih tepat untuk mendapatkan hasil simulasi yang

lebih mendekati hasil eksperimen. Salah satu cara

memilih besar nilai parameter yang lebih tepat ini

adalah dengan menggunakan kalkulasi densitas

elektron pada mekanaki quantum untuk mengestimasi

besar energi interaksi molekul.

Sedangkan untuk simulasi dinamika molekuler

proses adsorpsi dengan doping Lithium, hasil

kesetimbangan isoterm-nya belum bisa divalidasi

dengan hasil eksperimen karena eksperimen yang

telah dilakukan sebelumnya memiliki konfigurasi

yang berbeda dengan yang disimulasikan (temperatur

operasi dan mekanisme pengukuran). Tapi jika hanya

untuk perbandingan saja pada tekanan 1 atm, maka

didapatkan perbedaan yang cukup jauh antara hasil

simulasi dengan hasil eksperimen yang dilakukan

Yang (2000). Hasil simulasi menunjukkan kapasitas

adsorpsi tidak lebih dari 0,5 wt%, sedangkan Yang

menyatakan kapasitas adsorpsi bisa mencapai 2,5

wt%.

Perbedaan hasil yang cukup signifikan ini bisa

disebabkan oleh keterbatasan simulasi yang hanya

dilakukan pada rentang waktu simulasi sekitar 25

nanosekon saja. Sedangkan pada eksperimen, proses

adsorpsi bisa mencapai 1 jam atau sekitar 3600 sekon.

Selain itu perbedaan ini juga bisa disebabkan

oleh perbedaan metode pengukuran yang digunakan

oleh eksperimen. Pada penelitiannya, Yang (2000)

menggunakan metode termogravimetrik, yakni

dengan memvariasikan temperatur sistem untuk

mendapatkan perubahan massa sistem yang

merepresentasikan perubahan jumlah hidrogen yang

teradsorp. Sedangkan pada simulasi kali ini, sistem

dijaga energi totalnya (proses adiabatik), sehingga

temperatur dibiarkan berfluktuasi sesuai dengan

proses adsorpsi dan desorpsi yang terjadi.

Oleh karena itu, hasil simulasi dinamika

molekuler ini tidak bisa dijadikan sebagai acuan pasti

konsentrasi adsorpsi maksimum untuk CNT dengan

doping Lithium. Tapi diharapkan hasil simulasi ini

menjadi suatu representasi dari besarnya pengaruh

keberadaan Lithium sebagai unsur doping pada CNT

terhadap kapasitas adsorpsi gas hidrogen.

4. KESIMPULAN

Penyerapan hidrogen oleh CNT meningkat

sebanding dengan meningkatnya tekanan operasi.

Penyerapan hidrogen oleh CNT meningkat sebanding

dengan menurunnya temperatur operasi. Keberadaan

Lithium dapat meningkatkan kapasitas penyerapan

hidrogen oleh CNT hingga sekitar 100% dari

sebelumnya 1 wt% menjadi 2 wt% pada tekanan 40

atm dan temperatur 293 K.

Nilai parameter Lennard-Jones yang lebih tepat

sebaiknya diambil dari hasil simulasi mekanika

quantum dengan teori fungsi densitas dengan

konfigurasi CNT dan rasio doping yang sama.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis menyampaikan terima kasih kepada

Dinas Pendidikan Tinggi Kementerian Pendidikan

dan Budaya Republik Indonesia atas dukungannya

dengan program Beasiswa Unggulan (BU) yang

membiayai pendidikan studi sarjana dan magister

penulis dalam program fast track di Departemen

Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia.

Penulis juga secara khusus menyampaikan terima

kasih kepada Plimpton et al. [9] yang telah

memberikan kesempatan kepada seluruh peneliti

ataupun akademisi di dunia, termasuk penulis, dalam

menggunakan program open-source miliknya untuk

tujuan penelitian simulasi dinamika molekuler.

Tidak lupa, penulis juga menyampaikan ucapan

terima kasih kepada dosen pembimbing, keluarga,

dan semua pihak yang mendukung dalam penyusunan

skripsi ini.

DAFTAR ACUAN

[1] Yang, R. T. (2003). Adsorbents: Fundamentals

and Applications. Canada: Wiley Interscience.

[2] Tahery et al. (2007).Lennard-Jones Energy

Parameter for Pure Fluids from Scaled Particle

Theory. Iran. J. Chem.

[3] Tildesley, D. J. (1987).Computer Simulation of

Liquids.Oxford: Clarendon Press.

[4] Cho J. H., Park C. R. (2007). Hydrogen storage

on Li-doped single-walled carbon nanotubes:

Computer simulation using the density functional

theory. Elsevier: Catalysis Today.

[5] Banerjee S. (2008). Molecular Simulation of

Nanoscale Transport Phenomena. Virginia:

Virginia Polytechnic Institute and State

University.

[6] Anson, A. et al. (2004). Hydrogen adsorption on

a single-walled carbon nanotube material: a

comparative study of three different adsorption

techniques. Institute of Physics Publishing.

[7] Smith, M. R. et al. (2002). Activating Single-

Walled Carbon Nanotubes for Hydrogen

Adsorption. US Department of Energy: Fuel

Chemistry Division Preprints.

[8] Gallego, N. C. et al (2003). Carbon Materials for

Hydrogen Storage.Oak Ridge National

Laboratory.

[9] Plimpton, S. (1995). Fast Parallel Algorithm For

Short-Range Molecular-Dynamics. Journal of

Computational Physics , 1-19.


Documents

Simulasi Dinamika Molekuler Proses Adsorpsi Hidrogen pada