Perancangan Ab-initio Katalis Berbasis Campuran Ni-Zn Untuk Oksidasi Hidrazin pada Direct Hydrazine Fuel Cell

Ahmad Zainul Ihsan 13312017 | Raihan Krishna 13312050 | Prof. Hermawan K. Dipojono, Ph.D, MSEE | Dr. Mohammad Kemal Agusta

Program Studi Teknik Fisika | Fakultas Teknologi Industri | Institut Teknologi Bandung

ABSTRAK

Kompleksitas proses reaksi pada suatu katalis bahan campuran kombinatorial nikel dan logam transisi (Ni-M) sebagai katalis anoda Direct Hydrazine Fuel Cell dapat dipahami melalui perancangan komputasional bahan katalis campuran. Proses adsorpsi sebagai suatu proses pra-reaksi pada katalis disimulasikan untuk memberikan pemahaman awal dalam menentukan proses reaksi melalui data-data yang didapatkan seperti data energi, struktur geometri dan struktur elektronik. Selanjutnya satu buah atom seng (Zn) dipilih sebagai pengotor (defect) dari struktur katalis nikel (Ni(111))-3x3. Selanjutnya proses adsorpsi hidrazin (N2H4) dengan konformasi anti dan cis serta proses koadsorpsi dengan koadsorbat ion hidroksida(OH-) pada beberapa situs aktif top, bridge dan hollow dilakukan dengan nilai referensi energi adsorpsi hidrazin (N2H4) dari struktur katalis nikel murni

Ni(111)-3x3. Hasilnya menunjukkan secara energetik pengaruh kombinator/pengotor atom seng (Zn) terhadap sistem adsorpsi dan koadsorpsi secara dominan lebih rendah dan stabil dibandingkan dengan penggunaan katalis nikel murni (Ni-(111))-3x3. Tetapi untuk situs aktif yang berdekatan dengan atom seng (Zn) menghasilkan energi adsorpsi lebih tinggi hal tersebut dikarenakan efek repulsif dari atom seng (Zn). Setelah itu pengaruh ditambahnya koadosrbat ion hidroksida (OH-) terhadap sistem adsorpsi dapat menurunkan energi adsorpsi dan secara analisis struktur elektronik terlihat adanya ikatan hidrogen pada atom oksigen dari ion hidroksida dengan hidrogen dari molekul hidrazin.

Kata Kunci : Direct Hydrazine Fuel Cell, kombinatorial Ni-Zn, katalis, adsorpsi, koadsorpsi.

Tujuan dari penelitian ini adalah melakukan studi ab-initio terhadap

interaksi koadsorbat ion hidroksida (OH– ) dengan molekul hidrazin (N2H4) pada anoda katalis Direct Hydrazin Fuel Cell Ni(111) dengan atom Zn sebagai pengotor. Selanjutnya menyelidiki pengaruh penambahan atom Zn pada katalis Ni(111) baik secara energetik, geometri, maupun struktur elektronik.

TUJUAN

Menurut data & analisis dari perbandingan energi adsorpsi hidarzin pada permukaan Ni-Zn dan Ni dari segi energetik, geometri, dan elektronik, Ni-Zn merupakan kandidat katalis yang tepat untuk DHFC.

KESIMPULAN

DIRECT HYDRAZINE FUEL CELL

Merupakan jenis fuel cell yang m e m a n f a a t ka n h i d r a z i n sebagai sumber bahan bakar. Memiliki kelebihan yaitu output yang bebas dari karbon serta hidrazin yang berbentuk cair memudahkan dalam hal penyimpanan.

Reaksi pada Anoda : N2H4 + 4OH- —> 2N + 4H2O

PEMODELAN SISTEM

N

NH

H

HH

(a) Hidrazin konformasi Anti

N N

H H HH

(b) Hidrazin konformasi Cis

OH

(c) Ion OH-

Adsobat:

Permukaan Katalis:

(a) Ni-Zn (111) 3x3

(b) Ni -(111) 3x3

Ni Ni

Ni

Ni Ni

Zn

DATA & ANALISIS

Relaksasi Permukaan Ni(111) dan NiZn

Penentuan Situs aktif ion

Penentuan Situs Aktif

Relaksasi Sistem

Alur Pemodelan Sistem:

Ener

gi A

dsor

psi H

idra

zin

Rel

atif(

eV)

-0.3

-0.225

-0.15

-0.075

0

0.075

0.15

0.225

Titik Uji

Top 1 Top 2 Top 3 Top 4 Top 5

Eads_NiZn+N2H4(eV) Energi Referensi(eV)

Ener

gi A

dsor

psi H

idra

zin

Rel

atif(

eV)

-0.2

-0.083

0.033

0.15

0.267

0.383

0.5

Konformasi

Anti Cis

E_ads Sistem Koadsorpsi(eV) E_ads Sistem Adsorpsi(eV)

(a) Grafik Perbandingan Energi Adsorpsi pada Sistem Koadsorpsi dan Adsorpsi pada NiZn dan Ni

(b) Grafik Perbandingan Energi Adsorpsi pada Sistem Adsorpsi pada NiZn dan Ni

Ener

gi A

dosp

rsi H

idra

zin

Rel

atif(

eV)

-0.5

-0.25

0

0.25

0.5

Titik Uji

Bridge 3

Bridge 4

Bridge 5

Bridge 6

Bridge 7

Bridge 8

Hollow 2

Hollow 3

Hollow 4

Top 3Top 4

Top 5

Energi Adsorpsi Hidarzin pada Sistem Koadsorpsi(eV) Energi Referensi(eV)

(c) Grafik Perbandingan Energi Adsorpsi pada

Sistem Koadsorpsi pada NiZn dan Ni

E n e r g i R e f e r e n s i merupakan nilai energi adsorpsi hidrazin pada permukaan Ni untuk sistem adsorpsi (b) dan koadsorpsi (c)

Sistem Adsorpsi: Permukaan Katalis + Hidrazin Sistem Koadsorpsi: Permukaan Katalis + Hidrazin + OH-

(d) Tabel Pertambahan Panjang Ikatan

Pertambahan Panjang 7,683% mengindikasikan adanya ikatan hidrogen antar H dan O.

(e) Visualisasi dari Charge Density Difference(CDD) mengindikasikan adanya ikatan hidrogen.

O k s i g e n c e n d e r u n g m e n a r i k elektron(elektronegatif) yang berasal dari hidrogen sehingga perbedaan kerapatan muatan pada daerah sekitar oksigen bernilai positif, sebaliknya dengan hidrogen yang kehilangan elektron dan perbedaan k e r a p a t a n m u a t a n n e g a t i f . Selanjutnya dari perbedaan tersebut dapat terjadi tarik menarik (ikatan hidrogen)