Sintesis dan Karakterisasi Membran Blending Benzilkitosan

Sintesis dan Karakterisasi Membran Blending BenzilkitosanKitosan untuk Aplikasi Sel Bahan Bakar
(Synthesis and Characterization of Blending Membrane of
Benzylchitosan-Chitosan for Fuel Cell Application)
SKRIPSI
Fahriansyah
NIM 10504051
PROGRAM STUDI KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
2008
Abstract
Nafion® is the most popular proton exchange membrane, which is very suitable as an
electrolyte in polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). However, the expensive
price of Nafion® makes the application of PEMFC becomes unrealistic from the economic
point of view. Thus, we need a cheaper membrane with high quality as an alternative to
replaced Nafion®. Based on its structure, chitosan, an abundant natural polymer that
extracted from shrimp shell, can be modified as a proton exchange membrane. Here, the
proton conductivity of chitosan must be enhanced to ensure that this membrane can be
applied in Fuel Cell. In this study, benzyl group is introduced to chitosan through
etherification/amination process. The modified polymers are blending with chitosan in
formic acid and casting as benzylchitosan-chitosan blend membranes. The mass ratio of
benzylchitosan-chitosan in the blend membranes are 1:2, 1:1, and 2:1. The presence of
benzyl group in the membrane matrix enhances the proton mobility as observed from the
conductivity data. FTIR spectra show that the narrowing of the band at 3000-3500 cm-1
indicates the presence of the hydrophobic group in the polymer chain. The contact angle is
observed to decrease with the benzylchitosan mass fraction. However, the proton
conductivity and membrane potential increase with the mass fraction of benzylchitosan.
Keyword: benzylchitosan, chitosan, proton exchange membrane, fuel cell.
ii
Abstrak
Hingga saat ini Nafion® masih menjadi membran standar dalam aplikasi PEMFC meskipun
harganya yang mahal sehingga penggunaan PEMFC menjadi kurang ekonomis. Hal ini
memacu pencarian membran alternatif yang lebih murah dan berkualitas. Ditinjau dari
struktur kimianya, kitosan dari limbah kulit udang berpotensi menjadi membran penghantar
proton. Pada penelitian ini, dilakukan pemasukan gugus benzil pada kitosan serta blending
benzilkitosan-kitosan yang kemudian dicetak sebagai membran dengan perbandingan massa
1:2, 1:1, dan 2:1 dalam pelarut asam format. Kehadiran gugus benzil diharapkan mampu
meningkatkan mobilitas proton dengan menurunkan interaksinya terhadap matriks membran.
Masuknya gugus benzil pada kitosan dianalisis dengan spektrum infra merah dan sudut
kontak, yang diamati sebagai penyempitan puncak dari gugus hidroksil pada 3000-3500 cm-1
dan peningkatan sudut kontak akibat penurunan hidrofilisitas. Selanjutnya membran
dikarakterisasi dengan mengukur konduktivitas ion, potensial membran, dan Differential
Scanning Calorimetry. Masuknya gugus benzil pada kitosan diamati meningkatkan
konduktivitas proton dan potensial membran.
Kata kunci: benzilkitosan, kitosan, membran penghantar proton, sel bahan bakar.
iii
Lembaran ini kupersembahkan untuk keluarga tercinta (Ayah, Ibu, A’ntib, Bambang&Fikri)
semua kerabat dan teman senasib sepenanggungan (para penghuni wisma MCK)
dan semua teman-teman kimia yang menyertai empat tahun perjalananku
menyelesaikan studi sarjana di Program Studi Kimia
iv
Program Studi Kimia
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Teknologi Bandung
Menerangkan bahwa Skripsi yang disusun oleh:
Nama: Fahriansyah
NIM: 10504051
telah disetujui sebagai persyaratan untuk mendapatkan gelar
Sarjana Kimia
Bandung,
Juni 2008
Pembimbing I,
Pembimbing II,
Dr. Ing. Cynthia L. Radiman
Dr. Veinardi Suendo
NIP 130 604 382
NIP 132 232 822
v
Ucapan Terima Kasih
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah swt yang telah memberikan kesempatan,
menuntun, mengarahkan, dan menunjukkan jalan atas semua persoalan yang dihadapi. Atas
izin-Nya pula akhirnya penulis berhasil menyelesaikan pendidikan sarjana dengan penelitian
berjudul ”Sintesis dan Karakterisasi Membran Blending Benzilkitosan-Kitosan untuk
Aplikasi Sel Bahan Bakar” sebagai tugas akhirnya.
Selama melakukan penelitian ini, penulis dibimbing oleh dua orang pakar di bidang
membran yang sangat penulis kagumi. Kepada Ibu Cynthia, penulis ingin menyampaikan
rasa terima kasih yang sebesar-besarnya atas segala bimbingan, bantuan dan masukanmasukannya. Untuk Pak Veinardi, yang senantiasa sabar menemani, bahkan membantu
penulis untuk mencari solusi atas penelitian yang dilakukan. Terima kasih atas bantuan,
kesabaran, dan ide-ide cerdasnya yang sangat kreatif dan luar biasa.
Terima kasih juga penulis sampaikan kepada Pak Dhani, Pak Bambang Piluharto, Mas Edi,
Ibu Entin, Pak Wahyo, Ibu Deana, dan Ibu Sadijah atas bantuan-bantuannya. Tak lupa juga
kepada Pak Bambang Priamboedi, Pak Made, Pak Ahmad dan Pak Amin sebagai
koordinator tugas akhir.
Banyak sekali pengalaman yang dialami penulis selama melakukan penelitian ini.
Pengalaman itu mengajarkan bahwa suatu keberhasilan memang disusun atas sejumlah
kegagalan. Justru kegagalan itulah yang akhirnya membuat kita lebih kuat dan tahu apa yang
terbaik dan apa yang seharusnya kita lakukan.
Semua perjalanan ini tak dapat begitu saja penulis lalui tanpa dukungan doa yang tulus dari
ayahanda dan ibunda tercinta, kakak dan adik-adik sekeluarga. Terima kasih atas segala yang
telah kalian lakukan selama ini.
Untuk rekanku Adit yang kecerdasannya sudah teruji, rekan satu bimbingan yang sering
membantu dan banyak menyediakan fasilitas. Sudah tiga semester berlalu bersamamu,
semoga perjalanmu di kehidupan berikutnya lebih mulus dan menyenangkan selalu.
vi
Penulis juga ingin menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada rekanrekan satu lab penelitian di LKFM (Lelly, Veli, Hana, Herlina, Eryth, Mutif). Satu tahun
bekerja berdampingan dengan kalian, menjadi satu tahun yang tak kan terlupakan. Segala
keluh kesah kita selama melakukan penelitian tugas akhir, terekam kuat dalam coretan
kenangan lembur sampai larut dan memori Sabtu-Minggu yang menjenuhkan. Untuk Eni,
Iis, Ratih, Hani, dan Dewi, anggota ”lab tetangga” yang sering mampir dan menyampaikan
curhatan penelitiannya. Adanya Andre, Dikhi, Anson, Yoad, Dhani dan Maulana, yang
menemani saat penulis lembur menginap di kampus menjadikan gedung selatan kimia bak
hotel bintang lima yang ramai dengan aktivitas dan kaya akan fasilitas.
Terima kasih untuk Ozi, Edo, dan Linda, atas cawan petri yang dipinjamkannya. Berkat petri
itulah penulis bisa mencetak membran di minggu-minggu terakhir yang tersisa. Kepada Edu,
Septin, Yudhis, teh Ferra dan seluruh penghuni lab biokim, terimakasih atas kerjasamanya
yang tanpa pamrih. Tak lupa juga kepada Naldo dan Hendra atas kerjasamanya dalam
pengukuran FTIR. Untuk Athya yang telah bersedia menemani penulis menginap di lab, dan
untuk Azis, Gaos, Jalal, Samsi, dan aktivis himpunan lain yang tidak dapat disebutkan satu
persatu.
Untuk bang Rizal yang selalu menjadi teman dalam banyak hal, bung Jarwo dan seluruh
angkatan 2004 kimia, terima kasih atas pengalaman empat tahun yang telah kalian berikan.
Teruntuk Liza, terima kasih atas bantuannya sebagai asisten luar biasa dan perannya sebagai
mitra setia, yang selalu menjadi sumber inspirasi dan solusi, yang membangunkan penulis
untuk bangkit kembali menyelesaikan semua stagnansi yang terjadi. Juga atas saran,
dukungan, serta doa yang telah diberikan. Begitu pula untuk semua AMISCA 2006, 2005,
2003, 2002, dan 2001.
Akhir kata, penulis sangat mengharapkan segala masukan dan kritikan yang membangun
dari siapapun yang mencintai ilmu dan kebenaran. Semoga apa yang sudah penulis lakukan
dapat memperkaya khasanah keilmuan kimia di Indonesia khususnya dan bermanfaat bagi
siapa saja yang memerlukan.
Penulis
vii
Daftar Isi
Abstract .................................................................................................................................... ii
Abstrak .................................................................................................................................... iii
Ucapan Terimakasih ............................................................................................................... vi
Daftar Isi ............................................................................................................................... viii
Daftar Tabel ............................................................................................................................. x
Daftar Gambar ........................................................................................................................ xi
Daftar Lampiran .................................................................................................................... xiii
Bab 1
Pendahuluan ............................................................................................................. 1
1.1
Latar Belakang ......................................................................................................... 1
1.2
Rumusan Masalah .................................................................................................... 3
1.3
Tujuan Penelitian ..................................................................................................... 3
1.4
Ruang Lingkup Penelitian ........................................................................................ 3
Bab 2
Tinjauan Pustaka ...................................................................................................... 4
2.1
Krisis Energi ............................................................................................................ 4
2.2
Sumber Energi Alternatif ......................................................................................... 5
2.3
Sel Bahan Bakar (Fuel Cell) .................................................................................... 5
2.4
Polymer Electrolite Membrane Fuel Cells/Proton Exchange Membrane Fuel Cells
(PEMFCs) ............................................................................................................................ 7
2.5
Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) ........................................................................ 8
2.6
Membran Penghantar Proton untuk Sel Bahan Bakar.............................................. 9
2.7
Konduktivitas Proton ............................................................................................. 10
2.8
Mekanisme Transpor Ion pada Membran .............................................................. 10
2.9
Ketahanan Termal .................................................................................................. 12
2.10
Sudut Kontak ......................................................................................................... 13
viii
2.11
Potensial Membran ................................................................................................ 13
2.12
Polimer Alam ......................................................................................................... 15
2.13
Kitin dan Kitosan ................................................................................................... 16
2.14
Modifikasi Kitosan................................................................................................. 17
2.15
Benzilasi Kitin dan Kitosan ................................................................................... 17
Bab 3
Metode Penelitian .................................................................................................. 19
3.1
Alat dan Bahan Penelitian ...................................................................................... 19
3.2
Sintesis Kitosan ...................................................................................................... 21
3.3
Sintesis Benzilkitosan ............................................................................................ 22
3.4
Karakterisasi Polimer Menggunakan Spektrofotometer Infra Merah .................... 23
3.5
Sintesis Membran Blending Benzilkitosan-Kitosan............................................... 23
3.6
Karakterisasi Membran .......................................................................................... 23
Bab 4
Hasil dan Pembahasan ........................................................................................... 27
4.1
Sintesis Polimer Benzilkitosan............................................................................... 27
4.2
Analisis Spektrofotometri FTIR............................................................................. 28
4.3
Karakterisasi Membran Paduan (Blending) ........................................................... 31
Bab 5
Penutup .................................................................................................................. 41
5.1
Kesimpulan ............................................................................................................ 41
5.2
Saran ...................................................................................................................... 41
Daftar Pustaka ........................................................................................................................ 42
Lampiran ................................................................................................................................ 44
ix
Daftar Tabel
Tabel 2.1 Jenis-jenis sel bahan bakar ....................................................................................... 6
Tabel 3.1 Daftar peralatan yang digunakan selama penelitian .............................................. 19
Tabel 3.2 Daftar bahan yang digunakan selama penelitian .................................................... 20
Tabel 3.3 Kondisi pengukuran dengan DSC Analyzer........................................................... 26
Tabel 4.1 Puncak-puncak IR yang khas pada kitosan ............................................................ 29
Tabel 4.2 Sudut kontak membran .......................................................................................... 31
Tabel 4.3 Tabel suhu penguapan air (suhu keluarnya air dari dalam matriks membran) ...... 40
x
Daftar Gambar
Gambar 2.1 Sel bahan bakar jenis PEMFC dengan bahan bakar hidrogen.............................. 8
Gambar 2.2 Sel bahan bakar jenis DMFC dengan bahan bakar metanol ................................. 9
Gambar 2.3 Mekanisme transport proton pada membran kitosan ......................................... 11
Gambar 2.4 Struktur molekul kitin ........................................................................................ 16
Gambar 2.5 Struktur molekul selulosa ................................................................................... 16
Gambar 2.6 Struktur molekul kitosan .................................................................................... 17
Gambar 2.7 Reaksi benzilasi selulosa .................................................................................... 18
Gambar 3.1 Sudut kontak antara permukaan membran dengan tetesan air ........................... 24
Gambar 3.2 Sistem pengukuran konduktivitas dengan menggunakan .................................. 24
Gambar 3.3 Rangkaian alat pengukur potensial membran [17] ............................................. 25
Gambar 4.1 Reaksi benzilasi kitin ......................................................................................... 27
Gambar 4.2 Larutan benzilkitin dalam asam format .............................................................. 28
Gambar 4.3 Reaksi benzilasi kitosan ..................................................................................... 28
Gambar 4.4 Spektrum IR kitosan ........................................................................................... 29
Gambar 4.5 Spektrum IR benzilkitosan ................................................................................. 30
Gambar 4.6 Struktur kompleks ion Cu2+ dengan gugus-gugus hidroksil dan amina ............. 32
Gambar 4.7 Citra membran kitosan ....................................................................................... 33
Gambar 4.8 Membran blending benzilkitosan-kitosan 1:2 .................................................... 33
Gambar 4.9 Membran blending benzilkitosan-kitosan 1:1 .................................................... 34
Gambar 4.10 Membran blending benzilkitosan-kitosan 2:1 .................................................. 34
Gambar 4.11 Kontur intensitas gelap-terang membran. (a) kitosan. (b) benzilkitosan-kitosan
2:1. (c) benzilkitosan-kitosan 1:1. (d) benzilkitosan-kitosan 1:2 .............................. 35
Gambar 4.12 Kurva intensitas gelap-terang rata-rata terhadap posisi untuk membran kitosan
dan membran blending benzilkitosan-kitosan........................................................... 36
xi
Gambar 4.13 Kurva konduktivitas membran pada berbagai persen massa benzilkitosan ..... 38
Gambar 4.14 Potensial membran dengan berbagai macam perbandingan komposisi blending
.................................................................................................................................. 39
xii
Daftar Lampiran
Lampiran A Gambar Membran Kitosan dan Membran Blending Benzilkitosan-Kitosan ..... 45
Lampiran B Kurva Analisis Differential Scanning Calorimetry (DSC) ................................ 46
Lampiran C Analisis Potensial Membran .............................................................................. 50
Lampiran D Penentuan Derajat Deasetilasi Kitosan .............................................................. 51
Lampiran E Perhitungan Konduktivitas ................................................................................. 52
xiii