Dukungan Nanofibre TiO₂–Karbon Elektrospinning Meningkatkan Katalis PtRu untuk Sel Bahan Bakar Metanol Langsung

Latar Belakang

Sel bahan bakar metanol langsung (DMFC) merupakan sumber daya yang menjanjikan dan ramah lingkungan, yang menghasilkan listrik langsung dari metanol cair tanpa pembakaran. Kesederhanaannya, energi spesifik yang tinggi, suhu operasi rendah, dan pengisian ulang cepat menjadikannya menarik untuk aplikasi portabel dan stasioner. Namun, kinerja DMFC terbatas oleh racunan katalis dan kinetik reaksi yang lambat, yang sebagian besar berasal dari bahan katalis dan dukungan yang digunakan.

Platinum (Pt) secara tradisional telah berfungsi sebagai komponen aktif dalam anoda DMFC; namun, kerentanannya terhadap intermediary karbon membatasi aktivitas jangka panjang. Pengenalan katalis logam dua logam PtRu meningkatkan laju reaksi, namun keterbatasan kinetik tetap ada. Peneliti telah mengeksplorasi oksida logam dan bahan nano sebagai dukungan sinergis untuk meningkatkan transfer elektron, stabilitas termal, dan dispersi katalis. Dioksida titanium (TiO₂) sangat menarik karena non‑toksis, ketahanan korosi, dan kemampuannya untuk memodifikasi properti elektronik katalis komposit.

Arsitektur serat nano, yang diproduksi dengan elektrospinning, menawarkan rasio permukaan‑volume yang tinggi, konduktivitas listrik yang baik, dan dispersi katalis yang seragam—fitur yang secara kolektif meningkatkan kinerja elektrokatalitik. Studi ini berfokus pada nanofibre TiO₂–karbon yang difabriksikan melalui elektrospinning, bertujuan untuk mengurangi racunan katalis dan meningkatkan output DMFC.

Elektrospinning dipilih untuk menghasilkan serat sub‑mikron karena kesederhanaannya, keberagaman, dan skalabilitasnya. Parameter proses kunci—komposisi larutan, kondisi lingkungan, dan variabel operasi—menentukan morfologi serat. Di sini, kami berfokus pada dua parameter proses: laju aliran prekursor polimer dan jarak antara ujung jarum dan pengolek (DTC), karena keduanya secara langsung mempengaruhi diameter dan karakteristik permukaan serat.

Metode/Eksperimen

Bahan

Poly(acetat vinil) (PVAc, Mw = 500 000), dimetilformamida (DMF, 99,8 %), isopropoksida titanium (TiPP, 97 %), asam asetat (99,7 %), dan prekursor ruthenium (konten 45–55 %) dibeli dari Sigma‑Aldrich. Prekursor platinum (konten 40 %) dan etanol (99,8 %) disuplai oleh Merck dan R&M Chemical Reagents, masing‑masing. Semua reagen digunakan sebagaimana adanya. Elektrospinning dilakukan dengan sistem Nfiber N1000 (Progene Link), dan homogenisasi ultrasonik menggunakan crusher INS‑650Y (INS Equipments).

Persiapan Nanofibre TiO₂‑CNF

Larutan prekursor disiapkan dengan melarutkan PVAc (11,5 wt %) dalam DMF, diaduk pada 60 °C selama 1 jam, kemudian pada suhu kamar selama semalaman. TiPP ditambahkan pada rasio 1:1 dengan larutan polimer, diikuti oleh sejumlah asam asetat dan etanol untuk mempromosih hidrolisis. Campuran di sonikasi selama 60 detik untuk memastikan homogenitas, kemudian dimuat ke dalam seringi untuk elektrospinning. Tegangan 16 kV diterapkan, dengan laju aliran 0,1, 0,5, dan 0,9 mL h⁻¹ (dinotasikan F0.1, F0.5, F0.9) dan jarak ujung‑pengolek 14, 16, dan 18 cm (dinotasikan D14, D16, D18). Setelah elektrospinning, serat diam 5 jam, stabilized pada 130 °C selama 8 jam, dan karbonisasi pada 600 °C selama 2 jam di bawah nitrogen. Nanofibre yang dihasilkan digiling menjadi bubuk halus dan ditimbang untuk mencapai pemuatan seragam 6,67 mg g⁻¹.

Depoziasi Katalis

Bubuk TiO₂‑CNF didispergikan dalam alkohol isopropil dan air deionisasi, di sonikasi selama 20 menit, dan dicampur dengan prekursor Pt:Ru 1:1 (20 wt %). Setelah penyesuaian pH ke 8 menggunakan NaOH, campuran dipanaskan pada 80 °C dan direduksi dengan 25 mL 0,2 M NaBH₄ secara tetesan. Setelah diaduk selama 1 jam, suspensi difilter, dicuci, dikeringkan pada 120 °C selama 3 jam, dan digiling menjadi bubuk katalis halus.

Karakterisasi Katalis

FTIR (PerkinElmer), XRD (D8 Advance/Bruker), FESEM (SUPRA 55VP), dan TEM (Tecnai G2 F20 X‑Twin) digunakan untuk menilai komposisi kimia, struktur kristal, morfologi, dan distribusi elemen.

Evaluasi Pengukuran Elektrokimia

Performa elektrokimia dievaluasi dalam sel tiga elektroda standar menggunakan elektroda lawan Pt, referensi Ag/AgCl, dan elektroda kerja karbon kaca 3 mm. Tinta katalis (15 mg katalis, 400 µL air DI, 400 µL IPA, 125 µL Nafion 5 wt %) ditetes (2,5 µL) pada elektroda, dikeringkan, dan diobati termal. Elektrolit adalah 0,5 M H₂SO₄/2 M metanol, diflush dengan N₂ selama 20 menit. Voltametri siklik (−0,1 V hingga 1,1 V, 50 mV s⁻¹) dilakukan dengan workstation Autolab.

Hasil dan Diskusi

Karakterisasi Struktural

Efek Laju Aliran

Spektra FTIR dari serat yang dihasilkan pada 0,1, 0,5, dan 0,9 mL h⁻¹ mengungkapkan pita Ti–O dan C–O khas, yang mengonfirmasi kimia yang konsisten di seluruh laju aliran. Pola XRD menunjukkan koesistensi anatase dan rutile TiO₂ dan pita karbon (30° dan 55° 2θ). Citra FESEM mengilustrasikan bahwa laju aliran terendah (F0.1) menghasilkan serat yang paling halus dengan diameter rata‑rata terkecil (161,18 ± 26,08 nm). Laju aliran yang lebih tinggi menghasilkan serat yang lebih kasar dengan diameter yang lebih besar dan kadang‑kadang benjolan.

Citra FESEM TiO₂‑CNF (F0.1), (F0.5), dan (F0.9) pada magnitase ×30,000

Efek Jarak antara Ujung dan Pengolek

Analisis FTIR dari sampel dengan DTC yang bervariasi (14, 16, 18 cm) tidak menunjukkan perubahan signifikan dalam pola ikatan. XRD mengonfirmasi koesistensi anatase/rutile TiO₂ di semua jarak. Citra FESEM mengungkapkan bahwa peningkatan DTC menghasilkan serat yang progresif lebih tipis, dengan D18 mencapai diameter rata‑rata terkecil (136,73 ± 39,56 nm). Tren ini mencerminkan benturan dan penipisan jet yang ditingkatkan selama perjalanan yang lebih panjang.

Citra FESEM TiO₂‑CNF (D14), (D16), dan (D18) pada magnitase ×30,000

Karakterisasi Elektrokimia Reaksi Oksidasi Metanol

PtRu terdistribusi seragam pada serat F0.1 dan D18, sebagaimana dikonfirmasi oleh TEM. XRD menunjukkan ukuran kristal anatase TiO₂ 20–22 nm di seluruh seri F, sedangkan seri D menunjukkan ukuran kristal TiO₂ dan Pt yang menurun dengan diameter serat yang lebih kecil. Perubahan morfologi ini diterjemahkan menjadi luas permukaan elektrokimia (ECSA) yang lebih tinggi. Pengukuran CV dalam 0,5 M H₂SO₄/2 M metanol mengungkapkan bahwa dukungan D18 menghasilkan kepadatan arus puncak tertinggi (274,72 mA mg⁻¹ PtRu) dan ECSA (226,75 m² g⁻¹ PtRu), melebihi seri F dan sampel D lainnya.

Voltamogram siklik untuk PtRu/TiO₂‑CNF dengan laju aliran dan DTC yang berbeda dalam 2 M metanol/0,5 M H₂SO₄ pada 50 mV s⁻¹

Rasio arus maju/mundur (I_f/I_b) untuk sampel D18 melebihi 3,8, yang menunjukkan toleransi yang kuat terhadap racunan karbon dan daya tahan yang baik.

Kesimpulan

Nanofibre TiO₂–karbon elektrospinning yang difabriksikan pada laju aliran 0,1 mL h⁻¹ dan DTC 18 cm (D18) menunjukkan morfologi yang paling tipis (136,73 ± 39,56 nm). Saat dikombinasikan dengan PtRu, dukungan D18 memberikan peningkatan kepadatan arus 1,4 kali dan peningkatan ECSA sepuluh kali dibandingkan sampel lain, yang menekankan peran kritis diameter serat dalam performa katalis. Temuan ini mengafirmasikan bahwa dukungan TiO₂‑CNF ultrafine adalah bahan anoda yang menjanjikan untuk DMFC berkinerja tinggi.