Optimisasi Katalis Anoda PdAu/VGCNF untuk Meningkatkan Performa Sel Bahan Bakar Glicerol
Abstrak
Studi ini memperkenalkan katalis anoda PdAu/VGCNF baru yang dirancang untuk meningkatkan elektrooksidasi glicerol dalam sel bahan bakar alkali. Dengan secara sistematif mengubah pemuatan katalis, suhu elektrolit, dan konsentrasi NaOH, jendela operasi optimal diidentifikasi menggunakan metodologi respons permukaan (RSM). Dalam kondisi paling menguntungkan—5,24 M NaOH, 60 °C, dan pemuatan katalis 12 wt.%—katalis mencapai kepadatan arus puncak 158,34 mA cm⁻², yang menunjukkan janjinya untuk aplikasi sel bahan bakar praktis.
Latar Belakang
Permintaan energi global mendorong batas bahan bakar fosil, memicu pergeseran terhadap alternatif yang lebih bersih. Sel bahan bakar, yang mengubah energi kimia secara langsung menjadi listrik, menawarkan solusi yang menarik tetapi tradisionalnya bergantung pada hidrogen—penyedia energi yang sulit disimpan dan diangkut. Glicerol, hasil samping beracun rendah dari produksi biodiesel, menyajikan bahan bakar cair yang menarik untuk sel bahan bakar alkali karena densitas energi yang tinggi dan pasokan yang melimpah.
Struktur kompleks glicerol menyebabkan berbagai intermediasi oksidasi, yang membuat pemilihan katalis dan kondisi reaksi krusial. Nanopartikel bimetalik Palladium–emas (PdAu) yang didukung pada serat nanokarbon tumbuh vapor (VGCNF) menggabungkan aktivitas katalitik tinggi dengan dispersi dan stabilitas yang baik. VGCNF dengan luas permukaan tinggi (10–200 m² g⁻¹) dan jaring kaya tepi menyediakan platform yang kuat untuk interaksi logam-dokungan, mengurangi aglomerasi nanopartikel dan meningkatkan performa elektrokatalitik.
Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa suhu dan konsentrasi NaOH yang lebih tinggi umumnya mempercepat oksidasi glicerol, tetapi kombinasi optimal dari variabel ini masih tidak jelas untuk PdAu/VGCNF. Studi ini menerapkan RSM untuk mengidentifikasi kondisi tepat yang memaksimalkan kepadatan arus sambil meminimalkan pemuatan katalis.
Eksperimen
Bahan dan Kimia
Klorida emas(III) trihidrat, klorida paladium, sitrat natrium, borohydride natrium, VGCNF, natrium hidroksida, glicerol, 2-propanol, dan larutan Nafion 5 wt.% dibeli dari Sigma-Aldrich.
Instrumentasi
Difraksi X-ray (Bruker D8 Advance), mikroskopi elektron pemindai emisi medan (Gemini SEM 500), spektroskopi X-ray dispersif energi, dan mikroskopi elektron transmisi (Philips CM12) digunakan untuk menilai struktur kristal, morfologi, dan komposisi elemen.
Sintesis Katalis
Legur PdAu disiapkan dengan pengurangan bersama PdCl₂ dan HAuCl₄·3H₂O (rasio mol 1:1) ke dalam sitrat natrium, diikuti dengan impregnasi pada VGCNF. Borohydride natrium (rasio 5–15 × ion logam) berfungsi sebagai agen pengurang. Pemuatan katalis bervariasi dari 10 hingga 30 wt.%. Produk akhir dikeringkan pada 80 °C selama 10 jam.
Uji Voltametri Siklus
Pengukuran elektrokimia dilakukan pada elektroda karbon kaca (luas aktif 3 mm²) menggunakan Autolab PGSTAT101. Tinta katalis (5 mg katalis dalam air/IPA/Nafion) ditetapkan dan dikeringkan. Skrip CV dilakukan dari –0,8 hingga 0,4 V pada 50 mV s⁻¹ dalam 0,5 M glicerol/0,5 M NaOH, dengan konsentrasi NaOH elektrolit (0,5–6,0 M) dan suhu (25–80 °C) yang diubah secara sistematis. Semua larutan di-deoksigenkan dengan N₂.
Desain Eksperimen
Desain komposit sentral (CCD) yang terdiri dari 20 percobaan (titik faktorial, aksial, dan pusat) mengevaluasi efek konsentrasi NaOH, suhu, dan pemuatan katalis terhadap kepadatan arus puncak. Regresi polinomial orde kedua dicocokkan pada data untuk menghasilkan model prediktif.
Hasil dan Pembahasan
Karakterisasi Fisik
XRD mengonfirmasi pembentukan nanopartikel PdAu yang sangat legur (struktur fcc) dengan ukuran kristal 4,5 nm. Gambar SEM mengungkap aglomerasi sederhana, sementara pemetaan EDX menunjukkan rasio Pd:Au yang dekat dengan pakan (≈55:44). Gambar TEM menunjukkan dispersi seragam partikel PdAu pada VGCNF, dengan distribusi ukuran 2,5–9,5 nm (rata-rata 4,5 ± 1,0 nm).
Studi Optimasi
Model RSM kuadratik menghasilkan R² sebesar 0,986 dan nilai p yang sangat signifikan (<0,0001), yang menunjukkan kecocokan yang luar biasa. ANOVA mengungkap bahwa semua tiga faktor—konsentrasi NaOH, suhu, dan pemuatan katalis—secara statistik signifikan. Model memprediksi kepadatan arus puncak maksimum 158,34 mA cm⁻² pada 5,24 M NaOH, 60 °C, dan pemuatan 12 wt.%.
Efek Parameter Operasi
Plot kontur menggambarkan bahwa kepadatan arus puncak meningkat seiring konsentrasi NaOH dan suhu hingga suatu optimum, di mana nilai tersebut menurun karena cakupan permukaan katalis dan batasan transfer massa. Pemuatan katalis menunjukkan tren yang sama: kepadatan arus naik hingga sekitar 12–15 wt.% lalu menurun karena logam berlebihan memblokir situs aktif.
Uji Konfirmasi
Dua percobaan validasi dilakukan dalam kondisi optimal yang diprediksi dan di ekstrem biaya lebih rendah (0,5 M NaOH, 45 °C). Kepadatan arus eksperimental (158,34 mA cm⁻² dan 143,94 mA cm⁻²) cocok dengan prediksi model, mengonfirmasi keandalan pendekatan RSM.
Kesimpulan
RSM dengan desain komposit sentral efektif mengoptimalkan katalis anoda PdAu/VGCNF untuk sel bahan bakar glicerol. Kondisi optimal—5,24 M NaOH, 60 °C, pemuatan 12 wt.%—menghasilkan kepadatan arus puncak 158,34 mA cm⁻², yang mewakili peningkatan >40 % dibandingkan percobaan yang tidak dioptimalkan dan pengurangan pemuatan katalis yang signifikan dibandingkan patokan literatur. Temuan ini menunjukkan bahwa PdAu/VGCNF adalah katalis anoda yang sangat efisien dan berbiaya rendah untuk sel bahan bakar glicerol alkali.
