Membran Natrium Alginat–Grafit Oksida Sulfonasi: Konduktivitas Proton Tinggi dan Permeabilitas Metanol Rendah untuk Sel Bahan Bakar Metanol Langsung
Abstrak
Sel bahan bakar metanol langsung (DMFC) menderita cecaran metanol yang tinggi dan biaya membran Nafion® yang mahal. Kami memproduksi membran elektrolit polimer berbasis natrium alginat (SA) non-Nafion, yang diperkuat dengan 0,02–0,20 wt % grafit oksida sulfonasi (SGO) melalui pendekatan pencetakan larutan sederhana. Tarik listrik elektrostatis antara grup –SO₃H SGO dan matriks SA meningkatkan integritas mekanis, mengoptimalkan penyerapan air, dan menekan transportasi metanol. Membran SA/SGO yang mengandung 0,20 wt % SGO mencapai konduktivitas proton sebesar 13,2 × 10⁻³ S cm⁻¹ dan permeabilitas metanol sebesar 1,535 × 10⁻⁷ cm² s⁻¹ pada 25 °C, jauh di bawah Nafion sebesar 25,1 × 10⁻⁷ cm² s⁻¹. Pengujian mekanis mengonfirmasi peningkatan kekuatan tarik dan regangan putus dengan penambahan SGO.
Latar Belakang
DMFC mengubah energi kimia menjadi listrik melalui oksidasi metanol, menawarkan sumber daya portabel bersih dengan emisi polutan rendah. Namun, komersialisasi dibatasi oleh biaya tinggi (sekitar $1000 m⁻²), permeabilitas metanol yang tinggi Nafion®, dan daya tahan elektrokatoda yang terbatas.
Membran pertukaran proton (PEM) sangat penting dalam DMFC; mereka harus menyediakan konduktivitas proton tinggi sambil mencegah cecaran metanol. Nafion® gagal memenuhi dua kebutuhan ini, yang mendorong pencarian alternatif yang lebih ramah lingkungan dan hemat biaya.
Biopolimer seperti alginat—polisakarida yang berasal dari rumput laut coklat—menawarkan platform yang menjanjikan dan berkelanjutan. Penyerapan air tinggi alginat (200–300 kali beratnya) menguntungkan transportasi proton, namun konduktivitas proton intrinsiknya rendah. Strategi komposit yang menggabungkan pengisi anorganik sebelumnya telah meningkatkan properti mekanis dan transportasi alginat, terutama dengan nanokarbon dan grafit oksida (GO).
Rasio aspek tinggi dan kekuatan mekanis grafit oksida menjadikannya pengisi yang menarik; namun, ketiadaan grup pengangut proton membatasi konduktivitas. Sulfonasi GO memperkenalkan grup –SO₃H yang bertindak sebagai situs lompat proton dan menciptakan interaksi elektrostatis yang lebih kuat dengan matriks polimer, meningkatkan stabilitas mekanis dan transportasi proton.
Meskipun beberapa komposit biopolimer–GO telah dilaporkan, membran nanokomposit SA–SGO belum pernah dieksplorasi. Studi ini menyajikan sintesis, karakterisasi, dan performa DMFC dari membran tersebut, bertujuan untuk melebihi Nafion® dalam selektivitas dan biaya.
Metode
Bahan-Bahan
Grafit (TIMREX PG25), H₂SO₄ konsentrat, KMnO₄, HCl, H₂O₂, NaNO₂, gliserol, dan reagen lainnya diperoleh dari Sigma Aldrich. Air deionisasi (Milli-Q) digunakan selama seluruh proses.
Pembuatan Membran
GO dihasilkan dengan metode Hummer yang dimodifikasi. Sulfonasi selanjutnya melibatkan merefluks GO dengan asam sulfonil dan NaNO₂ pada 70 °C, menghasilkan SGO dengan sekitar 1,76 wt % S (terverifikasi oleh XPS). SA dilarutkan dalam air 1 % w/v; SGO (0,02–0,20 wt %) disperdi ke dalam larutan SA dan diaduk selama 60 menit. Adonan dicetak pada kaca, dikeringkan pada 60 °C selama 72 jam, lalu dicross-link dalam CaCl₂/gliserol 1,5 % w/v selama 30 menit. Membran akhir dibersihkan, dikeringkan pada 25 °C, dan disimpan dalam desikator (Skema 1).
Pengisi grafit oksida sulfonasi (SGO) dan metode pembuatan biomembran SA/SGO
Karakterisasi
FTIR (PerkinElmer) mengukur 4000–500 cm⁻¹; FESEM (FEI QUANTA 400) memeriksa morfologi; HRTEM (HT7700) menyelesaikan nanosheet; XPS (Axis Ultra DLD) mengkuantifikasi komposisi permukaan. Properti mekanis diukur pada Universal Testing Machine (beban 3 kN). Penyerapan air dan metanol dihitung dari perubahan massa (Eq. 1) dan perubahan dimensi (Eq. 2). Konduktivitas proton ditentukan menggunakan sel empat elektroda (WonATech) di bawah hidrasi penuh; resistansi (R) diekstrak dari kurva V–I linier (Eq. 3). Permeabilitas metanol menggunakan sel dua tangki dengan metanol 20 % v/v, menerapkan Eq. 4. Selektivitas (φ) mengikuti Eq. 5.
Hasil karakterisasi melalui FTIR, FESEM, HRTEM, XPS, dan TEM mengonfirmasi pembentukan SGO dan integrasinya ke dalam matriks SA. Pengujian TGA menunjukkan stabilitas termal yang baik, sementara tes kekuatan tarik menunjukkan peningkatan kekuatan dan elastisitas dengan penambahan SGO.
Kesimpulan
Kami berhasil memproduksi membran komposit SA/SGO yang menunjukkan permeabilitas metanol rendah (1,535 × 10⁻⁷ cm² s⁻¹), konduktivitas proton tinggi (13,2 × 10⁻³ S cm⁻¹), dan kekuatan mekanis yang ditingkatkan. Grup –SO₃H pada SGO mempromosikan kopling elektrostatis yang kuat dengan SA, menghasilkan jaringan padat dan terhubung yang mencegah metanol sambil mempertahankan transportasi proton. Selektivitas yang dihasilkan (8,56 × 10⁴ S s cm⁻³) melebihi Nafion 117, menempatkan SA/SGO sebagai alternatif yang layak dan lebih ramah lingkungan untuk DMFC.
