ASPEK STRUKTUR DAN KONDUKTIVITAS

La1-x(Sr,Ca)xFeO3-δ SEBAGAI BAHAN KATODA PADA

SEL BAHAN BAKAR PADATAN

TESIS

Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari

Institut Teknologi Bandung

Oleh MAURITZ P. M. NIM: 20506019

Program Studi Kimia

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008

ABSTRAK

ASPEK STRUKTUR DAN KONDUKTIVITAS La1-x(Sr,Ca)xFeO3-δ SEBAGAI BAHAN KATODA PADA

SEL BAHAN BAKAR PADATAN

Oleh Mauritz P. M.

NIM : 20506019

Sintesis dan Penyisipan Sr pada senyawa perovskit La1-xSrxFeO3 (LSFO) dengan

x = 0,2; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8 dan Sr, Ca pada La1-x(Sr,Ca)xFeO3-δ (LSCFO) dengan x

= 0,1; 0,3 dan 0,5 telah dilakukan dengan menggunakan metode sol gel. Struktur

kristal senyawa hasil sintesis ditentukan dengan difraksi sinar-X dan karakterisasi

morfologi permukaan serta komposisi unsur-unsur dalam sampel dilakukan

dengan SEM/EDX. Dari hasil pengukuran difraksi sinar-X pada LSFO dengan x =

0,2 diketahui bahwa senyawa ini memiliki struktur ortorombik dengan grup ruang

Pbnm sementara LSFO dengan x = 0,4; 0,5; 0,8 memiliki struktur rombohedral

dengan grup ruang R3c. Adapun senyawa LSCFO dengan x = 0,1; 0,3 dan 0,5

menunjukkan struktur ortorombik dengan grup ruang Pbnm. Data SEM/EDX

menunjukkan bahwa semakin besar nilai x pada LSFO dan LSCFO, ukuran

partikel menjadi semakin kecil. Sifat konduktivitas listrik diukur dengan

menggunakan metode 4 titik (four point probes method) dalam rentang suhu dari

50 oC sampai 375 oC. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa konduktivitas

tertinggi diperoleh pada LSFO dengan x = 0,2 dan LSCFO dengan x = 0,1.

Kata kunci: perovskit, metode sol gel, difraksi sinar-X, SEM/EDX,

konduktivitas

ABSTRACT

STRUCTURAL ASPECT AND THE CONDUCTIVITY OF

La1-x(Sr,Ca)xFeO3-δ AS CHATODE FOR SOLID OXIDE FUEL CELL

By

Mauritz P.M. NIM: 20506019

Synthesis of La1-xSrxFeO3-δ (LSFO), with x = 0,2; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8 and La1-

x(Sr,Ca)xFeO3-δ (LSCFO), with x = 0,1; 0,3; and 0,5, have been carried out by sol-

gel method. Crystal structure of LSFO and LSCFO were analyzed using X-ray

diffractometer (XRD) and grain morphology, elements composition were studied

by SEM/EDX. From XRD characterisation, LSFO, x = 0,2, had an orthorombic

perovskite structure with space group Pbnm, x = 0,4; 0,5; 0,6; 0,8 had

rhombohedral structures with space group R3c. Mean while, LSCFO with x = 0,1;

0,3 and 0,5 had orthorombic structures with space group Pbnm. The result of

SEM/EDX indicated that particle size of LSFO and LSCFO decreased with

increasing x. The electrical conductivity as a function of temperature was

measured by four point probes method in the range of 51 oC-375 oC. The results

showed that the highest conductivity of LSFO was that of x = 0,2 and LSCFO was

that of x = 0,1.

Keyword : Perovskite, sol-gel method, X-rays diffraction, SEM/EDX,

conductivity.

PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS

Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut

Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta

ada pada pengarang dengan mengikuti HaKI yang berlaku di Institut Teknologi

Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau

peringkasan hanya dapat dilakukan seizing pengarang dan harus disertai dengan

kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya.

Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin

Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung

DAFTAR ISI

ABSTRAK ………………………………………………………….. i

ABSTRACT ………………………………………………………… ii

PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS ………………………………. iii

DAFTAR ISI ………………………………………………………... iv

DAFTAR LAMPIRAN ……………………………………………... x

DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI …………………………... xi

DAFTAR TABEL …………………………………………………... xiii

DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG ……………………….. xiv

Bab I Pendahuluan ……………………………………………… 1

I.1 Latar Belakang Penelitian ………………………………… 1

I.2 Tujuan Penelitian …………………………………………. 2

I.3 Pentingnya Penelitian …………………………………… 2

I.4 Ruang Lingkup Penelitian ………………………………… 3

I.5 Sistematika Tesis …………………………………………. 3

Bab II Tinjauan Pustaka …………………………………………. 4

II.1 Sel Bahan Bakar Padatan …….………………………....... 4

II.2 Elektroda pada Sel Bahan Bakar Padatan………………… 6

II.2.1 Katoda ......................................................………….. 6

II.2.2 Anoda ........................................................…………. 7

II.3 Elektrolit .....................……………………………………. 7

II.4 Perovskit ……………………….......................................... 8

II.5 Difraksi Sinar-X ………………………………………….. 10

II.5.1 Difraktometer Serbuk ………………………………. 12

II.6 SEM dan EDX ……………………………………………. 13

II.7 Metode Sol Gel …………………………………………… 15

II.8 Konduktivitas Listrik ……………………………………… 17

II.8.1 Konduktivitas Ionik .................................................... 17

II.8.2 Metode 4 Titik (Four Point Probes Method) 19

Bab III Metodologi Penelitian ……………………………………. 22

III.1 Tahap penelitian ………………………………………….. 22

III.2 Tempat penelitian ……………………………………….. 22

III.3 Alat dan Bahan ………………………………………….. 23

III.4 Prosedur Penelitian ……………………………………… 24

III.4.1 Prosedur Sintesis ………………………………… 24

III.4.2 Karakterisasi ………..…………………………… 26

III.4.2.1 Difraksi Sinar-X Serbuk ………………… 26

III.4.2.2 SEM dan EDX ………………………….. 26

III.4.2.3 Pengukuran Konduktivitas Listrik ……... 27

Bab IV Hasil dan Pembahasan ……………………………………. 28

IV.1 Hasil Sintesis dan Penentuan Struktur Senyawa …………. 28

IV.2 Hasil Analisis SEM/EDX …………………...............……. 41

IV.3 Hasil Pengukuran Konduktivitas Listrik .....………………. 43

Bab V Kesimpulan dan Saran ……………………………………. 47

V.1 Kesimpulan ……………………………………………….. 47

V.2 Saran ………………………………………………………. 48

DAFTAR PUSTAKA ………………………………………………. 49

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran A Data PDF beberapa senyawa ……………………… 52

Lampiran B Data edx dan prosentase jumlah massa unsur dalam

senyawa ……………………………………………

55

Lampiran C Perhitungan konduktivitas berdasarkan metode 4

titik (four point probes) …………………………..

61

DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI

Gambar II.1 Skema suatu sel bahan bakar sederhana. Aliran

elektron dari anoda ke katoda menghasilkan energi listrik .........................................................................

5

Gambar II.2 Struktur kisi dari kristal perovskit CaTiO3. Pada gambar bagian kiri penekanan koordinasi Ca adalah 12 oleh O, sementara pada bagian kanan ditekankan koordinasi Ti adalah 6 oleh O yang membentuk oktahedral. ...........................................……….........

9

Gambar II.3 Sebuah elektron dari tingkat energi 2p jatuh ke tingkat energi 1s yang kosong (□) dan pancaran energinya dihasilkan sebagai sinar-X………………

10 Gambar II.4 Spektrum emisi sinar-X dari suatu logam,

contohnya logam tembaga ........................................

11 Gambar II.5 Difraksi sinar-X pada kisi kristal. λ adalah panjang

gelombang sinar-X, d adalah jarak antar kisi kristal, θ adalah sudut datang sinar ………………..

11 Gambar II.6 Skema alat difraktometer sinar-X serbuk. Tabung

sinar-X akan memancarkan sinar-X yang difokuskan untuk mengenai kristal dan detektor melakukan scan ke sekeliling sampel untuk merekam berbagai pola difraksi sinar-X ......................................

12 Gambar II.7 Pola difraksi sinar-X serbuk pada senyawa

perovskit La0,8Sr0,2FeO3-δ ………………………….

13 Gambar II.8 Alat yang digunakan pada pengukuran SEM/EDX

JEOL JSM 35-C di Pusat Survei Geologi, Laboratorium Geologi, Bandung ..............................

15 Gambar II.9 Bagan rangkaian metode 4 titik (four point probes).

2 buah kabel bagian luar untuk mengalirkan arus (I) dan 2 buah kabel lainnya bagian dalam untuk mengukur tegangan (V). …………………………...

19 Gambar IV.1 Pola difraksi sinar-X pada struktur perovskit

LaFeO3 ......................................................................

29 Gambar IV.2 Pola difraksi sinar-X sebelum refinement dari La1-

xSrxFeO3-δ (atas) dan La1-x(Sr,Ca)xFeO3-δ (bawah) ..

30 Gambar IV.3 Pola difraksi sinar-X pada senyawa perovskit

La0,8Sr0,2FeO3-δ dari data PCPDFWIN (PDF, 82-1960) ………………………………………………

31 Gambar IV.4 Plot Le Bail untuk La0,8Sr0,2FeO3-δ (a) dan

La0,6Sr0,4FeO3-δ (b). Tanda berwarna hitam merupakan data pengamatan hasil difraksi sinar-X, garis merah adalah hasil kalkulasi, garis vertikal berwarna biru adalah posisi Bragg yang

diharapkan, garis hijau adalah perbedaan antara hasil kalkulasi dan data hasil pengamatan difraksi sinar-X (perbedaan antara tanda berwarna hitam dengan garis merah)..................................................

32 Gambar IV.5 Plot Le Bail untuk La0,5Sr0,5FeO3-δ (a),

La0,4Sr0,6FeO3-δ (b) dan La0,2Sr0,8FeO3-δ (c). ……….

34 Gambar IV.6 Grafik volume sel senyawa LSFO 1 (x = 0,2),

LSFO 2 (x = 0,4), LSFO 3 (x = 0,5), LSFO 4 (x = 0,6) dan LSFO 5 (x = 0,8) terhadap bertambahnya nilai (x). ....................................................................

36 Gambar IV.7 Plot Le Bail LSCFO 6 (a), LSCFO 7 (b), dan

LSCFO 8 (c) .............................................................

36 Gambar IV.8 Grafik volume sel senyawa LSCFO 6 (x = 0,1),

LSCFO 7 (x = 0,3) dan LSCFO 8 (x = 0,5) terhadap komposisi ion stronsium dan kalsium (x). Dengan meningkatnya komposisi x menyebabkan volume sel semakin kecil .........................................

40 Gambar IV.9 Gambar SEM dari a) LSFO (1), b) LSFO (3), c)

LSFO (5), d) LSCFO (6), e) LSCFO (7), dan f) LSCFO (8) dengan perbesaran 10.000X …………..

41 Gambar IV.10 Grafik konduktivitas listrik senyawa LSFO (a) dan

LSCFO (b) ...............................................................

44

DAFTAR TABEL

Tabel II.1 Perbedaan bagian alat dalam mikroskop elektron

(SEM) dengan mikroskop optik …………………...

14

Tabel II.2 Batas nilai konduktivitas spesifik untuk

karakterisasi material ...............……………………

18

Tabel II.3 Nilai faktor koreksi, F(w/s), berdasarkan

perbandingan tebal sampel dengan jarak rata-rata

antarelektroda ...........................................................

20

Tabel III.1 Data massa zat pereaksi sintesis LSFO dan

LSCFO……………………………………………...

25

Tabel IV.1 Komposisi awal sintesis LSFo dan LSCFO ………. 28

Tabel IV.2 Parameter sel dari La1-xSrxFeO3-δ ……………........ 35

Table IV.3 Zat pengotor pada senyawa hasil sintesis La1-

xSrxFeO3-δ ……………………………………........

37

Tabel IV.4 Parameter sel dari La1-x(Sr,Ca)xFeO3-δ ……………. 39

Tabel IV.5 Zat pengotor pada senyawa hasil sintesis La1-

x(Sr,Ca)xFeO3-δ …………………………………….

40

Tabel IV.6 Perbandingan komposisi massa unsur-unsur dalam

senyawa La1-xSrxFeO3-δ dan La1-x(Sr,Ca)xFeO3-δ

berdasarkan kalkulasi dan pengukuran EDX ..……

43

Tabel IV.7 Nilai konduktivitas dan energi aktivasi LSFO dan

LSCFO …………………………………………….

45

DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG

SINGKATAN Nama Pemakaian pertama kali pada halaman

AC Alternativing Current 19

AFC Alkaline Fuel Cell 5

DC Direct Current 19

EDX Energy Dispersive X-ray Spectrometry 3

LCD Liquid Crysttal Display 14

LSC La1-xSrxCoO3-δ 6

LSCF (La,Sr) (Co,Fe)O3 6

LSCFO La1-x(Sr,Ca)xFeO3-δ 2

LSCFO (6) La0,9Sr0,1Ca0,1FeO3-δ 24

LSCFO (7) La0,7Sr0,3Ca0,3FeO3-δ 24

LSCFO (8) La0,5Sr0,5Ca0,5FeO3- 24

LSCV La0,8Sr0,2Cr0,97V0,03O3 7

LSFO La1-xSrxFeO3-δ 1

LSFO (1) La0,8Sr0,2FeO3-δ 24

LSFO (2) La0,6Sr0,4FeO3-δ 24

LSFO (3) La0,5Sr0,5FeO3-δ 24

LSFO (4) La0,4Sr0,6FeO3-δ 24

LSFO (5) La0,2Sr0,8FeO3-δ 24

LSV LaxSr1-xVO3-δ 7

MCFC Molten Carbonate Fuel Cell 5

PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell 5

PDF Powder Diffraction File 26

PEM Proton Exchange Membrane 5

SEM Scanning Electron Microscopy 3

SOFC Solid Oxide Fuel Cell 1

XRD X-Rays Diffraction 4

YSZ Zr0,92Y0,08O2 7

YZT Y0,2Ti0,18Zr0,62O1,9± 7

LAMBANG

a Panjang satu sel satuan 26

Å Angstrom, satuan panjang gelombang 10

b Panjang satu sel satuan 26

c Panjang satu sel satuan 26

d Jarak antar sisi kristal 12

Ea Energi aktivasi, eV 17

ei muatan elektron, 1,6 x 10-19 C 18

eV Elektron volt, satuan untuk energi aktivasi 45

F(w/s) Faktor koreksi 20

I Kuat arus, Ampere 19

kB Konstanta Boltzman , 8,6174.10-5 ev 18

ni Jumlah pembawa muatan spesi i 18

P b n m Grup ruang untuk struktur kristal

ortorombik

32

Rp Kecocokan hasil refine data XRD dengan

perhitungan

31

Rwp Kecocokan hasil refine data XRD dengan

perhitungan

31

R 3 c Grup ruang untuk struktur kristal

rombohedral

33

s Jarak rata-rata antarelektroda, cm 20

S cm-1 Siemen per centimeter, satuan untuk

konduktivitas

35

T Temperatur, Kelvin 18

V Volume sel satuan 32

V Tegangan, Volt 19

w Ketebalan sampel, cm 20

Z Jumlah molekul dalam satu sel satuan 32

θ Sudut datang sinar pada kisi kristal 12

λ Panjang gelombang sinar datang pada kisi

kristal

12

ρ Tahanan sampel, Ohm.cm 20

ρe Kerapatan muatan elektron 18

μi Mobilitas ionik 18

π Tetapan (3,14) 20

σ Konduktivitas listrik, S/cm 18