Nationalgeographic.co.id—Tim ilmuwan di Jepang saat ini telah mengembangkan membran elektrolit polimer (PEM) asam sulfonat densitas ultra tinggi baru untuk sel bahan bakar berbasis hidrogen. Pengembangan tersebut merupakan proyek yang ditugaskan oleh Organisasi Pengembangan Teknologi Industri dan Energi Baru (NEDO).
Para peneliti di Nagoya University di Jepang kemudian mengembangkan membran elektrolit polimer atau PEM berbasis poli (asam stirenasulfonat) dengan kelompok asam sulfonat dengan kepadatan tinggi.
Penelitian tersebut telah dijelaskan di Applied Polymer Materials dengan judul "Synthesis of a Cross-Linked Polymer Electrolyte Mem."
Untuk diketahui, polimer adalah molekul raksasa (makromolekul) yang terbentuk dari susunan ulang ratusan bahkan ribuan molekul sederhana yang disebut monomer.
Salah satu komponen kunci sel bahan bakar elektrolit polimer yang ramah lingkungan adalah membran elektrolit polimer (PEM) yang dapat menghasilkan energi listrik melalui reaksi antara gas hidrogen dan oksigen.
Membran polistiren ikatan silang tersulfonasi, salah satu membran elektrolit polimer berbasis hidrokarbon (PEM), biasanya disintesis melalui sulfonasi polistiren ikatan silang.
Namun, sulit untuk membuat polistiren ikatan silang tersulfonasi dengan tingkat sulfonasi tinggi, yaitu fraksi mol unit asam stirenasulfonat (fsSA) yang tinggi, dengan menggunakan metode sintetik konvensional.
Contoh sel bahan bakar praktis termasuk sel bahan bakar (FCV) kendaraan dan sistem gabungan panas dan daya sel bahan bakar (CHP).
Membran elektrolit polimer (PEM) yang paling terkenal adalah membran berdasarkan polimer asam perfluorosulfonat, seperti Nafion, yang dikembangkan oleh DuPont pada tahun 1960-an.
Nafion adalah suatu fluoropolimer-kopolimer berbasis tetrafluoroetilena tersulfonasi yang ditemukan pada akhir tahun 1960-an oleh Walther Grot dari DuPont.
Polimer ini merupakan kelas polimer sintetik pertama dengan sifat ionik yang disebut ionomer. Nafion telah menerima cukup banyak perhatian sebagai konduktor proton untuk membran pertukaran proton (PEM) sel bahan bakar karena stabilitas termal dan mekanik yang sangat baik.
DuPont de Nemours, Inc., biasa disebut sebagai DuPont, adalah sebuah perusahaan asal Amerika yang dibentuk melalui penggabungan Dow Chemical dan E. I. du Pont de Nemours and Company pada tanggal 31 Agustus 2017, serta pemisahan Dow Inc. dan Corteva.
Sebelum melakukan pemisahan, perusahaan ini merupakan produsen bahan kimia dengan total penjualan terbesar di dunia.
Untuk penelitian ini, membran elektrolit polimer (PEM) itu memiliki konduktivitas proton yang baik sebesar 0,1 S per sentimeter pada 70-90 derajat celsius dalam kondisi lembab. Dalam kondisi ini, proton dapat dilepaskan dari gugus asam sulfonat.
Konduksi proton dalam membran tersebut biasanya bergantung pada mekanisme transpor proton antara proton, gugus asam sulfonat, dan molekul air.
Biasanya, semakin tinggi kerapatan gugus asam sulfonat dalam membran, semakin tinggi kerapatan proton yang dapat dilepaskan dari gugus asam sulfonat.
Oleh karena itu, kerapatan yang lebih tinggi dari gugus asam sulfonat biasanya menghasilkan konduktivitas proton yang lebih tinggi.
Namun, menggunakan proses sintesis konvensional, sulit untuk mensintesis membran elektrolit polimer (PEM) dengan kepadatan tinggi gugus asam sulfonat.
Misalnya, untuk meningkatkan densitas gugus asam sulfonat dalam membran elektrolit polimer (PEM) berbasis poli (asam stirenasulfonat), reaksi sulfonasi harus dilakukan selama berjam-jam atau dalam kondisi yang parah.
Proses tersebut biasanya menggunakan zat pengoksidasi tinggi, seperti asam sulfat berasap dan asam klorosulfonat.
Sayangnya, hal ini menyebabkan reaksi samping yang tidak diinginkan, seperti pembelahan rantai tulang punggung polimer.
Oleh karena itu, untuk menghindari reaksi samping yang tidak diinginkan selama sintesis polimer, membran elektrolit polimer (PEM) yang tersedia secara komersial biasanya disintesis untuk memiliki gugus asam sulfonat dengan densitas rendah.
Untuk membran elektrolit polimer (PEM) berbasis Nafion atau poli(asam stirenasulfonat) yang tersedia secara komersial seperti Selemion oleh AGC, kapasitas penukar ion (IEC), indeks kerapatan gugus asam, biasanya kurang dari 1,0 meq./g.
Dalam makalah tersebut, Atsushi Noro dan timnya di Sekolah Pascasarjana Teknik, University of Nagoya dan dari Institutes of Innovation for Future Society juga University of Nagoya, telah mengembangkan membran elektrolit polimer (PEM) berbasis poli (asam stirenasulfonat) dengan kepadatan kelompok asam sulfonat yang sangat tinggi.
Baca Juga: Inovasi Membuat Hidrogen Langsung dari Air Laut Tanpa Perlu Desalinasi
Baca Juga: Sains Terbaru, Batas Emisi Gagal Jika Hidrogen Tak Digunakan Efisien
Baca Juga: Hentikan Kebiasaan Membakar Sampah Plastik! Ketahui Dampaknya
Baca Juga: Seperti Apa Kebijakan Dekarbonisasi untuk Menghadapi Krisis Iklim?
IEC PEM adalah 5,0 mequiv./g. Ini lima kali lebih tinggi daripada IEC dari PEM yang tersedia secara komersial seperti Nafion atau Selemion.
Konduktivitas protonnya pada 80 derajat celsius di bawah 90 persen RH (kondisi operasi umum untuk sel bahan bakar elektrolit polimer) adalah 0,93 S/cm. Ini enam kali lebih tinggi dari konduktivitas Nafion (0,15 S/cm) atau Selemion (0,091 S/cm) di bawah kondisi pengukuran yang sama.
Sel bahan bakar masa depan harus dioperasikan di bawah kondisi operasi yang lebih parah seperti suhu yang lebih tinggi dan kelembapan yang lebih rendah.
Studi ini akan berkontribusi pada sintesis dan pengembangan PEMs berkinerja lebih tinggi generasi berikutnya yang menunjukkan konduktivitas yang baik sebesar 0,1 S/cm atau lebih tinggi di bawah kondisi parah tersebut. Studi ini juga akan berkontribusi pada tujuan mencapai masyarakat nol karbon bersih.