Pengembangan Elektrokatalis Pemecah Air Untuk Produksi Hidrogen

Utama, Riski Agung Nata (2025) Pengembangan Elektrokatalis Pemecah Air Untuk Produksi Hidrogen. Doctoral thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 7008222012-Disertation.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only Download (9MB) | Request a copy

Abstract

Water electrolysis is a zero-emission hydrogen production technology that has reached a relatively mature stage, capable of generating high-purity hydrogen. The water-splitting process involves the hydrogen evolution reaction (HER) and the oxygen evolution reaction (OER), both of which require efficient and cost-effective electrocatalysts, such as metal oxide-based materials, to accelerate their kinetics. CuO, with its narrow band gap and appropriately positioned conduction band edge, can absorb visible light and is well-suited for HER. In this dissertation, CuO was synthesized via anodization of copper, followed by electrodeposition of ZnO on its surface to enhance charge transfer and photocathode stability. The resulting CuO/ZnO heterojunction exhibited improved electrocatalytic activity for HER and good resistance to photocorrosion. Furthermore, this research developed an OER electrocatalyst in the form of nickel ferrite (NiFe₂O₄), synthesized electrochemically using a sacrificial iron anode in a nickel-based salt solution. During synthesis, NiFe₂O₄ formed via a magnetite phase transformation, where Ni²⁺ ions diffused into the magnetite structure and replaced Fe²⁺ ions. The high-purity NiFe₂O₄ nanoparticles achieved an electrochemically active surface area (ECSA) of approximately 240.0 cm² and a relatively low Tafel slope of 135 mV dec⁻¹. To scale up production, a flow reactor was used for continuous electrochemical synthesis, reaching steady-state after 90 minutes with a particle formation rate of \~156 mg cm⁻² h⁻¹—about 5.2 times higher than the batch process—and yielding high-purity nanoparticles at a synthesis voltage of 63 V. When applied as an electrocatalyst, NiFe₂O₄ significantly enhanced OER performance, as indicated by the highest charge transfer coefficient (αₐ = 0.545) and the largest ECSA (666.25 cm²). These results demonstrate that the electrochemical synthesis approach developed in this dissertation is not only efficient and environmentally friendly, but also highly promising for advancing sustainable hydrogen production technologies.
======================================================================================================================================
Elektrolisis air merupakan salah satu teknologi untuk produksi hidrogen bebas emisi yang sudah cukup matang untuk dapat menghasilkan hidrogen dengan kemurnian tinggi. Reaksi pemecahan molekul air terdiri dari reaksi evolusi hidrogen (HER) dan reaksi evolusi oksigen (OER), yang keduanya perlu dipercepat menggunakan elektrokatalis yang berkinerja baik dengan harga yang relatif murah seperti elektrokatalis dari golongan logam oksida. Memiliki karakteristik celah pita yang sempit dan tepi pita konduksi yang sesuai, CuO mampu menyerap cahaya tampak serta cocok untuk menjalankan reaksi evolusi hidrogen (HER). Pada penelitian disertasi ini, CuO disintesis dengan metode anodisasi Cu yang dilanjutkan dengan elektrodeposisi ZnO pada permukaan CuO untuk meningkarkan transfer muatan dan stabilitas fotokatoda HER. Heterojungsi CuO/ZnO yang telah disintesis mampu meningkatkan aktivitas elektrokatalitik dari HER dengan kestabilan yang baik terhadap fotokorosi. Selanjutnya, pada penelitian disertasi ini, elektrokatalis OER yang dikembangkan adalah nikel ferit (NiFe2O4) yang disintesis secara elektrokimia menggunakan anoda Fe yang dikorbankan di dalam larutan elektrolit garam berbasis nikel. Pada proses sintesis ini, nikel ferit terbentuk melalui transformasi fasa magnetit, dimana ion Ni2+ di dalam larutan berdifusi ke dalam magnetit menggantikan ion Fe2+. Luas permukaan aktif (ECSA) dari nanopartikel NiFe₂O₄ dengan kemurnian tinggi mencapai sekitar 240.0 cm2 dengan nilai Tafel slope terhadap reaksi OER yang cukup rendah sekitar 135 mV dec-1. Keberhasilan sintesis nanopartikel nikel ferit dengan metode elektrokimia secara batch ini kemudian dilanjutkan dengan upaya peningkatan proses produksi nanopartikel ke skala komersil. Reaktor alir digunakan untuk melakukan sintesis nanopartikel nikel ferit dengan metode elektrokimia secara kontinu. Pada teknik ini, proses kontinu mencapai kesetimbangan setelah 90 menit proses dijalankan dengan laju pembentukan partikel mencapai ~156 mg cm-2 h-1, sekitar 5,2 kali lipat lebih besar dari laju pembentukan partikel pada proses sintesis secara batch. Nanopartikel nikel ferit dengan kemurnian tinggi juga diperoleh pada proses ini pada sintesis dengan voltase 63 V. Pada saat diaplikasikan sebagai elektrokatalis, NiFe2O4 berhasil meningkatkan kinerja OER pada proses pemecahan air yang diindikasikan oleh nilai koefisien transfer muatan (αa) paling tinggi (0,545) dan luas permukaan aktif secara elektrokimia paling besar (666,25 cm2). Hasil-hasil yang telah diperoleh menegaskan bahwa pendekatan sintesis elektrokimia yang digunakan dalam disertasi ini tidak hanya efisien dan ramah lingkungan, tetapi juga menjanjikan untuk pengembangan sistem produksi hidrogen berkelanjutan di masa depan

Item Type:	Thesis (Doctoral)
Uncontrolled Keywords:	elektrokimia, reaktor alir, CuO/ZnO, NiFe2O4, HER, OER, electrochemistry, flow reactor
Subjects:	T Technology > TP Chemical technology > TP248 Nanogels. Nanoparticles. T Technology > TP Chemical technology > TP255 Electrochemistry, Industrial.
Divisions:	Faculty of Industrial Technology and Systems Engineering (INDSYS) > Chemical Engineering > 24001-(S3) PhD Thesis
Depositing User:	Riski Agung Nata Utama
Date Deposited:	04 Aug 2025 11:59
Last Modified:	04 Aug 2025 11:59
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/125198

Actions (login required)

View Item