Categories
Kawan Alam Nanoteknologi & Material Riset & Inovasi

Metode SCC-DFTB untuk Komputasi Kerangka Kerja Kimia Kuantum

Tangerang Selatan, Humas BRIN. Pusat Riset Fisika Kuantum – Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN) menyelenggarakan Kolokium Fisika Kuantum BRIN, pada Jumat (9/9). Kolokium daring yang diangkat adalah SCC-DFTB Method for Computational Quantum Chemistry Framework oleh Wahyu Dita Saputri dari PR Fisika Kuantum.

Dita mengatakan metode SCC-DFTB (Self Consistent Charge – Density Functional Tight Binding) merupakan metode komputasi yang dapat digunakan untuk mengidentifikasi sifat struktur dan dinamika dari suatu material atau senyawa kimia. “Metode SCC-DFTB merupakan aproksimasi dari metode DFT sehingga dapat mengakomodir sifat struktur elektronik suatu material/senyawa,” papar alumnus S3 UGM.

Dirinya menjelaskan kelebihan dari metode SCC-DFTB adalah proses perhitungannya yang relatif lebih cepat dibandingkan metode ab initio. “Metode ini dapat diaplikasikan pada beberapa framework, seperti kalkulasi energi, dinamika elektron, transfer elektron, dinamika molekuler, dan lain-lain,” jelas periset kelahiran tahun 1993.

Sebagai informasi, acara Kolokium yang diikuti oleh mahasiswa, dosen, dan peneliti ini diselenggarakan dua kali setiap bulannya, dengan menghadirkan pembicara dari internal  PR Fisika Kuantum BRIN maupun pembicara tamu dari luar BRIN. Topik yang disajikan sangat beragam terkait berbagai fenomena kuantum, baik dari ranah fundamental, hingga aplikasi teknologi dari cabang fisika partikel hingga ke fisika material. (hrd/ ed: adl)

Categories
Nanoteknologi & Material Riset & Inovasi Uncategorized

Aplikasi Material Metal Oksida Nanostruktur untuk Produksi Hidrogen Ramah Lingkungan

Tangerang Selatan, Humas BRIN. Gerald Ensang Timuda, periset Pusat Riset Material Maju – Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN), pada Selasa (16/7) mempresentasikan risetnya berjudul “Aplikasi Material Metal Oksida Nanostruktur untuk Produksi Hidrogen Ramah Lingkungan”. Topik riset tersebut dipresentasikan pada webinar ORNAMAT seri #7 tahun 2022 di lingkungan  Organisasi Riset Nano Teknologi dan Material BRIN

Dalam paparannya, Gerald menyampaikan alasan melakukan riset material nanostruktur untuk produksi hidrogen. Gerald menjelaskan bahwa riset ini merupakan salah satu bagian dari upaya untuk menciptakan Energi Baru dan Terbarukan (EBT). “Penggunaan energi berbasis fosil di Indonesia ketersediaannya semakin menipis dan juga polusi yang dihasilkan, sehingga diperlukan upaya efisiensi dan alternatif sumber energi baru,” ujarnya.

“Kami memilih hidrogen sebagai salah satu solusi bahan bakar, karena kita memiliki teknologi berbasis hidrogen untuk menghasilkan listrik yang kita kenal dengan fuel cell. Teknologi ini hanya menghasilkan produk samping berupa air, uap air dan panas, jadi sangat ramah lingkungan,” tutur Gerald.

Bagaimana Hidrogen Diproduksi?

Hidrogen dapat diperoleh dengan berbagai macam metode. Yang paling umum digunakan disebut Steam Methane Reforming. Prosesnya adalah dengan mereaksikan gas metana dengan uap air (steam)  bersuhu tinggi (700 – 1000 oC) pada tekanan sekitar 3-25 bar. Tetapi permasalahan dari metode ini adalah gas metana berasal dari gas alam yang berarti masih termasuk sumber bahan bakar fosil, dan dalam prosesnya menghasilkan gas-gas rumah kaca seperti CO dan CO2 selain gas hidrogen. 

Metode popular lain adalah elektrolisis air. Molekul air (H2O) dipecah menjadi gas oksigen (O2) dan gas hidrogen (H2) menggunakan energi listrik. Permasalahan utama dari proses ini adalah energi yang dibutuhkan untuk memecah air menjadi gas hidrogen dan oksigen selalu lebih tinggi dibandingkan proses sebaliknya. Sehingga, tidak masuk akal jika hidrogen hasil elektrolisis air dijadikan sumber energi listrik.

“Oleh karena itu, perlu digunakan sumber energi lain untuk memecah molekul air”, ujar Gerald. Metode yang dikembangkan oleh Gerald dan timnya adalah dengan memanfaatkan energi surya sebagai sumber energinya, yang dikenal dengan sistem Photoelectrochemical Water Splitting.

Permasalahan Intermittency

Konversi energi surya umumnya menjadi listrik menggunakan sel surya (solar cell). Tetapi ada permasalahan intermittency. Yaitu, energi matahari bersinar siang hari, tetapi kebutuhan energi yang sangat tinggi itu terjadi di malam hari. Jadi tidak ada ketidakcocokan di sini. 

Ketidakcocokan kebutuhan energi ini membutuhkan adanya teknologi sekunder seperti teknologi baterai untuk menyimpan listrik hasil konversi sel surya. Alternatif lain adalah penyimpanan energi dalam bentuk gas hidrogen. Hidrogen bisa dikonversi kapan saja menjadi listrik kembali menggunakan piranti seperti fuel cell, sehingga bisa mencukupi kebutuhan energi di waktu-waktu ketika pasokan energi matahari tidak ada atau kurang optimal.

Pasokan energi dari matahari cukup melimpah

Penggunaan energi surya untuk produksi hidrogen sangat potensial karena pasokan energi dari matahari sangat berlimpah. Pasokan energi matahari ke permukaan bumi dapat mencapai 10.000 kali konsumsi energi global. Oleh karena itu, secara ideal, jika sumber energi dari matahari ini bisa dikonversi dengan priranti yang memiliki efisiensi 10%, maka perlu menutupi permukaan bumi sebesar 0,1 % saja untuk dapat mencukupi kebutuhan energi global. Dalam skala lokal, menutupi daerah kurang lebih seluas ibu kota baru, cukup untuk memenuhi kebutuhan energi nasional. 

Produksi Hidrogen dengan Energi Surya

Gerald dan tim memproduksi hidrogen sendiri dengan bantuan energi surya yaitu menggunakan energi matahari ini sendiri, untuk mengaktifkan salah satu elektroda dari alat elektrolis air. “Dengan elektroda ini yang menyerap energi dari matahari dan memecah hidrogen atau oksigen yang ada di air secara langsung,” menurut Gerald.

Terknologi ini, Gerald dan tim menamakan sistem Photoelectrochemical (PEC) Water Spliting, yang sedang dikembangkan dalam beberapa tahun terakhir.

Prinsip PEC Water Spliting

Prinsip PEC Water Spliting adalah, saat cahaya matahari yang masuk ke sistem maka cahaya matahari akan diserap oleh suatu material aktif (fotoabsorber). Material fotoabsorber di sini adalah material semikonduktor yang memiliki level energi konduksi dan valensi yang bersesuaian dengan level energi reduksi maupun oksidasi air sehingga mampu menghasilkan gas hidrogen dan oksigen. 

Setelah energi cahaya diserap oleh material absorber sebagai foto-anoda, elektron yang ada di level valensi dari material tersebut akan tereksitasi menuju level konduksi, dan meninggalkan hole di level valensi. Hole ini akan mengoksidasi air sehingga molekul air terpisah menghasilkan gas oksigen dan ion H+. Elektron tereksitasi di level konduksi akan dikeluarkan ke rangkaian eksternal menuju katoda, dan digunakan untuk mereduksi ion H+ dan menghasilkan gas hidrogen.  

Mengapa Perlu Nanostruktur?

Struktur nano sangat dibutuhkan agar bisa diperoleh luas permukaan yang tinggi sehingga semakin banyak lokasi terjadinya reaksi pemecahan air. Oleh karena itu, perlu dipertimbangkan pula sifat listrik material setelah menjadi struktur nano.

Hambatan listrik bisa menjadi lebih tinggi setelah berstruktur nano dibandingkan bulk-nya, misalnya untuk jenis mesoporous nanoparticle. Hal ini mengakibatkan berkurangnya elektron yang tersedia untuk reaksi reduksi air sehingga produksi hidrogen juga menurun.

“Untuk meningkatkan sifat listrik, pengembangan struktur 1D atau 2D seperti nanorod atau nanosheet menjadi pilihan, meskipun dengan trade-off luas permukaan yang semakin kecil,” ujar periset muda ini.

Nanostruktur Metal Oksida di PEC Water Splitting 

Beberapa contoh aplikasi nanostruktur untuk beberapa jenis material metal oksida, antara lain:

Zinc oxide atau seng oksida (ZnO)

Pada paper Electrochemistry Communications 13 (2011) 1383-1386, dijelaskan perbedaan antara dua nanostruktur ZnO untuk PEC Water Splitting, yaitu nanotube dan nanosheet. Nanosheet menghasilkan photocurrent yang lebih tinggi dari nanotube. Respon photocurrent adalah respon arus yang dihasilkan ketika foto-anoda semikonduktor disinari cahaya. Ini adalah salah satu cara mendeteksi sifat foto-anoda yang baik.

Paper Nano Energy 20 (2016) 156-167 juga mempelajari perbedaan berbagai nanostruktur ZnO, dan dalam hal ini orientasi kristal dari permukaan material yang terekspos ke air juga dipelajari: nanosheet dengan orientasi (002), nanorod (100), dan nanopiramida (101). Pada penelitian ini juga didapatkan bahwa struktur nanosheet dengan orientasi (002) menghasilkan photocurrent terbesar.

Dari kedua contoh di atas, telah diperlihatkan pentingnya nanostruktur yang tepat untuk aplikasi PEC Water Splitting. Kami juga melakukan penelitian ke arah ini. Dari paper yang sebelumnya mereka membuat nanosheet dengan posisi lembaran (sheet)-nya sejajar dengan permukaan substrat, sekarang kami mencoba membuat nanosheet yang lembarannya tegak lurus terhadap substrat (berdiri). Harapannya, nanosheet dapat ditumbuhkan ke atas (semakin tinggi) sehingga luas permukaannya juga semakin tinggi. 

“Hasil penelitian kami ini telah kami publikasikan di AIP Conf.Proc.2382 (2021) 020006. Selain itu kami juga mengembangkan metode baru untuk sintesis serbuk ZnO sehingga menghasilkan struktur unik spiked-nanosheet. Aplikasi serbuk ini sebagai PEC Water Splitting telah kami laporkan di ‘The 6th International Symposium on the Frontier of Applied Physics (ISFAP 2021)’, di mana prosidingnya akan dipublikasikan dalam waktu dekat ini,” urai Gerald.

Titanium dioxide (TiO2

Material semikonduktor metal oksida lain yang mirip dengan ZnO dari segi level energi dan bandgap adalah TiO2. Untuk aplikasi sebagai foto-anoda sistem PEC Water Splitting, berbagai jenis nanostruktur telah dilaporkan, antara lain nanoparticle, nanotube, nanorod, nanotube dan nanorod bercabang, dsb. (Small (2019) 1903378). Respon photocurrent yang lebih besar diperoleh untuk struktur dengan luas permukaan tinggi seperti nanotube dan nanorod bercabang.

Bismuth Vanadate (BiVO4

Kedua material yang sudah diterangkan di atas, ZnO dan TiO2, hanya mampu menyerap cahaya ultraviolet (UV) dari sinar matahari. Padahal, cahaya UV hanya bagian kecil dari spektrum cahaya matahari. Spektrum cahaya tampak, yang merupakan porsi terbesar, tidak bisa diserap. Untuk meningkatkan efektivitas penyerapan, perlu dikembangkan material yang mampu menyerap cahaya tampak, seperti Bismuth Vanadate (BiVO4)

Material ini termasuk yang tertinggi efesiensinya di golongan metal oksida untuk aplikasi foto-anoda PEC Water Splitting. Paper Nature Communication 6 (2015) 8769 melaporkan struktur BiVO4 nanoporous nano-coral dan mendapatkan efisiensi yang tertinggi di kelasnya.

Hematit (Fe2O3

Material metal oksida lain yang memiliki spektrum penyerapan cahaya tampak adalah hematit (Fe2O3). Paper Nanoscale Horiz 1 (2016) 243-267 menjelaskan berbagai nanostruktur hematit untuk aplikasi PEC Water Splitting, seperti nanorod, dendrites, nanocone, cauliflower, dan nanosheet. Salah satu permasalahan hematit adalah mudahnya elektron tereksitasi kembali ke level semula (dikenal dengan rekombinasi). Sehingga, sintesis menjadi struktur nano selain untuk meningkatkan luas permukaan juga untuk meningkatkan sifat transportasi elektronnya. Di antara berbagai nanostruktur di atas, struktur nanocone dan cauliflower termasuk yang tertinggi respon photocurrent-nya.

Struktur hybrid 

Selain pengembangan nanostruktur, Gerald dan timnya juga mengembangkan struktur hybrid atau heterostruktur antar metal oksida.

“Hal ini berfungsi untuk melebarkan spektrum cahaya matahari yang bisa diserap oleh material. Material nanostruktur seperti ZnO dan TiO2 memiliki sifat fotoelektrik yang baik, namun hanya mampu menyerap spektrum ultraviolet (UV) dari cahaya matahari. sementara kita ingin penyerapan bisa sampai di visible,” kata Gerald.

“Di sisi lain, Fe2O3 memiliki spektrum penyerapan di cahaya tampak, tetapi sifat transport elektronnya kurang baik sehingga hanya sedikit elektron yang bisa dimanfaatkan untuk mereduksi air. Dengan struktur hybrid diharapkan sifat transportasi elektron meningkat sehingga elektron yang dihasilkan dari penyerapan cahaya tampak bisa lebih banyak tersedia untuk reduksi air,” pungkasnya. (hrd/ ed. adl)

Categories
Nanoteknologi & Material Riset & Inovasi

Optimasi Tensile Strength Property dari Komposit PP/Clay Dipreparasi dalam Twin Screw Extruder

Tangerang Selatan, Humas BRIN. Yogi Angga Swasono, periset Pusat Riset Teknologi Polimer – Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN), pada Selasa (14/6) mempresentasikan risetnya berjudul ‘The Optimization of  Tensille Strength Property of  Polypropylene/Clay Composite Prepared in a Twin Screw Extruder’ (Optimasi Sifat Tensile Strength Polypropylene/Clay yang Dipreparasi Menggunakan Alat Twin Screw Extuder). Topik riset tersebut dipresentasikan pada webinar ORNAMAT seri #4 tahun 2022 di lingkungan Organisasi Riset Nano Teknologi dan Material BRIN.

Riset ini dimulai dari pengertian  komposit itu sendiri secara dominan terdiri dari polimer sebagai matriks dan serat atau filler (pengisi) sebagai material untuk penguat. Ada pun aplikasi untuk komposit polimer ini ada di beberapa bidang antara lain: otomotif, aeronautical, material untuk bangunan, peralatan rumah tangga, dan kemasan.

Keunggulan dari komposit polimer ini adalah resistensi terhadap korosi, lebih mudah proses manufakturnya, ringan, kuat, dan ductile sifatnya.

Lalu polypropylene (PP) adalah salah satu jenis termoplastik polimer yang digunakan sebagai matriks dalam komposit polimer. Kemudian clay atau tanah liat, digunakan luas sebagai filler pada komposit polimer. 

Ada beberapa keunggulan PP dibandingkan dengan termoplastik polimer lainnya antara lain kemudahan dalam prosesnya, rigidity yang baik, murah biaya produksinya, ringan, dan memiliki sifat mekanis yang baik. 

Sedangkan keunggulan dari penggunaan clay pada komposit, antara lain memiliki rasio area permukaan dan volume yang besar, reaktivitas yang tinggi, struktur lapisannya yang berskala nano, penggunaannya yang rendah atau komposisinya yang rendah yang digunakan untuk komposit, dan peningkatan mechanical properties dari polimer yang ditambahkan clay

Di samping keunggulan-keunggulan PP dan clay, terdapat tantangan atau yang perlu diperhatikan dalam pencampuran atau penggabungan PP dan clay, antara lain dispersi, clay dalam matriks PP, kemudian ikatan antara PP dan clay itu sendiri, kemudian penggunaan dari compatibilizer atau kopling agent, lalu komposisi dari PP Clay dan compatibilizer, serta kondisi dari proses.

Lalu setelah dilakukan studi literatur, Yogi menemukan beberapa jenis compatibilizer itu sendiri, antara lain polypropylene-methyl polyhedral oligomeric silsesquioxane (PP-POSS), styrene-ethylene-butylene-styrene block copolymer grafted maleic anhydride (SEBS-g-MA), dan polypropylene grafted maleic anhydride (PP-g-MA).

Yogi menjelaskan dari beberapa jenis compatibilizer, PP-g-MA memiliki peningkatan mekanikal properti yang paling baik dari komposit PP Clay dibandingkan dengan jenis compatibilizer lainnya. Sehingga pada riset ini digunakan PP-g-MA sebagai compatibilizer atau penghubung antara PP yang memiliki sifat hidrofobik dan clay yang memiliki sifat yang lebih hidrofilik.

“Dari beberapa literatur-literatur yang telah distudi, ada tiga parameter proses yang mempengaruhi kenaikan dari tensile strength polimer atau komposit polimer . Pertama, rasio clay, dan compatibilizer sebagai penghubung antara PP dan clay, kedua, temperatur proses, dan ketiga screw speed atau kecepatan pengadukan,” terang Yogi.

“Ada tiga material yang digunakan pada riset ini antara lain: Pertama, polypropylene (PP) sebagai matrik dalam polymer composites. Kedua, clay sendiri sebagai filler/reinforcement agent yang mengandung 25 – 50% organic compound. Ketiga, Polypropylene-grafted-Maleicanhydride (PP-g-MA) sebagai compatibilizer/penghubung antara PP dengan clay,” jelas Yogi.

Preparasi Sampel

Berdasarkan studi literatur yang dilakukan Yogi, ada tiga variabel untuk preparasi sampel antara lain rasio, kecepatan putar screw atau kecepatan pengadukan, dan temperatur proses. 

“Dari ketiga variabel ini saya atur level-level per variabel yaitu rasionya 1:1, 1:2, dan 1:3. Untuk screw speed-nya saya variasikan dari 30, 40, dan 50 rpm, lalu temperatur dari 180, 200, dan 220 0C,” kata Yogi.

“Dari tiga variabel dan tiga level dari variasi ini, dihasilkan kurang lebih ada 15 sampel untuk variasi, rasio, kecepatan, dan temperatur,” lanjutnya.

Tahapan dari riset yang lakukan, yaitu PP, clay, dan 6 wt % dari PPgMA, dicampur menggunakan twin screw extruder, kemudian terbentuklah komposit PP/Clay. Lalu komposit PP/Clay yang dihasilkan dari twin screw extruder dicetak menggunakan alat injection molding, sehingga memenuhi standar ASTM D-638 spesimen pengujian ASTM D-638, kemudian dilakukan pengujian  tensile strength.

Setelah didapatkan data-data dari pengujian tensile strength dari 15 sampel tersebut dilakukan optimasi menggunakan software Minitab 16. Yang terakhir dilakukan analisis dari struktur clay yang berada didalam matrik PP itu menggunakan alat analisis XRD.

Hasil

Hasil dari 15 sampel yang telah diuji tensile strength, didapatkan nilai terendah untuk nilai tensile strength rata-rata sebesar 30,359 N/mm2, kemudian yang tertinggi nilai tensile strength rata-rata sebesar 32,353 N/mm2. Jika dilihat ke-15 sampel dengan tidak ditambahkan clay dan tidak ditambahkan PPgMA, maka nilai dari tensile strength rata-ratanya sebesar 27,895 N/mm2.

“Dengan penambahan clay dan adanya compatibilizer di dalam komposit clay ini, meningkatkan sifat tensile strength dari 30,359 N/mm2 yang paling rendah sampai 32,353 N/mm2,” ungkap Yogi.

Lanjutnya, dari ke-15 data tensile strength ini diolah menggunakan software Minitab16, kemudian dihasilkan data-data untuk Analysis of Variance (Anova) yang dihasilkan antara lain rasio clay compatibilizer (X1), screw speed (X2), dan temperatur (X3).

X1, X2, X3 yang merupakan suku-suku yang terdapat di polynomial equation. Kemudian polynomial equation digunakan untuk proses response optimizer dalam menentukan titik optimum dari variasi yang dilakukan di riset ini.

Dari Anova didapatkan 4 suku yang berpengaruh signifikan antara lain rasio clay compatibilizer (X1), screw speed (X2), kemudian X1*X1 yang merupakan kuadratik dari komponen/suku X1, serta  X1*X2 yang merupakan koefisien untuk interaksi antara rasio Clay/compatibilizer (X1) dan Screw speed (X2).

Selain penentuan secara Anova, dilakukan uji lack of fit atau kesesuaian model dengan kesesuaian data-data tensile strength dengan model yang dihasilkan. Jadi lack of fit yang dihasilkan pada model ini memiliki nilai sebesar 0,379 artinya di atas nilai confidence level (0,05) sehingga persamaan polinomial dapat digunakan untuk memprediksi nilai tensile strength.

Optimasi

Setelah dilakukan analisis Anova, lalu dilakukan response optimizer dengan menggunakan software Minitab dihasilkan faktor atau variabel rasio dari clay compatibilizer sebesar 1:1,25, lalu variabel screw speed sebesar 60 RPM, dan temperatur proses di suhu 2200C dihasilkan nilai dari sampel verfikasi tersebut adalah sekitar 32,84 N/mm2.

“Nilai composite dari PP clay yang dihasilkan sebesar 32,84 N/mm2 didapat pada rasio clay compatibilizer sebesar 1:1,25 , lalu screw speed 50 rpm, dan temperatur proses di 220 0C sebagai kondisi yang optimum,” papar periset muda ini.

Hasil yang terakhir adalah analisis dari struktur clay di dalam PP dilakukan dengan menggunakan analisis XRD. 

Dengan dianalisis dari program XRD pada karakteristik clay mengalami penurunan intensitas pada 2-theta 3,53 deg, kemudian pergeseran puncak ke sudut 2 theta yang lebih kecil/rendah, dan perubahan dari jarak antar lapisan (d-spacing change) di dalam clay

Oleh karena adanya difusi dari PP, lapisan-lapisan yang ada di dalam struktur clay itu mengalami perubahan dengan semakin bertambah jarak antar lapisan. Hal ini terkonfirmasi dari nilai jarak antar lapisan ini mengalami peningkatan jika sebelum ditambahkan PP, yaitu sekitar 24,8 Å menjadi 31,5 Å , artinya bertambah tebal atau bertambah tinggi jarak antar lapisannya. Pun demikian dengan sampel verifikasi yang mengalami perubahan ketebalan lapisan sebesar 34,1 Å

“Dari hasil XRD dikonfirmasi bahwa peningkatan dari tensile strength disebabkan oleh adanya lapisan-lapisan clay yang terinterkalasi atau bertambah tebal lapisan clay-nya,” tutur alumni Teknik Kimia UGM tahun 2021. (hrd/ ed: adl)

Categories
Nanoteknologi & Material Riset & Inovasi

Sistem Pemantauan Gerakan Tanah Terhubung Jaringan Sensor Nirkabel

Tangerang Selatan, Humas BRIN. Suryadi, periset Pusat Riset Fotonik – Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN), pada Selasa (17/5) memapaparkan penelitiannya yang berjudul ‘Sistem Monitoring Gerakan Tanah Terhubung Jaringan Sensor Nirkabel’. Topik riset tersebut dipresentasikan pada webinar ornamat seri #2 tahun 2022 di lingkungan Organisasi Riset Nano Teknologi dan Material BRIN.

Indonesia diberkahi banyak kelebihan terkait dengan lokasi geografis yang berada di daerah tropis. Namun demikian, dibalik anugrah yang cukup besar tersebut juga tersimpan potensi bencana yang cukup besar. 

Dilansir oleh Badan Nasional Penanggulangan Bencana (BNPB), berdasarkan Peta Indeks Rawan Bencana Indonesia, tahun 1815 – 2015, bahwa hampir seluruh wilayah Indonesia mengalami ancaman bencana yang cukup tinggi. 

“Terkait dengan bencana gerakan tanah atau tanah longsor kalau mengacu pada data dari BNPB, dari tahun 2010-2015, dari sisi kejadian itu mencapai 20,2%, dibandingkan dengan total bencana kejadian yang terjadi. Kemudian dari sisi korban jiwa, yaitu mencapai 25,4%,” ujar Suryadi.

Gerakan tanah merupakan salah satu jenis bencana yang sangat tinggi bahayanya. Dengan frekuensi kejadian yang cukup tinggi, serta dapat menyebabkan terjadinya korban jiwa maupun kerusakan infrastruktur. 

Akibat dari gerakan tanah, maka sangat diperlukan suatu upaya untuk bisa mereduksi risiko yang mungkin terjadi. Oleh karena itu, perlu adanya pengembangan sistem pemantauan yang harapannya bisa menjadi dasar pengambilan keputusan untuk menekan risiko bencana.

Selain bencana akibat gerakan tanah itu sendiri, bahkan ketika bencana itu sudah terjadi, masih terdapat adanya risiko yaitu yang disebabkan oleh longsor susulan.  Longsor susulan biasanya kurang menjadi konsen karena mungkin tanggap darurat berfokus pada pencarian korban, sehingga kewaspadaannya menjadi lebih rendah. 

“Dari kasus gerakan tanah serta risiko longsor susulan, maka perlu adanya suatu sistem mobile yang dapat digunakan untuk pemantauan jangka pendek, misalkan ketika operasi tanggap darurat,” ucapnya.

Dari kasus sangat berbahayanya gerakan tanah,  Suryadi dan tim melakukan riset yang terkait dengan sistem monitor gerakan tanah antara lain merancang dan membangun sistem monitor gerakan tanah. Sistem monitor dikembangkan dengan beberapa jenis sensor pendukung antara lain sensor ekstensometer, tiltmeter, maupun modul analog.

Kemudian mengembangkan perangkat gateway yang menjadi koordinator dalam implementasi jaringan sensor nirkabel. Gateway dilengkapi suatu aplikasi monitor berbasis web untuk memudahkan proses monitor.

Periset fotonik ini juga mengembangkan perangkat mobile yang dapat digunakan dalam proses tanggap darurat. Perangkat mobile tersebut karakteristiknya mudah dipindahkan, serta mendukung operasi monitor jangka pendek.

Selanjutnya juga melakukan beberapa karakterisasi maupun pengujian dari sensor maupun sistem yang dikembangkan. 

Teori Gerakan Tanah

Gerakan tanah adalah suatu gerakan menuruni lereng baik berupa tanah, batuan, maupun material organik yang diakibatkan oleh pengaruh gaya gravitasi. Untuk jenis-jenis gerakan tanah itu sendiri ada berbagai macam jenis antara lain: translasi (flow), rotasi (slump), pergerakan blok (slide), runtuhan batu (fall), rayapan tanah (creep), dan robohan (topple).

Dari sisi penyebabnya, gerakan tanah dikategorikan oleh faktor alami seperti kenaikan air pori karena curah hujan tinggi, maupun kegiatan manusia seperti modifikasi lereng, penebangan pohon, dan sebagainya.

Jaringan Sensor Nirkabel

Jaringan sensor nirkabel (wireless sensor network) adalah suatu jaringan sensor yang biasanya secara spasial terpisah namun saling terhubung secara nirkabel.

“Jaringan sensor nirkabel biasanya bekerja untuk memonitor parameter-paramenter fisis lingkungan, yang kemudian data hasil monitor itu dapat dikirim ke suatu lokasi terpusat, hingga dapat dimonitor dari lokasi yang berbeda,” kata Suryadi.

Di sisi topologi sebenarnya jenis jaringan sensor nirkabel yang sudah dikembangkan sangat banyak, namun yang cukup terkenal antara lain star, mesh, dan tree.

Berikutnya, salah satu protokol pada jaringan sensor nirkabel yang banyak digunakan adalah Zigbee

Zigbee adalah suatu protokol yang mengacu pada standar IEEE 802.15.4. Protokol ini dapat beroperasi pada beberapa pita tidak berlisensi antara lain 2,4 GHz, 900 MHz, dan 868 MHz. 

Dalam jaringan ini, ada tiga peran yang dapat diperankan oleh suatu simpul sensor, yaitu:

  1. Koordinator yang berfungsi untuk membentuk jaringan dan mengatur rute lalu lintas data. 
  2. Router yang mempunyai kemampuan untuk meneruskan (routing) informasi dari suatu perangkat ke perangkat yang lain.
  3. End Device yang hanya dapat berkomunikasi dengan perangkat induk mereka, baik koordinator maupun router.

Dari sisi power, peran koordinator maupun router harus selalu menyala (on), karena berfungsi untuk meneruskan informasi. Sedangkan end device pada waktu tertentu mampu sleep/non-aktif untuk menghemat energi. 

Sistem Monitor Gerakan Tanah

Sistem monitor gerakan tanah yang Suryadi bersama tim kembangkan terdiri dari beberapa jenis sensor (modul sensor, tiltmeter, ekstensometer, dan gateway + alarm), yang biasanya di dalam satu lokasi yang secara spasial itu terpisah. “Masing-masing sensor ini mempunyai suatu fungsi untuk mengukur parameter yang berkaitan dengan fenomena gerakan tanah,” jelas Suryadi.

Ia memaparkan bahwa beberapa sensor (modul sensor, tiltmeter, dan ekstensometer), terhubung secara nirkabel dengan suatu perangkat gateway. Dari perangkat gateway ini kemudian data diteruskan melalui jaringan internet ke server yang fungsinya untuk menyimpan data. 

Biasanya server ini juga dilengkapi dengan aplikasi monitor berbasis web, sehingga memudahkan proses monitor maupun analisa data. Kemudian data yang ada di server bisa diakses dari lokasi mana pun, selama tersedia jaringan internet.

Beberapa komponen sistem monitor gerakan tanah antara lain SSN ekstensometer, SSN tiltmeter, SSN analog, gateway, server, dan clients.

Suryadi dan tim melihat perangkat yang disebut sebagai Simpul Sensor Nirkabel (SSN) atau wireless node ini, sebagai suatu perangkat sensor yang mengukur suatu parameter tertentu. Lalu yang dikembangkan oleh Suryadi dan tim menjadi tiga jenis SSN.

Pertama adalah SSN Analog, suatu perangkat yang memberikan suatu antar muka (interface) untuk sensor-sensor komersial seperti kadar air tanah, tekanan air pori, yang biasanya belum bisa Suryadi dan tim bangun sendiri. Kemudian yang kedua adalah SSN Ekstensometer yang berfungsi untuk mengukur pergeseran pada permukaan tanah. Berikutnya adalah SSN Tiltmeter yang berfungsi untuk  mengukur kemiringan akibat gerakan tanah.

Untuk sisi perangkat lunaknya, secara umum hanya menunggu permintaan dari gateway. Jika ada permintaan, perangkat lunak SSN akan merespon dengan nilai sensor saat itu. Sementara desain PCB Simpul Sensor Nirkabel (SSN), didesain dalam suatu desain PCB universal untuk ketiga modul yaitu SSN analog, SSN ekstensometer, dan SSN tiltmeter.

Hasil pengembangan SSN Analog prinsip utamanya adalah analog to digital converter (ADC). Sensor komersial yang mempunyai output dalam bentuk tegangan maupun arus, bisa dihubungkan ke modul untuk diintegrasikan ke dalam sistem monitor gerakan tanah.

Dari hasil pengembangan untuk SSN Ekstensometer, prinsip kerjanya adalah menggunakan wire potensiometer. Ketika terjadi pergeseran, kawat akan memutar potensiometer yang kemudian perubahan resistansi yang terjadi diubah menjadi perubahan tegangan yang dibaca oleh modul sensor, dan ditransmisikan ke gateway. 

Untuk tiltmeter, sensing unit-nya menggunakan akselerometer untuk mengukur kemiringan dalam kondisi relatif diam, yaitu ketika gaya yang dominan bekerja hanya percepatan gravitasi. Sehingga perubahan  kemiringan terbaca melalui perubahan percepatan yang dialami sensor.

Perangkat keras gateway disusun oleh suatu single board computer (SBC) sebagai komponen utama, kemudian dilengkapi dengan mikrokontroler (MCU) untuk  pencatat curah hujan serta pemicu alarm, baik sirine dan lampu rotari. 

Pada perangkat gateway ada dua transceiver, yaitu transceiver nirkabel untuk komunikasi dengan sensor, sedangkan modem router untuk komunikasi dengan server.

Pada diagram alir perangkat lunak gateway terdiri dari SBC dan MCU, di mana pada SBC setiap interval tertentu akan megirimkan perintah untuk membaca data dari sensor, kemudian data yang terkumpul dikirim ke server. Sementara pada MCU berfungsi untuk mengukur curah hujan, maupun menyalakan alarm dari server.

Untuk hasil pengembangan gateway ada mainboard dari sistem gateway, kemudian diinstalasi di dalam boks panel. Berikutnya, untuk power supply menggunakan panel surya dan baterai.  

Aplikasi Monitor Berbasis Web

Untuk melengkapi sistem monitor, tim Suryadi mengembangkan aplikasi monitor berbasis web. Aplikasi ini dilengkapi dengan halaman masuk (log in) untuk bisa mengakses data-data yang ada di dalam aplikasi tersebut. 

Selain itu, dilengkapi dengan halaman dashboard, ketika pengguna sudah berhasil log in, maka akan tampil halaman yang  menampilkan lokasi dari stasiun monitor yang sedang di monitor. Selain itu dilengkapi status dari masing-masing stasiun apakah sedang aktif atau tidak.

Selanjutnya terdapat halaman data secara real time dalam bentuk grafik maupun dalam bentuk tabel. Selain data yang sifatnya real time, juga dapat mengakses data-data yang sifatnya historis.

“Pada aplikasi halaman data, kita bisa mengatur data dalam rentang yaitu mulai dari kapan sampai kapan, kemudian juga bisa kita tampilkan dalam bentuk bagan maupun tabel,” tuturnya.

Aplikasi monitor juga bisa melakukan konfigurasi terhadap masing-masing sensor yang tergabung dalam sistem monitor. Kemudian juga dilengkapi dengan halaman untuk mengaktifkan alarm pada stasiun yang diinginkan. “Jadi kita bisa memicu alarm dari jarak jauh,” kata Suryadi.

Hasil Pengembangan Mobile Gateway

“Sistem monitor yang kami lakukan sebelumnya bersifat stasioner, jadi biasanya dipasang pada suatu lokasi yang diketahui rawan gerakan tanah/tanah longsor. Kemudian monitor dilakukan dengan harapan bisa mendeteksi lebih dini ketika terjadi tanda-tanda adanya gerakan tanah.  Sedangkan sistem yang ditampilkan berikut ini adalah mobile gateway,” ungkap Suryadi.

Suryadi menambahkan, sebenarnya mobile gateway berfungsi sebagai suatu perangkat yang bisa dengan mudah dipindahkan untuk melakukan monitor gerakan tanah. 

Lebih lanjut, jika dikomparasikan dengan sistem stasioner, mobile gateway diwujudkan dalam suatu perangkat yang kompak dalam bentuk koper, serta dilengkapi dengan komputer mini dan monitor. 

“Dengan menggunakan komputer mini dan monitor, keduanya fleksibel bisa menggunakan baterai, listrik, maupun panel surya, sehingga bisa digunakan untuk memonitor misalkan dalam kasus tanggap darurat. Nanti ketika sudah selesai bisa dibawa pulang kembali,” terangnya.

Ada beberapa karakterisasi sensor yang tim Suryadi lakukan, antara lain karakterisasi SSN analog dengan melihat respon ADC-nya cukup linear. Kemudian untuk karakterisasi SSN Ekstensometer juga memperoleh hubungan yang linear antara displacement terhadap hasil pembacaan ADC nya. Dari hasil pengukuran didapatkan resolusi pengukurannya kurang lebih 0.018 mm.

Tim Suryadi juga mengkarakterisasi SSN Tiltmeter dengan suatu inclinometer acuan, yang targetnya adalah memperoleh resolusi sebesar 0,10 dalam rangka -30 s.d. 300. Suryadi menjelaskan dari hasil perhitungan bahwa sistem yang dikembangkan itu memenuhi untuk karakteristik yang diinginkan, serta responnya juga cukup linier.

Pengujian Komunikasi Nirkabel

Tim Suryadi juga melakukan pengujian komunikasi nirkabel melalui pengujian dengan bantuan dari software uji yaitu XCTU (Xbee Configuration and Test Utility). Dengan software tersebut tim Suryadi  melakukan dua pengujian. 

Yang pertama yaitu range test untuk mengukur/menguji jangkauan serta kualitas antara dua transceiver, dengan melakukan variasi jaraknya antara 20, 57, 168 yang merupakan kondisi line-of-sight, dan 170 meter merupakan non line-of-sight. 

Untuk jarak 170 meter ini, dilakukan dalam kondisi ada penghalang serta variasi paketnya adalah 50 dan 84 byte.

Yang kedua melakukan throughput test untuk mengukur rasio transfer antara dua transceiver di jaringan yang sama. Di sini dilakukan beberapa variasi jarak juga antara lain 20, 40, 57, 168, dan 170 meter. Di mana 170 meter juga dalam kondisi ada penghalang. Serta variasi paketnya adalah 100, 150, 160, dan 170 byte.

Dalam pengujian komunikasi nirkabel secara umum untuk kondisi line-of-sight atau tanpa penghalang itu hasilnya cukup bagus, hampir tidak ada paket yang loss, namun ketika ada penghalang antara dua transceiver maka komunikasinya menjadi tidak reliable.

Sementara untuk pengaruh jarak sesuai dengan yang diuji pada pengujian range test. Jadi ketika ada penghalang, maka hasilnya menjadi tidak bagus, dan terlihat untuk variasi ukuran payload yang 150-160 byte itu ada peningkatan. Namun untuk yang diujicobakan sebesar 170 byte terjadi penurunan. 

“Dari hasil throughput test menjadi sebagai acuan praktis, kalau bisa ukuran payload-nya tidak lebih dari 160 byte,” sebut Suryadi.

Implementasi di Lapangan

Ada beberapa contoh implementasi atau pengujian di lapangan seperti di Pangalengan. Tim Suryadi melakukan monitor di daerah Pangalengan dengan memasang empat node sensor dan satu gateway.

Berikutnya, juga melakukan uji coba di Cipularang KM 100 yang pada tahun 2013 pernah terjadi longsor di lokasi tersebut.

Tim Suryadi juga melakukan uji coba di Jembatan Cisomang yang waktu itu mengalami pergeseran, dengan memasang node sensor dan gateway untuk memonitor struktur jembatan.

Selain itu, tim juga melakukan pemasangan di daerah Banjarnegara – Jawa Tengah. Di sini pemasangan dilakukan pada lokasi perkampungan yang pernah mengalami longsor pada tahun 2016. (hrd/ ed: adl)

Categories
Riset & Inovasi

Manfaatkan Hasil Riset, BRIN Fasilitasi Kerja Sama Lisensi

Tangerang Selatan, Humas BRIN. Forum Fasilitas Alih Teknologi (FFAT) 2022, telah berhasil memfasilitasi proses penandatanganan perjanjian kerja sama lisensi antara Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN) dengan sejumlah mitra. Acara hybrid yang bertempat di Auditorium Gedung 71, Kawasan Sains Teknologi Serpong ini, berlangsung selama dua hari pada Rabu dan Kamis (15-16/6).

Edi Hilmawan, Direktur Alih dan Sistem Audit Teknologi BRIN yang menjadi ketua pelaksana acara, melaporkan bahwa Forum Fasilitas Alih Teknologi 2022 ini merupakan kelanjutan acara tahun 2021. “Acara ini bertujuan untuk memfasilitasi antara para periset dengan pengguna teknologi, sekaligus sebagai bentuk transfer pengetahuan dan kerjasama riset untuk mencapai proses kerjasama dan nota kesepahaman antara BRIN dengan industri,” ungkapnya.

Senada dengan hal tersebut, Hendrian, Plt. Deputi Bidang Pemanfaatan Riset dan Inovasi BRIN saat membuka acara ini memberikan arahan agar Forum Fasilitas Alih Teknologi dapat terus dilakukan setiap tahunnya. “Dengan acara ini proses transfer pengetahuan antara periset dengan pengguna teknologi bermanfaat untuk pertumbuhan ekonomi bangsa,” ujarnya.

Di hadapan peserta daring dan luring, Hendrian mengapresiasi 15 hasil riset untuk dimanfaatkan maupun 21 industri yang melakukan kerja sama dengan Pusat Riset BRIN. Sebagai informasi, turut hadir 21 mitra industri, 5 orang narasumber dari BRIN, BPOM, dan Kementerian Pertanian. 

Selama dua hari, peserta FFAT 2022 bisa berdiskusi dalam Temu Bisnis Bidang Pertanian dan Pangan, mengenai alih teknologi, hilirisasi produk, pengujian produk, inovasi produk pertanian dan pangan, serta dampak ekonomi kerja sama lisensi, bersama para pakar di bidangnya.

Daftar penandatanganan perjanjian kerja sama lisensi adalah sebagai berikut:

  1. BRIN dengan PT Nusa Etta Wahida

Judul Invensi : Tepung Kuning Telur Ayam Kampung dan Proses Pembuatannya

Nomor Paten : P00202009432

Pusat Riset : Pusat Riset Teknologi dan Proses Pangan

Invensi ini yaitu metode pembuatan tepung kuning telur ayam kampung. Tepung kuning telur berbentuk bubuk berwarna kuning, memiliki aroma khas kuning telur, dengan fungsi sama seperti kuning telur segar. Dapat diaplikasikan sebagai elemen pemberi rasa, dalam berbagai jenis makanan dan minuman untuk mendapatkan rasa kuning telur.

2. BRIN dengan PT Biosains Medika Indonesia

Judul Hak Cipta : Aplikasi SRIKANDI (Sistem Rekam Uji Klinis Andalan Indonesia)

Nomor Hak Cipta : EC00202178028

Pusat Riset : Pusat Riset Komputasi

SRIKANDI adalah platform berbasis web untuk manajemen data uji klinis dari perancangan e-CRF, akuisisi data uji klinis, verifikasi dan monitoring uji klinis, manajemen produk uji klinis, hingga sampai dengan analisis data uji klinis. SRIKANDI mendukung uji klinis yang dilakukan dibeberapa fasyankes dengan protokol uji klinis yang sama. Dengan sistem ini, uji klinis dapat mencapai akurasi, kepatuhan regulasi, dan kecepatan.

3. BRIN dengan CV Nusantara Jaya

Judul Invensi : Metode Pembakaran Pada Ketel Uap Pipa Api Horisontal Yang Termodifikasi (Retrofitted) Dan Ketel Minyak Pipa Api Vertikal Menggunakan Briket Biomass-Coal Fuel

Nomor Paten : P00202105269

Pusat Riset : Pusat Riset Sumber Daya Geologi

Invensi ini adalah metode optimasi dan substitusi batu bara pada ketel uap/boiler pipa api horisontal termodifikasi (retrofitted) dan ketel minyak pipa api vertikal dengan menggunakan briket Biomass-Coal Fuel. Komposisinya yakni unburnt coal, biomassa dari sampah dedaunan, pepohonan, tanaman maupun sampah rumah tangga yang telah difermentasi, tepung kanji, dan air. 

Pada paten ini meliputi dua klaim, klaim 1 adalah metode pembakaran pada ketel uap pipa horisontal yang termodifikasi (retrofitted), serta ketel minyak pipa api vertikal menggunakan briket biomass-coal fuel, yang terdiri dari tahapan memasukkan bahan bakar ke dalam ruang bakar ketel uap, menutup pintu ruang bakar pada ketel uap, kemudian mempertahankan suhu dan tekanan operasi ketel uap. Klaim 2 adalah tahap memasukkan bahan bakar ke dalam ketel uap meliputi pencampuran batubara dan briket Biomass-Coal Fuel.

Kemudian dalam acara yang sama, dilakukan pula penandatanganan nota kesepahaman BRIN dengan Perusahaan Umum Percetakan Uang Republik Indonesia (PERURI). Pihak BRIN diwakili oleh Hendrian dan dari PERURI diwakili oleh Fajar Rizki, Direktur Pengembangan Usaha. (ade, ris/ ed: adl)

Categories
Nanoteknologi & Material Riset & Inovasi

Perangkat Fotokalitik untuk Konversi Energi dan Transformasi Kimia

Tangerang Selatan, Humas BRIN. Hanggara Sudrajat, periset Pusat Riset Fisika Kuantum – Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN), pada Selasa (17/5) menceritakan penelitiannya yang berjudul ‘Perangkat Fotokatalitik untuk Konversi Energi dan Transformasi Kimia’. Topik riset tersebut dipresentasikan pada webinar ornamat seri #2 tahun 2022 di lingkungan  Organisasi Riset Nano Teknologi dan Material BRIN.

Hanggara mempresentasikan satu contoh fotokatalis yaitu karbon nitrida (CN) ermuat tembaga oksida, yaitu Cu(I)Ox-C3N4, yang digunakan pada fotoreaktor mikrofluidik.

Pemanenan Energi Surya

Pemanenan energi surya (solar energy harvesting) memiliki tiga rute utama, yaitu solar electric, solar fuel, dan solar thermal. Topik yang ditekuni Hanggara dan tim yaitu solar fuel atau bahan bakar surya. 

Bahan bakar surya prinsipnya meniru apa yang dilakukan tumbuhan hijau pada fotosintesis alami. “Kami meniru apa yang dilakukan tumbuhan hijau dengan harapan dapat mendapatkan efisiensi yang jauh lebih tinggi. Tumbuhan hijau itu kebanyakan hanya bisa menggunakan cahaya di daerah merah, makanya berwarna hijau. Daerah lain pada cahaya tampak belum termanfaatkan oleh tumbuhan” terang Hanggara.

Fotosintesis Artifisial

Pada fotosintesis alami, tumbuhan hijau mengonversi molekul-molekul berenergi rendah, misalnya karbon dioksida , dan air, menjadi molekul yang berenergi tinggi, misalnya sukrosa, dengan tujuan menyimpan energi dari matahari dalam bentuk ikatan kimia.

“Kita tiru bagaimana kloroplas bekerja pada tumbuhan hijau, dan menggantinya secara artifisial dengan sebuah entitas kimia yang kita sebut sebagai katalis. Karena katalisnya ini bekerja berdasarkan pada penyerapan foton, maka kita sebut saja sebagai fotokatalis. Fotokatalis ini sistemnya bisa homogen maupun heterogen, dan bisa berupa, molekul organik maupun anorganik. Itu bergantung dari opsi kita yang harus disesuaikan dengan target reaksinya dan produk fotokimia seperti apa yang diinginkan,” urai Hanggara.

Biasanya untuk molekul-molekul organik seperti senyawa-senyawa kompleks logam transisi, selektivitasnya tinggi, tetapi kurang stabil. Sedangkan  material anorganik seperti oksida logam selektifitasnya rendah namun stabil.

Pada penelitiannya, fotokatalis lebih kerap digunakan, karena relatif mudah sintesisnya dan murah prekursornya. 

“Karena pada prinsipnya kloroplas pada tumbuhan hijau kita tiru (mimicking) prosesnya secara artifisial menggunakan fotokatalis, maka fotokatalis ini kerap disebut sebagai kloroplas artifisial,” kata Hanggara.

Prinsip Kerja Fotokatalis

Prinsip kerja fotokatalis adalah pemanfaatan eksiton, yaitu elektron dan lubang elektron (hole) yang diproduksi oleh katalis ketika menyerap foton, untuk menjalankan berbagai reaksi fotokimia, misalnya a) pemisahan air (water splitting) untuk menghasilkan bahan bakar hidrogen, b) degradasi polutan dan c) konversi karbon dioksida (CO2) menjadi bentuk-bentuk karbon dioksida tereduksi.

“Jadi pada intinya fotokatalis menyerap partikel cahaya atau foton kemudian digunakan untuk mengeksitasi elekctron dan meninggalkan lubang elektron, sehingga elektron dan lubang elektron bisa kita manfaatkan untuk menjalankan berbagai reaksi fotokimia, “ jelasnya.

Ketika elektron dan lubang elektron terproduksi, mereka berpindah ke permukaan partikel katalis secara acak karena tidak ada bias eksternal yang ditambahkan seperti pada perangkat fotovoltaik. Sehingga elektron dan lubang elektron harus diarahkan dan tidak bertemu kembali (ekombinasi). 

Elektron dan lubang elektron diarahkan ke permukaan katalis oleh katalis lain sehingga kita sebut sebagai ko-katalis.

“Ko-katalis ini sangat penting karena menentukan kuantum efisiensi secara keseluruhan. Di bidang fotokatalisis, banyak orang berusaha dengan beragam cara untuk mengembangkan ko-katalis yang mampu untuk mengekstrak elektron dan lubang elektron secara efisien,” ungkap Hanggara.

Perangkat Fotokatalitik

Contoh perangkat fotokatalitik juga mengikuti perkembangan material fotokatalisnya. Misalnya untuk Solar water splitting ada berbagai opsi seperti sistem fotovoltaik, elektrolisis, fotoelektrokimia, dan fotokatalisis

“Fokus riset kami adalah fotokatalis yaitu sistem yang katalisnya berupa partikel atau serbuk (powdered photocatalyst), dan lapis tipis (photocatalyst sheets). Sistem ini sangat sederhana karena tidak memerlukan bias eksternal. Tinggal memasukkan saja serbuk fotokatalisnya ke dalam air kemudian disinari dengam lampu xenon atau sinar matahari langsung, maka akan segera timbul gelembung-gelembung gas hidrogen dan oksigen,” urai Hanggara.

Cu(I)Ox-C3N4 untuk Fotorekator Mikrofluidik

Kembali ke Cu(I)Ox-C3N4. Hanggara dan tim mengambil satu contoh fotokalis yaitu karbon nitrida ermuat tembaga oksida.

Karbon nitrida adalah polimer organik yang dapat disintesis dari prekursor apa saja yang mengandung nitrogen dan karbon sebagai unsur utamanya, misalnya urea. “Beberapa keunggulan karbon nitrida adalah murah, sangat mudah dipreparasi, komposisi, dan morfologi bisa diatur dengan sangat fleksibel, fotostabil, tidak beracun, dan mudah didapatkan bahan bakunya,” terangnya.

“Komposisi juga bisa kita desain sedemikian rupa, sehingga kita bisa mendapatkan berbagai macam variasi karbon nitrida (CN) dengan struktur dan morfologi yang berbeda dan tentu juga foto aktivitasnya akan menjadi berbeda. Makanya kita bisa mengatur sesuai target reaksinya,” tambahnya.

Sebagai satu contoh misalnya karbon nitrida yang termuat tembaga (I) oksida atau Cu (I) dengan konsentrasi sekitar 8%. Preparasi ini sangat mudah, misalnya pakai urea sebagai prekursornya. Kemudian tinggal dipanaskan saja pada suhu 550 °0C atau suhu berapun di atas 400 °C, untuk mendapatkan berbagai macam struktur, komposisi, dan morfologi yang berbeda. Seperti pada penelitian ini, bisa ditambahkan tembaga untuk meningkatkan fotoaktivitas dari Cu(I)Ox-C3N4.

“Jika kita lihat, ini murah proses produksinya dan mudah didapatkan prekursornya. Dua faktor ini sangat penting untuk langkah selanjutnya, karena murah dan bagus, itu menjadi kunci untuk aplikasi di industri,” ucapnya.

“Kalau tidak murah dan tidak bagus, maka orang tidak bisa menjual, sehingga ketika hasil penelitian ke luar dari lab, dia tidak bisa berlanjut ke industri. Jadi prinsipnya harus semurah mungkin dan sebagus mungkin,” tegas Hanggara.

Struktur Elektronik

Kemudian setelah dideposisi dengan tembaga, kita ingin tahu sebenarnya, apa fungsi tembaga? “Seperti yang saya ungkapkan tadi, tembaga ini cukup murah, jadi jika ternyata bisa meningkatkan performa secara signifikan tentu ini merupakan berita bagus karena bisa menggantikan fungsi logam mulia yang selama ini digunakan sebagai ko-katalis seperti misalnya Pt, Ru, Rh dan Re,” kata Hanggara.

Dengan spektroskopi fotoelektron ultraviolet ternyata diketahui bahwa posisi atau potensial dari pita valensinya (VB) cukup rendah (relatif positif), sehingga bisa mendorong berbagai macam reaksi oksidasi untuk keperluan transformasi kimia.

Kemudian dilihat dengan hard-XAS, ternyata tembaga ini ada dalam bentuk embaga bervalensi satu atau Cu(I) oksida, mirip dengan Cu2O.  

Selanjutnya, soft-XAS, mengindikasikan bahwa spesies tembaga oksida ini lebih dominan berinteraksi dengan nitrogen, dibandingkan dengan karbon pada karbon nitrida host-nya, karena nitrogen memiliki 6 pasangan elektron bebas

Mekanisme Fotoaktivasi

Jadi setelah dievaluasi untuk menghasilkan hidrogen melalui reaksi reduksi proton menghasilkan hidrogen, ternyata tembaga  dapat meningkatkan laju reaksinya beberapa kali.

“Tentu kita ingin tahu kenapa seperti itu,  ternyata setelah melalui tahap karakterisasi dengan berbagai teknik karakterisasi lanjut, diketahui bahwa populasi elektron meningkat namun mobilitas elektronnya menurun. Uniknya, waktu hidup (lifetime) dari elektronnya makin lama,” papar Hanggara.

Karakterisasi lebih lanjut dengan spektroskopi fotoakustik menunjukan bahwa populasi perangkap elektron (electron trap) pada karbon nitrida lebih besar setelah termuat tembaga oksida. “Jadi ini menjawab kenapa elektron populasi lebih tinggi namun mobilitas elektron lebih rendah, dan efeknya adalah waktu hidup elektron lebih lama. Hal ini dikarenakan elektron terperangkap oleh spesies tembaga oksida,” lafalnya.

Waktu hidup elektron yang lebih lama akan menaikan probabilitas elektron untuk bereaksi dengan proton menghasilkan hidrogen,” imbuhnya.

Perangkat Berbasis Mikrofluidik

Hanggara dan tim kemudian mengaplikasikan fotokatalis pada reaktor mikrofluidik untuk menjalankan suatu reaksi fotokimia.

Fotokatalisis Cu(I)Ox-C3N4 pada reaktor mikofluidik berpotensi mewujudkan konsep kimia hijau untuk transformasi kimia yang relevan secara industri. Fotokatalis ini murah produksinya dan memiliki selektivitas tinggi.

Dari riset ini dapat diketahui bahwa Cu(I) spesies ini dapat digunakan sebagai ko-katalis, untuk meningkatkan performa karbon nitrida, dengan cara meningkatkan waktu hidup elektron melalui proses electron trapping  pada perangkap dangkal (shallow trap), sehingga potensial .sebagai pengganti logam mulia seperti Pt, Rh, Ru, dan Re yang mahal dan langka.

“Kami berusaha untuk menggunakan larutan yang ramah lingkungan. Rute transformasi kimia (sintesis organik) secara fotokatalisis (misalnya menggunakandengan Cu(I)Ox-C3N4 ) sangat menjanjikan karena kita hanya menggunakan katalis, cahaya, dan air (sebagai pelarut). Katalisnya juga murah, kemudian cahaya ada di mana-mana. Salah satu tantangan terbesar adalah bagaimana menemukan cara yang efisien dan murah untuk konversi temuan di skala lab ke skala industri, pungkas tim kelompok riset perangkat dan teknologi kuantum. (hrd/ ed: adl)

Categories
Nanoteknologi & Material Riset & Inovasi

Identifikasi Akuifer dengan Interpretasi Model 3D Data Resistivitas

Tangerang Selatan, Humas BRIN. Hilmi El Hafidz Fatahilah, periset Pusat Riset Teknologi Pertambangan – Badan Riset dan Inovasi Nasional, pada Selasa (31/5) memaparkan risetnya yang berjudul ‘Identifikasi Persebaran Formasi Breksi Vulkanik untuk Mengetahui Potensi Air Tanah di Sekitar Area Pertambangan Menggunakan Pemodelan 3D Data Resistivitas’. Topik riset tersebut dipresentasikan pada webinar ORNAMAT seri #3 tahun 2022 di lingkungan  Organisasi Riset Nano Teknologi dan Material BRIN.

Hilmi menjabarkan proses identifikasi formasi batuan breksia vulkanik dalam kaitannya terhadap potensi sebagai akuifer air tanah di area pertambangan. Dalam riset ini digunakan pemodelan tiga dimensi dari data resistivitas bawah permukaan. “Riset yang kami lakukan ini adalah bagian dari riset terpadu hidrogeologi di area pertambangan,” kata Hilmi. 

Riset ini didasari dari kebutuhan untuk menemukan potensi akuifer dalam di area pertambangan untuk kegiatan pendukung dari pertambangan dan kegiatan pemprosesan dari hasil-hasil tambang. “Penelitian ini dilakukan dengan cara mengidentifikasi geometri dan mengestimasi volume dari potensi akuifer area studi, mengimplementasikan pemodelan 3D, serta inversi metode robust untuk studi hidrogeologi ini,” ujar Hilmi.

Penelitian diawali dari studi literatur yang selanjutnya diteruskan dengan pengamatan geologi observasi yang hasilnya diketahui bahwa area studi ini memiliki litologi berupa breksia vulkanik, aglomerat, lava, tuff, dan alluvium. Selain itu tim riset geologi juga melakukan infiltration test, untuk mengetahui batuan mana yang memiliki potensi akuifer. Hasilnya didapatkan bahwa vulkanik memiliki potensi paling kuat untuk menjadi akuifer di area studi ini.

Metode Resistivitas

Pada dasarnya metode resistivitas merupakan metode untuk mengukur tahanan jenis bawah permukaan atau resistivitas bawah permukaan dengan cara menginjeksikan arus melalui elektroda arus lalu mengukur nilai tegangannya melalui elektroda potensial. Setelah diketahui nilai arus yang diinjeksikan dan nilai potensialnya yang terukur, lalu nilai tahanan dan resistansi dihitung. Selanjutnya, nilai resistansi dikalikan dengan nilai faktor geometri untuk mendapatkan nilai tahanan jenis semu (app) bawah permukaan.

Faktor geometri bergantung dengan konfigurasi elektroda yang digunakan. “Elektroda ini dapat diletakkan dalam berbagai macam posisi yang segaris dan dalam penelitian ini kita menggunakan konfigurasi Wenner-Schlumberger. Pada konfigurasi ini terdapat dua elektroda arus yang mengapit dua elektroda potensial,” jelas Hilmi.

Dalam pengukuran resistivitas tersebut, digunakan alat berupa Ares resistivity meter G4, external switchbox, elektroda, kabel multicores  48 channels, dan baterai.

Di PR Teknologi Pertambangan sendiri telah mampu memproduksi kabel multicores 48 channels yang disesuaikan dengan spasi antar elektroda yang dibutuhkan.

Desain Survei

Setelah memahami metode resistivitas, selanjutnya membuat desain survei. “Dari hasil survei geologi, kami tim geofisika membuat rencana lintasan survei di daerah target yang telah ditentukan dan menentukan spasi elektroda sesuai target yang diinginkan. Pada arah northwest-southeast menggunakan spasi elektroda sebesar 15 meter, dan arah northeast-southwest sebesar 20 meter,” papar Hilmi.

Akusisi Data

Setelah desain dan rencana survei terbentuk, kegiatan akusisi data dilakukan. Dalam akusisi data resistivitas, tahapan kegiatan diawali dengan membuat lintasan pengukuran dan memberikan tanda sesuai spasi elektroda yang telah ditentukan. Selanjutnya, kabel dan elektroda dipasang sesuai desain survei dan sesuai tanda yang telah dibuat, lalu kabel dihubungkan dengan switchbox dan konsol resistivitimeter untuk melakukan pengukuran resistivitas bawah permukaan dengan menggunakan konfigurasi elektroda yang telah ditentukan, yaitu menggunakan Wenner-Schumberger.

“Untuk memperoleh keakuratan dalam perhitungan estimasi volume akuiferserta geometri yang tepat dalam pemodelan 3D, kita merekam koordinat setiap elektroda menggunakan GPS Geodetik. Jadi dengan ini kita mendapatkan posisi koodinat X, Y, dan Z secara akurat seningga pemodelan dapat dilakukan dengan baik,” terangnya.

Proses Data Resistivitas

Setelah mengukur resistivitas di semua lintasan, dan merekam posisi elektroda di setiap titik. Selanjutnya dilakukan pemrosesan data resistivitas tersebut.

Kemudian dilakukan interpretasi nilai resistivitas ke dalam litologi berdasarkan literatur yang sudah ada. “Di dalam dunia geofisika kita memiliki literatur tentang nilai tahanan jenis (nilai resitivitas) masing-masing batuan dan kita jadikan acuan. Selain itu, kita juga menggunakan pedoman dari hasil pengamatan geologi(data-data litologi yang ada di area pengukuran) dan dari pengamatan tersebut, breksia vulkanik yang diketahui memiliki nilai resistivitas 0-20 Ωm, agglomerate 21-73 Ωm, dan lava > 73 Ωm,”ungkapnya.

Pemodelan 3D

Pemodelan 3D data resistivitas dilakukan setelah pemrosesan data resistivitas secara 2D pada semua profil lintasan pengukuran. “Dari data 2D persebaran resistivitas yang didapat kemudian kita ekstrak nilai resistivitas sebenarnya (true reisistivity value) dan nilai kedalaman datumnya. Selanjutnya, kami gabungkan dengan koordinat X dan Y dari masing-masing elektroda, lalu kami dapatkan persebaran nilai resistivitas secara 3D,” jelas Hilmi.

Hasil dari pemodelan 3D persebaran nilai resistivitas bawah permukaan selanjutnya diklasifikasikan berdasarkan nilai resistivitas setiap litologi yang telah diinterpretasikan. Interpretasi nilai resistivitas pada model 3D ini memberikan informasi mengenai persebaran litologi bawah permukaan dan geometri litologi bawah permukaan. Model 3D yang telah diinterpretasi ini juga dapat digunakan sebagai acuan dalam pemilihan lokasi lubang sumur.

Selain itu, dari interpretasi data 3D ini, Volume dari batuan breksi vulkanik yang diketahui memiliki potensi besar sebagai akuifer juga dapat dihitung dan didapatkan estimasi volumenya sebesar 122,392,828 m3 m3.

“Selanjutnya dalam penelitian ini, kita berharap dapat melakukan implementasi metode resistivitas dengan beberapa penyesuaian untuk melakukan eksplorasi, tidak terbatas pada hidrologi, tetapi juga pada tipe-tipe deposit dari mineral berharga seperti nikel laterit, endapan sulfida yang memuat banyak mineral berharga, dan tipe deposit mineral berharga lainnya,” harap periset Kelompok Riset Eksplorasi Pertambangan. (hrd/ed:adl)

Categories
Nanoteknologi & Material Riset & Inovasi

Pemanfaatan Terak Feronikel melalui Ekstraksi Piro-Hidro

Tangerang Selatan, Humas BRIN. Agus Budi Prasetyo, periset Pusat Riset Metalurgi – Badan Riset dan Inovasi Nasional, pada Selasa (31/5) menyampaikan penelitiannya yang berjudul ‘Terak Feronikel sebagai Secondary Resources Mineral Berharga melalui Ekstraksi Piro-Hidrometalurgi’. Topik riset tersebut dipresentasikan pada webinar ORNAMAT seri #3 tahun 2022 di lingkungan  Organisasi Riset Nanoteknologi dan Material BRIN.

Agus Budi membagikan pengalamannya terutama di bidang ekstraksi metalurgi khusus untuk sumber daya sekunder. Terak Feronikel merupakan limbah buangan (by product) dari pengolahan feronikel dari nikel laterit yang ada di Indonesia.  “Kami menggunakan proses Ekstraksi Piro-Hidro ini dengan harapan bisa memanfaatkan dari terak tersebut untuk dimanfaatkan bahan-bahan yang masih berharga atau unsur-unsur yang ada di dalam Terak Feronikel,” ujar Agus.

Indonesia merupakan negara yang diberikan suatu cadangan yang melimpah terutama untuk nikel laterit. Menurut sumber USGS tahun 2020, bahwa 24% cadangan nikel di dunia yaitu dari Indonesia.

Salah satu pengolahan yang dilakukan terhadap nikel laterit yaitu proses pembuatan Feronikel dengan proses RKEF (rotary kiln electric furnace) yang dari hasil proses tersebut menghasilkan produk samping berupa terak feronikel.

“Untuk produk 1 juta ton feronikel dapat menghasilkan sekitar 6 – 8 juta ton Terak Feronikel, jadi untuk menghasilkan 1 ton produk samping dari terak ini bisa mencapai 6- 8 juta ton, sehingga ini merupakan suatu hasil/limbah buangan yang begitu banyak,” jelasnya.

Dari beberpa literatur dan pengalaman, bahwa kandungan di terak feronikel ini masih banyak unsur berharga, seperti magnesium, silika, nikel, kobalt, kromium, besi, dan logam tanah jarang ( LTJ).

Sementara untuk pemanfaatan Terak Feronikel selama ini banyak digunakan sebagai bahan uruk, bahan konstruksi, untuk campuran semen, pemanfaatan pupuk, bahan baku batako, dan genteng yang berasa dari terak. 

Potensi Terak Feronikel (TFN)

Dari beberapa literatur menyebutkan masih bisa mengekstrak logam-logam yang ada di dalam TFN, seperti untuk ekstraksi nikel, magnesium, silika, dan sebagaimya. “Tim kami mencoba untuk pemanfaatkan TFN juga dengan beberapa metode atau proses yang dimodifikasi,” terang Agus.

Dari beberapa literatur potensi yang paling tinggi adalah silika dan magnesium. Silika manfaatnya sangat banyak pada industri keramik, cat, industri karet, ban, gelas, kosmetik, konstruksi, dan sebagai campuran untuk aspal.

Menurut sumber Indonesian.alibaba.com bahwa harga untuk silika presipitat, silika amorf, dan nano silika sangat tinggi dengan per-kg bisa mencapai US$ 100/kg.

Kemudian manfaat magnesium sendiri dalam bentuk oksida sebagai bahan baku refraktori, bahan baku pembuat pasta gigi, industri cat dan tinta, industri farmasi dan kosmetik, bahan baku pupuk tanaman, dan sebagai paduan logam. Dengan harga pasar yang sangat tinggi seperti magnesium oksida bubuk, baik yang murni atau pun masih 60 – 95%, bahkan food grade bisa mencapai US$ 1000/ton.

Kemudian potensi yang lain seperti potensi LTJ yang ada di Terak Feronikel, bahwa sekarang pangsa pasar dan produsen dikuasai oleh Cina, USA, Australia, Malaysia, dan India. Beberapa aplikasi yang bisa dimanfaatkan dari LTJ, diantaranya untuk magnet, baterai, katalis, dan sebagai dengan harga yang sangat tinggi. Seperti untuk cerium dan lantanum dalam bentuk oksida bervariasi harganya. Kebutuhan dunia pada tahun 2020, menurut Dutta et al. mencapai 200.000 ton. 

Alur Penelitian

Dari itu semua, kelompok penelitian tim Agus mencoba untuk memanfaatkan atau mengekstrak beberapa logam yang berharga, antara lain:

  1. Kita coba untuk roasting fusi alkali dengan memanfaatkan natrium karbonat sampai 10000C memberikan efek peningkatan intensitas fsa SiO2 dan terbentuknya sodium silikat (Na2SiO3).
  2. Kemudian kita coba proses dengan water leaching dengan air terhadap sampel hasil fusi alkali, menghasilkan pelarutan SiO2 dengan persen ekstraksi paling tinggi sebesar 45,33%, dan dapat menghasilkan silika presipitat.
  3. Dan dari residu dcoba diiolah lagi dengan proses penindian secara asam dengan menggunakan asam klorida (HCl) terhadap magnesium sebesar 82,67%, cerium 92,63% dan lanthanum 86,82%.

“Jadi ekstraksi logam-logam berharga dari TFN bisa dilakukan dengan proses bertahap piro-hidrometalurgi, dan ini bukan suatu proses akhir konsentrasi, tetapi awal dari pemanfaatan ini karena masih ada tahapan lain untuk memisahkan magnesium, lantanum, sebagai oksida yang bisa dimanfaatkan untuk industri-industri yang membutuhkan,” tutup periset Kelompok Riset Ekstraksi Metalurgi dari Ekstraksi Sumber Daya Sekunder. (hrd/ ed: adl)