CMD-QE Laboratory

Computational Materials Design and Quantum Engineering

Ganda’s Research

Beberapa topik penelitian yang ditawarkan untuk tugas akhir, tesis, maupun disertasi adalah sebagai berikut:

1. Desain Material Aktif untuk Katalis Reaksi Water Splitting Berbasis Fostaf Logam Transisi  (dibuka untuk mahasiswa S1 dan S2)

(Kerjasama dengan Dr. Ni Luh Wulan Septiani dari BRIN)

Water splitting merupakan salah satu teknik dengan pendekatan ramah lingkungan dan berkelanjutan untuk menghasilkan energi ramah lingkungan. Elektrolisis air melibatkan dua reaksi utama yaitu oxygen evolution reaction (OER) dan hydrogen evolution reaction (HER). Diantara kedua reaksi tersebut reaksi OER terjadi lebih lambat karena melibatkan multistep proton-coupled electron transfer yang menyebabkan overpotensial yang tinggi. Beberapa material katalis umumnya digunakan untuk mempercepat reaksi termasuk fosfat logam transisi. Fosfat logam transisi memiliki kelebihan struktur berlapis yang menyediakan jalur difusi untuk ion. Selain itu material jenis ini memiliki aktivitas elektrokimia tinggi, dan variasi states yang lebar. Penelitian-penelitian dalam meningkatkan kinerja fosfat logam transisi sebagai material OER terus dilakukan termasuk rekayasa permukaan, morfologi, atau pembentukan komposit dan hybrid.

Pada penelitian ini kami merekayasa permukaan dan morfologi fosfat logam transisi untuk memperoleh material OER dengan situs aktif melimpah. Selain itu kami mempelajari mekanisme reaksi OER yang terjadi pada permukaan fosfat logam transisi. Penelitian dilakukan secara teoritik dan eksperimen.

 

 

2. Deteksi Gas Volatile Organic Compound (VOC) Turunan Benzene pada Permukaan Sensor Chemo-resistance Berbasis Logam Oksida (dibuka untuk mahasiswa S2 dan S3)

Gas benzene beserta turunannya merupakan jenis gas beracun volatile organic compound (VOC) yang tidak berwarna tetapi memiliki bau yang khas. Gas-gas ini merupakan salah satu komponen utama penyebab polusi udara yang keberadaannya dapat menyebabkan gangguan kesehatan yang serius pada tubuh manusia. Meskipun gas ini memiliki bau yang khas, hidung manusia tidak selalu dapat mendeteksi keberadaan gas-gas ini, terutama kalau tercampur dengan gas jenis lain. Oleh karena itu, keberadaan suatu sensor yang mampu mendeteksi keberadaan gas-gas turunan benzene pada suatu lingkungan yang dihuni manusia dengan akurat dan presisi menjadi sangat krusial.

Material jenis logam oksida telah banyak diaplikasikan sebagai material utama dari sensor gas berbasis resistansi. Rekayasa morfologi dari struktur nano logam oksida yang dilakukan di banyak penelitian telah berhasil meningkatkan performa deteksi dari sensor jenis ini. Namun sayangnya, penyebab peningkatan performa ini masih tidak dapat dijelaskan secara akurat. Hal ini disebabkan karena hingga saat ini masih belum ada persetujuan umum mengenai mekanisme deteksi yang sebenarnya terjadi pada permukaan logam oksida. Informasi mengenai mekanisme fundamental deteksi gas pada permukaan logam oksida yang akurat sangatlah diperlukan untuk mendapatkan gagasan-gagasan baru mengenai cara memperbaiki perfoma dari sensor.

Pada penelitian ini kami mempelajari mekanisme fundamental deteksi gas jenis benzene dan turunannya pada permukaan logam oksida menggunakan kombinasi simulasi berbasis mekanika kuantum menggunakan teori fungsional kerapatan dan teknik mikrokinetik.

 

Publikasi terkait:

  1. A. G. Saputro*, F. T. Akbar, N. P. P. Setyagar, M. K. Agusta, A. D. Pramudya and H. K. Dipojono, Effect of surface defects on the interaction of the oxygen molecule with the ZnO(101̄0) surface, New J. Chem., 2020, 44, 7376–7385.
  2. N. L. W. Septiani, A. G. Saputro, Y. V. Kaneti, A. L. Maulana, F. Fathurrahman, H. Lim, B. Yuliarto, Nugraha, H. K. Dipojono, D. Golberg and Y. Yamauchi, Hollow Zinc Oxide Microsphere–Multiwalled Carbon Nanotube Composites for Selective Detection of Sulfur Dioxide, ACS Appl. Nano Mater., 2020, 3, 8982–8996.
  3. Nugraha, A. G. Saputro*, M. K. Agusta, F. T. Akbar and A. D. Pramudya, Density Functional Study on Benzene, Toluene, Ethylbenzene and Xylene Adsorptions on ZnO(100) Surface, Molekul, 2019, 14, 37–47.
  4. Fitriana, N. L. W. Septiani, D. R. Adhika, A. G. Saputro, Nugraha and B. Yuliarto, Enhanced NO Gas Performance of (002)-Oriented Zinc Oxide Nanostructure Thin Films, IEEE Access, 2019, 7, 155446–155454.
  5. Nugraha, A. G. Saputro, M. K. Agusta, B. Yuliarto, H. K. Dipojono, F. Rusydi and R. Maezono, Selectivity of CO and NO adsorption on ZnO (0002) surfaces: A DFT investigation, Appl. Surf. Sci., 2017, 410, 373–382.
  6. Nugraha, A. G. Saputro, M. K. Agusta, B. Yuliarto, H. K. Dipojono and R. Maezono, Density functional study of adsorptions of CO2, NO2and SO2molecules on Zn(0002) surfaces, J. Phys. Conf. Series, 2015

3. Desain Katalis Hidrogenasi Gas CO2 Menjadi Bahan Bakar Cair Metanol Menggunakan Katalis Berbasis Subnanometer Klaster Logam yang Disangga pada Permukaan Logam Oksida (dibuka untuk mahasiswa S3)

Pemanasan global merupakan salah satu permasalahan serius yang dihadapi dunia saat ini. Salah satu upaya yang dapat digunakan untuk mengurangi emisi gas CO2 di bumi adalah dengan cara mengkonversi gas ini menjadi sesuatu yang lebih bermanfaat seperti metanol (CH3OH) . Metanol ini dapat digunakan sebagai bahan baku untuk gas sintetis, media penyimpan hidrogen, maupun sebagai sumber bahan bakar terbarukan.

Metanol ini dapat diproduksi melalui proses hidrogenasi gas CO2 yang tentu saja melibatkan gas CO2 dan  hidrogen (H2). Gas CO2 dapat ditangkap dari berbagai sumber emisi seperti kendaraan bermotor, pembangkit listrik atau dari pabrik-pabrik di kawasan industri. Gas H2 dapat diperoleh dari reaksi pembelahan air menjadi H2 dan oksigen (O2) melalui proses fotokatalisis dengan memanfaatkan katalis berbasis logam-oksida atau melalui proses elektrolisis dengan memanfaatkan arus listrik yang dibangkitkan oleh sel surya atau turbin angin. Mengingat Indonesia sangat kaya akan cahaya matahari dan energi angin, maka skema hidrogenasi gas CO2 dengan gas H2 yang diproduksi dari sumber bersih yang terbarukan ini sangat mungkin untuk diterapkan di Indonesia.

Pada prakteknya, hidrogenasi CO2 biasa dilakukan dengan menggunakan katalis berbasis permukaan logam seperti tembaga (Cu) pada kondisi tekanan dan temperatur tinggi. Namun sayangnya, persentase konversi gas CO2 pada katalis tembaga masih belum memuaskan. Oleh karena itu, pengembangan katalis baru yang mampu meningkatkan nilai persentase konversi CO2 dengan kondisi reaksi yang lebih ramah (temperatur dan tekanan rendah) masih sangat dibutuhkan.

Pada penelitian ini, kami melakukan kajian teoretis untuk mendesain katalis baru berbasis subnanometer klaster nikel (Nix) yang disangga pada permukaan logam oksida menggunakan kombinasi simulasi berbasis mekanika kuantum menggunakan teori fungsional kerapatan dan teknik mikrokinetik. Logam Ni dipilih sebagai material dasar karena ketersediaanya yang melimpah di Indonesia.

Publikasi terkait:

  1. A. G. Saputro, Putra, R.I.D., Maulana, A.L., Karami, M.U., Pradana, M.R., Agusta, M.K., Dipojono, H.K., and Kasai, H., “Theoretical study of CO2 hydrogenation to methanol on isolated small Pdx clusters,” J. Energy Chem., vol. 35, pp. 79–87, 2019.
  2. A. L. Maulana, R. I. D. Putra, A. G. Saputro, M. K. Agusta, N. Nugraha, and H. K. Dipojono, “DFT and Microkinetic Investigation of Methanol Synthesis via CO 2 Hydrogenation on Ni(111)-based Surfaces,” Phys. Chem. Chem. Phys., 21, 111, pp. 20276–20286, 2019.
  3. A. G. Saputro and F.T. Akbar, “Reaksi Hidrogenasi Metoksida Menjadi Metanol pada Klaster Pd6Ni”, Journal of Science and Applicative Technology, 1, 2, pp. 53-57, 2017.
  4. A. G. Saputro, M. K. Agusta, T. D. K. Wungu, Suprijadi, F. Rusydi, and H. K. Dipojono, “DFT study of adsorption of CO2on palladium cluster doped by transition metal”, in Journal of Physics: Conference Series, 739, 1, 2016.
  5. Nugraha, A. G. Saputro, Agusta, M.K., Rusydi, F., Maezono, R., and Dipojono, H.K. , “DFT study of the formate formation on Ni(111) surface doped by transition metals [Ni(111)-M; M=Cu, Pd, Pt, Rh]”,  in Journal of Physics: Conference Series, 739, 1, 2016.

 

4. Desain Single Atom Catalyst (SAC) Berbasis Nikel untuk Aplikasi Elektroreduksi Gas CO2 Menjadi Bahan Baku Gas Sintetis (Mahasiswa S1-S3)

 

5. Desain Situs Aktif untuk Reaksi Reduksi Oksigen pada Single Atom Catalyst (SAC) Berbasis Fe untuk Aplikasi Katalis Katoda dari Fuel Cell Hidrogen dan Baterai Metal-air (Mahasiswa S1-S3)

Sel bahan bakar membran elektrolit polimer (Polymer electrolyte membrane fuel cell; PEMFC) merupakan merupakan suatu perangkat yang dapat memanfaatkan gas hidrogen (H2) sebagai pembawa energi dan mengkonversinya secara langsung menjadi energi listrik dengan emisi yang hanya berupa air. PEMFC diprediksi akan menjadi pembangkit energi masa depan untuk kendaraan yang ramah lingkungan dengan tingkat emisi nol (zero emission). Akan tetapi, masih ada beberapa kendala yang harus diselesaikan sebelum kendaraan berbasis PEMFC dapat tersedia secara komersial. Salah satu kendala utamanya adalah sangat mahalnya harga perangkat PEMFC disebabkan oleh penggunaan katalis berbasis platina (Pt) pada elektroda sel bahan bakar. Sebuah studi menunjukkan bahwa modul katalis Pt dalam sebuah perangkat PEMFC dapat menghabiskan setengah dari total biaya pembuatan perangkat tersebut. Selain itu, sumber Pt di dunia mayoritas hanya diproduksi oleh Afrika Selatan. Tentu saja hal ini membuat Indonesia berada di posisi yang sangat sulit apabila mayoritas kendaraan masa depan akan menggunakan sumber energi berbasis hidrogen, mengingat tidak tersedianya sumber logam Pt di Indonesia. Oleh karena itu, diperlukan penelitian yang intensif untuk mengantikan Pt dengan katalis alternatif berbasis material logam non-mulia (non-precious metal-based catalyst; NPMC) sehingga biaya pembuatan PEMFC dapat dikurangi secara signifikan.

Gambar 1. Skematik sederhana dari PEMFC

Skema dasar dari PEMFC ditunjukkan pada Gambar 1. PEMFC memiliki anode dan katode yang dipisahkan oleh membran polimer. Pada anode, gas H2 teroksidasi menjadi proton dan elektron. Elektron yang dihasilkan akan mengalir ke rangkaian listrik, sedangkan proton yang dihasilkan berdifusi melalui membran polimer menuju katode. Di katode, proton dan elektron bertemu kembali dan bereaksi dengan oksigen (O2) untuk membentuk air. Reaksi reduksi O2 (oxygen reduction reaction; ORR) pada katode merupakan reaksi yang sangat kompleks bila dibandingkan dengan reaksi oksidasi H2 pada anode. Hal ini menyebabkan laju ORR pada katode menjadi jauh lebih lambat. Oleh karena itu, jumlah Pt yang diperlukan pada katode juga menjadi lebih banyak (hampir sepuluh kali lipat) bila dibandingkan dengan jumlah Pt pada anode. Secara praktis, jumlah Pt pada PEMFC dapat dikurangi secara signifikan apabila katalis Pt pada katode dapat diganti dengan katalis alternatif yang lebih murah dan memiliki aktivitas ORR yang sebanding.

Dalam beberapa tahun terakhir, salah satu jenis NPMC yang disintesis dengan cara melakukan pirolisis pada senyawa yang mengandung metal transisi, karbon dan nitrogen (pyrolyzed Fe/N/C), atau yang akhir-akhir ini dikenal sebagai Fe single-atom catalyst (Fe-SAC), telah mendapatkan perhatian yang serius karena katalis alternatif ini memiliki aktivitas ORR yang tinggi dan durabilitas yang baik pada kondisi kerja PEMFC. Sayangnya, aktivitas ORR dari katalis Fe-SAC yang terbaik saat ini baru bisa mencapai hanya sekitar 1/13 dari aktivas katalis berbasis Pt. Oleh karena itu, masih diperlukan usaha yang serius untuk meningkatkan performa katalis berbasis Fe-SAC. Salah satu kendala yang dihadapi dalam meningkatkan performa katalis jenis Fe-SAC adalah karena mekanisme pembentukan situs aktif katalis dan detil mekanisme ORR pada katalis ini sulit untuk dipelajari secara eksperimen. Oleh karena itu, studi teoretis sangat diperlukan untuk mendukung percepatan usaha peningkatan performa katalis ORR jenis Fe-SAC ini.

Publikasi terkait

  1. Saputro AG, Fajrial AK, Maulana AL, Fathurrahman F, Agusta MK, Akbar FT, et al, “Dissociative Oxygen Reduction Reaction Mechanism on the Neighboring Active Sites of Boron-Doped Pyrolyzed Fe-N-C Catalyst”, J. Phys. Chem. C, 124,11383–91, 2020.
  2. Dipojono HK, Saputro AG, Fajrial AK, Agusta MK, Akbar FT, Rusydi F, et al, “Oxygen reduction reaction mechanism on a phosporus-doped pyrolyzed graphitic Fe/N/C catalyst”, New J. Chem., 43, 28,11408–18, 2019
  3. Fajrial AK, Saputro AG, Agusta MK, Rusydi F, Nugraha, Dipojono HK, “First principles study of oxygen molecule interaction with the graphitic active sites of a boron-doped pyrolyzed Fe-N-C catalyst”, Phys. Chem. Chem. Phys., 19, 34,23497–504, 2017
  4. Saputro AG, Kasai H, “Oxygen reduction reaction on neighboring Fe-N4and quaternary-N sites of pyrolized Fe/N/C catalyst” Phys. Chem. Chem. Phys.,17,5,3059–71, 2015.