NANOTEKNOLOGI DAN ENERGI id. doc
NANOTEKNOLOGI DAN ENERGI
Maret 5, 2012
KARNA WIJAYA,
Manajer Biofuel, Katalis dan Energi Hidrogen
dan Mineral, PSEUGM
Nanoteknologi
Dewasa ini salah satu pendekatan yang sedang dikembangkan para ahli terkait dengan pengembangan energi
adalah nanoteknologi. Nanoteknologi merupakan ilmu dan rekayasa dalam penciptaan material, struktur
fungsional, maupun piranti dalam sekala nanometer. Definisi lain mengatakan bahwa nanoteknologi adalah
pemahaman dan kontrol materi pada dimensi 1 sd 100 nm dimana fenomenafenomena unik yang timbul dapat
digunakan untuk aplikasiaplikasi baru. Nanoteknologi memiliki wilayah dan dampak aplikasi yang luas mulai dari
bidang material maju, transportasi, ruang angkasa, kedokteran, lingkungan, IT sampai energi (tabel 1).
Tabel 1. Beberapa wilayah aplikasi nanoteknologi
Nanomaterial Sebagai Produk Nanoteknologi
Dikalangan para ahli material definisi nanomaterial sampai saat ini masih belum ada kesepakatan, namun
terminologi nanomaterial sendiri sering dikaitkan dengan material yang memiliki struktur berdimensi 1100 nm
serta sifatsifat yang berbeda secara tipikal dengan molekul atau material dalam keadaan meruahnya.
Nanomaterial telah diinvestigasi lebih dari satu dekade secara multidisiplin dan interdisiplin melaui berbagai
pendekatan nanoteknologi (Chow,et.al, 1996). Ilmu kimia, khususnya kimia material, sebagai suatu cabang ilmu
pengetahuan yang berhubungan dengan sintesis material juga telah berperan dan memberi kontribusi signifikan
terhadap kemajuan terkini, terutama dalam kontrol dan pemberian sifatsifat unik nanomaterial.
Kebanyakan riset nanomaterial dewasa ini memfokuskan pada desain struktur, beberapa struktur nanomaterial,
khususnya nanomaterial berbasis ikatan lemah dan sistem organik (nanosupramolecular materials), dirancang
melalui pendekatan crystal engineering (nanoteknologi) dimana ikatan lemah dan komplementaritasnya,
rekognisi molekul, selfassembly, preorganisasi serta replikasi mandiri memainkan peranan yang penting.
Sebagai akibatnya, praktek nanomaterial cenderung menjadi suatu aktifitas interdsipliner yang memerlukan
penguasaan prosedur riset kimia, fisika, biologi, matematika dan rekayasa yang memadai. Dengan rekayasa
kristal berbagai jenis material dengan dimensi nano telah berhasil disintesis, diidentifikasi sifatsifatnya dan telah
diterapakan dalam industri, bidang kedokteran, farmasi, pertanian dan sebagainya (Chow,et,al.,1996; Lehn,
1995).
Beberapa nanomaterial (nanolayered dan nanoporous material) yang secara intensif dipelajari di Pusat Studi
Energi, Universitas Gadjah Mada adalah zeolite, hidrotalsit dan clay. Clay atau sering juga disebut nanoclay,
merupakan senyawa aluminosilikat berarsitektur lapis dengan kationkation antarlapis yang umumnya dapat
dipertukarkan. Bentonit merupakan istilah perdagangan untuk sejenis clay yang mengandung montmorilonit
(smektit) lebih dari 85%. Jenis clay ini ditemukan hampir diseluruh wilayah Indonesia dengan deposit tinggi.
Fragmen sisa umumnya merupakan campuran dari mineral kuarsa atau kristobalit, feldspar, kalsit, gypsum,
kaolinit, plagioklas, illit dan sebagainya. Secara struktural, montmorilonit memiliki struktur tiga lapis dengan
lapisan oktahedral alumina sebagai pusat, tertumpuk di antara dua lapisan tetrahedral silica. Komposisi
montmorilonit di dalam suatu bentonit berbedabeda tergantung pada proses pembentukannya di alam dan asal
daerah bentonit itu. Sifatsifat umum dari bentonit antara lain: Berwarna dasar putih dengan sedikit kecoklatan
atau kemerahan atau kehijauan, tergantung pada jumlah dan jenis fragmenfragmen mineralnya, memiliki sifat
fisik sangat lunak, ringan, mudah pecah, berasa seperti sabun, mudah menyerap air dan melakukan pertukaran.
Berdasarkan komposisi kationkation di dalam antar lapis bentonit yang mempengaruhi sifat mengembangnya,
bentonit diklasifikasikan atas dua golongan besar yaitu:Natriumbentonit (swelling bentonite). Bentonit jenis ini
mengandung ion Na+ yang relatif lebih banyak dibandingkan ion Ca2+ dan Mg2+ dan mempunyai sifat
mengembang bila terkena air, sehingga dalam suspensinya menambah kekentalan. Bentonit ini sering disebut
sebagai bentonit Wyoming. Kalsiumbentonit (nonswelling bentonite).Bentonit jenis ini mengandung ion Ca2+ dan
Mg2+ yang relatif lebih banyak dibandingkan ion Na+ dan sedikit menyerap air. Bila didispersikan ke dalam air
bentonit ini akan cepat mengendap. Montmorilonit memiliki kombinasi sifat pertukaran ion, interkalasi dan
kemampuan dapat mengembang. Kapasitasnya sebagai penukar ion adalah dasar dari sifat interkalasi dan
kemampuan mengembangnya. Berdasarkan kemampuan mineral untuk berinteraksi dengan bermacammacam
kation dan molekul netral, maka hampir semua proses interkalasi mungkin dapat terjadi. Sifat terpenting dari
montmorilonit dalam desain sebagai adsorben dan katalis adalah kemampuannya untuk mengembang, yang
dipengaruhi oleh sifat agen pengembang, kation penukar, muatan lapisan dan lokasi muatan lapisan.
Montmorilonit juga dapat mengadsorpsi senyawa organik polar atau yang bersifat ionik di antara lapisannya.
Adsorpsi senyawa organik membentuk material organikanorganik dari montmorilonit. Basal spacing dari material
ini tergantung pada ukuran dan kerapatan molekul organic (Figueras, 1988, Wijaya, 1993).
Seperti juga clay, zeolit merupakan mineral yang kelimpahanya tinggi dan tersebar luas di Indonesia. Mineral ini
ditemukan lebih dari 200 tahun yang lalu oleh Cronstedt di dalam bebatuan yang digunakan sebagai bahan
bangunan. Spesies baru ini adalah suatu aluminosilikat kristalin berpori yang kemudian diberi nama zeolite atau
batu yang dapat mendidih. Mordenit merupakan salah satu anggota group zeolit yang penyebarannya di alam
cukup banyak. Mordenit termasuk kelompok zeolit mikropori dengan struktur kristal orthorombik dengan kanal
kanal atau saluransaluran terbuka yang memungkinkan air dan ionion berukuran besar keluar dan masuk
saluransaluran tersebut. Ukuran saluransaluran tersebut beragam sehingga mordenit dapat berfungsi sebagai
penyaring molecular dan adsorben. Selain mordenit, klinoptilolit merupakan anggota group zeolit yang juga
banyak dijumpai di alam Klinoptilolit merupakan krsital monoklinik,dengan tingkat kekerasan 3,5 sampai 4 serta
memiliki resistensi panas yang tinggi (Hamdan, 1992).
Gambar 1. Nanomaterial, dari kiri ke kanan : smektit dan zeolit
Aplikasi Nanoteknologi Di Bidang Energi
Seperti telah dipaparkan di atas material bersekala nano (nanomaterial) merupakan material yang sangat atraktif
karena mereka memiliki sifatsifat yang sangat berbeda jika dibandingkan dengan apa yang mereka perlihatkan
pada skala makroskopisnya. Sebagai contoh logam platina meruah yang dikenal sebagai material inert dapat
berubah menjadi material katalitik, bila ukurannya diperkecil sehingga mencapai skala nano dan material stabil
seperti aluminium dapat berubah menjadi mudah terbakar (combustible). Pendekatan nanoteknologi di bidang
energi diprediksi dapat merevolusi teknologi energi secara signifikan.
Beberapa bidang teknologi energi yang telah mendapat sentuhan nanoteknologi saat ini antara lain:
1.
Photovoltaics: pendekatan nanoteknologi menghemat biaya operasi sampai 100 kali lebih murah
daripada teknologi konvensional .
2.
Reduksi fotokatalitik : dapat mereduksi CO2 menjadi metanol.
3.
Fotokonversi langsung ( direct photoconversion
) : dapat menghasilkan gas hidrogen dari air
4.
Sel Bahan Bakar ( fuel cells
) : nanoteknologi dibidang fuel cell menurunkan biaya 10100 lipat teknologi
konvensional
5.
Batere dan kapasitor super ( batteries and supercapacitors
) : memiliki kemampuan 10100 kali lipat
teknologi konvensional
6.
Penyimpan hidrogen ( H2 storage ) : lebih ringan daripada teknologi konvensional
7.
Kabel daya ( Power cables
seperti superconductors atau quantum conductors ) : dapat menghemat
energi listrik secara signifikan.
8.
Nanoelectronics: memberi dampak revolusioner pada komputer, sensors and devices.
9.
Robot berbasis nanoelectronics : memungkinkan konstruksi dan perwatan struktur sel surya di ruang
angkasa dan perawatan reaktor nuklir.
10.
Material super kuat dan ringan ( Superstrong, light weight materials
) : menurunkan bobot benda
sehingga dapat menghemat biaya produksi dan meningkatkan efisiensi produk.
11.
Proses termokimia terkatalisis ( thermochemical processes with catalys
ts): untuk membangkitkan gas
hidrogen dari air .
12.
Lampu nanotech ( nanotech lighting): untuk mengganti lampulampu incandescent dan fluorescent.
13.
Pelapis nanomaterial ( nanomaterials coatings
): untuk penggunaan dalam pertambangan dan geotermal.
Maret 5, 2012
KARNA WIJAYA,
Manajer Biofuel, Katalis dan Energi Hidrogen
dan Mineral, PSEUGM
Nanoteknologi
Dewasa ini salah satu pendekatan yang sedang dikembangkan para ahli terkait dengan pengembangan energi
adalah nanoteknologi. Nanoteknologi merupakan ilmu dan rekayasa dalam penciptaan material, struktur
fungsional, maupun piranti dalam sekala nanometer. Definisi lain mengatakan bahwa nanoteknologi adalah
pemahaman dan kontrol materi pada dimensi 1 sd 100 nm dimana fenomenafenomena unik yang timbul dapat
digunakan untuk aplikasiaplikasi baru. Nanoteknologi memiliki wilayah dan dampak aplikasi yang luas mulai dari
bidang material maju, transportasi, ruang angkasa, kedokteran, lingkungan, IT sampai energi (tabel 1).
Tabel 1. Beberapa wilayah aplikasi nanoteknologi
Nanomaterial Sebagai Produk Nanoteknologi
Dikalangan para ahli material definisi nanomaterial sampai saat ini masih belum ada kesepakatan, namun
terminologi nanomaterial sendiri sering dikaitkan dengan material yang memiliki struktur berdimensi 1100 nm
serta sifatsifat yang berbeda secara tipikal dengan molekul atau material dalam keadaan meruahnya.
Nanomaterial telah diinvestigasi lebih dari satu dekade secara multidisiplin dan interdisiplin melaui berbagai
pendekatan nanoteknologi (Chow,et.al, 1996). Ilmu kimia, khususnya kimia material, sebagai suatu cabang ilmu
pengetahuan yang berhubungan dengan sintesis material juga telah berperan dan memberi kontribusi signifikan
terhadap kemajuan terkini, terutama dalam kontrol dan pemberian sifatsifat unik nanomaterial.
Kebanyakan riset nanomaterial dewasa ini memfokuskan pada desain struktur, beberapa struktur nanomaterial,
khususnya nanomaterial berbasis ikatan lemah dan sistem organik (nanosupramolecular materials), dirancang
melalui pendekatan crystal engineering (nanoteknologi) dimana ikatan lemah dan komplementaritasnya,
rekognisi molekul, selfassembly, preorganisasi serta replikasi mandiri memainkan peranan yang penting.
Sebagai akibatnya, praktek nanomaterial cenderung menjadi suatu aktifitas interdsipliner yang memerlukan
penguasaan prosedur riset kimia, fisika, biologi, matematika dan rekayasa yang memadai. Dengan rekayasa
kristal berbagai jenis material dengan dimensi nano telah berhasil disintesis, diidentifikasi sifatsifatnya dan telah
diterapakan dalam industri, bidang kedokteran, farmasi, pertanian dan sebagainya (Chow,et,al.,1996; Lehn,
1995).
Beberapa nanomaterial (nanolayered dan nanoporous material) yang secara intensif dipelajari di Pusat Studi
Energi, Universitas Gadjah Mada adalah zeolite, hidrotalsit dan clay. Clay atau sering juga disebut nanoclay,
merupakan senyawa aluminosilikat berarsitektur lapis dengan kationkation antarlapis yang umumnya dapat
dipertukarkan. Bentonit merupakan istilah perdagangan untuk sejenis clay yang mengandung montmorilonit
(smektit) lebih dari 85%. Jenis clay ini ditemukan hampir diseluruh wilayah Indonesia dengan deposit tinggi.
Fragmen sisa umumnya merupakan campuran dari mineral kuarsa atau kristobalit, feldspar, kalsit, gypsum,
kaolinit, plagioklas, illit dan sebagainya. Secara struktural, montmorilonit memiliki struktur tiga lapis dengan
lapisan oktahedral alumina sebagai pusat, tertumpuk di antara dua lapisan tetrahedral silica. Komposisi
montmorilonit di dalam suatu bentonit berbedabeda tergantung pada proses pembentukannya di alam dan asal
daerah bentonit itu. Sifatsifat umum dari bentonit antara lain: Berwarna dasar putih dengan sedikit kecoklatan
atau kemerahan atau kehijauan, tergantung pada jumlah dan jenis fragmenfragmen mineralnya, memiliki sifat
fisik sangat lunak, ringan, mudah pecah, berasa seperti sabun, mudah menyerap air dan melakukan pertukaran.
Berdasarkan komposisi kationkation di dalam antar lapis bentonit yang mempengaruhi sifat mengembangnya,
bentonit diklasifikasikan atas dua golongan besar yaitu:Natriumbentonit (swelling bentonite). Bentonit jenis ini
mengandung ion Na+ yang relatif lebih banyak dibandingkan ion Ca2+ dan Mg2+ dan mempunyai sifat
mengembang bila terkena air, sehingga dalam suspensinya menambah kekentalan. Bentonit ini sering disebut
sebagai bentonit Wyoming. Kalsiumbentonit (nonswelling bentonite).Bentonit jenis ini mengandung ion Ca2+ dan
Mg2+ yang relatif lebih banyak dibandingkan ion Na+ dan sedikit menyerap air. Bila didispersikan ke dalam air
bentonit ini akan cepat mengendap. Montmorilonit memiliki kombinasi sifat pertukaran ion, interkalasi dan
kemampuan dapat mengembang. Kapasitasnya sebagai penukar ion adalah dasar dari sifat interkalasi dan
kemampuan mengembangnya. Berdasarkan kemampuan mineral untuk berinteraksi dengan bermacammacam
kation dan molekul netral, maka hampir semua proses interkalasi mungkin dapat terjadi. Sifat terpenting dari
montmorilonit dalam desain sebagai adsorben dan katalis adalah kemampuannya untuk mengembang, yang
dipengaruhi oleh sifat agen pengembang, kation penukar, muatan lapisan dan lokasi muatan lapisan.
Montmorilonit juga dapat mengadsorpsi senyawa organik polar atau yang bersifat ionik di antara lapisannya.
Adsorpsi senyawa organik membentuk material organikanorganik dari montmorilonit. Basal spacing dari material
ini tergantung pada ukuran dan kerapatan molekul organic (Figueras, 1988, Wijaya, 1993).
Seperti juga clay, zeolit merupakan mineral yang kelimpahanya tinggi dan tersebar luas di Indonesia. Mineral ini
ditemukan lebih dari 200 tahun yang lalu oleh Cronstedt di dalam bebatuan yang digunakan sebagai bahan
bangunan. Spesies baru ini adalah suatu aluminosilikat kristalin berpori yang kemudian diberi nama zeolite atau
batu yang dapat mendidih. Mordenit merupakan salah satu anggota group zeolit yang penyebarannya di alam
cukup banyak. Mordenit termasuk kelompok zeolit mikropori dengan struktur kristal orthorombik dengan kanal
kanal atau saluransaluran terbuka yang memungkinkan air dan ionion berukuran besar keluar dan masuk
saluransaluran tersebut. Ukuran saluransaluran tersebut beragam sehingga mordenit dapat berfungsi sebagai
penyaring molecular dan adsorben. Selain mordenit, klinoptilolit merupakan anggota group zeolit yang juga
banyak dijumpai di alam Klinoptilolit merupakan krsital monoklinik,dengan tingkat kekerasan 3,5 sampai 4 serta
memiliki resistensi panas yang tinggi (Hamdan, 1992).
Gambar 1. Nanomaterial, dari kiri ke kanan : smektit dan zeolit
Aplikasi Nanoteknologi Di Bidang Energi
Seperti telah dipaparkan di atas material bersekala nano (nanomaterial) merupakan material yang sangat atraktif
karena mereka memiliki sifatsifat yang sangat berbeda jika dibandingkan dengan apa yang mereka perlihatkan
pada skala makroskopisnya. Sebagai contoh logam platina meruah yang dikenal sebagai material inert dapat
berubah menjadi material katalitik, bila ukurannya diperkecil sehingga mencapai skala nano dan material stabil
seperti aluminium dapat berubah menjadi mudah terbakar (combustible). Pendekatan nanoteknologi di bidang
energi diprediksi dapat merevolusi teknologi energi secara signifikan.
Beberapa bidang teknologi energi yang telah mendapat sentuhan nanoteknologi saat ini antara lain:
1.
Photovoltaics: pendekatan nanoteknologi menghemat biaya operasi sampai 100 kali lebih murah
daripada teknologi konvensional .
2.
Reduksi fotokatalitik : dapat mereduksi CO2 menjadi metanol.
3.
Fotokonversi langsung ( direct photoconversion
) : dapat menghasilkan gas hidrogen dari air
4.
Sel Bahan Bakar ( fuel cells
) : nanoteknologi dibidang fuel cell menurunkan biaya 10100 lipat teknologi
konvensional
5.
Batere dan kapasitor super ( batteries and supercapacitors
) : memiliki kemampuan 10100 kali lipat
teknologi konvensional
6.
Penyimpan hidrogen ( H2 storage ) : lebih ringan daripada teknologi konvensional
7.
Kabel daya ( Power cables
seperti superconductors atau quantum conductors ) : dapat menghemat
energi listrik secara signifikan.
8.
Nanoelectronics: memberi dampak revolusioner pada komputer, sensors and devices.
9.
Robot berbasis nanoelectronics : memungkinkan konstruksi dan perwatan struktur sel surya di ruang
angkasa dan perawatan reaktor nuklir.
10.
Material super kuat dan ringan ( Superstrong, light weight materials
) : menurunkan bobot benda
sehingga dapat menghemat biaya produksi dan meningkatkan efisiensi produk.
11.
Proses termokimia terkatalisis ( thermochemical processes with catalys
ts): untuk membangkitkan gas
hidrogen dari air .
12.
Lampu nanotech ( nanotech lighting): untuk mengganti lampulampu incandescent dan fluorescent.
13.
Pelapis nanomaterial ( nanomaterials coatings
): untuk penggunaan dalam pertambangan dan geotermal.