Penghasilan biomembran komposit natrium alginat/ polivinil alkohol- montmorillonit/ grafin oksida (SA/PVA-MMT/GO) untuk aplikasi sel fuel metanol langsung

Abstract

Sel fuel metanol langsung (DMFC) merupakan sistem penjana tenaga elektrik melalui tindak balas elektrokimia tanpa melibatkan proses pembakaran. Membran polimer elektrolit (PEM) merupakan komponen penting dalam sistem DMFC kerana ia bertindak sebagai pemisah di antara anod dan katod. Antara sifat-sifat PEM yang ideal adalah kekonduksian yang tinggi, pindah silang metanol yang rendah, kestabilan haba dan kimia yang tinggi dalam pelbagai kondisi dan kekuatan mekanikal yang tinggi. Namun, masalah utama yang sering berlaku pada PEM komersial, iaitu Nafion adalah pindah silang metanol yang tinggi yang mengakibatkan keseluruhan prestasi DMFC menurun. Justeru, kajian ini menghasilkan PEM alternatif, berasaskan biopolimer natrium alginat (SA) yang digabungkan bersama poli(vinil alkohol) (PVA) dan dua pengisi bukan organik – montmorillonit (MMT) dan grafin oksida (GO), dengan menggunakan kaedah tuangan larutan. Kepekatan bagi dwipolimer SA/PVA telah dimalarkan iaitu, 40:60 manakala nisbah MMT:GO telah divariasikan, bagi mengenalpasti nisbah kepekatan yang sesuai untuk memperoleh prestasi yang terbaik. Kesan variasi muatan MMT (2, 5, 10, 15 & 20 bt.%) dan GO (0.3, 0.7, 1.0, 1.3 & 2.0 bt.%) terhadap prestasi membran telah diuji seperti ambilan cecair, nisbah pembengkakan, kekonduksian proton dan kebolehtelapan metanol. Sifat PEM telah dianalisis melalui kaedah pencirian seperti spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR), pembelauan sinar-X (XRD), analisis termogravimetrik- kalorimetri pengimbasan pembezaan (TGA-DSC), sudut sentuhan dan mikroskop elektron pengimbas pancaran medan (FESEM). Kekuatan mekanikal bagi membran telah diukur menggunakan analisis mekanikal dinamik (DMA), yang mana perilaku viskoelastik di dalam membran tersebut dapat diperhatikan. Seterusnya, biomembran terbaik digunakan dalam fabrikasi himpunan membran elektrod (MEA) untuk ujian prestasi sel tunggal DMFC. Keputusan menunjukkan SA/PVA-MMT10 (SPM10) merupakan yang terbaik, dengan memperoleh nilai kepilihan yang tinggi (5.11 x105 S s/cm3) terhadap berkurangnya kebolehtelapan metanol (1.27 x10-8 cm2/s), nilai ambilan air dalam julat 74.89-177.5%, ambilan metanol serendah 121.59%, nisbah pembengkakan sekitar 55.51-105.15%, kekonduksian proton setinggi 6.50 mS/cm. Seterusnya, kehadiran GO pada 1.3 bt.% adalah yang terbaik apabila mencapai nilai kebolehtelapan yang lebih rendah (0.52 x10-9 cm²/s) dan nilai kepilihan paling tinggi (7.05 x106 S s/cm3) dengan berat MMT dimalarkan pada 10 bt.% (SA/PVAMMT10/ GO1.3 (SPMG10:1.3)). Nilai kapasiti pertukaran ion dan kestabilan pengoksidaan bagi sampel SPMG10:1.3 juga bertambah baik dengan nilai masingmasing adalah 0.088 mmol/g dan 57.44%. PVA yang bersifat separa hablur berpotensi menguatkan natrium alginat dengan meningkatkan kestabilan haba bagi membran. Manakala, dua pengisi MMT dan GO telah mengurangkan kebolehtelapan metanol dengan mengisi lowong-lowong bebas dalam struktur membran, dan sifat hidrofilik SA dan MMT merupakan faktor penting dalam meningkatkan kekonduksian proton. Dapatan kajian menunjukkan SPMG10:1.3 adalah yang terbaik, dengan nilai ketumpatan kuasa tertinggi 1.76 mW/cm2, voltan litar terbuka 0.64 V, ketumpatan arus 4.24 mA/cm2, kepilihan 7.05 x106 S s/cm3, modulus penyimpanan maksima pada 2.56 x109 Pa dan modulus susut yang rendah 47.91%, yang mana jauh lebih baik berbanding SPM10. Justeru, membran alternatif SPMG dilihat mampu bersaing dengan biomembran lain walaupun tidak setanding Nafion kerana sifatnya yang mesra alam dan lebih tinggi keberkesanannya dalam aplikasi DMFC.