1SSN1410-2897
ProsidingPerlemuanllmiah SainsMateri 1997
PEMBtJA TAN MATERIAL SISTEM A~O3-SIO1 SEBAGAI BAHAN PENYANGGA KATALISATOR DENGAN METODA SOL-GEL 1 Silvester Tursiloadi 2, Ayu Trisye Juliana3Heri Kresnadi2
ABSTRAK PEMBUATAN MATERIAL SISTEM AI203-Si~ SEBAGAI BAHAN PENYANGGA KATALISATOR DENGAN METODA SOL-GEL.Dalam penelitian ini. dikembangkan metode untuk pembuatao bahan penyangga katalisator. Metoda baru untuk pembuatao bahan penyangga katalisator. A1,O3-SiO, dari larutao tetraethoxysilane daD aluminium klorida telah dipelajari dengan proses sol-gel. Larutao yang mengandung aluminium klorida daD TEOS setelah diageing menjadi homogen daD viscositasnya naik Step ini menunjukkan teljadinya reaksi hidrolisa dari TEOS membentuk gugus =Si-OH diikuti reaksi kondensasi. Dengan metoda sol-gel serbuk yang halus dapat diperoleh. Perbedaan suhu kalsinasi dapat mempengaruhi luas permukaan spesiftk dan diameter rata-rata kristal dari bahan penyangga katali~. Bahan dalam bentuk amorp mempunyai Luas permukaan spesifik yang tinggi. Bahan penyangga katalis dengan komposisi 40% mol aluminium klorida menunjukkan sifat -sifat pennyangga yang lebih baik, pada suhu 500°C.
ABSTRACT PREPARATION OF MATERIAL SYSTEM A~O3 -SI~ AS SUPPORT CATALYST MATERIAL BY SOLGEL METHOD. In this research of the method for preparation of support catalyst is being developed. The new method for fabrication of support catalyst material of Al203 -Si02 from tetraethoxysilane (TEOS) and aluminium chloride were studied by solgel process. The solution of aluminium chloride and TEOS contain was homogen, and the viscosity of it increase after ageing. This step indicated that hydrolysis reaction ofTEOS to produce =-Si -OH group followed by occurance condensation reaction. By this method, fine powder of Al2O3 -Si02 can be produced. Deferences of calcination temperatures could effect specific surface area and average crystalline diameter of support catalyst material. The material in amorphous form has a high specific surface area. The surface area of catalyst material which has the composition of 40 % mol aluminium chloride indicated better in carrier properties. at 500.C. KEY WORD
SolGel. Support Catalyst,Hydrolysis
PENDABULUAN Kebanyakan katalis padat memerlukan bahan penyangga sebagai framework, dimana katalis aktif akan terdepositdaIam pori-porinya, bahan ini merniliki kekuatanmekanik tetapi tidak memberikan efek katalitik dalam reaksi (inert). Bahan t>enyanggaini dapat disebutjuga sebagai carriers,yang merniliki fungsi sebagaiberikut : Dengan porositasnya yang tinggi, menaikkanefektifitas permukaankatalis dengan cara menyebarkankatalis daIamsuatulapisantipis, memperbaiki stabilitas dengan menjaga jarak antara permukaan kristal katalis agar cukup berjauhanuntuk mencegahkatalis berfusi secara bersamaan,interaksi bahan kirnia aktua1dengan katalis dapat.dihasilkandenganbaik, kenaikandari permukaanyang aktif dapat mereduksisensitivitas raclln bagi kata.Iis,clankapasitaspanasdari carrier dapat mencukupi untuk meratakan panas dan mencegahkelebihan panas lokal yang mungkin terjadi dalamsintering[1]. Suafu bahan penyangga diperlukan apabila zat aktif yang dibutuhkan sebagaikatalis merupakankomponen minor. Zat aktif tersebut
akan terdeposit pada pori-pori suatu bllhan penyangga yang memiliki sifat dalam reaksi sebagaizat inert. BIlhan penyanggakatalis adalah padatan,ataukatalis heterogenyang manaterdapat dalamsejumlahkecil dari spesieskatalis aktif yang terdepositpada permukaannya.Bahan ini adalah inert, porous, bentuknya seperti pelet, cincin, extrudate,granule dan powder, yang mana biasa disebutjuga sebagaicarriers. Kebanyakanmaterial yang digunakan dalam bahan penyanggakatalis terdiri dati single atau campuran metal oksida, seperti alumina, silika, silika-alumina, magnesia, titanium,zirconia dan lain-lain. Pemilihan carriers adalah langkah yang sangat penting dalam mernncangkatalis logam yang berpenyanggadaD ditetapkan dengan parameter seperti luas permukaan,karakterisrik porositas, stabilitas daD jika fungsi katalitik dati bahan penyanggajuga digunakan maka ditentukan juga aktivitas maksimumdan selektivitas. Denganpenelitian lebih lanjut prosessolgel dapat diaplikasikandalam pembuatanoksida logam untuk katalis maupunbllhanpenyangganya. Proses sol-gel mempakan metode yang sangat menarik karena prosesnyadapat dilakukan pada
I Dipresentasikan pada pertemuan Ilmiah gains Materi 1997 2Puslitbang Kimia Terapan LIPI, PUSPIPlEK SeIlJong, Tangerang, 15320 3Tek11ikKimia, Fakultas Tek11iklndustri, Universitas Jaya Baya, n. Raya Bogor KIn. 28.8 Cirnanggis, Jakarta
257
ProsidingPertemuan/lmiah SainsMateri 1997
IlSN 1410-2897
suhu yang relatif rendah, serta aplikasinya yang sangat luas. Teknologi sol-gel adalah multistep prosesdaTigabunganproseskimia dan fisika. Step dalam proses sol-gel adalah :hidrolisa, polimerisasi, pengeringan dan pengompakan. Keuntungandari penggunaantekriik sol-gel dalam pembuatanfine keramik dibandingkan dengan teknologi tradisional(pencampuranserbuk)adalah : I) Homoginitasnyalebih tinggi. 2) Kemurniannya lebih tinggi. 3) Prosesnyapada subu rendah dan konsolidasi dimungkinkan. 4) Dalam sistem multikomponen,distribusi fasanya lebih uniform. 5) Sangatmudahdalam pembentukanlapisantipis dan pelapisan.6) Dalam pembuatanbentuk serbuk, ukuran dan kontrol morphologinya lebih baik. Dilihat dari keuntungannyamakateknologi sol-gel sangat potensial untuk diaplikasikan pada pembuatanbahan penyanggakatalisator. Dalam penelitian ini bertujuan untuk membuat bahan penyangga AI2O3-SiO2 yang mempunyai karakteristikbagus. METODOWGI Serbukhalussiiika-aiuminadibuatdengan metoda sol-gel. Atumunium chlorida dengan berbagai variasi jumlah berdasarkanpersen mol dilarutkan dmam aquadest, diikuti dengan penambahan larutan tetraethoxysilicate (TEaS) dengankecepatanpenambahanI tetes/detiksambil diaduk dalam temperatur kamar. Kandungan komponenAlumunium chlorida adalah 10,20 daD 40 persenmol. Larutan menjadi homogendalam pengadukan selama 5 jam. Larutan tembus pandangyang disebut sol kemudian diageing dalamovenpada subu50 °c selama15jam. Maka gel tembuspandangakanterbentukdaDselanjutnya setelahdicuci dengan etanol, dikeringkan dalam oven pada subu 60 °c selama 15 jam. Hasilnya serbukhalus berwarnaputih. Proses pengeringan dilakukan dengan tujuan untuk menghilangkan kandunganair bebasdaIamcampuran basil proses preparasi.Prosesini dilakukan dalam ovendangan suhu 105 DC selama 24 jam. Proses kalsinasi berti~uanselain lmtuk menghil~ngkankandlmgan air yang terikat secarakimia dalam contoh daD senyawaorganiknya juga sebagai pembentukan struktur. Proses ini dilakukan dalam furnace dengansububervariasi,yaitu 500 DC, 800 DC,900 DC,1000DCdaD 1100DCselama2jam. Pengukuran viskositas larutan atau sol hingga menjadi gel-ora dimaksudkan untuk mengetahuiwaktu reaksi yang diperlukan oleh sistemuntuk mengkonversikanlarutan sol menjadi gel dalam temperaturkamar.Atau dengankata lain "otuk dapat mengetahui waktu yang diperlukan
bagi tetraethyl orthosilicate untuk meliyelesaikan reaksi hidrolisa dan kondensasinya, sehingga membentukpolimer rantai panjangantaraalumina daDsilika. Pengukurnnluas permukaanspesifik dati bahan penyangga katalis yang dihasilkan dilakukandenganmetodeBET (Brunauer-EmmerTeller),yaitu denganmengamatibanyaknyagas Nz yang mampu diadsorb oleh contoh, sehingga dapat diketahui luas permukaanper gram contoh atau luas permukaan spesiftk dari contoh tersebut. Pengujian Forier Transform Infra Red (FTIR) dirnaksudkan untuk mengetahui struktur molekul, khususnya gugus fungsional beserta tingkungannya dati contoh serbuk bahan penyanggaAIumina-Silika Pengujian metalui metode X-Ray Diffraction (XRD) bertujuan untuk menunjukkan bentukdanjenis kristal dari contoh.Selain itu juga untuk menentukandiameter rata-rata krital dati contoh. Besaranpartikel kristal -dari pola difraksi sinar-X dapat dihitung dengan menggunakan persamaanScherrer[2). t = 0.9)" 113cos8
dimana,
t = besarankristal A = panjanggel.ombangradiasi CuKa = 1..54056 A
P = lebarpadasepandltinggi puncak e = sepandlsudutpengarnatan Untuk mengetahuisecarakuantita1:irdari logam penyusunnya dilakukan analisa kimia dengan menggunakan alat Atomic Absorption Spectrum (AA5) yang prinsip kerjanya mengabsorpsiatom yang tereksitasi dan diukur gelombangspekfrumnya. BASIL DAN PEMBAHASAN
Basil Viskositas Viskositas larutan carnpuran alumunium klorida dengantetraethyl orthosilicate mengalami kenaikanyang merupakankenaikannilai hidrolisis tetraethyl orthosilicate. Garnbar 1. menunjukan perubahanviskositas dengan waktu reaksi yang diperlukan untuk mencapai harga viskositas tertinggi. Dapat dilihat bahwa kenaikanviskositas terjadi secarakontinue daD mantap pada proses konversi so! menjadi gel. Kecepatan kenaikan viskositas yang lebih rendah terjadi pada awal prosesdaDkecepatanakan naik dengancepatpada
258
//SN /4/0-2897
ProsidingPertemuanIlmiah SainsMateri 1997
akhir proses. Waktu transisi sol-gel yang kristal mullite, ini dapat diketahui dari puncakdiperlukan adalah 14 hari deogan titik gelatinasi puncakyangterbentuk. berturut-turut adalah 30 poise untuk AluminaTabel 2. Gugus fungsionalyang terdapatpada Silika 10%, 40 poise untuk Alumina-Silika 20% contohAI2O3-SiO2 dan 50 poiseuotuk Alumina-Silika40%. Suhu
GugusFungsional
Pemanasan
°c C-H, C-C, O-H, Al-O, Si-O, Si-
60
OH
J~,
105
800 900 1000
Gambar
100
Kurva kenaikan visikositBS lamtan Alumina-Silika terhadap waktu ageing pada suhukamar
Subu kalsinasi
m
Pengaruh perbedaan suhu pemanasanterhadapluas permukaan spesifikbahanpenyanggakatalis 1uas pennukaanspesItik 40% AIP320% 10% A12O3-
~
SiO2
A12O3-
SiO2
~
1000 1100
2,0500
47,0000
800
108,156
900
19,0000
159,832
Si-O-Si, O-Si-O, Si-O-Si, O-Si-O, Si-O-Si, O-Si-O, Si-O-Si, O-Si-O,
Diameterrata-ratakristal AlzO;SiOz
Tabel 3.
d
Suhu Ulo
Pemanasan
db(hkl) hkl
[AO]
~ ~ ~ ~~~~~
III 112 III 200 101 122 120
192,469 229,827 225,466 246,097 298,713 235,479 169,990
III
185,281
2,210
_121_~7
[AO]
rOc! 100
900
1000
SiO2 [m2/g]
187,9500 59,5700 11,9700 8,6300
500
Si-O.Si, O-Si-O,
Dan diameter rata-rata dari struktur kristal Alumina-Silkaadalahsebagaiberikut :
Brunauer, Emmett and Teller (BET) Luas PemtukaanSpesifik dari pengujian yang dilakukan dengan metode BET, diperoleh basil sebagaiberikut : Tabel
C-C,AI-D,Si~H
AI-O, Si-O, AI-O-AI AI-O, Si-O, AI-O-AI AI-O, Si-O, AI-O-AI AI-O, Si-O, AI-O-AI AI-O, Si-O, AI-O-AI -~
)00
1100
41 --!-
l ,.,.J'...J.~~---,,-""""--i I.-} ~
Spektroscopy FTffi
~
~.'-~~~- ~
,079
E
;
D
I
.
.
~.~~-~~~~~
Gugus fungsional yang dapat lerlil1al dalam contoh Alumina-Silika yang dipanaskan pada berbagai variasi subu pemanasan,dapat
"~~
dilihat dalam label 2 dan gambar 2 berikut ini :
~i
~ ~...:
~
~
A .i:1
'
,,~;,~;i.":'.:
.;~;.,~-~;..
29
Diameter rata-rata kristal Alumina-Silika Pola difraksi sinar-X (XRD) daTi seluruh contoh alumina-silika 40% yang dikalsinasi pacta berbagai variasi suhu. dapat dilihat pactagambar 2. Dalam pola difraksi daTi serbuk alumina silika yang dipanaskan diatas 800 °C ditemukan bentuk
259
Gambar2
Pola difraksi sinar-X daTi A12O3SiO2 40%, dipanaskan padaA:
500°C
B:800°C
D: 100O°CE:IIOO°C
C:900°C
ProsidingPertemuanIlmiah SainsMateri 1997
IISN 1410-2897
Berdasarkan analisa kirnia yang dilakukan pacta contoh Alurnina-Silika 40 % dengan menggunakan AAS, prosentase Al dalam AI2O3-SiO2 dan Si dalam Al2O3-SiO2 adalah sebagaiberikut: AI = 2,810/0, Si = 37,37 %
Pembahasan Pada preparnsi dengan motoda sol-gel menggunakan bahan dasar aluminium clorida heksahidrnt daD TEGS, pertama dilakukan pelarutan atau penguraian ion-ion AlCl3 dalam air. Selanjutnya penambahan TEGS pada larutan tersebut sehingga terjadi reaksi hidrolisis pada saat penambahan.Reaksinya adalah sebagai berikut :
Si(OC2Hs)4 + H2O--.
Si(OH)4+ 4C2HsOH
Dalarn metode ini linkage Si-O-Al terlJentukselama dalam prosesgelatinasi. Skema reaksinyadapatdilihat padareaksiberikut : OR HO Si OR + AICI:r--.
OR
OR CI RO Si 0 Al CI + RCI
OR
Untuk menaikkan homogenitas reaksi diatas, dari larutan tersebut, pengambilan HCI dari sistem sangat diperlukan. Untuk itu dilakukan pencucian dengan menggunakan etanol, yang akan bereaksi dengan HCI menghasilkan ethylchlorida, daIam reaksi berikut ini : C2HsOH + HCI --+
C2HsC +
H2O
Proses kalsinasi dilakukan pada temperaturantara500 °C sampai 1100°C. Tujuan dari proses kalsinasi ini adalah untuk menghilangkanpelarut yang terikat secara fisis clan memperbaiki struktur ikatan alumina-silika. Proses kalsinasi merupakan suatu proses pemanasandalam kondisi oksidasi atmosferpada temperaturdiatas temperaturoperasikatalis yang diizinkan. Selarnakalsinasi berlangsung,beberapa prosesclanreaksidapatterjadi, antaralain[3]: Komponen yang tidak stabil dalam keadaanpanas(sepertikarbonat,nitrat, hidroksida, garalll-garalll organik) dihilangkan dan dikonversikanmenjadi oksida. Dekomposisidari produk dapat membentuk komponen barn hasil reaksi pada keadaanpadat (solid-state reaction). Bagianyang amorp dapatmenjadi struktur kristal. Berbagai modifikasi Struktur kristal dapat mengalamikonversi reversibel. Struktur pori dan kekuatanmekanikdapatberubah. Larutan yang mengandung aluminium klorida clan TEGS setelah diageing menjadi homogen clan viscositasnya naik. Step ini
menunjukkanterjadinyareaksihidrolisa daTiTEOS membentuk gugus =Si-OH diikuti reaksi kondensasi.Gel Alumina-Silika yang terbentuk setelahdikeringkan pada subu 60 °C daD 105 °C menunjukanterdapatnyapuncak-puncakadsorpsi C-H dan O-H pada 3800-2700cm-l, C-C dan C-O pada 1300-800cm-l, AI-O pada 539-699cm-l, SiOH pada sekitar3400 cm!, dan Al-OH pada 1120 cm-l. Padagel yang dipanaskanpadasubu500 °C, 800 °C, 900 °C, 1000°C dan 1100 °C puncakpuncak adsorpsiC-H, O-H, C-O, C-C, Si-OH dan AI-OH menghilang,yang disebabkanpembakaran senyawaorganik. Tetapi puncak-puncakadsorpsi barn terbentukyaitu AI-O-AI pada 3340 daD 935 cm-l, Si-O-Sipada460 cm-l,O-Si-O pada 800-500 cm-), Si-O-AI pada 960-450 cm-l. Jadi dengan pemanasanatau kalsinasipada subu tertentuyang sesuai dapat membawapembahan-pembahan[4] : dekomposisisenyawaprekusordan pembentukan oksida, reaksi pembentukanoksida daD struktur yang lebih baik, pembentukan formasi sistem bimettalic. Pengaruh subu kalsinasi menjadi penting apabila perlakuantemperaturyang tinggi dalam barnstertentu menyebabkankeadaanyang stabil antarapembentukanoksida logam. Keadaan stabil tersebut sangat diharapkan untuk mendapatkankekompakan stmktur oksida yang baik dan dispersi yang besar daTi logam dalam snafu bahan penyanggakatalisator, daD dispersi logamdalambahanpenyanggakatalis menentukan luas permukaan spesifik dari bahan penyangga katalis. Padatabel 1 menunjukkanbahwa semakin rendah subu kalsinasi, semakin besar luas permukaanspesifik daTi bahan penyanggakatalis 40 % Alumina-silika. lni disebabkankarenabahan tersebut dalam bentuk amorp, dan untuk subu kalkinasi diatas800°c sudahmemulai mengkristal (gambar 3). Untuk 10% dan 20% daD subu kalsinasi 800 °c mempunyai luas permukaan spesiftkyang besar,ini disebabkanpada kalsinasi suhu tersebutbahan masih dalam bentuk amorp, karenasilika mengkristalpada subu 1400°c, daD pada subu900; 1000dan 1100°c luas permukaan spesifiknya tidak dapat terdeteksi. Hal ini disebabkanpada subu tersebut sudah mengarah kedalambentuk gelas,sehinggaluas permukaanya sangatkecil. Analisa kimia hanyadilakukan pada sampel Alumina-Silika 40% karena dari uji karakterisasi yang telah dilakukan menunjukan pada prosentase tersebut bahan penyangga Alumina-Silika terdapat dalam kondisi yang optimum.Dan dari basil analisadenganprosentase Al 2,81% dan Si 37,37% tidak menunjukan perbedaaoyang berarti dengan prosentasesecara teoritis.
260
Pro.vidin1!, PertemuanIlmiah SainsMateri 1997
//SN /4/0-2897
KESIMPULAN Deugan metoda sol-gel serbuk yang halos dapat diperoleh. Perbedaan sohu kalsinasi dapat mempengaruhi luas permukaan spesifik daD dimneter rata-rata kristal daTi bahan penyangga katalis. Semakin tinggi sohu kalsinasi, semakin rendah luas permukaan spesifik bahan penyangga katalis. Pada sohu kalsinasi 500 °c, Luas permukaan spesifik oksida logam bahan penyanga katalis adalah yang terbesar. Bahan dalam bentuk amorp mempunyai luas permukaan spesifik yang tinggi. Bahan penyangga katalis dengan komposisi alumunium klorida 40% dalam penelitian ini meuunjukkan spesifikasi yang paling baik.
DAFTAR PUSTAKA [II
[2J
IRANDOUST. S, EDV ARDSON. J, Poissioning of Nickel-Based Catlysts in Fat Hydrogenation, JAOCS, Vol. 70, No. ] I, (1993),]]49. H.P. KLUG, AND L.E. ALEXANDER, Xray Diffraction Procedures, , Wiley, New York, (]974), p. 618.
(3) K. FOGER, Dispersed Metal Catalysts., Catalysis Science& Technology. Vol. 6, (1984),227-294
261
