Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung, 2013
Preparasi Ion Cu Yang Didukung Oleh ZnAl2O4 *
Eka Angasa, Ghufira, Sal Prima Yudha S, Devi Ratnawati, Keny Serarety, Albert DW Jurusan Kimia FMIPA Universitas Bengkulu *
[email protected]
Abstrak. Preparasi ion Cu yang didukung oleh ZnAl2O4 dilakukan melalui dua tahap. Pertama sintesis ZnAl2O4 dengan metoda keramik dan kedua impregnasi ion Cu pada ZnAl2O4. Material yang dihasilkan dikarakterisasi dengan XRD, EDX, dan SEM. Difraktogram ZnAl2O4 mempunyai pola difraksi yang sama dengan ion Cu yang didukung ZnAl2O4. Adanya ion Cu pada ZnAl2O4 dikonfirmasi menggunakan EDX dengan persentase massa Cu sebesar 29,9%. Analisis SEM menunjukkan bahwa material yang dihasilkan berbentuk lonjong. Keywords: Ion Cu, ZnAl2O4, impregnasi, metoda keramik
PENDAHULUAN Perkembangan teknologi katalis dalam bidang industri dan akademik sangat pesat. Produk bahan kimia umumnya dihasilkan dari reaksi yang menggunakan katalis sehingga katalis memegang peranan penting. Secara umum katalis terbagi menjadi tiga, yaitu katalis homogen, katalis heterogen, dan katalis homogen terheterogenasikan (juga biokatalis/enzim). Katalis homogen merupakan katalis yang memiliki fasa yang sama dengan substrat atau interaksi substrat–katalis berada dalam fasa yang sama. Katalis heterogen merupakan katalis yang memiliki fasa yang berbeda dengan substrat atau interaksi substrat – katalis berada dalam fasa yang berbeda. Katalis heterogen dapat berupa katalis logam tunggal, oksida logam, dan katalis berpenyangga. Katalis heterogen memiliki beberapa kelebihan dibandingkan katalis homogen antara lain mudah dipisahkan dari produknya dan mudah diregenerasi sehingga dapat digunakan kembali. Katalis enzim adalah molekul protein dengan ukuran koloid, memiliki fasa yang berada di antara katalis homogen dan heterogen. Salah satu contoh katalis heterogen yang telah berhasil disintesis pada penelitian
sebelumnya adalah katalis logam Pt yang didukung oleh ZnAl2O4 (Pt/ZnAl2O4). Katalis Pt/ZnAl2O4 digunakan dalam reaksi dehidrogenasi n-butana. ZnAl2O4 dapat disintesis dengan tiga metode, yaitu metode keramik (CM), metode Synthesis in Humid Medium (HMS), dan kopresipitasi (COPR). Sintesis ZnAl2O4 dengan metode CM dan HMS menunjukkan nilai keasaman yang dapat diabaikan, yaitu (<0,5%) sedangkan ZnAl2O4 dengan metode COPR menunjukkan nilai keasaman rendah (3%). ZnAl2O4 memiliki beberapa kelebihan jika digunakan sebagai penyokong katalis. Hal ini dikarenakan ZnAl2O4 memiliki kemurnian kimia yang tinggi, keasaman yang cukup, aktivitas, dan selektivitas yang baik. Katalis Pt berpendukung ZnAl2O4 yang disintesis dengan metode COPR mempunyai aktifitas dan selektivitas yang lebih baik dibandingkan metode HMS dan CM untuk menghasilkan senyawa olefin. Penggunaan ZnAl2O4 sebagai pendukung Fe juga telah dilakukan oleh Rahman (2010) dengan metode CM. Rahman (2010) berhasil mensintesis ZnAl2O4 yang didukung oleh Fe+2 dan Fe+3. ZnAl2O4 yang didukung Fe+2 dan Fe+3 mempunyai difraktogram yang sama dengan ZnAl2O4 standar.
Semirata 2013 FMIPA Unila |111
Eka Angasa dkk: Preparasi Ion Cu Yang Didukung Oleh ZnAl2O4
Pada saat ini peneliti sedang mengembangkan penggunaan logam Cu sebagai katalis dikarenakan logam tersebut tersedia dalam jumlah yang banyak. Penggunaan logam Cu sebagai katalis telah dilakukan pengembangannya, yaitu katalis heterogen nanopartikel Cu yang didukung oleh hydrotalcite (Cu/HT) dan bahan anorganik lain seperti Cu/MgO, Cu/Al2O3, Cu/HAP, Cu/TiO2 dan Cu/SiO2 yang digunakan pada reaksi dehidrogenasi alkohol. Katalis Cu yang didukung HT menunjukkan aktifitas katalis yang paling tinggi untuk reaksi dehidrogenasi berbagai alkohol dan dapat didaur ulang sebanyak dua kali [4]. Berdasarkan informasi di atas, penelitian ini menggabungkan pendukung ZnAl2O4 yang telah dipelajari Ballarini et al, (2009), dan katalis Cu yang telah dipelajari oleh Mitsudome et al, (2008), untuk mensintesis katalis Cu berpendukung ZnAl2O4. Katalis ini diharapkan efektif dan selektif untuk reaksi sintesis kimia. METODE PENELITIAN Sintesis ZnAl2O4 dengan Metode Keramik Sintesis ZnAl2O4 menggunakan metode keramik berdasarkan prosedur kerja yang dilakukan Ballarini et al, (2008). Ditimbang Al2O3 dan ZnO dengan perbandingan mol 1 : 1 dengan berat ZnO diatur hingga lebih 5% dari Al2O3. Al2O3 dan ZnO Dihaluskan dengan mortal dan ditambahkan ultra pure water sampai terbentuk pasta. Pasta yang diperoleh dikeringkan pada suhu 1100C selama 6 jam dan dikalsinasi selama 18 jam pada suhu 8000C secara bertahap yaitu 7 jam, 7 jam, dan 4 jam dan dikarakterisasi dengan XRD. Untuk memurnikan ZnAl2O4 dilakukan delapan kali pencucian dengan menggunakan larutan (NH4)2CO3 dan dicuci dengan air ultra pure kemudian dikeringkan pada suhu 120⁰C selama 12 jam.
112|Semirata 2013 FMIPA Unila
Sintesis Cu(II)/ZnAl2O4 0,8 mmol larutan Cu(II) trifluorometanasulfonat dilarutkan dalam 50 ml air ultra pure water menggunakan labu ukur kemudian dimasukkan ke dalam gelas piala dan ditambahkan ZnAl2O4 sebanyak 1 gram. Diatur pH sampai 8 dengan menambahkan larutan NH4OH sedikit demi sedikit. Campuran diaduk selama 1 jam pada suhu ruangan dengan menggunakan magnetik stirer. Padatan yang diperoleh disaring menggunakan kertas saring Whatman 42 dan dicuci dengan air ultra pure. Setelah itu dikeringkan selama 1 malam dalam desikator. Setelah itu di oven pada suhu 180⁰C selama 30 menit dan diperoleh sampel Cu(II)/ZnAl2O4. HASIL DAN PEMBAHASAN Sintesis ZnAl2O4 dengan Metode Keramik Sintesis ZnAl2O4 pada penelitian ini dilakukan dengan memodifikasi Metode Keramik yang dilakukan sebelumnya oleh Ballarini (2009). Modifikasi dilakukan pada saat kalsinasi pada suhu 800⁰C selama 18 jam secara bertahap dimana hari pertama 7 jam, hari kedua 7 jam, dan hari ketiga 4 jam. Sintesis ZnAl2O4 dilakukan dengan cara mencampurkan Al2O3 dan ZnO. Masing-masing bahan ditimbang sesuai dengan perhitungan. Al2O3 berupa serbuk putih tidak berbau dan ZnO berupa serbuk amorf bewarna putih, seperti terlihat pada Gambar 1. Kedua padatan ini dicampur dan dihaluskan menggunakan lumpang dan alu.
a
b Gambar 1. a). Al2O3 b). ZnO
Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung, 2013
a
b
a
b
Gambar 3. a). Larutan Cu/ZnAl2O4 b). Padatan Cu/ZnAl2O4
c Gambar 2. Pasta ZnAl2O4 a). sebelum dioven b). setelah di Oven c). setelah dikalsinasi
Setelah kedua padatan tercampur homogen, ditambahkan air ultra pure sampai terbentuk pasta (Gambar 2a), kemudian dioven selama 6 jam pada suhu 110°C. Pengovenan ini bertujuan untuk mengurangi kadar air yang ada pada permukaan pasta dan mencegah terjadinya letupan saat kalsinasi. Pasta yang telah dioven menghasilkan padatan yang keras tetapi masih dapat untuk dihaluskan kembali seperti terlihat pada Gambar 2b. Padatan yang diperoleh, dipindahkan ke dalam krus dan didiamkan selama 1 malam di dalam desikator. Padatan yang telah didiamkan selama 1 malam dikalsinasi pada suhu 800°C selama 18 jam secara bertahap yaitu 7 jam, 7 jam, dan 4 jam. Kalsinasi ini dilakukan dengan tujuan untuk memperoleh oksida ZnAl2O4 dan menghilangkan pengotor yang terdapat pada pori-pori ZnAl2O4. Gambar 2c merupakan hasil kalsinasi selama 18 jam pada suhu 800°C. Sintesis Cu/ZnAl2O4 Impregnasi Cu pada HT telah dilakukan oleh Mitsudome et al, (2008). Sehingga pada penelitian ini digunakan metode yang sama untuk mengimpregnasi tembaga ke dalam ZnAl2O4. Pada penelitian ini digunakan Cu(II) Trifluorometanasulfonat yang ditimbang dalam ruangan yang dialiri gas nitrogen karena Cu(II)
Trifluorometanasulfonat ini tidak stabil di udara bebas. Cu(II) Trifluorometanasulfonat dilarutkan dalam air ultra pure, ditambahkan ZnAl2O4 dan diatur sampai pH 8 dengan menambahkan NH4OH 25% sehingga membentuk larutan bewarna biru seperti pada Gambar 3a, kemudian distirer selama 1 jam. Serbuk biru kehijauan yang diperoleh, dikeringkan dalam desikator selama semalam. Serbuk yang diperoleh dipanaskan pada suhu 180°C selama 30 menit dan dihasilkan serbuk berwarna coklat kehitaman seperti terlihat pada Gambar 3b. Hasil Karakterisasi DENGAN XRD Karakterisasi XRD dilakukan terhadap ZnAl2O4 dan katalis Cu(II)/ZnAl2O4 menggunakan sumber radiasi CuKα = 1,54060Å pada 40 kV dan 30 mA. Gambar 4 dan 5menunjukkan pengukuran XRD dari ZnAl2O4 yang diperoleh sebelum dan setelah pemurnian, sedangkan Gambar 6 merupakan difrakrogram ZnAl2O4 standar yang dilakukan oleh Ballarini et al, (2009). Pembacaan data XRD sampel dilakukan dengan cara membandingkan difraktogram ZnAl2O4 sampel dengan difraktogram ZnAl2O4 standar yang dilakukan oleh Ballarini et al, (2009). Difraktogram ZnAl2O4 yang dihasilkan dari penelitian ini memiliki pola difraksi yang sama dengan difraktogram ZnAl2O4 standar yang dilakukan oleh Ballarini et al, (2009) pada 2θ = 31,2295; 36,8 58; 44,7736; 49, 6 3; 55,6088; 59,7800; dan 65,2035. Hal ini menunjukkan bahwa ZnAl2O4 telah berhasil disintesis. Namun demikian masih banyak Semirata 2013 FMIPA Unila |113
Eka Angasa dkk: Preparasi Ion Cu Yang Didukung Oleh ZnAl2O4
terdapat puncak difraksi pada 2θ yang lain. Hal ini menunjukkan bahwa ZnAl2O4 masih banyak pengotor. Untuk itu dilakukan pemurnian menggunakan (NH4)2CO3. Setelah dilakukan pemurnian, diperoleh difraktogram yang menunjukan bahwa ZnO dan Al2O3 telah berhasil dihilangkan dari sampel ZnAl2O4. Tetapi masih terdapat pengotor lain yang ditunjukkan oleh puncak pada 2θ = 28,1241; 33,1174; 49,7683; 53,0655; dan 58,2258 (Gambar 5).
Gambar 7. ZnAl2O4 setelah diimpregnasi dengan Cu
Cu(II)/ZnAl2O4 telah di sintesis, juga dikarakterisasi menggunakan XRD. Dari hasil XRD yang diperoleh, menunjukkan bahwa difraktogram ZnAl2O4 dan Cu(II)/ZnAl2O4 mempunyai pola difraksi yang sama (Gambar 7). Hal ini diduga Cu hanya menempel pada permukaan ZnAl2O4 sehingga tidak merubah struktur kisi dari ZnAl2O4 tersebut. Gambar 4. ZnAl2O4 sebelum pemurnian
Gambar 5. ZnAl2O4 setelah pemurnian
Hasil Karakterisasi dengan SEM-EDX EDX digunakan untuk mengidentifikasi dan menentukan komposisi unsur dari sampel. Komposisi unsur hasil analisis EDX disajikan dalam Tabel 1. Dari analisis EDX menunjukkan bahwa Cu telah berhasil diimpregnasikan ke ZnAl2O4. Berdasarkan hasil analisis EDX diketahui bahwa Cu yang terimpregnasi berbentuk Cu2+ dengan senyawa CuO. Hal ini juga sesuai dengan yang dilakukan oleh Mitsudome et al, (2008). Tabel 1. Komposisi unsur hasil analisis EDX No 1 2 3 4
Gambar 6. Difraktogram ZnAl2O4 Standar sebelum (a) sesudah (b) pemurnian (Ballarini et al, 2009)
114|Semirata 2013 FMIPA Unila
Jenis Unsur O Al Cu Zn Jumlah
% Massa 7,23 13,43 29,98 49,36 100
Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung, 2013
UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih penulis sampaikan kepada Direktorat Jendral DIKTI yang telah mendanai penelitian ini melalui Skim Hibah Bersaing Tahun 2012. Gambar 8. foto SEM dengan perbesaran a). 10000x b). 40000x
Untuk mengetahui morfologi permukaan Cu(II)/ ZnAl2O4, dikarakterisasi menggunakan SEM dengan perbesaran 10000x dan 40000x. Berdasarkan hasil analisis SEM pada Gambar 8 dengan perbesaran 10000x dan 40000x terlihat morfologi permukaan Cu/ZnAl2O4 berupa kristal berbentuk jarum-jarum. KESIMPULAN
1. 2.
3. 4.
Dari hasil penelitian dapat disimpulkan: Ion Cu berpendukung ZnAl2O4 telah berhasil disintesis Hasil analisis XRD menunjukkan bahwa difraktogram ZnAl2O4 mempunyai pola difraksi yang sama dengan ion Cu yang didukung ZnAl2O4. Hasil analisis EDX diperoleh persentase massa Cu sebesar 29,9%. Analisis SEM menunjukkan bahwa material yang dihasilkan berbentuk lonjong.
DAFTAR PUSTAKA Nurofik, 2008. Reaksi Oksidasi Katalitik Gugus OH Sekunder Pada 2-Butanol Menggunakan Katalis TiO2-Al2O3. Skripsi Sarjana (S1) Universitas Indonesia Siddiq, Abdullah M., 2009. Sintesis Katalis Heterogen Dari Kompleks Logam Salisilaldehida-1,2-Sikloheksanadiamina Untuk Oksidasi Alkohol Sekunder Menjadi Keton. Skripsi Sarjana (S1) Kimia Institut Pertanian Bogor Ballarini, A. D., Sonia A. B., Alberto A. C., Sergio R. d. M. dan Osvaldo A. S. 2009. Characterization of ZnAl2O4 obtained by Different Methods and Used as Catalytic Support of Pt. Catal let, Vol. 129, 293302 Mitsudome, T., Yusuke, M., Kaori, E., Tomoo, M., 2008. Copper nanoparticles on hydrotalcite as a heterogeneous catalyst for oxidant free dehydrogenation of alcohols. Chem.commun, 4804-4806 Rahman, T., 2010. Sintesis dan Karakterisasi Katalis Berpendukung ZnAl2O4. Skripsi Sarjana (S1) Kimia Universitas Bengkulu
.
Semirata 2013 FMIPA Unila |115
