1SSN 1410-2897Prosiding Perlemuan llmiah Sains Materi 1997

PEMBtJA TAN MATERIAL SISTEM A~O3-SIO1 SEBAGAI BAHANPENYANGGA KATALISATOR DENGAN METODA SOL-GEL 1

Silvester Tursiloadi 2, Ayu Trisye Juliana3 Heri Kresnadi2

ABSTRAKPEMBUATAN MATERIAL SISTEM AI203-Si~ SEBAGAI BAHAN PENYANGGA KATALISATOR DENGAN

METODA SOL-GEL.Dalam penelitian ini. dikembangkan metode untuk pembuatao bahan penyangga katalisator. Metoda baruuntuk pembuatao bahan penyangga katalisator. A1,O3-SiO, dari larutao tetraethoxysilane daD aluminium klorida telah dipelajaridengan proses sol-gel. Larutao yang mengandung aluminium klorida daD TEOS setelah diageing menjadi homogen daD viscositasnyanaik Step ini menunjukkan teljadinya reaksi hidrolisa dari TEOS membentuk gugus =Si-OH diikuti reaksi kondensasi. Denganmetoda sol-gel serbuk yang halus dapat diperoleh. Perbedaan suhu kalsinasi dapat mempengaruhi luas permukaan spesiftk dandiameter 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, padasuhu 500°C.

ABSTRACTPREPARATION OF MATERIAL SYSTEM A~O3 -SI~ AS SUPPORT CATALYST MATERIAL BY SOL-

GEL METHOD. In this research of the method for preparation of support catalyst is being developed. The new method forfabrication of support catalyst material of Al203 -Si02 from tetraethoxysilane (TEOS) and aluminium chloride were studied by sol-gel process. The solution of aluminium chloride and TEOS contain was homogen, and the viscosity of it increase after ageing. Thisstep indicated that hydrolysis reaction ofTEOS to produce =-Si -OH group followed by occurance condensation reaction. By thismethod, fine powder of Al2O3 -Si02 can be produced. Deferences of calcination temperatures could effect specific surface area andaverage crystalline diameter of support catalyst material. The material in amorphous form has a high specific surface area. Thesurface area of catalyst material which has the composition of 40 % mol aluminium chloride indicated better in carrier properties. at500.C.

KEY WORDSol Gel. Support Catalyst, Hydrolysis

PENDABULUAN akan terdeposit pada pori-pori suatu bllhanpenyangga yang memiliki sifat dalam reaksisebagai zat inert. BIlhan penyangga katalis adalahpadatan, atau katalis heterogen yang mana terdapatdalam sejumlah kecil dari spesies katalis aktif yangterdeposit pada permukaannya. Bahan ini adalahinert, porous, bentuknya seperti pelet, cincin,extrudate, granule dan powder, yang mana biasadisebutjuga sebagai carriers. Kebanyakan materialyang digunakan dalam bahan penyangga katalisterdiri dati single atau campuran metal oksida,seperti alumina, silika, silika-alumina, magnesia,titanium, zirconia dan lain-lain. Pemilihan carriersadalah langkah yang sangat penting dalammernncang katalis logam yang berpenyangga daDditetapkan dengan parameter seperti luaspermukaan, karakterisrik porositas, stabilitas daDjika fungsi katalitik dati bahan penyangga jugadigunakan maka ditentukan juga aktivitasmaksimum dan selektivitas.

Dengan penelitian lebih lanjut proses sol-gel dapat diaplikasikan dalam pembuatan oksidalogam untuk katalis maupun bllhan penyangganya.Proses sol-gel mempakan metode yang sangatmenarik karena prosesnya dapat dilakukan pada

Kebanyakan katalis padat memerlukanbahan penyangga sebagai framework, dimanakatalis aktif akan terdeposit daIam pori-porinya,bahan ini merniliki kekuatan mekanik tetapi tidakmemberikan efek katalitik dalam reaksi (inert).Bahan t>enyangga ini dapat disebut juga sebagaicarriers, yang merniliki fungsi sebagai berikut :

Dengan porositasnya yang tinggi,menaikkan efektifitas permukaan katalis dengancara menyebarkan katalis daIam suatu lapisan tipis,memperbaiki stabilitas dengan menjaga jarakantara permukaan kristal katalis agar cukupberjauhan untuk mencegah katalis berfusi secarabersamaan, interaksi bahan kirnia aktua1 dengankatalis dapat. dihasilkan dengan baik, kenaikan daripermukaan yang aktif dapat mereduksi sensitivitasraclln bagi kata.Iis, clan kapasitas panas dari carrierdapat mencukupi untuk meratakan panas danmencegah kelebihan panas lokal yang mungkinterjadi dalam sintering [1].

Suafu bahan penyangga diperlukanapabila zat aktif yang dibutuhkan sebagai katalismerupakan komponen minor. Zat aktif tersebut

I Dipresentasikan pada pertemuan Ilmiah gains Materi 19972 Puslitbang Kimia T erapan LIPI, PUSPIPlEK SeIlJong, Tangerang, 153203 Tek11ik Kimia, Fakultas Tek11ik lndustri, Universitas Jaya Baya, n. Raya Bogor KIn. 28.8 Cirnanggis, Jakarta

257

Prosiding Pertemuan /lmiah Sains Materi 1997 IlSN 1410-2897

suhu yang relatif rendah, serta aplikasinya yangsangat luas. Teknologi sol-gel adalah multistepproses daTi gabungan proses kimia dan fisika. Stepdalam proses sol-gel adalah :hidrolisa,polimerisasi, pengeringan dan pengompakan.Keuntungan dari penggunaan tekriik sol-gel dalampembuatan fine keramik dibandingkan denganteknologi tradisional (pencampuran serbuk) adalah: I) Homoginitasnya lebih tinggi. 2) Kemurniannyalebih tinggi. 3) Prosesnya pada subu rendah dankonsolidasi dimungkinkan. 4) Dalam sistemmultikomponen, distribusi fasanya lebih uniform.5) Sangat mudah dalam pembentukan lapisan tipisdan pelapisan. 6) Dalam pembuatan bentuk serbuk,ukuran dan kontrol morphologinya lebih baik.Dilihat dari keuntungannya maka teknologi sol-gelsangat potensial untuk diaplikasikan padapembuatan bahan penyangga katalisator. Dalampenelitian ini bertujuan untuk membuat bahanpenyangga AI2O3-SiO2 yang mempunyaikarakteristikbagus.

bagi tetraethyl orthosilicate untuk meliyelesaikanreaksi hidrolisa dan kondensasinya, sehinggamembentuk polimer rantai panjang antara aluminadaD silika.

Pengukurnn luas permukaan spesifik datibahan penyangga katalis yang dihasilkandilakukan dengan metode BET (Brunauer-Emmer-Teller), yaitu dengan mengamati banyaknya gas Nzyang mampu diadsorb oleh contoh, sehinggadapat diketahui luas permukaan per gram contohatau luas permukaan spesiftk dari contohtersebut.

Pengujian Forier Transform Infra Red(FTIR) dirnaksudkan untuk mengetahui strukturmolekul, khususnya gugus fungsional besertatingkungannya dati contoh serbuk bahanpenyangga AIumina-Silika

Pengujian metalui metode X-RayDiffraction (XRD) bertujuan untuk menunjukkanbentuk dan jenis kristal dari contoh. Selain itu jugauntuk menentukan diameter rata-rata krital daticontoh. Besaran partikel kristal -dari pola difraksisinar-X dapat dihitung dengan menggunakanpersamaan Scherrer [2).METODOWGI

t = 0.9)" 113 cos8

dimana, t = besaran kristalA = panjang gel.ombang radiasi

CuKa = 1..54056 A

P = lebar pada sepandl tinggi

puncake = sepandl sudut pengarnatan

Untuk mengetahui secara kuantita1:ir darilogam penyusunnya dilakukan analisa kimiadengan menggunakan alat Atomic AbsorptionSpectrum (AA5) yang prinsip kerjanyamengabsorpsi atom yang tereksitasi dan diukurgelombang spekfrumnya.

BASIL DAN PEMBAHASAN

Basil

ViskositasViskositas larutan carnpuran alumunium

klorida dengan tetraethyl orthosilicate mengalamikenaikan yang merupakan kenaikan nilai hidrolisistetraethyl orthosilicate. Garnbar 1. menunjukanperubahan viskositas dengan waktu reaksi yangdiperlukan untuk mencapai harga viskositastertinggi. Dapat dilihat bahwa kenaikan viskositasterjadi secara kontinue daD mantap pada proseskonversi so! menjadi gel. Kecepatan kenaikanviskositas yang lebih rendah terjadi pada awalproses daD kecepatan akan naik dengan cepat pada

Serbukhalus siiika-aiumina dibuat denganmetoda sol-gel. Atumunium chlorida denganberbagai variasi jumlah berdasarkan persen moldilarutkan dmam aquadest, diikuti denganpenambahan larutan tetraethoxysilicate (TEaS)dengan kecepatan penambahan I tetes/detik sambildiaduk dalam temperatur kamar. Kandungankomponen Alumunium chlorida adalah 10,20 daD40 persen mol. Larutan menjadi homogen dalampengadukan selama 5 jam. Larutan tembuspandang yang disebut sol kemudian diageingdalam oven pada subu 50 °c selama 15 jam. Makagel tembus pandang akanterbentuk daD selanjutnyasetelah dicuci dengan etanol, dikeringkan dalamoven pada subu 60 °c selama 15 jam. Hasilnyaserbuk halus berwarna putih. Proses pengeringandilakukan dengan tujuan untuk menghilangkankandungan air bebas daIam campuran basil prosespreparasi. Proses ini dilakukan dalam oven dangansuhu 105 DC selama 24 jam. Proses kalsinasiberti~uan selain lmtuk menghil~ngkan kandlmganair yang terikat secara kimia dalam contoh daDsenyawa organiknya juga sebagai pembentukanstruktur. Proses ini dilakukan dalam furnacedengan subu bervariasi, yaitu 500 DC, 800 DC, 900DC, 1000 DC daD 1100 DC selama 2 jam.

Pengukuran viskositas larutan atau solhingga menjadi gel-ora dimaksudkan untukmengetahui waktu reaksi yang diperlukan olehsistem untuk mengkonversikan larutan sol menjadigel dalam temperatur kamar. Atau dengan kata lain"otuk dapat mengetahui waktu yang diperlukan

258

//SN /4/0-2897Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997

kristal mullite, ini dapat diketahui dari puncak-puncak yang terbentuk.

akhir proses. Waktu transisi sol-gel yangdiperlukan adalah 14 hari deogan titik gelatinasiberturut-turut adalah 30 poise untuk Alumina-Silika 10%, 40 poise untuk Alumina-Silika 20%dan 50 poise uotuk Alumina-Silika 40%.

Gugus fungsional yang terdapat padacontoh AI2O3-SiO2

Tabel 2.

SuhuPemanasan

°cGugus Fungsional

C-H, C-C, O-H, Al-O, Si-O, Si-OH

60

J~, C-C, AI-D, Si~H105)00 AI-O, Si-O, Si-O.Si, O-Si-O,

AI-O-AIAI-O, Si-O, Si-O-Si, O-Si-O,AI-O-AI

800

AI-O, Si-O, Si-O-Si, O-Si-O,AI-O-AI

900

AI-O, Si-O, Si-O-Si, O-Si-O,AI-O-AI

1000

AI-O, Si-O, Si-O-Si, O-Si-O,AI-O-AI-~

100Gambar Kurva kenaikan visikositBS

lamtan Alumina-Silikaterhadap waktu ageing padasuhu kamar

Dan diameter rata-rata dari strukturkristal Alumina-Silka adalah sebagai berikut :

Brunauer, Emmett and Teller (BET)Luas Pemtukaan Spesifik dari pengujian

yang dilakukan dengan metode BET, diperolehbasil sebagai berikut :

Diameter rata-rata kristal AlzO;SiOzTabel 3.

d[AO]

db(hkl)[AO]

SuhuPemanasan

rOc!Ulo hkl

Pengaruh perbedaan suhupemanasanterhadap luas permukaanspesifik bahan penyangga katalis

Tabel

~~~~~~~~

2,210

100

41

900III 192,469112 229,827III 225,466200 246,097101 298,713122 235,479120 169,990III 185,281

_121_- ~7 ,079

1uas pennukaan spesItik40% AIP3-

SiO2[m2/g]

Subukalsinasi

1000

m500

800

900

1000

1100

1100187,950059,570011,97008,63002,0500

10%A12O3-SiO2~

47,0000108,156

20%A12O3-SiO2

~19,0000159,832

Spektroscopy FTffiGugus fungsional yang dapat lerlil1al

dalam contoh Alumina-Silika yang dipanaskanpada berbagai variasi subu pemanasan, dapatdilihat dalam label 2 dan gambar 2 berikut ini :

--!- ;l J. E .,.,.J- '... ~~---,,-""""--iI.-} D I

~ ~ ~.'-~~~- ~.

~.~~-~~~~~"~~ ~ ~...: ~~ ' A .i:1 ~i ,,~;,~;i.":'.: .;~;.,~-~;..

29Diameter rata-rata kristal Alumina-Silika

Pol a difraksi sinar-X (XRD) daTi seluruhcontoh alumina-silika 40% yang dikalsinasi pactaberbagai variasi suhu. dapat dilihat pacta gambar 2.Dalam pola difraksi daTi serbuk alumina silikayang dipanaskan diatas 800 °C ditemukan bentuk

Pola difraksi sinar-X daTi A12O3-

SiO2 40%, dipanaskan padaA: 500°C B:800°C C:900°C

D: 100O°C E:IIOO°C

Gambar 2

259

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997 IISN 1410-2897

menunjukkan terjadinya reaksi hidrolisa daTi TEOSmembentuk gugus =Si-OH diikuti reaksikondensasi. Gel Alumina-Silika yang terbentuksetelah dikeringkan pada subu 60 °C daD 105 °Cmenunjukan terdapatnya puncak-puncak adsorpsiC-H dan O-H pada 3800-2700 cm-l, C-C dan C-Opada 1300-800 cm-l, AI-O pada 539-699 cm-l, Si-OH pada sekitar 3400 cm!, dan Al-OH pada 1120cm-l. Pada gel yang dipanaskan pada subu 500 °C,800 °C, 900 °C, 1000 °C dan 1100 °C puncak-puncak adsorpsi C-H, O-H, C-O, C-C, Si-OH danAI-OH menghilang, yang disebabkan pembakaransenyawa organik. Tetapi puncak-puncak adsorpsibarn terbentuk yaitu AI-O-AI pada 3340 daD 935cm-l, Si-O-Si pada 460 cm-l, O-Si-O pada 800-500cm-), Si-O-AI pada 960-450 cm-l. Jadi denganpemanasan atau kalsinasi pada subu tertentu yangsesuai dapat membawa pembahan-pembahan[4] :dekomposisi senyawa prekusor dan pembentukanoksida, reaksi pembentukan oksida daD strukturyang lebih baik, pembentukan formasi sistembimettalic. Pengaruh subu kalsinasi menjadipenting apabila perlakuan temperatur yang tinggidalam barns tertentu menyebabkan keadaan yangstabil antara pembentukan oksida logam. Keadaanstabil tersebut sangat diharapkan untukmendapatkan kekompakan stmktur oksida yangbaik dan dispersi yang besar daTi logam dalamsnafu bahan penyangga katalisator, daD dispersilogam dalam bahan penyangga katalis menentukanluas permukaan spesifik dari bahan penyanggakatalis. Pada tabel 1 menunjukkan bahwa semakinrendah subu kalsinasi, semakin besar luaspermukaan spesifik daTi bahan penyangga katalis40 % Alumina-silika. lni disebabkan karena bahantersebut dalam bentuk amorp, dan untuk subukalkinasi diatas 800 °c sudah memulai mengkristal(gambar 3). Untuk 10% dan 20% daD subukalsinasi 800 °c mempunyai luas permukaanspesiftk yang besar, ini disebabkan pada kalsinasisuhu tersebut bahan masih dalam bentuk amorp,karena silika mengkristal pada subu 1400 °c, daDpada subu 900; 1000 dan 1100 °c luas permukaanspesifiknya tidak dapat terdeteksi. Hal inidisebabkan pada subu tersebut sudah mengarahkedalam bentuk gelas, sehingga luas permukaanyasangat kecil. Analisa kimia hanya dilakukan padasampel Alumina-Silika 40% karena dari ujikarakterisasi yang telah dilakukan menunjukanpada prosentase tersebut bahan penyanggaAlumina-Silika terdapat dalam kondisi yangoptimum. Dan dari basil analisa dengan prosentaseAl 2,81% dan Si 37,37% tidak menunjukanperbedaao yang berarti dengan prosentase secarateoritis.

Berdasarkan analisa kirnia yangdilakukan pacta contoh Alurnina-Silika 40 %dengan menggunakan AAS, prosentase Al dalamAI2O3-SiO2 dan Si dalam Al2O3-SiO2 adalahsebagai berikut: AI = 2,810/0, Si = 37,37 %

PembahasanPada preparnsi dengan motoda sol-gel

menggunakan bahan dasar aluminium cloridaheksahidrnt daD TEGS, pertama dilakukanpelarutan atau penguraian ion-ion AlCl3 dalamair. Selanjutnya penambahan TEGS pada larutantersebut sehingga terjadi reaksi hidrolisis pada saatpenambahan. Reaksinya adalah sebagai berikut :

Si(OH)4 + 4C2HsOHSi(OC2Hs)4 + H2O --.

Dalarn metode ini linkage Si-O-AlterlJentuk selama dalam proses gelatinasi. Skemareaksinya dapat dilihat pada reaksi berikut :

OR OR CIHO Si OR + AICI:r--. RO Si 0 Al CI + RCI

OR OR

Untuk menaikkan homogenitas reaksidiatas, dari larutan tersebut, pengambilan HCI darisistem sangat diperlukan. Untuk itu dilakukanpencucian dengan menggunakan etanol, yang akanbereaksi dengan HCI menghasilkan ethylchlorida,daIam reaksi berikut ini :

C2HsOH + HCI --+ C2HsC H2O+

Proses kalsinasi dilakukan padatemperatur antara 500 °C sampai 1100 °C. Tujuandari proses kalsinasi ini adalah untukmenghilangkan pelarut yang terikat secara fisisclan memperbaiki struktur ikatan alumina-silika.Proses kalsinasi merupakan suatu prosespemanasan dalam kondisi oksidasi atmosfer padatemperatur diatas temperatur operasi katalis yangdiizinkan. Selarna kalsinasi berlangsung, beberapaproses clan reaksi dapat terjadi, antara lain[3]:

Komponen yang tidak stabil dalamkeadaan panas (seperti karbonat, nitrat, hidroksida,garalll-garalll organik) dihilangkan dandikonversikan menjadi oksida. Dekomposisi dariproduk dapat membentuk komponen barn hasilreaksi pada keadaan padat (solid-state reaction).Bagian yang amorp dapat menjadi struktur kristal.Berbagai modifikasi Struktur kristal dapatmengalami konversi reversibel. Struktur pori dankekuatan mekanik dapat berubah.

Larutan yang mengandung aluminiumklorida clan TEGS setelah diageing menjadihomogen clan viscositasnya naik. Step ini

260

Pro.vidin1!, Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1997 //SN /4/0-2897

KESIMPULAN

Deugan metoda sol-gel serbuk yang halosdapat diperoleh. Perbedaan sohu kalsinasi dapatmempengaruhi luas permukaan spesifik daDdimneter rata-rata kristal daTi bahan penyanggakatalis. Semakin tinggi sohu kalsinasi, semakinrendah luas permukaan spesifik bahan penyanggakatalis. Pada sohu kalsinasi 500 °c, Luaspermukaan spesifik oksida logam bahan penyangakatalis adalah yang terbesar. Bahan dalam bentukamorp mempunyai luas permukaan spesifik yangtinggi. Bahan penyangga katalis dengan komposisialumunium klorida 40% dalam penelitian inimeuunjukkan spesifikasi yang paling baik.

DAFTAR PUSTAKA

[II IRANDOUST. S, EDV ARDSON. J,Poissioning of Nickel-Based Catlysts inFat Hydrogenation, JAOCS, Vol. 70, No.] I, (1993),]]49.H.P. KLUG, AND L.E. ALEXANDER, X-ray Diffraction Procedures, , Wiley, NewYork, (]974), p. 618.

[2J

(3) K. FOGER, Dispersed Metal Catalysts.,Catalysis Science & Technology. Vol. 6,(1984),227-294

261