KIMIA KATALIS KARAKTERISASI KATALIS

Transkripsi

1 KIMIA KATALIS KARAKTERISASI KATALIS

2 Tujuan Karakterisasi 1. Membuktikan bahwa katalis yang telah disintesis sesuai dengan yang diharapkan. 2. Quality control operation after preparation 3. Mengetahui sifat-sifat katalis: aktivitas, selektivitas, stabilitas. 4. Dengan karakterisasi diperoleh korelasi antara kinerja katalis dengan struktur maupun sifat-sifat elektronik katalis.

3 Sifat-Sifat Fisis Penentuan Surface area dan volume pori metode BET Distribusi ukuran pori Mercury porosimetry, adsorpsi N 2 Morfologi permukaan Scanning Electron Microscopy Sifat-Sifat Kimia Kapasitas adsorpsi dan desorpsi Thermogravimetric Analysis (TGA) Penentuan struktur dan kristalinitas X-ray diffraction (XRD) nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR)

4 Sifat-Sifat Kimia Permukaan Penentuan keasaman dan kebasaan permukaan padatan Amonia Temperature Programmed Desorption (TPD) Dispersi logam aktif serta densitas situs aktif Pulse Chemisorption

5 1 Penentuan Surface Area dan Volume Pori (BET) Tahapan : preparasi dan analisis. Preparasi : Sebelum pengujian sampel dipreparasi Sampel dioven (5 jam, suhu 150 C) agar kandungan uap air dan gas-gas pengotor berkurang didinginkan masukkan ke dalam sample cell ditimbang vacuum degassing (suhu 150 C, 6 jam) untuk menghilangkan secara lebih seksama uap air dan gas-gas pengotor pada permukaan sampel sampel didinginkan ditimbang untuk mendapatkan berat keringnya.

6 Analisis : Pengujian sampel dilakukan dg cara adsorpsi N 2 pada suhu 77 K (titik didih nitrogen cair pada kondisi standar). Luas permukaan padatan dan volume pori diperkirakan dengan isotherm BET. Isoterm adsorpsi yang dievaluasi dibatasi pada kisaran P = 0,05-0,35 Po

7 Persamaan Kesetimbangan Adsorpsi BET Isoterm adsorpsi BET untuk mengukur luas permukaan: 1 Po W(( ) 1) P 1 Wm C C 1 Wm C Po ( ) P Plot 1 antara Po W(( ) 1) P dengan P ( ) Po menghasilkan garis lurus Nilai Slope C 1 Wm C dan intersep 1 Wm C dihitung dengan least square Luas permukaan padatan dihitung dengan rumus : Wm. N St BM av N 2. A p

8 Isoterm adsorpsi BET untuk mengukur volume pori : P V' ( P Po) 1 V' m. C C 1 V' m. C ( P Po ) Plot antara V '( P P Po) dengan P ( ) Po akan menghasilkan garis lurus Nilai Slope C 1 V' m. C dan intersep 1 V ' m. C dihitung dengan least square sehingga volume pori (V m) diketahui.

9 Ap = Luas proyeksi molekul N 2 = 16,2 Å BMN = Berat molekul nitrogen, g/ gmol C = Konstanta BET yang berkaitan dengan energi adsorpsi pada lapisan monolayer P = Tekanan uap adsorbate, atm Po = Tekanan uap murni adsorbate, atm R = konstanta gas = 1,987 kal/ gmol/ K St = Luas permukaan padatan, Å T = Suhu mutlak, K T0 = Suhu referensi, K V = Volume cairan dalam reaktor, L V = Volume N 2 yang terjerap pada pori, L VC = Volume kritis, cm3/ mol V m = Volume pori, L W = Berat gas N 2 yang terjerap pada pori pada tekanan relatif P/Po, g Wm = Berat adsorbate yang membentuk lapisan monolayer pada padatan, g

10

11

12

13 2 X-ray Diffraction (XRD) can be used to identify and quantify the components in a complex mixture of solids. For single-phase powders, structural and compositional information can be derived from the diffraction pattern.

14 Example: a characteristic powder X-ray diffraction pattern of TPA-ZSM5.

15 Typical Applications Determination of crystallite size and percent crystallinity Phase identification of catalyst and polymer Identification and quantification of components in multiphase solids Bulk and clay mineral analysis Unit cell and percent crystallinity for known compounds

16 3 Nuclear Magnetic Resonance (NMR) powerful technique for determining molecular structure and composition of liquids and solids Chemical and physical properties may be derived from a variety of NMR experiments tailored to a host of nuclei such as 1H, 2H, 13C, 19F, 29Si, 27Al, and 31P. Physical properties (morphology, crystallinity, bond geometry, order, exchange, mobility, and diffusion) can be determined. Typical Applications Determine amorphous vs crystalline phases in polymers Study catalysts ligand chemistry, stability, extent of oxidation Determine structural characteristics of alumina, silica, and zeolitic catalysts

17 4 Chemisorption (Kemisorpsi) untuk mengevaluasi aktivitas katalitik mengukur jumlah situs aktif pada permukaan yang mengontrol reaksi kimia katalitik. Beberapa jenis analisis kemisorpsi: a. Temperature-programmed Desorption (TPD) untuk menentukan jumlah, tipe, dan kekuatan situs aktif pada permukaan katalis dengan mengalirkan gas amonia b. Temperature-programmed Reduction (TPR) untuk menentukan kuantitas logam reaktif yang ada pada Sample dengan mengalirkan gas hidrogen atau CO. c. Temperature-programmed Oxidation (TPO) Untuk mengukur seberapa besar kemungkinan katalis dapat di oksidasi lagi (oxidation behaviour)

18 TPD/TPO/TPR with TCD and FID This apparatus is utilized for TPR and TPD of NH3. It can also be used for high sensitive TPO by converting CO 2 to methane via a small reactor containing Ni/alumina catalyst and monitoring methane by FID detector.

19 TPD/TPO equipped with Mass Spectrometer

20

21 Combines gas detection by high sensitivity, thermal conductivity detector (TCD) for TPR/TPD/TPO analysis and automatic physisorption and chemisorption by precise vacuum volumetric method for analysis of BET surface area, meso and micropore size distribution, active surface area, degree of metal dispersion, heats of adsorption, etc. d.pulse Chemisorption Analysis (pulse titration) Untuk menentukan luas permukaan aktif, persentase dispersi logam, dan ukuran kristal katalis

22 5 Electron Microscopy (SEM dan TEM)

23 Scanning electron microscopy (SEM) The interaction of an electron beam with a sample creates a number of different responses, which reflect the underlying structure or chemistry of the sample. provides a good indication of the topography of an exposed surface. SEM combined with X-ray spectrometry used to identify, quantify, and map the distribution of chemical elements present in a material.

24 Transmission electron microscopy (TEM) Uses a high-voltage electron beam to probe the internal structure of a sample. Diffraction patterns can be obtained on suitable materials to identify the specific phases. used to probe the sample in a point-wise fashion. TEM combined with X-ray spectrometry is used to identify, quantify, and map the distribution of chemical elements present in a material.

25 Typical Applications Compositional images and elemental distributions Domain size and morphology Elemental line scans & maps Fracture/failure analysis Phase segregation, dispersion, and identification

26

27 6 X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) a surface sensitive technique with an analysis depth of 3-5 nm provides information about: elemental composition, the oxidation state, and chemical environment of individual elements quantitative and qualitative surface analysis

28 Typical Applications Karakterisasi pengemban dan fase aktif katalis heterogen Penentuan surface area fase aktif katalis Penentuan konsentrasi permukaan dopant dan racun katalis Penentuan konsentrasi permukaan dari extraframework alumina dalam zeolites Analisis ketidaksempurnaan Analisis kegagalan dalam komposit Karakterisasi lapisan korosi dan molekul inhibitor korosi Karakterisasi deposit dan kontaminan

29 XPS

30 Example: Table: Atomic surface composition (molar %) by XPS analysis.