PENGARUH BERBAGAI LOADING NIKEL OKSIDA PADA KARAKTER KATALIS BERPENDUKUNG NiO 2 /MgF 2

Transkripsi

1 PENGARUH BERBAGAI LOADING NIKEL OKSIDA PADA KARAKTER KATALIS BERPENDUKUNG NiO 2 /MgF 2 EFFECT OF VARIOUS LOADING OF NICKEL OXIDE ON THE CHARACTER OF SUPPORTED CATALYST NiO 2 /MgF 2 Djarot Sugiarso S.K.S 1, Jumroni 2, Irmina Kris Murwani 3 1,2,3 Jurusan Kimia, FMIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya irmina@chem.its.ac.id Abstrak-NiO dapat diaplikasikan sebagai katalis dalam beberapa reaksi sintesis senyawa organik karena sifat kesamannya. Dalam penelitian ini, telah dilakukan sintesis padatan MgF 2, NiO dan NiO (loading 5, 10, 15 % w/w) berpendukung MgF 2 dan dikarakterisasi strukturnya menggunakan difraksi sinar-x dan FTIR serta diuji keasamannya dengan metode piridin-ftir. Difraktogram hasil sintesis NiO menunjukkan adanya puncak-puncak yang sesuai dengan data base JCPDS- International Centres for Diffraction Data Tahun 2001 dengan nomor PDF Hasil spektra FTIR menunjukkan ikatan-ikatan di dalam NiO dan NiO/MgF 2. Hasil uji keasaman melalui metode adsorpsi piridin menggunakan analisis FTIR menunjukkan padatan memiliki sifat asam Lewis dengan urutan MgF 2 < NiO < 15% NiO/MgF 2 < 5% NiO/MgF 2 < 10% NiO/MgF 2. Kata kunci: pendukung, NiO, XRD, FTIR. Abstract -NiO can be applied as a catalyst in the organic compound synthesis. In this study, it has performed the synthesis of MgF 2, NiO and supported catalyst NiO on MgF 2 with variation of NiO loading 5, 10, 15% w/w and characterized using X-ray diffraction and FTIR, acidity test has been done using pyridine-ftir method. Synthesized NiO diffractograms showed peaks corresponding to the data base JCPDS-International Centres for Diffraction Data of 2001 with the PDF number The result of FTIR spectra show the bonds inside the NiO and NiO/MgF 2. Acidity test results through pyridine adsorption method using FTIR analysis shows the catalyst has the Lewis acid properties in order MgF 2 < NiO < 15% NiO/MgF 2 < 5% NiO/MgF 2 < 10% NiO/MgF 2. Key words: supported, NiO, XRD, FTIR. PENDAHULUAN Padatan NiO yang diketahui bersifat asam dapat diaplikasikan sebagai katalis berbagai reaksi. Pada reaksi-reaksi sintesis organik NiO sering digunakan untuk membantu berlangsungnya reaksi. Kebutuhan katalis NiO menjadi sangat besar jika digunakan sebagai katalis secara langsung. Oleh karena itu perubahan NiO menjadi katalis berpendukung dapat mengurangi jumlah kebutuhan tersebut. Alumina terfluorinasi, logam-logam fluorida dan katalis florida, misalnya MgF 2 /LiF, CrF 3 /MgF 2, AlF 3-x (OH) x dengan aluminium disubtitusi oleh kromium dan magnesium, serta subtitusi kromium oleh magnesium dan besi telah diteliti sebagai katalis heterogen. Penggunaan MgF 2 sebagai pendukung menghasilkan perubahan yang sangat signifikan terhadap fasa aktif katalis. Mekanisme dan pembentukan oksida, oksida ganda ataupun lapisan logam pada permukaan MgF 2 telah diteliti dan dipelajari sifat kimia dan sifat fisiknya. Katalis yang didapatkan telah diketahui memiliki aktivitas dan selektivitas yang tinggi dalam reduksi NO x oleh karbon oksida dan hidrokarbon. Katalis rutenium maupun paladium yang diberi pendukung MgF 2 juga sangat efektif dala reaksi hidrodesulfurisasi (Wojciechowska, 2003). C - 310

2 Padatan NiO dan MgF 2 dapat digabung membentuk katalisator. Oleh karena itu dipelajari pengaruh loading terhadap struktur padatan tersebut. Pada katalis heterogen, luas permukaan katalis dapat ditingkatkan dengan cara diberi pendukung. Pendukung tersebut adalah MgF 2. Magnesium Fluorida dapat digunakan sebagai pendukung dalam katalis yang mengandung logam transisi individu dan kemudian dua fasa oksida berbeda, fasa logam maupun asam heteropoli. Penggunaan MgF 2 sebagai pendukung akan memudahkan dalam penentuan struktur dan sifat permukaan katalis. Katalis dengan pendukung MgF 2 akan memiliki aktivitas dan selektivitas yang tinggi misalnya pada hidrodesulfurisasi senyawa organik (Wojciechowska, 2002). Oleh sebab itu, dalam penelitian ini akan disintesis padatan NiO dan NiO berpendukung MgF 2 dengan berbagai variasi loading. Katalis tersebut kemudian dikarakterisasi strukturnya menggunakan difraktometer sinar-x dan FTIR agar dapat dilihat pengaruh variasi loading NiO. EKSPERIMENTAL Sintesis MgF 2 disintesis seperti metode yang telah dilakukan oleh Murwani pada tahun Larutan magnesium nitrat dalam etanol disintesis secara stoikiometris dengan HF, diaduk hingga terbentuk sol. Sol diaduk hingga homogen dan disetimbangkan hingga terbentuk gel. Gel dikeringkan pada suhu 100ºC hingga terbentuk xerogel. Xerogel dikalsinasi pada suhu 400ºC selama 4 jam. Padatan NiO disintesis melalui pemanasan Nikel klorida pada suhu 400ºC selama 4 jam. Sedangkan untuk sintesis NiO/MgF 2 dilakukan melalui metode impregnasi dengan loading masing-masing 5, 10 dan 15 % w/w untuk masing-masing Ni dalam MgF 2. Karakterisasi Karakterisasi struktur digunakan instrumen XRD X pert Philips (Cu K α, λ=1,54060) dan Spektrofotometer FTIR Buck 500. Uji keasaman dilakukan dengan metode piridin-ftir. Padatan yang diperoleh NiO dan hasil impregnasi NiO/MgF 2 dengan variasi loading 5, 10 dan 15% dikarakterisasi strukturnya menggunakan difraktometer sinar-x. Difraktogram NiO dan NiO/MgF 2 yang diperoleh dicocokkan dengan dengan database JCPDS-Internal Centre of Diffraction Data PCPDFWIN tahun Padatan katalis yang diperoleh juga dikarakterisasi dengan FTIR. Sedangkan untuk sifat keasaman dianalisis dengan adsorpsi piridin-ftir. HASIL DAN PEMBAHASAN Kaatalis NiO Katalis NiO diperoleh dari bahan dasar NiCl 2 6H 2 O. Pada saaat NiCl 2 6H 2 O dilarutkan dalam aquades, terjadi perubahan warna dari hijau terang menjadi hijau tua, hal ini menunjukkan bahwa terbentuknya kompleks [Ni(H 2 O) 6 ]Cl 2 yang kemudian dikeringkan dalam oven pada 100 ºC, sedangkan kalsinasi pada 400 ºC bertujuan untuk memperoleh padatan NiO sebagai katalis yang stabil. Setelah proses kalsinasi diperoleh serbuk hijau yang kemudian dikarakterisasi dengan XRD. Difraktogram padatan yang diperoleh dari hasil karakterisasi terdapat pada gambar 1. Difraktogram padatan dicocokkan dengan dengan database JCPDS-Internal Centre of Diffraction Data PCPDFWIN tahun Ternyata puncak-puncak padatan NiO sesuai dengan PDF No yang mempunyai sistem kubik dan puncak pada 2 37,34; 43,38; 63,02; 75,60 dan 79,60. Berdasarkan analisis tersebut dapat disimpulkan bahwa padatan yang diperoleh adalah murni NiO. Intensitas (cps) Gambar 1. Difraktogram NiO PDF Padatan NiO juga dikarakterisasi dengan FTIR untuk mengetahui ikatan-ikatan yang terdapat di dalamnya. Spektra FTIR NiO ditunjukkan pada gambar 2. Pada spektra C - 311

3 FTIR dari NiO menunjukkan beberapa puncak serapan yang signifikan. Spektra FTIR yang diperoleh menunjukkan adanya puncak melebar pada bilangan gelombang cm -1 yang merupakan serapan dari vibrasi tekuk Ni-O. Selain vibrasi dari Ni-O, terdapat pula puncak lebar pada 3440 cm -1 yang disebabkan oleh vibrasi ulur O-H dan puncak lemah sekitar 1635 cm -1 yang menunjukkan vibrasi tekuk dari H-O-H. Adanya puncak vibrasi dari O-H dan H-O-H pada spektra disebabkan oleh adsorpsi air dari udara pada sampel saat dianalisis dengan FTIR, Transmitan (%) O-H H-O-H Ni-O dan 43,38 (tanda ), hal ini sesuai dengan PDF No yang menunjukkan bahwa puncak-puncak utama logam NiO terletak pada 2 37,34; 43,38; 63,02; 75,60 dan 79,60. Puncak-puncak karakteristik MgF 2 di daerah 2 27,23; 35,25; 40,44; 43,70; 53,49; 56,17; 68,09; 71,46 dan 77,82 (tanda ). Berdasarkan hasil analisis dengan XRD menunjukkan bahwa proses impregnasi tidak menyebabkan rusaknya padatan penyusun katalis NiO maupun MgF 2, hal tersebut dibuktikan dengan munculnya puncak-puncak khas dari NiO dan MgF 2. Intensitas puncak NiO pada difraktogram NiO/MgF 2 terlihat jauh lebih rendah dari pada difraktogram NiO murni, sehingga puncak khas NiO pada 2 37,34; 43,38 dan 63,02 memiliki intensitas yang kecil pada difraktogram NiO/MgF 2. Berdasarkan difraktogram diatas terlihat jelas bahwa semakin besar jumlah loading Ni maka semakin tinggi intensitas pada puncak-puncak khas NiO, seperti pada 2 63,02; 43,38 dan 37,34 (tanda ). Gambar 2. Spektra FT-IR NiO Katalis NiO berpendukung MgF 2 Pada penelitian ini disintesis katalis NiO berpendukung MgF 2 atau dinotasikan NiO/MgF 2, masing-masing dengan konsentrasi yang berbeda yaitu 5, 10 dan 15% loading Ni. Katalis NiO/MgF 2 yang digunakan pada penelitian ini diperoleh melalui metode impregnasi. Berdasarkan pengamatan secara visual, terjadi perubahan warna padatan sampel sebelum dan sesudah proses kalsinasi. Sebelum kalsinasi, padatan berwarna hijau tua yang berasal dari campuran NiCl 2 dan MgF 2. Setelah kalsinasi, padatan berubah menjadi berwarna hijau muda. Hal ini menunjukkan bahwa padatan hasil impregnasi telah terdekomposisi menjadi oksida logam NiO yang berwarna hijau. Karakterisasi struktur padatan NiO/MgF 2 hasil sintesis dilakukan dengan XRD. Difraktogram padatan NiO/MgF 2 dengan loading Ni 5, 10 dan 15% hasil sintesis ditunjukkan pada Gambar 3. Pada difraktogram NiO/MgF 2 ditunjukkan adanya puncak-puncak khas NiO di daerah 2 37,34 Intensitas (cbs) Gambar 3. Difraktogram katalis hasil impregnasi: 5% NiO/MgF 2, 10% NiO/MgF 2 dan 15% NiO/MgF 2 : = Puncak MgF 2, = Puncak NiO Karakterisasi padatan NiO/MgF 2 juga dilakukan dengan FTIR. Spektra FTIR dari katalis NiO/MgF 2 hasil sintesis dengan loading Ni 5, 10 dan 15% serta katalis NiO dan pendukung MgF 2 dapat dilihat pada Gambar 4. Spektra dari katalis NiO/MgF 2 dan pendukung MgF 2 memberikan pita-pita serapan yang hampir sama, tidak terlihat C - 312

4 munculnya puncak baru, namun terjadi penurunan intensitas puncak-puncak yang muncul jika dibandingkan dengan spektra padatan pendukung MgF 2. Katalis NiO yang ditambahkan pada MgF 2 ternyata tidak mampu membentuk ikatan yang kuat, hanya menempel pada permukaan, hal tersebut dibuktikan dengan tidak munculnya puncakpuncak baru pada spektra FTIR. 50 Transmitan (%) Gambar 4. Spektra FTIR dari: MgF 2, 5% NiO/MgF 2, 10% NiO/MgF 2 dan (d) 15% NiO/MgF 2 Puncak yang muncul pada daerah cm -1 mewakili vibrasi ulur O H yang berasal dari MgF 2, di mana OH terikat dengan ion Mg 2+. Pada spektra diatas tidak terlihat adanya puncak khas NiO, hal ini disebabkan karena konsentrasi NiO yang ditempelkan pada pendukung cukup kecil. Keasaman katalis yang didapatkan dapat ditentukan melalui metode adsorpsi piridin menggunakan analisis FT-IR. Hasil analisis keasaman terdapat pada gambar 5. 0,1 Absorbansi (a.u) L Gambar 5. Spektra FTIR Keasaman Katalis: MgF 2, 5% NiO/MgF 2, (d) MgF MgF MgF MgF L (e) (d) 10% NiO/MgF 2, (d) 15% NiO/MgF 2 dan (e) NiO Keasaman suatu katalis bergantung pada sifat dari permukaan katalis tersebut, yaitu dapat bersifat asam Lewis dan atau asam Brønsted. Spektra FTIR keasaman katalis keseluruhannya pada gambar 5 menunjukkan bahwa katalis ZnO/MgF 2 yang disintesis memiliki sifat asam Lewis, hal tersebut dapat dilihat dengan munculnya puncak absorbansi pada daerah sekitar cm -1 dan juga memiliki asam Brønsted yang terlihat pada daerah 1550 cm -1. KESIMPULAN 1. Variasi loading NiO pada katalis Nio berpendukung MgF 2 berpengaruh pada sifat keasamannya. 2. Urutan sisi asam lewis katalis mulai dari yang paling besar adalah kecil adalah MgF 2 < NiO < 15% NiO/MgF 2 < 5% NiO/MgF 2 < 10% NiO/MgF 2. Ucapan Terima Kasih Penulis mengucapkan terima kasih pada tim katalis yang berperan dalam penelitian dan penulisan artikel ini dan ITS yang sudah memberikan kontribusi fasilitas laboratorium untuk terselesainya penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA Cho, D.H., Yim, S.D., Cha, G.H., Lee, J.S., Kim, Y.G., Chung, J.S & Nam, I.S., 1998, Behaviour of Chromium Oxide on MgO or MgF 2, Journal of Physical Chemistry : A, 102, Murwani, I.K., Kemnitz, E., Skapin, T., Nickko-Amiry, M & Winfield, J.M 2004, Mechanictic Investigation of Hydrodechlorination of 1,1,1,2- Tetrafluorodichloroethane on Metal Fluoride-Supported Pd and Pd, Catalysis Today, 88, Rywak, A.A & Burlitch, J.M., 1996, Sol-Gel Synthesis of Nanocrystalline Magnesium Fluoride : Its Use in the Preparation of MgF 2 Films and MgF 2 -SiO 2 Composites, Chemical Matter, 8, Wojciechowska, M., Zielinski, M., Malczewska, A., Przystajko, W., dan C - 313

5 Pietrowski, M., 2003, MgF 2 as a Non Conventional Catalyst Support, Journal of Fluorin Chemistry, 120, Wojciechowska, M., Czajka B., Pietrowski M., dan Zieliński M., 2000, MgF 2 as A Non Conventional Catalytic Support Surface and Structure Characterization, Catalysis Letters, 66, Wojciechowska, M., Zielinski, M., Malczewska, A., Przystajko, W. & Pietrowski, M., 2002, The structure and catalytic activity of the double system Cu-Mn-O/MgF 2, Applied Catalysis, 237, C - 314