BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Hidrogen (H2) merupakan bahan bakar yang ramah lingkungan karena

ketika dibakar tidak menghasilkan polutan atau gas rumah kaca seperti NOx,

CO dan CO2. Kebutuhan H2 di berbagai jenis industri terus mengalami

peningkatan, terutama dengan berkembangnya industri fuel cell yang

membutuhkan H2 sebagai bahan bakar. Berbagai upaya untuk memproduksi

H2 telah dilakukan. Saat ini sekitar 95% H2 masih diproduksi dari bahan

bakar berbasis fosil melalui proses pirolisis atau steam reforming dan hanya

sekitar 5% yang diproduksi melalui sumber terbarukan diantaranya melalui

proses elektrolisis air.

Minat pada produksi gas hidrogen untuk sel bahan bakar terus

meningkat, yang dipicu oleh kekhawatiran akan meningkatnya pencemaran

lingkungan akibat penggunaan secara langsung bahan bakar fosil, dan

tingginya harga minyak bumi. Ketika digunakan sebagai sumber energi,

hidrogen tidak menghasilkan polutan seperti CO, CO2, SO2 dan NOx. Tentu

saja, suatu hidrokarbon masih diperlukan untuk menghasilkan hidrogen,

tetapi sel bahan bakar memiliki efisiensi energi yang lebih baik dan dapat

mengurangi lepasnya gas rumah kaca dibandingkan dengan pembakaran

langsung hidrokarbon.

Saat ini terdapat kecenderungan pengembangan sel bahan bakar yang

menggunakan hidrokarbon cair sebagai sumber gas hidrogen. Salah satu

hidrokarbon cair yang dapat digunakan sebagai sumber hidrogen adalah

metanol. Melalui reaksi terkatalisis pada suhu tidak terlalu tinggi (200-

400oC), metanol dapat diubah menjadi gas yang kaya dengan hidrogen.

Kelebihan lainnya, methanol mudah diperoleh dan dapat dihasilkan dari

sumber terbarukan.

1

Proses produksi gas hidrogen secara langsung dari hidrokarbon cair

harus memenuhi beberapa syarat agar dapat diterapkan pada sel bahan

bakar. Proses tersebut harus efisien, praktis, dan gas yang dihasilkannya

mengandung CO sangat rendah. Pada konsentrasi beberapa ppm gas CO

dapat meracuni sel bahan bakar dengan mendeaktifkan katalis (terutama Pt)

pada anoda. Hidrogen dapat diperoleh secara langsung dari metanol melalui

tiga proses yaitu dekomposisi metanol, oksidasi parsial metanol dan

reformasi kukus metanol.

Proses dekomposisi metanol dan oksidasi parsial metanol

menghasilkan produk samping gas CO. Reformasi kukus metanol menjadi

alternative terbaik untuk sintesis gas hidrogen dari metanol. Reaksi ini

menghasilkan gas H2/CO2 dengan rasio mol 3:1 dan tidak menghasilkan gas

CO pada suhu reaksi di bawah 300oC. Dengan demikian, reformasi kukus

metanol menjadi proses yang cocok untuk produksi hidrogen secara

langsung pada sel bahan bakar pada kendaraan.

Reformasi kukus metanol merupakan kebalikan reaksi sintesis

metanol dari campuran gas hydrogen dan CO2. Dengan demikian, dapat

diasumsikan bahwa katalis untuk sintesis metanol juga memiliki keaktifan

yang tinggi dalam reaksi kebalikannya. Katalis Cu/ZnO/Al2O3 yang secara

komersial telah digunakan dalam reaksi pergeseran gas suhu rendah (low-

temperature gas shift) dan sintesis metanol telah digunakan dalam reaksi

reformasi kukus metanol. Katalis Cu/ZnO/Al2O3 memiliki keaktifan tinggi

namun memiliki ketahanan termal rendah dan mengalami pendeaktifan

selama reaksi.

1.2 Rumusan Masalah

1. Apakah katalis yang digunakan dalam sintesis hidrogen (H2)?

2. Bagaimana cara menyintesis katalis Cu/ZnO/Al2O3 yang digunakan dalam

sintesis hidrogen (H2)?

3. Bagaimana cara mengkarakterisasi katalis Cu/ZnO/Al2O3 yang digunakan

dalam sintesis hidrogen (H2)?

2

4. Bagaimana mekanisme reaksi untuk memperoleh gas hidrogen (H2)?

1.3 Tujuan

1. Mengetahui katalis yang digunakan dalam sintesis hidrogen (H2).

2. Mempelajari cara menyintesis katalis Cu/ZnO/Al2O3 yang digunakan

dalam sintesis hidrogen (H2).

3. Mempelajari cara mengkarakterisasi katalis Cu/ZnO/Al2O3 yang

digunakan dalam sintesis hidrogen (H2).

4. Mengetahui mekanisme reaksi untuk memperoleh gas hidrogen (H2).

3

BAB II

PEMBAHASAN

2.1 Katalis

Katalis merupakan zat yang mampu meningkatkan laju suatu reaksi

kimia agar reaksi tersebut dapat berjalan lebih cepat. Dalam suatu reaksi

sebenarnya katalis ikut terlibat, tetapi pada akhir reaksi terbentuk kembali

seperti bentuknya semula. Dengan demikian, katalis tidak memberikan

tambahan energi pada sistem dan secara termodinamika tidak dapat

mempengaruhi keseimbangan. Katalis mempercepat reaksi dengan cara

menurunkan energi aktivasi reaksi. Penurunan energi aktivasi tersebut

terjadi sebagai akibat dari interaksi antara katalis dan reaktan. Katalis

menyediakan situs-situs aktif yang berperan dalam proses reaksi. Situs-situs

aktif ini dapat berasal dari logam-logam yang terdeposit pada pengemban

atau dapat pula berasal dari pengemban sendiri. Logam-logam tersebut

umumnya adalah logam-logam transisi yang menyediakan orbital d kosong

atau elektron tunggal yang akan disumbangkan pada molekul reaktan

sehingga terbentuk ikatan baru dengan kekuatan ikatan tertentu (Campbell,

1998).

Reaksi katalitik secara umum dikelompokkan menjadi dua kelompok,

yaitu reaksi katalitik homogen dan reaksi katalitik heterogen. Pada reaksi

katalitik homogen, reaktan dan katalis berada dalam fasa yang sama dan

reaksi terjadi di seluruh fasa. Walaupun banyak keuntungan dari katalis

logam homogen, kekurangannya adalah pada proses pemisahan dari

campuran terkadang juga menghambat penggunaannya dalam industri.

Katalis Heterogen menghasilkan kemudahan dalam pemisahan dan

penggunaan ulang katalis dari suatu campuran. Laporan terakhir

mengungkapkan bahwa katalis berukuran nanometer merupakan katalis

yang efisien dan dapat dengan mudah dipisahkan dari campuran reaksi

(Stevens et.al., 2005).

4

Tingginya luas permukaan terhadap perbandingan volume dari

nanopartikel logam oksida memainkan peranan penting dari kemampuan

katalis tersebut (Bell, 2003).

Dalam katalis heterogen, reaktan dan katalis berada dalam fasa yang

berbeda. Dalam katalis heterogen, zat padat yang bertindak sebagai katalis

dapat mengikat sejumlah gas atau cairan pada permukaannya berdasarkan

adsorspsi. Saat ini, proses katalitik heterogen dibagi menjadi dua kelompok

besar, reaksi-reaksi reduksi-oksidasi (redoks), dan reaksi-reaksi asam-basa.

Reaksi-reaksi redoks meliputi reaksi-reaksi dimana katalis mempengaruhi

pemecahan ikatan secara homolitik pada molekul-molekul reaktan

menghasilkan elektron tak berpasangan, dan kemudian membentuk ikatan

secara homolitik dengan katalis melibatkan elektron dari katalis. Sedangkan

reaksi-reaksi asam-basa meliputi reaksi-reaksi dimana reaktan membentuk

ikatan heterolitik dengan katalis melalui penggunaan pasangan elektron

bebas dari katalis atau reaktan (Lindstorm, 2005).

2.2 Sintesis Katalis pada Sintesis Gas H2

Reformasi kukus metanol menjadi alternatif terbaik untuk sintesis gas

hidrogen dari metanol. Reaksi ini menghasilkan gas H2/CO2 dengan rasio

mol 3:1 dan tidak menghasilkan gas CO pada suhu reaksi di bawah 300°C.

Dengan demikian, reformasi kukus metanol menjadi proses yang cocok

untuk produksi hidrogen secara langsung pada sel bahan bakar pada

kendaraan. Reformasi kukus metanol merupakan kebalikan reaksi sintesis

metanol dari campuran gas hydrogen dan CO2. Dengan demikian, dapat

diasumsikan bahwa katalis untuk sintesis metanol juga memiliki keaktifan

yang tinggi dalam reaksi kebalikannya. Katalis Cu/ZnO/Al2O3 yang secara

komersial telah digunakan dalam reaksi pergeseran gas suhu rendah (low-

temperature gas shift) dan sintesis metanol telah digunakan dalam reaksi

reformasi kukus metanol.

Katalis Cu/ZnO/Al2O3 memiliki keaktifan tinggi namun memiliki

ketahanan termal rendah dan mengalami pendeaktifan selama reaksi. Pada

katalis Cu/ZnO/Al2O3 yang bertindak sebagai pusat aktif adalah logam Cu.

5

Katalis tersebut disintesis dengan metode kopresipitasi dari larutan

Cu(II), Zn(II) dan Al(III) nitrat yang diendapkan dengan menambahkan

larutan natrium karbonat. Endapan garam karbonat yang terbentuk disaring,

dicuci dengan air dan dikeringkan dalam oven pada 110°C, kemudian

dikalsinasi pada 470°C selama 12 jam. Pada penelitian ini dibuat dua katalis

dengan perbandingan mol atom Cu:Zn:Al yang berbeda, yaitu katalis

dengan perbandingan mol Cu:Zn:Al = 1:2:0,1 (disebut katalis I) dan katalis

dengan perbandingan mol Cu:Zn:Al = 2:1:0,1 (disebut katalis II).

Katalis yang akan disiapkan adalah tembaga zink oksida

berpenyangga alumina. Garam Cu(NO3)2.3H2O 1%, 5%, 10% dan 15% berat

Cu, Zn (NO3)2.6H2O sebanyak 1,12 gram dan -Al2O3 4,48 gram. Garam Cu

dan Zn masing-masing dilarutkan dalam air, kemudian diaduk selama 1 jam.

Selanjutnya campuran diimpregnasi ke penyangga -Al2O3 dengan cara

diaduk selama 4 jam dalam suatu beaker gelas menggunakan magnetic

stirrer pada temperatur ruang.

Gambar 2. Diagram alir proses pembuatan katalis.

6

Hasil impregnasi dikeringkan dalam oven pada temperatur 110°C

selama 12 jam. Tujuan pengeringan adalah untuk mengurangi kadar air dan

mengkristalkan garam pada permukaan pori-pori. Hasil pengeringan

dikalsinasi dalam reaktor pada temperatur 500°C selama 5 jam dengan

dialirkan udara dengan laju 25 ml/menit. Kalsinasi adalah pemanasan

melebihi pengeringan. Kalsinasi bertujuan untuk mengubah garam yang

telah terkristalisasi menjadi suatu oksida atau logam atau menjadi suatu

bentuk kristal yang lebih stabil. Selanjutnya direduksi dengan menggunakan

20% H2-N2 selama 2 jam pada suhu 220°C untuk mendapatkan luas

permukaan yang baik.

2.3. Karakterisasi Katalis

Karakterisasi katalis bertujuan untuk mengidentifikasi komponen yang

terkandung dalam katalis. Karakterisasi dilakukan terhadap katalis

Cu/ZnO/Al2O3 dengan bahan dasar penyusun adalah Cu (tembaga), ZnO

(zink oksida) dan γ-Al2O3 (gamma alumina). Katalis ini digunakan dalam

reaksi steam reforming metanol menghasilkan gas hidrogen (H2) sebagai

bahan bakar alternatif. Pembuatan katalis dibedakan dengan memvariasikan

konsentrasi Cu (tembaga) yaitu 1%, 5%, 10% dan 15%. Senyawa ZnO (zink

oksida) sebagai promotor sebanyak 1,12 gram dan alumina sebagai

penyangga sebanyak 4,48 gram. Pembuatan katalis Cu/ZnO/Al2O3

dilakukan dengan metode impregnasi, dimana perubahan konsentrasi utama

Cu (tembaga) menyebabkan perubahan bahan penyusun katalis yang lain.

Hasil karakterisasi katalis dengan XRD dapat dilihat pada gambar.

7

Reaksi reformasi kukus metanol dengan katalis Cu/ZnO/Al2O3

dilakukan dalam reaktor mikro berbahan stainless steel dengan diameter

internal 8 mm. Katalis yang digunakan setiap reaksi sebanyak 1 gram.

Katalis tersebut awalnya berupa campuran oksida CuO/ZnO/Al2O3. Sebelum

reaksi dilangsungkan, katalis direduksi secara in situ pada suhu 300°C

dengan aliran H2/N2 sebesar 88/77 mL/menit selama 2 jam untuk mengubah

CuO menjadi Cu. Reaksi reformasi kukus metanol dilakukan dengan

mengumpankan campuran gas metanol-air dengan perbandingan mol 1:1,2

dan laju alir 0,066 mL/menit ke dalam reaktor mikro tersebut segera setelah

reduksi. Reaksi tersebut dilakukan pada tekanan atmosfer dan suhu yang

divariasikan pada rentang 215 - 400°C.

Skema reaktor reaksi reformasi kukus metanol ditunjukkan pada Gambar 1.

8

Gambar 1. Skema reaktor reaksi reformasi kukus methanol

Laju pembentukan hidrogen ditentukan secara kuantitatif dengan

menganalisis campuran gas hasil reaksi menggunakan alat kromatografi gas

(GC) yang dilengkapi kolom Molsieve 5Å dan detektor TCD.

2.4 Mekanisme Reaksi untuk Memperoleh Gas Hydrogen (H2)

CH3OH(g) CO(g) + 2H2(g) ΔH° = 90,64 kJ/mol (1)

CH3OH(g) + H2O(g) CO2(g) + 3H2(g) ΔH° = 49,47 kJ/mol (2)

CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g) ΔH° = - 41,17 kJ/mol (3)

CO(g) + ½O2(g) CO2(g) ΔH° = - 28,3 kJ/mol (4)

9

BAB III

PENUTUP

3.1. Kesimpulan

Dari pembuatan makalah yang berjul Sintesis Gas Hidrogen ini dapat

disimpulkan bahwa:

1. Katalis merupakan zat yang mampu meningkatkan laju suatu reaksi

kimia agar reaksi tersebut dapat berjalan lebih cepat.

2. Katalis yang digunakan dalam menyintesis gas H2 Cu/ZnO/Al2O3.

3. Katalis tersebut disintesis dengan metode kopresipitasi dari larutan

Cu(II), Zn(II) dan Al(III) nitrat yang diendapkan dengan menambahkan

larutan natrium karbonat.

4. Karakterisasi katalis bertujuan untuk mengidentifikasi komponen yang

terkandung dalam katalis. Karakterisasi dilakukan terhadap katalis

Cu/ZnO/Al2O3 dengan bahan dasar penyusun adalah Cu (tembaga), ZnO

(zink oksida) dan γ-Al2O3 (gamma alumina). Katalis ini digunakan

dalam reaksi steam reforming metanol menghasilkan gas hidrogen (H2)

sebagai bahan bakar alternatif.

3.2. Saran

Dari hasil pembuatan makalah yang berjudul Sintesis Gas Hidrogen dapat

diberikan saran yang diharapkan dapat bermanfaat bagi penulis yaitu :

1. Penulis diharapkan lebih teliti dan cermat dalam penulisan makalah

2. Penulis diharapkan melakukan praktek lapangan yang berhubungan

dengan katalis yang digunakan sehingga informasi yang didapatkan

lebih real dan nyata.

10

DAFTAR PUSTAKA

Bell.2003.Treatment of a Textile Dye in The Anaerobic Baffled Reactor.Water

SA, Vol. 29, No. 2, hal 129-134.

Campbell,N.A.1998.Biology.The Benjamin/Cummings Publishing,California.

Lindstrom, B.; Petterson, L. J.; Menon, P. G.;Applied Catalysis A General, 2005¸ 234, 111-125.

Stevens, et al. 2005. Pengantar Riset: Pendekatan Ilmiah Untuk Profesi

Kesehatan. Jakarta : EGC.

11