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.
Proses produksi gas hidrogen secara langsung dari hidrokarbon cair
harus memenuhi beberapa syarat agar dapat diterapkan pada sel bahan
1
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)?
4. Bagaimana mekanisme reaksi untuk memperoleh gas hidrogen (H2)?
2
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
(Yoon et al., 2003; Stevens et.al., 2005; Stevens et.al., 2005). Tingginya
4
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 (Li, 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
KESIMPULAN
Dari makalah 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.
10
DAFTAR PUSTAKA
11