pembuatan dan karakterisasi nanokatalis ni …digilib.unila.ac.id/24715/3/skripsi tanpa bab...

PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI NANOKATALIS

Ni0,6Cu0,4Fe2O4 SERTA UJI AKTIVITAS PADA KONVERSI

(CO2 + H2)

(Skripsi)

Oleh

Feby Rinaldo Pratama Kusuma

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS LAMPUNG

BANDAR LAMPUNG

2016

ABSTRACT

SYNTHESIS AND CHARACTERISATION OF Ni0,6Cu0,4Fe2O4

NANOCATALYST AND ITS ACTIVITY TEST FOR CO2/H2

CONVERSION

By

FEBY RINALDO PRATAMA KUSUMA

In this study, nanocatalyst Ni0,6Cu0,4Fe2O4 has been prepared by sol-gel method

using pectin as an emulsifying agent, and then the sample was subjected to

calcination treatment at 600oC and 800

oC. Its catalytic activity was tested for

CO2/H2 conversion to alcohol at temperature of 200, 250, and 300°C. Analysis of

the catalyst’s acidity showed pyridine absorption at 0.68773 mmol/g catalyst at

calcination temperature 600oC and 0.605125 mmol/ g catalyst at calcination

temperature 800oC. X-ray diffraction (XRD) and particle size analyzer (PSA) of

catalyst showed that particle size is 16,02 nm with 60%size distribution at

calcination temperature 600°C and 26,64 nm with 35% size distribution at

calcination temperature 800°C. SEM - EDS analysis showed that there are elemen

tof O, Fe, Ni, and Cu which indicates the formation of Ni0,6Cu0,4Fe2O4 compound.

Analysis using gas chromatography showed that Ni0,6Cu0,4Fe2O4 catalyst with

calcination temperature of 600oC and reaction temperature of 200°C and 300°C

has the highest activity of the conversion CO2/H2 to ethanol at 0.1992% and

0.2752% yield.

Keyword: nanocatalys, sol-gel method, conversion CO2/H2, pectin, alcohol.

ABSTRAK



(CO2 + H2)

Oleh


Telah dilakukan pembuatan nanokatalis Ni0,6Cu0,4Fe2O4 pada kalsinasi 600°C dan

800°C, dengan metode sol-gel menggunakan pengemulsi pektin, serta dilakukan

uji aktivitas katalitik terhadap hasil konversi gas (CO2 + H2) menjadi alkohol pada

suhu reaksi 200°C, 250°C, dan 300°C. Analisis keasaman katalis didapatkan

penyerapan sebesar 0,68773 mmol piridin/g katalis pada kalsinasi 600°C dan

0,605125 mmol piridin/g katalis pada kalsinasi 800°C. Karakterisasi ukuran

partikel (XRD) dan distribusi ukuran butiran (PSA) diproleh rata-rata ukuran

partikel 16,02 nm dengan distribusi ukuran partikel 60% kalsinasi 600°C dan

26,64 nm dengan distribusi ukuran partikel 35% kalsinasi 800°C. SEM – EDS

menyatakan bahwa terdapat unsur O, Fe, Ni, dan Cu yang menunjukkan

terbentuknya senyawa Ni0,6Cu0,4Fe2O4. Analisis menggunakan kromatografi gas

menyatakan bahwa katalis Ni0,6Cu0,4Fe2O4 pada suhu kalsinasi 600°C dengan suhu

reaksi 200°C dan 300°C memiliki keaktifan tinggi terhadap konversi (CO2 + H2)

menghasilkan etanol sebesar 0,1992% dan 0,2752%.

Kata kunci: nanokatalis, metode sol-gel, konversi (CO2 + H2), pektin, alkohol.



(CO2 + H2)

Oleh


Skripsi

Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Mencapai Gelar

SARJANA SAINS

Pada

Jurusan Kimia

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS LAMPUNG

BANDAR LAMPUNG

2016

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Suka Jaya pada tanggal 25 Maret

1995 sebagai anak pertama dari empat bersaudara

pasangan Bapak Kasuma Wardani dan Ibu Suprapti.

Penulis menyelesaikan pendidikan dasar di SDN 1 Suka

Jaya, Tulang Bawang Barat pada tahun 2006, Sekolah

Menengah Pertama di SMP Al-Kautsar Bandar Lampung

pada tahun 2009, dan Sekolah Menengah Atas di SMAN 15 Bandar Lampung

pada tahun 2012. Pada tahun yang sama, penulis diterima sebagai mahasiswa

Jurusan Kimia FMIPA Universitas Lampung.

Selama menjadi mahasiswa, penulis berperan aktif dalam kegiatan organisasi.

Penulis mengawali aktivitas organisasi dengan mengikuti organisasi Himpunan

Mahasiswa Kimia (HIMAKI) Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Lampung sebagai anggota Bidang Usaha Mandiri (BUM), penulis

pernah aktif dalam organisasi kemahasiswaan Rohani Islam (ROIS) sebagai

Anggota Muda ROIS (AMAR) periode 2012-2013, aktif di Unit Kegiatan

Mahasiswa Penelitian (UKMP) Universitas Lampung sebagai sekretaris

Departemen INFOKOM pada tahun 2014. Penulis menjadi asisten praktikum

Kimia Fisik pada tahun 2015.

“Besar Atau Kecilnya Masalah, Bergantung Bagaimana Kita Mengatasinya” (Feby Rinaldo Pratama Kusuma)

Waktu Itu Bagaikan Sebilah Pedang, Kalau Engkau Tidak Memanfaatkanya, Maka Iya Akan

Memotongmu (Ali Bin Abu Thalib)

Dengan menyebut nama Allah yang maha Pengasih Lagi maha

Penyayang dan dengan segala rasa syukur kepada Allah SWT

Kupersembahkan Karya sederhanaku ini

Teruntuk

Kedua orang tuaku tercinta

yang senantiasa memberikan kasih sayang, motivasi, dukungan,

dan semangat, serta selalu mendoakan keberhasilanku

Seluruh keluarga besarku, teman, dan sahabatku

Seseorang yang kelak akan mendampingi hidupku

Almamater tercinta

Universitas Lampung

SANWACANA

Segala puji dan syukur kepada Allah SWT atas nikmat dan kasih sayang-Nya

yang tak terhingga, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul

“Pembuatan dan Karakterisasi Nanokatalis Ni0,6C0,4Fe2O4 serta Uji Aktivitas

pada Konversi (CO2 + H2)”. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk

memperoleh gelar Sarjana Sains pada Jurusan Kimia, FMIPA Universitas

Lampung.

Penulis menyadari bahwa penyelesaian skripsi ini tidak terlepas dari bimbingan,

arahan, serta bantuan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis ingin

menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Teristimewa untuk kedua orang tuaku tercinta Bapak Kasuma Wardani dan

Ibu Suprapti yang dengan tulus menyayangi dan senantiasa mendoakan

kesuksesanku. Terima kasih atas keikhlasan, kerja keras, dan segala

perjuangannya dalam mendidik dan membesarkanku hingga saat ini.

2. Bapak Dr. Rudy T.M. Situmeang, M.Sc. selaku Pembimbing I atas segala

bimbingan, bantuan, saran dan nasihat, serta motivasinya yang sangat berarti

bagi penulis selama penelitian hingga selesainya skripsi ini.

3. Bapak Prof. Wasinton Simanjuntak, Ph. D. selaku pembimbing II sekaligus

selaku Pembimbing Akademik atas segala bimbingan, bantuan, saran dan

nasihat, serta motivasinya yang sangat berarti sehingga penulis dapat

menyelesaikan penulisan skripsi ini.

4. Ibu Dr. Rinawati, M.Si. selaku Pembahas atas segala arahan, saran, dan kritik,

serta motivasinya dalam penulisan skripsi ini.

5. Bapak Prof. Warsito, D.E.A.,Ph. D. selaku dekan Fakultas Matematika dan

Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Lampung.

6. Bapak Dr. Eng. Suripto Dwi Yuwono, M. T. selaku Ketua Jurusan Kimia

FMIPA Unila.

7. Bapak dan Ibu Dosen Jurusan Kimia FMIPA Universitas Lampung atas

seluruh ilmu yang diberikan.

8. Seluruh karyawan Jurusan Kimia FMIPA Universitas Lampung, terkhusus

Mbak Liza, Mbak Nora, Pak Gani, Pak Man, Mas Nomo, dan Mbak Ani

Lestari atas seluruh bantuan yang diberikan kepada penulis.

9. Adik-adikku tercinta, Veny Evinia (Alm), Aji Arya Rahmadani, dan Ali

Ridho atas keceriaan, kebersamaan, doa, dan dukungannya yang terus

menjadi motivator utama bagi penulis.

10. Keluarga besar serta saudara-saudara-ku yang tidak dapat disebutkan satu

persatu, terima kasih atas doa, dukungan, kasih sayang serta nasihat-

nasihatnya.

11. Partner-ku, Ana Maria Kristiani (duta sampo lain), atas kerja sama, bantuan,

pengertian, dan dukungan, serta motivasinya selama penelitian.

12. Sahabat-sahabat terbaikku, Arif Nurhidayat, Ana Maria Kristiani, Tiand

Reno, Sofian (encop), Tri Marital, yang telah berjuang bersama dari awal,

selalu mengingatkan dikala lalai dan selalu memberi semangat, terima kasih

atas persaudarannya hingga saat ini. Arif nurhidayat dan tiand reno yang

selalu bersama dikala senang. Ana maria, Sofian, dan tri marital yang selalu

bersama dikala senang ataupun susah, selalu memberi semangat untukku

dalam mengejar mimpiku dan Sofian (encop) yang selalu aku repotkan, tri,

arif, reno, terimakasih atas segala bantuan, motivasinya, dan segala doa-nya.

13. Rekan kerja Laboratorium (Catalyst Research), Kak Septian Tyo, M.Si., dan

Pak Rodhiansyah Djayasinga, M.Si., yang telah mengajarkan penggunaan

reaktor katalitik. Kak Dani Agus Setiawan, S.Si., Mbak Lolita Napatilova,

S.Si., Mbk Surtini Karlina Sari, S.Si., Yudha Gautama, S.Si., Fatma

Maharani, S.Si., Eva Dewi Novyanti Sirait, S.Si., yang telah memberi

semangat, motivasi, dan diskusi-diskusinya kepada penulis. Ana Maria

Kristiani, sebagai partner yang telah membantu dan memotivasi, serta

diskusi-diskusi dan saran kepada penulis. Untuk adik-adik 2013 Esti, Dewi

Rumondang, Renita Widya, Nabilla, Linda, dan Mega, serta adik-adik 2014

Melina, Matthew, Renaldi, Ewin, Lilian, Sola, Viggi, dan Ilhan,terima kasih

untuk semua kerjasama dan bantuannya.

14. Rekan-rekan dan keluargaku Kimia Angkatan 2012, Adi Setiawan, Aditian

Sulung, Agus Ardiansyah (Pahmud), Ana Maria Kristiani, Apri Welda, Arif

Nurhidayat, Arya Rifansyah, Atma Istanami, Ayu Imani, Ayu Setianingrum,

Deborah Jovita, Derry Vardella (duta main), Dewi Aniatul, Diani Iska, Dwi

Anggraini, Edi Suryadi (opung), Eka Huarningsih, Elsa Zulha, Erlita Aisyah,

Febita Glyssenda, Fenti Visiamah, Ferdinand Haryanto (Tak Nampak), Fifi

Adriyanthi, Handri Sanjaya, Inda Wahyu, Indry Yani, Intan Mailani, Ismi

Khomsiah, Jean Pitaloka, Jenny Jessica, Khoirul Anwar, Maria Ulfa, Meta

Fosfi, Muhamad Rizal, Murni Fitria (Racun), Nila Amalin, Putri Ramadhona

(Mahmud), Radius Uly Artha, Riandra Pratama Usman, Rifki Husnul K,

Rizal Rio S (Ben), Rizky Putriyana (k-pop), Ruliana Juni A, Ruwaidah

Muliana, Siti Aisah, Siti Nur H, Sofian Sumilat R (encop), Sukamto

(pembimbing III), Susy Isnaini H, Suwarda Dua I.D, Syathira Assegaf,

Tazkiya Nurul, Tiand Reno, Tiara Dewi A (Duta main), Tiurma Debora S, Tri

Marital, Ulfatun Nurun, Wiwin Esty S, Yepi Triapriani (Duta main),

Yunsi’U, Zubaidi, terimakasih untuk kebersamaan, persaudaraan, cerita, dan

kenangan selama menempuh pendidikan di kampus.

15. Teman-teman KKN Desa Kampung Baru, Margapunduh.

16. Seluruh keluarga besar Jurusan Kimia.

17. Almamater tercinta, Universitas Lampung.

18. Semua pihak yang telah membantu penulis selama kuliah, penelitian, hingga

penulisan skripsi ini.

Semoga Allah SWT membalas kebaikan mereka serta senantiasa menjaga mereka

dalam lindungan-Nya. Aamiin. Penulis menyadari bahwa dalam penulisan skripsi

ini masih terdapat kekurangan dan kesalahan, untuk itu penulis mengharapkan

kritik dan saran yang membangun demi perbaikan penulisan di masa datang.

Bandar Lampung, November 2016

Penulis

Feby Rinaldo Pratama Kusuma

DAFTAR ISI

Halaman

DAFTAR ISI ............................................................................................. i

DAFTAR TABEL ..................................................................................... iii

DAFTAR GAMBAR ................................................................................ v

I. PENDAHULUAN

A. Latar Belakang ................................................................................ 1

B. Tujuan Penelitian ............................................................................. 3

C. Manfaat Penelitian ........................................................................... 4

II. TINJAUAN PUSTAKA

A. Nanopartikel .................................................................................... 5

B. Metode Sol-Gel ............................................................................... 6

1. Hidrolisis ..................................................................................... 7

2. Kondensasi .................................................................................. 7

3. Pematangan ................................................................................. 8

4. Pengeringan ................................................................................. 8

C. Pektin . ............................................................................................. 9

1. Asam Pektat ................................................................................ 9

2. Asam Pektinat ............................................................................. 9

3. Protopektin ................................................................................. 10

D. Katalis ........................................................................................... 11

E. Hidrogenasi Katalitik CO2 ............................................................ 12

F. Fourier Trasform Infra-Red (FTIR) ............................................. 13

G. X-Ray Difraction (XRD) ............................................................... 14

H. Particle Size Analyzer (PSA) ........................................................ 16

I. Scanning Electron Microscopy (SEM) ....................................... …. 17

J. Rapid Testing Strip ....................................................................... 19

K. Kromatografi Gas Cair .................................................................. 19

ii

III. METODE PENELITIAN

A. Waktu dan Tempat Penelitian ......................................................... 21

B. Alat dan Bahan ................................................................................ 21

C. Prosedur Penelitian .......................................................................... 22

1. Pembuatan Nanokatalis ................................................................. 22

2. Karakterisasi Nanokatalis ............................................................. 22

a. Analisis Keasaman ................................................................... 22

b. Analisis Ukuran Partikel .......................................................... 23

c. Analisis Distribusi Ukuran Partikel.......................................... 24

d. Analisis Morfologi Permukaan Katalis .................................... 24

3. Uji Aktivitas Katalitik ................................................................... 24

a. Rapid Testing Strip ................................................................... 25

b. Analisis Produk Alkohol dengan Kromatografi Gas… ........... 26

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Pembuatan nanokatalis Ni0,6Cu0,4Fe2O4 .......................................... 27

B. Karakterisasi Nanokatalis................................................................ 29

1. Analisis Keasaman Katalis ....................................................... 29

2. Analisis Struktur Kristal ........................................................... 32

3. Analisis Distribusi Ukuran Partikel.......................................... 35

4. Analisis Morfologi dan Topografi Katalis ............................... 36

C. Analisis Produk Hasil Uji Aktivitas ................................................ 39

1. Analisis Semi-Kuantitatif Menggunakan Rapid Testing Strip .. 39

2. Analisis Kuantitatif Menggunakan Kromatografi Gas ............. 40

V. SIMPULAN DAN SARAN

1. Simpulan ......................................................................................... 45

2. Saran . ............................................................................................. 46

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

v

DAFTAR TABEL

Tabel Halaman

1. Puncak-puncak representatif hasil preparasi katalis Ni0,6Cu0,4Fe204. 33

2. Puncak-puncak representatif dari masing-masing acuan ................... 34

3. Distribusi Butiran partikel katalis Ni0,6Cu0,4Fe2O4 kalsinasi600oC ... 36

4. Distribusi Butiran partikel katalis Ni0,6Cu0,4Fe2O4 kalsinasi 800oC .. 36

5. Unsur yang terkandung pada kalsinasi 600oC ................................... 38

6. Unsur yang terkandung pada kalsinasi 800oC. .................................. 38

7. Uji Rapid Testing Strip terhadap hasil uji aktivitas katalis................ 40

8. Hasil analisis kromatografi gas dengan sampel Ni0,6Cu0,4Fe2O4 ....... 44

iv

DAFTAR GAMBAR

Gambar Halaman

1. Struktur Asam Pektat (Gugus R Hidrogen) ............................................ 9

2. Struktur Asam Pektinat .......................................................................... 10

3. Struktur Protopektin .............................................................................. 10

4. Proses Pembentukan Difraktogram pada XRD ...................................... 15

5. Instrumen SEM ....................................................................................... 17

6. Skema interaksi antara bahan dengan elektron di dalam SEM .............. 18

7. Perubahan Warna Strip Setelah Kontak dengan Sampel ........................ 19

8. Skema Alat Kromatografi Gas ............................................................... 20

9. Skema Reaktor Katalitik ........................................................................ 25

10. Serbuk Katalis setelah Proses frezee dry.............................................. 28

11. Propil Suhu yang digunakan dalam Proses Kalsinasi .......................... 28

12. Serbuk Katalis setelah Proses Kalsinasi............................................... 29

13. Reaksi Piridin dengan Situs Asam Katalis Secara Bronsted-Lowry.... 30

14. Reaksi Piridin dengan Situs Asam Katalis secara Lewis ..................... 30

15. Spektrum inframerah katalis Ni0,6Cu0,4Fe204 (a) kalsinasi 600oC (b)

kalsinasi 800oC. .................................................................................... 31

16. Difaktogram katalis Ni0,6Cu0,4Fe204 (a) 600oC dan (b) 800

oC. ............ 33

v

17. Distribusi Butiran Partikel katalis Ni0,6Cu0,4Fe2O4 (a) kalsinasi 600oC

dan (b) kalsinasi 800oC ........................................................................ 35

18. Mikrograf katalis Ni0,6Cu0,4Fe2O4 (a) kalsinasi 600oC dan (b) kalsinasi

800oC .................................................................................................... 37

19. Hasil analisis EDS kalsinasi 600oC dan 800

oC .................................... 37

20. Hasil uji produk positif menggunakan Rapid Testing Strip ................. 39

21. Kromatogram etanol hasil aktivitas katalis Ni0,6Cu0,4Fe2O4 pada suhu

kalsinasi 600oC dengan suhu reaksi 200

oC .......................................... 41

22. Kromatogram etanol hasil aktivitas katalis Ni0,6Cu0,4Fe2O4 pada suhu


oC .......................................... 41

23. Kromatogram propanol hasil aktivitas katalis Ni0,6Cu0,4Fe2O4 pada suhu


oC .......................................... 42



oC .......................................... 42



oC .......................................... 43

26. Kurva standar antara konsentrasi (sumbu X) terhadap luas area

(sumbu Y). ............................................................................................ 43

1

I. PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Peningkatan kadar CO2 di atmosfer cukup signifikan dengan laju pertumbuhan

konsentrasi CO2 pada tahun 2000-2006 mencapai 1,93 ppm per tahun (Boer dkk.,

2012). Sektor industri merupakan salah satu penyumbang emisi gas CO2. Salah

satu industri tersebut adalah industri amoniak. Faktor emisi gas CO2 yang berasal

dari industri amoniak adalah 3,273 ton (CO2/ton amoniak) (Djadjadilaga dkk.,

2009). Salah satu upaya yang dapat dilakukan untuk mengurangi emisi gas CO2

dengan berbagai metode seperti; memanfaatkan gas CO2 untuk refrigerasi, dry ice,

fotokatalitik, dan mereduksinya menjadi metanol (Gasc, 2009). Metode yang

digunakan yaitu dengan cara mereduksi gas CO2 menjadi senyawa kimia seperti

hidrokarbon cair, dengan menggunakan reaksi hidrogenasi katalitik (Jun et al.,

2006).

Pada dasarnya, katalis yang digunakan dalam reaksi hidrogenasi katalitik CO2

harus memiliki keaktifan dan kestabilan terhadap reaksi pergeseran terbalik air

dan gas (Reverse Water-Gas Shift, RWGS) dan reaksi Fischer-Tropsch.

Pengubahan CO2 menjadi CO melalui reaksi RWGS, selanjutnya diubah menjadi

produk yang diinginkan melalui reaksi sintesis Fischer-Tropsch (Joo, 1999). Gas

2

tersebut akan mengalami shift reaction untuk menambahkan H2 hingga memenuhi

persyaratan berlangsungnya sintesis Fischer-Tropsch. Shift reaction berlangsung

dengan mekanisme sebagai berikut:

CO + H2O CO2 + H2

Reaksi ini sangat sensitif terhadap temperatur dengan kecenderungan bergeser ke

arah reaktan jika temperatur dinaikkan (Bansode et al., 2014).

Katalis merupakan senyawa yang mempercepat suatu reaksi tanpa ikut serta dalam

hasil reaksi. Berdasarkan sifat katalis dipengaruhi oleh luas permukaan dan

distribusi ukuran pori. Luas permukaan katalis menentukan jumlah situs aktif di

dalam katalis yang berkaitan dengan aktivitas katalis (Istadi dan Amin, 2005).

Nanokatalis adalah nanopartikel yang memiliki peran sebagaimana mestinya

katalis. Keunggulan nanokatalis adalah aktivitas yang lebih baik sebagai katalis

karena material nanokatalis memiliki permukaan yang luas dan rasio atom yang

tersebar secara merata pada permukaannya. Sifat ini menguntungkan untuk

transfer massa di dalam pori-pori dan juga menyumbangkan antar muka

yang besar untuk reaksi-reaksi adsorpsi dan katalitik (Widegren et al., 2003).

Material nanokatalis yang berbahan logam dibuat dalam bentuk nano material.

Pembuatan nano material sudah banyak dilakukan dengan berbagai metode

seperti; hidrotermal (Giri et al., 2004), sol-gel (Paveena et al., 2010), dan

kopresipitasi (Deraz et al., 2013), dan terus dikembangkan para peneliti, hal ini

karena nano material memiliki sifat fisika dan kimia yang berbeda dari bulk

materialnya antara lain; magnetik (Sugimoto et al., 1999), kestabilan termal

(Klaus et al., 2004), dan elektronik (Shengqiang et al., 2009).

3

Menurut penelitian, Lambert dan Gonzalez (1998). Proses pembuatan nano

material dilakukan dengan menggunakan metode sol-gel. Penggunaan metode

sol-gel didasarkan pada kemudahan memasukkan satu atau dua logam aktif

sekaligus dalam prekursor katalis. Keuntungan dari metode ini meliputi; dispersi

yang tinggi dari spesi aktif yang tersebar secara homogen pada permukaan katalis,

tekstur porinya memberikan kemudahan difusi dari reaktan untuk masuk ke dalam

situs aktif (Lecloux dan Pirard, 1998), luas permukaan yang cukup tinggi,

peningkatan stabilitas termal (Lambert dan Gonzalez, 1998).

Menurut penelitian Djayasinga (2015), senyawa Ni0,8Cu0,2Fe2O4 merupakan

katalis yang memiliki hasil optimum sebesar 1,62% etanol dari hasil reaksi

hidrogenasi katalitik CO2, memiliki ukuran partikel 10,61 nm, dan distribusi

ukuran partikel 18,1 nm dengan nilai (x = 0,2) pada kalsinasi 600oC. Pada

penelitian selanjutnya, senyawa Ni0,5Cu0,5Fe2O4 merupakan hasil yang optimum

dengan ukuran partikel 11,35 nm dengan suhu kalsinasi 600oC dan 33,06 pada

kalsinasi 800oC (Maharani, 2016).

B. Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah:

1. Mendapatkan nanokatalis Ni0,6Cu0,4Fe2O4 dengan metode sol-gel.

2. Menguji keaktifan nanokatalis Ni0,6Cu0,4Fe2O4 terhadap reaksi konversi

(CO2 + H2) pada suhu 200oC, 250

oC, 300

oC.

3. Melihat pengaruh variasi suhu kalsinasi pada aktivitas katalitik.

4

C. Manfaat Penelitian

Memberi gambaran tentang penggunaan nanokatalis Ni0,6Cu0,4Fe2O4 pada reaksi

hidrogenasi katalitik yang merupakan penanganan efek gas rumah kaca dan

pemanfaatan gas CO2 menjadi alkohol dalam bidang industri.

5

II. TINJAUAN PUSTAKA

A. Nanopartikel

Nanopartikel didefinisikan sebagai partikulat yang terdispersi atau partikel-

partikel padatan dengan ukuran partikel berkisar 10 – 100 nm. Nanopartikel yang

telah banyak digunakan oleh ilmuwan adalah Fe3O4. Magnetit dikenal juga

sebagai senyawa yang menunjukkan kemagnetan paling kuat diantara oksida-

oksida logam transisi (Teja dan Koh, 2009).

Nanopartikel dapat terdiri dari bahan konstituen tunggal atau menjadi gabungan

dari beberapa bahan. Nanopartikel di alam sering ditemukan dengan bahan

aglomerasi dengan berbagai komposisi, sedangkan komposisi bahan murni

tunggal dapat dengan mudah disintesis dengan berbagai metode. Berdasarkan

sifat kimia dan elektromagnetik, nanopartikel dapat tersebar seperti aerosol,

suspensi/koloid, atau dalam keadaan menggumpal. Sebagai contoh, nanopartikel

magnetik cenderung mengelompok, membentuk sebuah aglomerat, kecuali

permukaan mereka dilapisi dengan bahan non-magnetik, dan dalam keadaan

menggumpal, nanopartikel dapat berperilaku sebagai partikel yang lebih besar,

tergantung pada ukuran aglomerat tersebut (Buzea et al., 2007). Nanopartikel

memiliki sifat yang menguntungkan untuk transfer massa di dalam pori-pori dan

6

juga interaksi antar permukaan yang besar untuk reaksi-reaksi adsorpsi dan

katalitik (Widegren et al., 2003).

Banyak metode yang telah dikembangkan untuk preparasi material nanopartikel,

seperti metode presipitasi, penggilingan (milling methods), salting out, fluida

superkritis, polimerisasi monomer, polimer hidrofilik, dan dispersi pembentukan

polimer (Soppimath et al., 2001 and Mansouri et al., 2011).

B. Metode Sol-Gel

Metode sol-gel adalah proses pembentukan senyawa anorganik melalui reaksi

kimia dalam larutan pada suhu rendah, dimana dalam proses tersebut terjadi

perubahan fasa dari suspensi koloid (sol) membentuk fasa cair kontinyu (gel).

Prinsip kerja dari metode ini adalah hidrolisis garam logam menjadi sol, yang

kemudian sol ini mengalami kondensasi membentuk gel (Hankare et al., 2013).

Proses sol-gel mempunyai dua metode yang dikenal dengan metode alkoksida dan

metode koloid. Metode alkoksida adalah proses sol-gel dengan menggunakan

logam alkoksida sebagai perkursor. Metode koloid adalah proses sol-gel dengan

menggunakan selain alkoksida sebagai perkursor seperti nitrat, karboksilat, asetil

aseton, dan klorida. Mekanisme metode sol-gel menggunakan senyawa organik

sebagai perkursornya, diawali dengan hidrolisis gugus fungsi dan dilanjutkan

dengan proses kondensasi. Pada kondisi awal gugus hidroksil berperan sebagai

katalis. Mengontrol pH reaksi memungkinkan dapat mengontrol ukuran partikel

yang memiliki angka relatif pada saat hidrolisis dan kondensasi berlangsung.

Pada pH tinggi, kondensasi memiliki laju yang sangat cepat dibandingkan

7

hidrolisis, inti yang lebih sedikit akan terbentuk dan reaksi akan lebih mudah

terjadi penambahan monomer ke partikel yang lebih besar (Brinker dan Scherer,

1990). Mekanisme meliputi beberapa proses yaitu: hidrolisis, kondensasi,

pematangan, dan pengeringan.

1. Hidrolisis

Pada tahap ini logam prekursor (alkoksida) dilarutkan dalam alkohol dan

terhidrolisis dengan penambahan air pada kondisi asam, netral atau basa

menghasilkan sol koloid. Reaksi hidrolisis terbentuk oleh pengikatan ion

hidroksil (-OH) pada atom logam dengan pemutusan salah satu ligan (-OR)

dengan reaksi sebagai berikut:

Fe(NO3)3 + H2O (NO3)Fe(OH)2 + 2NO2 + ½ O2

Faktor yang sangat berpengaruh terhadap proses hidrolisis adalah rasio air atau

prekursor dan jenis katalis hidrolisis yang digunakan. Peningkatan rasio pelarut

atau prekursor akan meningkatkan reaksi hidrolisis yang mengakibatkan reaksi

berlangsung cepat sehingga waktu gelasi lebih cepat (Brinker dan Scherer, 1990).

2. Kondensasi

Pada tahapan ini terjadi proses transisi dari sol menjadi gel. Reaksi kondensasi

melibatkan ligan hidroksil untuk menghasilkan polimer dengan ikatan M-O-M.

Pada berbagai kasus, reaksi ini juga menghasilkan produk samping berupa air

atau alkohol dengan reaksi secara adalah sebagai berikut:

(NO3)Fe(OH)2 + (NO3)Fe(OH)2 (NO3)(OH)Fe-O-Fe(OH)(NO3) + H2O

8

Reaksi kondensasi di atas merupakan logam alkoksida (garam anorganik) yaitu

ferinitrat yang telah terhidrolisis menghasilkan jaringan tiga dimensi dari ikatan

besi-oksigen-besi (Ismunandar, 2006).

3. Pematangan

Setelah reaksi hidrolisis dan kondensasi, dilanjutkan dengan proses pematangan

gel yang terbentuk. Proses ini lebih dikenal dengan proses ageing. Pada proses

pematangan ini, terjadi reaksi pembentukan jaringan gel yang lebih kaku, kuat,

dan menyusut didalam larutan. Proses pembentukan melalui tiga tahapan yaitu:

a. Polikondensasi

Pembentukan rantai polimer melalui pengikatan logam yang telah terhidrolisis

dengan logam lainnya. Pada proses ini terbentuk jaringan tiga dimensi yang

akan menyebabkan terikatnya pelarut.

b. Sinersis

Proses penarikan atau terdorongnya pelarut keluar dari reaksi.

c. Coarsening

Proses pertumbuhan partikel kecil menjadi partikel yang lebih besar yang

menyebabkan pori-pori partikel dan luas permukaan lebih besar (Delfinas,

2014).

4. Pengeringan

Tahapan terakhir adalah proses penguapan larutan yang tidak diinginkan untuk

mendapatkan struktur sol gel yang memiliki luas permukaan yang tinggi (Lambert

dan Gonzalez, 1998).

9

C. Pektin

Pektin merupakan campuran polisakarida dengan komponen utama polimer asam

α-D- galakturonat yang mengandung gugus metil ester pada konfigurasi atom

C-2. Komponen minor berupa polimer unit-unit α-L-arabinofuranosil bergabung

dengan ikatan α-L-(1-5). Komponen minor lainnya adalah rantai lurus dari unit-

unit β- galaktopiranosil yang mempunyai ikatan 1-4. Sifat pektin adalah

kemampuannya membentuk gel. Pektin metoksil tinggi membentuk gel dengan

gula dan asam, yaitu dengan konsentrasi gula 58-75% dan pH 2,8-3,5

(Nussinovitch, 1997). Senyawa pektin terdiri atas asam pektat, asam pektirat dan

protopektin.

1. Asam pektat

Suatu senyawa asam galakturonat yang bersifat koloid dan bebas dari

kandungan metil ester. Struktur asam pektat ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Struktur asam pektat (gugus R: Hidrogen).

2. Asam pektinat

Suatu asam poligalakturonat yang bersifat koloid dan mengandung metil ester.

Metil ester dan derajat netralisasi asam pektinat pada pektin berbeda-beda.

Struktur asam pektinat ditunjukkan pada Gambar 2.

10

Gambar 2. Struktur asam pektinat.

3. Protopektin

Protopektin tidak larut dalam air karena berada pada bentuk garam-garam

kalsium-magnesium pektinat. Pertukaran ion kalsium dan magnesium oleh ion

hidrogen akan mengubah protopektin menjadi pektin. Struktur protopektin

ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3. Struktur protopektin.

Pembentukan gel terjadi melalui ikatan hidrogen di antara gugus karboksil bebas

dan di antara gugus hidroksil. Pektin bermetoksil rendah tidak mampu

membentuk gel dengan asam dan gula tetapi membentuk gel dengan adanya ion-

ion kalsium. Mekanismenya adalah adanya hubungan yang terjadi antara

molekul pektin yang berdekatan dengan kation divalen membentuk struktur tiga

dimensi melalui pembentukan garam dengan gugus karboksil pektin

(Nussinovitch, 1997).

11

D. Katalis

Katalis adalah suatu zat yang dapat mempercepat reaksi kimia dan tidak akan

mengubah nilai tetapan keseimbangan. Menurut teori kecepatan reaksi absolut,

peranan katalis adalah menurunkan energi bebas pengaktifan. Beberapa katalis

melakukannya dengan membentuk pereaksi untuk mencapai kompleks teraktifkan

yang sama dengan bila tanpa adanya katalis, namun kebanyakan katalis

tampaknya memberikan suatu mekanisme yang berbeda, yang mengikatnya secara

sementara dan berenergi bebas rendah (Arakawa, 2001).

Katalis menyedikan 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 itu 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 (Tanabe, 1981). Proses

reaksi katalitik heterogen dibagi menjadi dua kelompok yaitu:

1. Reaksi redoks meliputi 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.

2. 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).

12

E. Hidrogenasi Katalitik CO2

Hidrogenasi katalitik CO2 merupakan gabungan dua tahap reaksi yaitu

pergeseran terbalik air dan gas Reverse Water-Gas Shift (RWGS) dan reaksi

sintesis Fischer-Tropsch. Reaksi pergeseran terbalik air dan gas (RWGS)

adalah reaksi antara CO2 dengan H2 untuk menghasilkan CO dan H2O.

Konversi CO2 menjadi CO ini memainkan peran yang sangat penting dalam

hidrogenasi CO2, karena kestabilan CO2 tidak memungkinkan untuk melakukan

hidrogenasi secara langsung (Bansode, 2014). Persamaan reaksi untuk RWGS

adalah:

CO + H2O CO2 + H2

CO yang dihasilkan dari RWGS kemudian mengalami reaksi hidrogenasi melalui

reaksi sintesis Fischer-Tropsch dengan mekanisme sebagai berikut:

13

Produk yang dihasilkan berupa hidrokarbon mengandung oksigen seperti

alkohol dan eter (Bakhtiari et al., 2008).

F. Fourier Transform Infra Red (FTIR)

Analisis keasaman dilakukan dengan metode metode gravimetri dan Fourier

Transform Infra Red (FTIR). Pada penentuan jumlah situs asam katalis dilakukan

secara gravimetri dengan kemisorpsi basa adsorbat (ASTM, 2005). Penentuan

jumlah situs asam menggunakan piridin sebagai basa adsorbat merupakan

penentuan jumlah situs asam yang terdapat pada permukaan katalis, dengan

asumsi bahwa ukuran molekul piridin yang relatif besar sehingga hanya dapat

teradsorpsi pada permukaan katalis.

Spektroskopi inframerah adalah metode analisis yang didasarkan pada absorpsi

radiasi inframerah oleh sampel yang akan menghasilkan perubahan keadaan

vibrasi dan rotasi dari molekul sampel. Frekuensi yang diabsorpsi tergantung

pada frekuensi vibrasi dari molekul (karakteristik). Intensitas absorpsi

bergantung pada seberapa efektif energi foton inframerah dipindahkan ke

molekul, yang dipengaruhi oleh perubahan momen dipol yang terjadi akibat

vibrasi molekul (Amand dan Tullin, 1999).

Spektra yang dihasilkan dari FTIR, jenis situs asam (Bronsted-Lowry atau

Lewis) yang terdapat pada katalis dapat diketahui melalui puncak-puncak

serapan yang dihasilkan dari interaksi antara basa adsorbat dengan situs-situs

asam tersebut. Pada penggunaan piridin sebagai basa adsorbat, situs asam

Bronsted- Lowry akan ditandai dengan puncak serapan pada bilangan-bilangan

14

gelombang 1485 – 1500, 1620, dan 1640 cm-1

, sedangkan untuk situs asam

Lewis ditandai dengan puncak-puncak serapan pada bilangan-bilangan

gelombang 1447 – 1460, 1488 – 1503, ~1580, dan 1600 – 1633 cm-1

(Tanabe,

1981).

G. X-ray Difraction (XRD)

Analisis struktur kristal katalis dilakukan menggunakan instrumentasi difraksi

sinar-X (X-ray Diffraction/XRD). Teknik ini digunakan untuk mengidentifikasi

suatu material berdasarkan fase kristalin dalam material dengan cara

menentukan parameter kisi serta untuk mendapatkan ukuran partikel suatu

material yang ditunjukkan dengan difraktogram. Persamaan Scherrer digunakan

untuk mengukur broadening (pelebaran) puncak difraksi sinar-x yang disebabkan

oleh ukuran kristal yang kecil. Persamaan Scherrer (Cullity, 1978).

cos.

kD

Keterangan: D = diameter rata-rata partikel (nm)

k = konstanta dari instrumen yang digunakan

λ = panjang gelombang sinar-X yang digunakan (nm)

β = pelebaran puncak (radian)

θ = sudut Bragg (radian)

Difraksi sinar-X terjadi pada hamburan elastis foton-foton sinar-X oleh atom

dalam sebuah kisi periodik. Hamburan monokromatis sinar-X dalam fase

tersebut memberikan interferensi yang konstruktif. Gambar 4 menunjukan

proses terjadinya pembentukan puncak-puncak difraksi pada XRD.

15

Gambar 4. Proses pembentukan difraktogram pada XRD.

Pembentukan puncak difraksi hanya terjadi ketika Hukum Bragg dipenuhi. Secara

fisis jika kita mengetahui panjang gelombang dari sinar yang membentur,

kemudian dapat dikontrol sudut dari benturan, maka menentukan jarak antar atom

(geometri dari latis). Persamaan Bragg digunakan untuk mempelajari

difraktogram/kisi Kristal (Bragg, 1975).

2dhkl Sin θ = nλ

Ketrangan: d = jarak antara dua bidang kisi (nm)

θ = sudut antara sinar datang dengan bidang normal

n = bilangan bulat yang disebut sebagai orde pembiasan

λ = panjang gelombang sinar-X yang digunakan (nm)

Berdasarkan persamaan Bragg, jika seberkas sinar-X dijatuhkan pada sampel

kristal, maka bidang kristal itu akan membiaskan sinar-X yang memiliki panjang

gelombang yang sama dengan jarak antar kisi dalam kristal tersebut. Sinar yang

dibiaskan akan ditangkap oleh detektor, kemudian diterjemahkan sebagai

puncak difraksi. Semakin banyak bidang kristal yang sama terdapat dalam

sampel, maka semakin kuat intensitas pembiasan yang dihasilkan. Tiap puncak

yang muncul pada pola XRD mewakili satu bidang kristal yang memiliki

orientasi tertentu dalam sumbu tiga dimensi.

16

H. Particle size analyzer (PSA)

PSA menggunakan prinsip dari Laser Diffraction. Laser Diffraction adalah

ketika partikel-partikel melewati berkas sinar laser dan cahaya dihamburkan oleh

partikel-pertikel tersebut. Distribusi dari intensitas yang dihamburkan ini yang

akan dianalisis oleh komputer sebagai hasil distribusi ukuran partikel (Rawle,

2010).

Pengukuran partikel dengan menggunakan PSA biasanya menggunakan

metode basah. Metode ini dinilai lebih akurat jika dibandingkan dengan metode

kering ataupun pengukuran partikel dengan metode ayakan dan analisa gambar.

Terutama untuk sampel-sampel dalam orde nanometer yang cenderung memiliki

aglomerasi yang tinggi. Hal ini dikarenakan partikel didispersikan ke dalam

media sehingga partikel tidak saling aglomerasi. Ukuran partikel yang terukur

adalah ukuran dari single particle. Selain itu hasil pengukuran ditampilkan

dalam bentuk distribusi, sehingga hasil pengukuran dapat diasumsikan sudah

menggambarkan keseluruhan kondisi sampel. Keunggulan penggunaan Particle

Size Analyzer (PSA) untuk mengetahui ukuran partikel adalah:

a. lebih akurat dan mudah digunakan, pengukuran partikel dengan

menggunakan PSA lebih akurat jika dibandingkan dengan pengukuran

partikel dengan alat lain seperti TEM ataupun SEM. Hal ini dikarenakan

partikel dari sampel yang akan diuji didispersikan ke dalam sebuah media

sehingga ukuran partikel yang terukur merupakan ukuran partikel tunggal.

17

b. hasil pengukuran dalam bentuk distribusi, sehingga dapat menggambarkan

keseluruhan kondisi sampel, dalam artian penyebaran ukuran rata-rata

partikel dalam suatu sampel.

c. rentang pengukuran dari 0,6 nanometer hingga 7 mikrometer (Rawle, 2010).

I. Scanning Electron Microscopy (SEM)

SEM merupakan metode untuk menggambarkan permukaan suatu bahan dengan

resolusi yang tinggi. Resolusi yang tinggi pada SEM dihasilkan dari penggunaan

elektron dalam menggambarkan permukaan bahan. Resolusi yang dihasilkan juga

jauh lebih tinggi dibandingkan dengan mikroskop cahaya (0,1 – 0,2 nm untuk

SEM dan 200 nm untuk mikroskop cahaya) (Hanke, 2001). Skema kerja dari

SEM ditunjukkan dalam Gambar 5 berikut.

Gambar 5. Instrumen SEM (Ertl et al., 2000).

Dari Gambar 5, sebuah pistol elektron memproduksi berkas elektron dan

dipercepat di anoda. Lensa magnetik kemudian memfokuskan elektron menuju

sampel. Berkas elektron yang terfokus memindai (scan) keseluruhan sampel

dengan diarahkan oleh kumparan pemindai. Elektron mengenai sampel, maka

18

sampel akan mengeluarkan elektron yang baru yang akan diterima oleh detektor

(Hanke, 2001).

Berkas elektron discan pada permukaan sampel, terjadi interaksi elektron dengan

atom-atom di permukaan maupun di bawah permukaan sampel. Seperti terlihat

pada Gambar 6, akibat interaksi tersebut sebagian besar berkas elektron berhasil

keluar kembali, elektron-elektron tersebut disebut sebagai Backscattered

Electrons (BSE) dan sebagian kecil elektron masuk ke dalam bahan kemudian

memindahkan sebagian besar energi pada elektron atom sehingga terpental ke

luar permukaan bahan, yaitu Secondary Electrons (SE). Pembentukan elektron-

elektron sekunder selalu diikuti proses munculnya X-ray yang karakteristik untuk

setiap elemen, sehingga dapat digunakan untuk mengukur kandungan elemen

yang ada di dalam bahan yang diteliti (Mayer et al., 2002).

Gambar 6. Skema interaksi antara bahan dengan elektron di dalam SEM

(Mayer et al., 2002).

19

J. Rapid Testing Strip

Prinsipnya didasarkan pada spesifikasi dari alcohol oxidase (ALOx). Etil Alkohol

dalam bentuk peroxidase dan enzim substansi seperti tetramethilbenzidina (TMB),

yang ditunjukkan sebagai berikut ini:

Perubahan warna pada strip dapat diketahui kurang dari 20 detik setelah ujungnya

mengalami kontak dengan sampel. Konsentrasi yang melebihi 0,02%

menyatakan terdapat alkohol (Savchuk et., al, 2001). Dapat dilihat pada gambar

7.

Gambar 7. Perubahan warna strip setelah kontak dengan sampel.

K. Kromatografi Gas Cair

Fase diam pada kromatografi gas dapat berupa zat padat yang dikenal sebagai

kromatografi gas-padat (GSC) dan zat cair sebagai kromatografi gas-cair (GLC).

Keduanya hampir sama kecuali dibedakan dalam hal cara kerjanya. Pada GSC

pemisahan dilakukan berdasarkan adsorpsi sedangkan pada GLC berdasarkan

partisi. Kromatografi gas digunakan untuk analisa kualitatif terhadap cuplikan

yang komponen-komponennya dapat menguap (Gritter R.J., 1991). Prinsipnya,

gas pembawa yang digunakan biasanya Helium, Argon atau Nitrogen dengan

tekanan tertentu dialirkan secara konstan melalui kolom yang berisi fase diam.

Selanjutnya sampel diinjeksikan ke dalam injektor (injection port) yang suhunya

20

dapat diatur. Komponen- komponen dalam sampel akan segera menjadi uap dan

akan dibawa oleh aliran gas pembawa menuju kolom. Komponen-komponen

akan teradsorpsi oleh fase diam pada kolom kemudian akan merambat dengan

kecepatan berbeda sesuai dengan nilai Kd masing- masing komponen sehingga

terjadi pemisahan. Komponen yang terpisah akan masuk kedalam detektor,

selanjutnya dicatat oleh recorder yang dituliskan dalam kromatogram berupa

puncak peak (Yazid, 2005). Gambar 8 menunjukkan skema alat GC.

Gambar 8. Skema alat Kromatografi Gas.

21

III. METODOLOGI PENELITIAN

A. Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian ini telah dilaksanakan dari bulan Mei sampai Oktober 2016, dengan

tahapan: preparasi katalis dilakukan di laboratorium Anorganik/Fisik Universitas

Lampung. frezee-dry dan particle size analyzer (PSA) dilakukan di laboratorium

Biomass Universitas Lampung. Furnace dilakukan di LaboratoriumTerpadu

BARISTAN. Karakterisasi denganX-ray Difraction (XRD) dan Fourier

TransformInfra Red (FTIR) di LaboratoriumTerpadu UIN Syarif Hidayatullah.

Karakterisasi Scanning Electron Microscopy (SEM) di Laboratorium Politeknik

Manufaktur Negri Bandung dan analisis Kromatografi Gas (GK) dilakukan di

Laboratorium Afiliasi Fakultas MIPA Universitas Indonesia.

B. Alat dan Bahan

Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini meliputi alat-alat gelas, frezee-dry,

Furnace, particle size analyzer (PSA), X-ray Difraction (XRD), Fourier

TransformInfra Red (FTIR), Scanning Electron Microscopy (SEM),

Kromatografi Gas (GK), dan Rapid Testing Strip.

22

Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain: serbuk pektin, Ni

nitrat Ni(NO3)2.6H2O (Merck, 99%), Fe nitrat Fe(NO3)3.9H2O (Merck, 99%), Cu

nitrat Cu(NO3)2.3H2O (Merck, 99%), piridinC5H5N (J.T Baker), NH3 (Merck,

99%), gas argon (BumiWaras 99,95%), gas hidrogen (BOC 99,99%), gas CO2,

(BOC 99,99%), dan aquades.

C. Prosedur Penelitian

1. Pembuatan Nanokatalis

Katalis Ni0,6Cu0,4Fe2O4 dibuat dengan melarutkan serbuk pektin sebanyak 8 gr

dalam 400 mL aquades hingga homogen dan ditambahkan 25 mL NH3.

Selanjutnya dimasukkan logam Ni nitrat [Ni(NO3)2.6H2O], Cu nitrat

[Cu(NO3)2.3H2O], dan Fe nitrat [Fe(NO3)3.9H2O], dengan perbandingan (2:3:10)

(v/v), diaduk menggunakan heating magnetic stirrer pada suhu ruang hingga

homogen dan dipanaskan pada temperatur 150oC. Dihilangkan molekul air

dengan alat frezee dry dan dikalsinasi pada suhu 600°C dan 800°C untuk

pembentukan kristalnya.

2. Karakterisasi Nanokatalis

a. Analsisi Keasaman

Analisis keasaman dilakukan dengan metode gravimetri dan Fourier

TransformInfra Red (FTIR). Pada penentuan jumlah situs asam katalis dilakukan

secara gravimetri dengan kemisorpsi basa adsorbat (ASTM, 2005). Pertama

23

wadah kosong ditimbang, dimasukkan 0,25 gram katalis dalam wadah, setelah itu

dimasukkan dalam desikator yang telah divakum bersama dengan basa piridin.

Desikator ditutup selama 24 jam untuk katalis mengabsorpsi basa piridin, setelah

itu dikeluarkan dan didiamkan selama 2 jam, kemudian sampel ditimbang dan

ditentukan keasamanya dengan persamaan:

Keterangan w1 = Berat wadah

w2 = Berat wadah + sampel

w3 = Berat wadah + sampel yang telah mengadsorpsi piridin

BM = Berat molekul piridin

Penentuan jenis situs asam katalis menggunakan Fourier Transform Infra Red

(FTIR) dan dilakukan pengukuran pada daerah bilangan gelombang.Menurut

Tanabe (1981), keberadaan situs asam pada katalis dapat ditunjukkan pada

daerah-daerah bilangan gelombang 1485-1500, ~1620, dan ~1640 cm-1

untuk situs

asam Bronsted-Lowry dan untuk situs asam Lewis ditunjukkan pada daerah-

daerah bilangan gelombang 1447-1460, 1488-1503, dan 1600-1633 cm-1

.

b. Analisis Ukuran Partikel

Analisis dilakukan menggunakan radiasi CuKα (1,5425Å),tabung sinar-X

dioperasikan pada 40 keVdan 200 mA. Rentang difraksi yang diukur (2θ) dalam

rentang 10–80o,dengan scanstepsize 0,02

o/menit. Puncak- puncak yang terdapat

pada difraktogram kemudian didentifikasi menggunakan metode Search Match

24

dengan standar file data yang terdapat dalam program PCPDF-win 1997

(Drbohlavova et al., 2009).

c. Analisis Distribusi Ukuran Partikel

Analisis distribusi butiran partikel menggunakan Particle Size Analyzer (PSA),

yang bekerja berdasarkan prinsip Laser Diffraction (LAS). Metode ini

menggunakan media pendispersi untuk mendispersi sampel. Media

pendispersinya aquades. Pengukuran sampel dilakukan tiga kali pengulangan,

hingga diperoleh dua data yang memiliki selisih kurang dari 20 nm.

d. Analisis Morfologi Permukaan Katalis

Analisis morfologi permukaan nanomaterial dilakukan menggunakan SEM.

Sampel katalis (±5 mg) yang akan dianalisis ditempatkan pada wadah sampel

dengan ukuran 3mm dan ketebalan 300 µm. Sampel tersebut ditembakkan

dengan ion argon sampai berlubang. Pada bagian yang tipis ini ditembakkan

berkas elektron sehingga menembus sampel kemudian hasil dari tembusan

elektron tersebut yang ditangkap detektor yang diolah menjadi gambar

(Bendersky and Gayle, 2001).

3. Uji Aktivitas Katalitik

Aktivitas katalitik dari katalis diuji menggunakan reaktor dengan skema kerja

reaktor digambarkan pada Gambar 9.

25

Gambar 9. Skema reaktor katalitik.

Keterangan:1–3 = regulator (flowmeter), 4–6 = pengatur aliran gas,7 = wadah

pencampur, 8–9 = penghubung swagelock, 10 = termokopel, 11 =

wadah katalis, 12 = furnace, 13 = valve, 14 = wadah penampung.

Sampel katalis sebanyak 20 mg ditempatkan pada tabung reaktor. Kemudian

katalis dipanaskan sampai suhu reaksi, suhu kemudian dipertahankan selama 1

jam, kemudian dialirkan gas CO2, H2, dan Ar , dengan perbandingan CO2: H2 =

1:3, dan laju aliran total CO2, H2 dan Ar adalah 50 mL/menit atau setara 3 L/jam,

reaksi berlangsung selama 45 menit. Variasi suhu yang dilakukan adalah 200oC,

250oC, dan 300

oC. Hasil katalisis yang keluar dari tabung reaktor kemudian

ditampung dalam wadah penampung. Hasil dari uji aktivitas ini selanjutnya

dianalisis menggunakan Kromatografi Gas.

a. Rapid Testing Strip

Penggunaan alat Rapid Testing Strip digunakan untuk mendeteksi seyawa organik

secara semi-kuantitatif. Sampel cair yang mengandung konsentrasi alkohol

melebihi 0,02% akan terdeteksi. Celupkan strip kedalam sampel, setelah itu

tunggu 2 menit untuk waktu pembacaan, setelah 2 menit bandingkan strip reaktif

dengan standar warna. Pembacaan setelah 2 menit bisa tidak akurat (Savchuk et

al., 2001).

26

b. Analisis Produk Alkohol dengan Kromatografi Gas

Sebanyak 20 μL hasil dari uji aktivitas di injeksikan kedalam instrumentasi

kromatografi gas. Instrumentasi kromatografi gas diatur dengan parameter-

parameter sebagai berikut:

Fase gerak : gas Nitrogen (50 mL/menit)

Kolom : HP-20M (Carbowax)

Detektor : FID 1

Analisis produk alkohol secara kuantitatif dilakukan dengan cara membuat kurva

standar dari larutan standar metanol, etanol, propanol, butanol, dan pentanol.

Kemudian kromatogram hasil uji analisis yang diperoleh dibandingkan terhadap

kromatogram standar alkohol berdasarkan waktu retensi produk analisis dengan

larutan standar.

45

V. SIMPULAN DAN SARAN

A. Simpulan

Berdasarkan hasil penelitian yang diperoleh, maka dapat disimpulan sebagai

berikut:

1. katalis yang dipreparasi menggunakan metode sol-gel dengan pengemulsi

pektin berukuran nano dan masing-masing berukuran kristal 16,02 nm pada

suhu kalsinasi 600oC dan 26,64 nm pada 800

oC.

2. Nanokatalis Ni0,6Cu0,4Fe2O4 suhu kalsinasi 600oC mempunyai kemampuan

adsorbsi basa piridin sebesar 6,8773 mmol piridin/g katalis, yang memiliki

jumlah situs asam lebih selektif dari kalsinasi 800oC sebesar 6,05125 mmol

piridin/g katalis.

3. Katalis terkalsinasi 600oC memiliki distribusi ukuran partikel 60% dengan

rentang 10-40 nm, sedangkan kalsinasi 800oC memiliki distribusi ukuran

partikel 35% pada rentang 20-50 nm.

4. Hasil analisis SEM terlihat bahwa aglomerasi terjadi pada katalis kalsinasi

800oC, relatif lebih banyak terhadap katalis kalsinasi 600

oC. Hasil EDS

menyatakan bahwa senyawa Ni0,6Cu0,4Fe2O4 terbentuk..

46

5. Uji aktivitas pada 200oC dan 300

oC untuk kalsinasi 600

oC menghasilkan

produk etanol sebesar (0,1992 dan 0,2349) % dan propanol (0,0024 dan

0,0152) %, sedangkan kalsinasi 800oC hanya memberikan aktivitas pada

200°C, 0,0024% propanol.

B. Saran

Beberapa hal yang disarankan pada penelitian selanjutnya adalah sebagai berikut:

1. Melakukan pengubahan komposisi perbandingan pengemulsi dengan logam

nitrat yang digunakan.

2. Melakukan variasi laju alir gas yang digunakan pada konversi gas (CO2+ H2)

dengan suhu optimum 200-300oC.

3. Menganalisis senyawa yang terbentuk selain alkohol.

47

DAFTAR PUSTAKA

Amand, L. A. dan C. J. Tullin. 1999. The Theory Behind FTIR Analysis:

Application Examples From Measurement at the 12 MW Circulating

Fluidized Bed Boiler at Chalmers. Department of Energy Conversion

Chalmers University of Technology. Gitenborg. Sweden. Pp. 1 – 15.

Arakawa, H. 2001. Catalyst Research of Relevance to Carbon Management:

Progress, Challenges and Opportunities. Chemical. Reviews, Vol. 101,

Pp. 953 – 996.

ASTM D4824-03. 2005. Test Method for Determination of Catalyst Acidity by

Ammonia Chemisortption. Manual Book of ASTM. Pp. 1-3.

Bakhtiari, M., F. Khorasheh, A. Zamanian, A. Nakhaeipour, and M. Irani.

2008. Preparation, Evaluation and Characterization of Monolithic

Catalysts For Fischer-Tropsch Synthesis. Journal Petroleum & Coal.

Vol. 50, Pp. 56 – 61.

Basonde, A., Urakawa, A. 2014. Towards Full One-Pass Conversion of

Carbon Dioxide to Methanol and Methanol-Derived Product. Journal of Catalysis. Vol. 309, Pp. 66–70.

Boer. R., Dewi, R. G., Siagian, W. R. 2012. Pedoman Penyelenggaraan

Inventarisasi Gas Rumah Kaca Nasional. Kementrian Negara Lingkungan

Hidup. Jakarta. Hal. 8.

Bragg, L., Phillips, D. & Lipson, H. S. 1975. The development of x-ray analysis.

Bell. London. Pp. 270.

Brinker, C.J., dan G.W. Scherer. 1990. Sol-Gel Science: The Pysics and Chemistry

of Sol-Gel Processing. Academic Press. USA. Pp. 2-216.

Buzea, C., Pacheo Blandino, I.I., and Robbie, K., 2007, Nanomaterials and

nanoparticles: Sources and toxicity, Biointerphases, Vol. 2, issues Pp. 17-

172.

48

Cabrera, I. M., M. L. Granados, P. Terreros, J. L. G. Fierro. 1998. CO2

Hydrogenation Over Pd-Modified Methanol Synthesis Catalysts.

Catalysis Today, Vol. 45, Pp. 251–256.

Campanati, M., G. Fonsari, A. Vaccari. 2003. Fundamentals in The Preparation

of Heterogenous Catalyst. Catalyst Today. Vol. 77, Pp. 299-314.

Cullity, B.D. 1978. Element Of X-ray Diffraction. Addison-Wesley Publishing

Company. New Jersey. USA. Pp. 84-102.

Deraz N.M., Ahmed, A. Abdeltawab, M.M. Selim, O. El-Shafey, A.A. El-Asmy,

Salem S. and Al-Deyab. 2013. Precipitation–deposition Assisted

Fabrication and Characterization of Nano-sized Zinc Manganite. Journal

of Industrial and Engineering Chemistry. Vol. 4, Pp 226.

Delfinas, Vivi.2014. Studi Pelapisan Nanokristal TiO2-SiO2/Kitosan Pada Katun

Tekstil dan Aplikasinya Sebagai Senyawa Antibaktri Staphyloccocus

Aureus. Skripsi. Universitas Andalas. Hal. 107.

Djajadilaga, M.,Tejalaksana, A., Harnowo, H., Gusthi, dan A. S., Sudarmanto.

2009. Emisi Gas Rumah Kaca dalam Angka, Asisten Deputi Urusan

Data dan Informasi Lingkungan. Kementrian Negara Lingkungan Hidup.

Jakarta. Hal 7.

Djayasinga, Rodhiayah. 2015. Pembuatan dan Karakterisasi Nanokatalis

Ni1-xCuxFe2O4 serta Uji Aktivitas Pada Konversi (CO2 + H2). Tesis.

Universitas Lampung. Hal. 54-55.

Drbohlavova, J., R. Hrdy, V. Adam, R. Kizek, O. Schneeweiss, and J. Hubalek.

2009. Preparation and Properties of Various Magnetic Nanoparticles.

Sensors. Vol. 9, Pp. 2352 – 2362.

Eistein Yazid. 2005. Kimia Fisika Untuk Paramedis. Penerbit Andi. Yogyakarta.

Ertl, G., H. Knözinger, and J. Weitkamp. 2000. Handbook of Heterogeneous

Catalysis. Wiley-VCH GmbH & Co. New York. Vol. 3. Pp. 4 – 6.

Fujiwara, M., R. Kieffer, H. Ando, Q. Xu, Y. Souma. 1995.

Hydrogenation of Carbon Dioxide over Fe-ZnO/HY Composite

Catalyst. Lercsi. Strasbourg. France. Pp. 1 – 5.

Gasc, F, et, al. 2009. Methods For Synthesizing Diethyl Carbonate From ethanol

and Supercritical Carbon Dioxide by One-Pot or Two-Step Reaction in

the Presence of Potassium Carbonate. The Journal Of Supercritical

Fluids. Vol. 50, Pp. 46-53.

49

Giri, S., S. Samanta., S. Maji., S. Ganguli., and Bhaumik. 2004. Magnetic

properties of a-Fe2O3 nanoparticle synthesized by a new hydrothermal

method. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. Vol. 285, Pp.

296–302.

Gritter FJ et al, 1991, Pengantar Kromatografi (terjemahan K. Padmawinata).

edisi 2. ITB. Bandung. Hal. 107.

Hankare P.P., R.P. Patil, U.B. Sankpal, S.D. Jadhav, K.M. Garadkar, and S.N.

Achary. 2013. Synthesis and Morphological Study of Chromium

Substituted Zn–Mn Ferrites Nanostructures via Sol–gel Method.

Journal of Alloys and Compounds. Vol. 509, Pp. 276 – 280.

Hanke, L. D. 2001. Materials Evaluation and Engineering Inc. Plymouth,

Handbook of Analytical Methods for Materials. Pp. 35 – 38.

Indala, S. 2004. Development and Integration of New Processes

Consuming Carbon Dioxide in Multi-Plant Chemical Production

Complexes. Tesis. Department of Chemical Enginering. Andhra

University. India. Pp. 4 – 22.

Ismunandar. 2006. Padatan Oksida Logam: Struktur, Sintesis, dan Sifat-sifatnya.

Penerbit ITB. Bandung. Indonesia. Hal. 8 – 23.

Istadi dan Amin, N.A.S. 2005. A Thermodynamic Analysis of Co-generation of

C2 Hydrocarbons and Synthesis Gases from Methane and Carbon Dioxide

by Direct Gibbs Free Energy Minimization. Jurnal Natural Gas

Chemistry. Vol. 14, Pp. 140 – 150.

Joo, O. S. 1999. Camere Process for Carbon Dioxide Hydrogenation to Form

Methanol. Catalysis Laboratory. Korea Institute of Science and

Technology. Seoul. South Korea. Pp. 686 – 689.

Jun, K. W., S. J. Lee, M. J. Choi, and K. W. Lee. 2006. Catalytic

Hydrogenation of CO2 Into Hydrocarbons: Support Effects on Fe and

Fe-K Catalyst. Catalyst Division. Korea Research Institute of Chemical

Technology. Taejon. Korea. Pp. 1411 – 1414.

Kim, K. D., S. S. Kim, Y. H. Choa and H. T. Kim. 2007. Formation and Surface

Modification of Fe3O4 Nanoparticles by Co-precipitation and Sol-Gel

Method. Journal of Industrial Engineering Chemistry. Vol. 13, Pp. 1137-

1141.

Klaus S, Tobias Kratzke, Stefan Kaskel. 2004. Improved synthesis, thermal

stability and catalytic properties of the metal-organic framework

compound Cu3(BTC)2. Journal Microporous and Mesoporous Materials.

Vol. 73, Pp. 81–88.

50

K. W. Lee. 1999. Comparative Study of FTS with H2/CO and H2/CO2 Syngas

Using Fe and Co Catalysts. Applied Catalysis A. Vol. 186, Pp. 201 –

213.

Lambert C.K., R.D. Gonzalez. 1998. The importance of measuring the metal

content of supported metal catalysts prepared by the sol gel method.

Applied Catalysis A. Vol. 172, Pp. 233-239.

Lecloux, A. J., and J. P. Pirarad. 1998. High-Temperature Catalyst through Sol-

Gel Synthesis. Journal of Non-Crystalline Solids. Vol. 225, Pp.146 – 152.

Li, Z. 2005. Novel Solid Basa Catalyst for Michael Additions: Synthesis,

Characterization and Application. Dissertation. Mathematisch-

Narurwissenschaftlichen Fakultat I. Humboldt-Universitat. Berlin. Pp. 2

– 4.

Luypaert, J., Zhang, M., Massart, D. L. 2003. Feasibility Study for the Use of

Near Infra-red Spectroscopy in the Qualitative and Quantitative Analysis

Green Tea. Camellia Sinensis, Analytica Chemica Acta. Vol. 478, Pp. 310-

312.

Mansouri, M., Pouretedal, H.R., dan Vosough, V. 2011. Preparation and

Characterization of Ibuprofen Nanoparticles by Using Solvent/Antisolvent

Precipitation. The Open Conference Proceeding Journal. Vol. 2, Pp. 88-

94.

Maharani, Fatma. 2016. Sintesis dan Karakterisasi Nanokatalis Ni0,5Cu0,5Fe2O4

serta Uji Aktivitas Fotodegradasi Metanil Yellow. Skripsi. Universitas.

Lampung. Hal. 44

Mayer, J., Penkalla, H.-J., Dimyati, A., Dani, M., Untoro, P., Naumenko D.,

and Quadakkers, W.J. 2002. Time dependence of Mg-incorporation in

alumina scales on FeCrAl alloys studied by FIB-prepared TEM cross

sections, The Fifth International Conference on the Microscopy of

Oxidation. Pp. 167-173.

Nussinovitch. 1997. Hydrocolloid Aplications Gum Technology in The Food and

Other Industries. Blackie Academic and Professional. London. Pp. 46-

51.

Parry, E. P. 1963. An Infrared Study of Pyridine Adsorbed on Acidic Solid,

Characterization of Surface Acidity. Journal of Catalysis. Vol. 2, Pp. 371-

379.

Paveena, L., A. Vittaya, S. Supapan and M. Santi. 2010. Characterization and

Magnetic Propetis of Nanocrystalline CuFe2O4, NiFe2O4, ZnFe2O4

Powders Prepared by Aloe Vera Extract Solution. Current Applied

Physics. Vol. 11, Pp 101-108.

51

Pinna, F. 1998. Supported Metal Catalyst Preparation. Catalysis Today. Vol. 41,

Pp. 129-137.

Rawle, A. 2010. Basic Principles of Particle Size Analysis – Technical Paper of

Malvern Instuments. Worcesstershire. United Kingdom. Pp. 1012 – 1017.

Rodiansono, W., Trisunaryanti, dan Triyono. 2007. Pembuatan,

Karakterisasi, dan Uji Aktivitas Katalis NiMo/Z dan NiMo/Z-Nb2O5

pada Reaksi Hidrorengkah Fraksi Sampah Plastik Menjadi Fraksi

Bensin. Berkala MIPA. Vol. 17, Pp. 44-54.

Santosa, J., dan Yudiartono. 2006. Analisis Prakiraan Kebutuhan Energi

Nasional Jangka Panjang Di Indonesia. Strategi Penyediaan Listrik

Nasional Dalam Rangka Mengantisipasi Pemanfaatan PLTU

Batubara Skala Kecil, PLTN, Dan Energi Terbarukan. Pp. 1 – 12.

Savchuk, S. A. and V. N. Vlasov.2001. Application of Chromatography and

Spectrometry to the Authentication of Alcoholic Beverages. Journal of

Analytical Chemistryl. Vol. 56, Pp. 246–264.

Shengqiang Z., K. Potzger, Q. Xu, K. Kuepper, G. Talut, D. Mark, A. M. ucklich,

M. Helm, J. Fassbender, E. Arenholz, and H. Schmidt. 2009. Spinel ferrite

nanocrystals embedded inside ZnO: magnetic, electronic and magneto-

transport properties. Journal of Physics. Vol. 40, Pp. 964.

Situmeang, R dan N. Fansisca. 2011. Study of Co3O4/NiFe2O4 Catalyst for

Glucose Conversion in the Low Temperature. Jurnal Kimia FMIPA

Universitas Lampung. Hal. 4-5.

Soppimath, K.S., Aminabhavi, T.M., Kulkarni, A.R., dan. Rudzinski, W.E.

2000. Biodegradable polymeric nanoparticles as drug delivery devices.

Journal of Controlled Release. Vol. 20, Pp. 1-20.

Sugimoto, M. 1999. The Past, Present, and Future of Ferrites. Journal of The

American Ceramic Society. Vol. 82, Pp. 80 - 269.

Tanabe, K., 1981. Solid Acid and Base Catalyst in Catalysis Science and

Technology. Springer Link. Berlin. Vol. 2, Pp. 231– 273.

Teja, A.S. &Koh, P. 2009. Synthesis, properties , and application of magnetic

iron oxide nanoparticles. Progress in crystal growth and characterization

of materials. Pp. 22 - 55.

Widegren, J. A.; Finke, R. G., and J. Mol. 2003. Preparation of a Multifunctional

Core-shell Nanocatalyst and its Characterization by HRTEM. Journal of

Cataysisl A: Chemical. Pp. 187-191.

52

Williams, R. H., E. D. Larson, H. Jin. 2006. F-T Liquids Production from Coal

and Coal + Biomass with CO2 Capture and Alternative Storage Options:

Aquifer CO2 Storage vs CO2-Enhanced Oil Recovery. Princeton

Environmental Institute. Princeton University. Princeton. Pp. 1 – 24.

pembuatan dan karakterisasi nanokatalis ni …digilib.unila.ac.id/24715/3/skripsi tanpa bab...

Documents