Ringkasan katalis dan katalisis

 katalis. Dalam kazanah kimia hijau, pengetahuan tentang katalis (12 prinsip kimia hijau) menjadi semakin penting demi meningkatkan efisiensi reaksi kimia dalam teknologi proses kimia.

Uraian berikut ini merupakan intisari dari segala seluk beluk tentang katalis.

Apa itu KATALIS?

Menurut definisi, katalis adalah suatu senyawa kimia yang dapat mengarahkan sekaligus meningkatkan kinetika suatu reaksi (jika reaksi tersebut secara termodinamika memungkinkan terjadi). Namun senyawa tersebut (katalis) tidak mengalami perubahan kimiawi diakhir reaksi, dan tidak mengubah kedudukan kesetimbangan kimia dari reaksi.

Mengapa katalis sangat penting dalam proses kimia?

Pentingnya katalis ditunjukkan oleh kenyataan bahwa lebih dari 75% proses produksi bahan kimia di Industri disintesis dengan bantuan katalis. Contoh proses kimia yang sangat penting misalnya sintesis metanol dari syngas (CO dan H₂) dikatalisis oleh ZnO/Cr₂O₃, dan reaksi water gas shift (WGS), CO + 2H₂O == CO₂ + H₂ dikatalisis oleh besi oksida atau oksida campuran Zn, Cu maupun Cr.

Teknologi katalis telah digunakan dalam industri kimia lebih dari 100 tahun lamanya dan penelitian serta pengembangan teknologi katalis telah menjadi semacam bidang kekhususan kimia.

Jadi, apa yang dikerjakan oleh katalis dalam sebuah reaksi?

Dalam kazanah energi reaksi, katalis menurunkan rintangan energi atau menurunkan besaran energi aktifasi sebuah reaksi melalui aneka mekanisme fisikawi maupun kimiawi.

Komponen inti katalis menurut derajat kepentingannya:

1. Selektifitas

Adalah kemampuan katalis untuk memberikan produk reaksi yang diinginkan (dalam jumlah tinggi) dari sekian banyak produk yang mungkin dihasilkan. Produk yang diinginkan tadi sering disebut sebagai yield sedangkan banyaknya bahan baku yang berhasil diubah menjadi aneka produk dikatakan sebagaikonversi.

Yield = %selektifitas x konversi

2. Stabilitas

Kemampuan sebuah katalis untuk menjaga aktifitas, produktifitas dan selektifitasnya dalam jangka waktu tertentu

3. Aktifitas

Kemampuan katalis untuk mengubah bahan baku menjadi produk atau aneka produk yang diinginkan (lebih dari satu).

Aktifitas = massa (kg) bahan baku yang terkonversi/(kg atau liter katalis x waktu)

atau
Konversi, yaitu persentase dari bahan baku mejadi aneka produk.

atau
TON (turnover Number), yaitu banyaknya molekul yang bereaksi/(waktu, misalnya detik x setiap situs aktif)

Apakah tiga metode untuk mengukur aktifitas katalis?

1. Aktifitas dapat dinyatakan dalam konsep kinetika. Aktifitas dapat dinyatakan dari pengukuran kecepatan reaksi dalam jangkauan tertentu suhu dan konsentrasi. Kecepatan reaksi, r, dihitung sebagai kecepatan perubahan sejumlah zat, nA dari reaktan A persatuan waktu dan per satuan volume (atau per satuan massa) katalis, sehingga r ini memiliki unit mol L^-1 h^-1 atau mol kg^-1h^-1.

2. Aktifitas dapat pula dinyatakan oleh turnover number (TON) yang didefinisikan sebagai banyaknya molekul reaktan yang terlibat dalam reaksi tiap situs aktif dan tiap detik.

3. Dalam prakteknya, sebagai perbandingan aktifitas, ukuran-ukuran berikut ini dapat pula digunakan:

a. Konversi dalam kondisi reaksi tetap
b. Space velocity untuk konversi tetap yang tertentu
c. Space-time yield
d. Suhu yang dibutuhkan untuk suatu konversi tertentu

Pengelompokan katalis

Perlu diingat bahwa yang dimaksud katalis homogen artinya adalah katalis yang memiliki atau bisa membentuk satu fasa dengan reaktan dan pelarutnya (misal fasa cair-cair pada sistem katalis asam untuk reaksi esterifikasi).  Sedangkan katalis heterogen tidak memiliki fasa yang sama dengan reaktan maupun pelarut (misalnya fasa padat-cair pada sistem katalis zeolit untuk perengkahan hidrokarbon).

Tipe katalis
Katalis homogen	Katalis homo-heterogen	Katalis heterogen
Katalis asam/basa	Biokatalis (enzim)	Bulk katalis (alloy logam)
Kompleks logam transisi	Fungsional nanopartikel	Katalis yang diemban

Perbandingan elemen katalis homogen dan heterogen

Elemen Katalis	Homogen	Heterogen
Efektifitas
Pusat aktif	Semua atom yang memiliki reaktifitas	Hanya atom-atom pada permukaan partikel
Konsentrasi yang dibutuhkan	Rendah	Tinggi
Selektifitas	Tinggi	Lebih rendah
Masalah difusi	Secara praktis tak ada (kinetika mengendalikan jalannya reaksi)	Ada (perpindahan massa mempengaruhi jalannya reaksi)
Kondisi reaksi	Lembut (50 – 200oC)	Parah (sering > 250oC)
Penggunaan	Tertentu/spesifik	Luas
Potensi kehilangan aktifitas	Bereaksi kembali dengan produk (pembentukan klaster) dan keracunan	Kristal logam mengalami sintering, keracunan, coking, fouling, migrasi uap metal pada suhu tinggi
Sifat katalis
Struktur/stoikiometri	Mudah ditentukan	Sulit ditentukan
Kemungkinan modifikasi	Tinggi	Rendah
Daya tahan suhu	Rendah	Tinggi
Tehnik pemisahan katalis	Seringkali rumit (distilasi, ekstraksi, dekomposisi kimiawi)	Suspensi, filtrasi (sistem slurry) Tidak perlu pemisahan (sistem fixed-bed)
Kemungkinan daur ulang katalis	Bisa dilakukan	Tidak perlu (fixed-bed) Mudah (suspensi atau slurry)
Potensi kehilangan katalis	Tinggi	Rendah

Contoh katalis homogen.  Kompleks phosphine-logam transisi (Zn) sebagai katalis reaksi kopling CO₂ dan epoksida serta mekanisme reaksinya.

Contoh katalis heterogen. Alloy nanokristal Cu-Zn-Al dengan aditif logam transisi untuk katalis sintesis dimetil ether dari syngas.

Pustaka

[1] Hoon Sik Kim, Jin Yong Bae, Je Seung Lee, O-Sung Kwon, Palgunadi Jelliarko, Sang Deuk Lee, Sang-Hoon Lee, Phosphine-bound zinc halide complexes for the coupling reaction of ethylene oxide and carbon dioxide,Journal of Catalysis 232 (2005) 80-84.

[2] Akula Venugopal, Jelliarko Palgunadi, Jung Kwang Deog, Oh-Shim Joo, Chae-Ho Shin, Dimethyl ether synthesis on the admixed catalysts of Cu-Zn-Al-M (M = Ga, La, Y, Zr) and γ-Al₂O₃: The role of modifier, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical 302 (2009) 20-27.

Jelliarko Palgunadi
Penggiat kimia hijau dan cecair ionik