How Green Can You Go ?

Cecair ionik dan partikel nano, persahabatan dalam proses katalisis

Posted in teknologi hijau by mAthA inggin bixara on Desember 22, 2010

Jaman sekarang, istilah “nanotechnology” dan “nanomaterials” mudah sekali ditemukan pada berbagai bahan bacaan sehari-hari. Istilah yang dahulu hanya digeluti kalangan ilmuwan kini telah jadi milik kaum awam. Kita bahkan mungkin tanpa sadar sudah menyentuh atau mengunakannya. Misalnya, perusahaan Intel memanfaatkan pengetahuan teknologi nano untuk menciptakan prosesor komputer yang sangat cepat kinerjanya [1]. Demikian juga beberapa merek kosmetik mahal telah menggunakan partikel nano (partikel dengan dimensi ukuran 10-6 atau 0.0000001 meter) zeng oksida (ZnO) dalam campuran krim pelindung dari terpaan sinar matahari (sunscreens) [2].

Katalis nano

Gerakan kimia hijau sangat menganjurkan penggunaan katalis dalam proses sintesa kimia. Penggunaan partikel nano dalam proses kimia khususnya bidang katalisis heterogen juga perlahan mengalami kemajuan [3]. Tingkah laku sistem katalis skala nano, misalnya timbulnya efek kuantum yang dipengaruhi oleh luas permukaan maupun volume dari partikel tersebut jelas menunjukkan perbedaan nyata dibanding fenomena yang menyertai katalis makroskopik (bulk) [3]. Material nano diketahui memiliki karakteristik elektronik yang jauh berbeda ketimbang material makroskopik. Sifat-sifat elektronik sekaligus meningkatnya total luas permukaan per unit berat katalis membawa akibat meningkatnya reaktifitas katalis dan peluang kontak dengan molekul target. Contoh paling mudah dari pengaruh ukuran nano terhadap kereaktifan material adalah dalam kasus logam emas. Emas bongkahan dikatakan sebagai logam mulia yang tidak bereaksi dengan senyawa lain kecuali asam aqua regia. Namun, ketika ukuran emas mengecil hingga skala nano, dia bisa berfungsi sebagai katalis yang sangat aktif [3,4].

Aneka warna yang berasal dari variasi ukuran partikel nano emas terdispersi dalam cecair ionik (lit. 5).

Katalis nano sering kali tidak bisa digunakan begitu saja sebagaimana layaknya katalis padat konvensional berbentuk pelet yang ditempatkan pada kolom reaktor (bed reactor system). Kendala utama yang bakal dihadapi adalah proses aglomerasi yang mengakibatkan berkurangnya luas permukaan kontak sekaligus hilangnya reaktifitas katalisis. Disamping itu, besar kemungkinan bakal terjadi perlambatan aliran fluida reaktan karena saking kecilnya ukuran katalis meningkatkan kerapatan (packing). Pada akhirnya, katalis nano akan berfungsi dengan baik apabila diemban (immobilized) oleh semacam material lain yang berperan sebagai pendispersi, entah pendispersi berbentuk cair atau padat.

Salah satu material pengemban (support) yang coba dikembangkan adalah cecair ionik. Apakah yang terjadi jika partikel nano dikombinasikan dengan cecair ionik? Apakah cecair ionik itu? Bagaimana sebuah persahabatan antara katalis nano dengan cecair ionik terjadi.

Cecair ionik (Ionic Liquids)

Cecair ionik atau istilah bahasa Inggrisnya ionic liquids (ILs) bukanlah cairan biasa. Dia merupakan cairan/lelehan garam yang keseluruhannya melulu terdiri dari komponen kation dan anion namun memiliki titik lebur/leleh pada kisaran suhu kamar. Sebagai perbandingan, tengoklah garam dapur NaCl. Dia merupakan padatan garam yang meleleh setelah dipanaskan pada suhu lebih dari 800 derajat Celcius. Cecair ionik sama sekali berbeda dengan cairan pekat garam dapur yang merupakan larutan NaCl berlebih dalam air, karena ketika dipanaskan, cecair ionik tetap memperlihatkan karakternya sebagai lelehan garam, sedangkan larutan pekat NaCl akan kehilangan fraksi airnya dan meninggalkan padatan kristal NaCl. Cecair ionik yang merupakan lelehan garam memiliki sifat serupa seperti lelehan garam biasa yaitu tidak menguap pada batas temperatur dekomposisinya dan hanya memiliki tekanan uap sedemikian kecil. Untuk mendapatkan gambaran lebih jelas tentang cecair ionik, silahkan membaca pada halaman tautan berikut ini.

Kolaborasi cecair ionik dan katalis nano

Korelasi ukuran partikel nano perak dengan volume molekul cecair ionik (lit. 6).

Aspek menguntungkan dari pertemanan cecair ionik dan katalis nano salah satunya adalah dalam proses sintesis material nano itu sendiri. Pertama, sintesa katalis nano dalam pelarut cecair ionik tidak membutuhkan zat tambahan penyetabil [5]. Kedua, cecair ionik berperan dalam mengendalikan ukuran partikel [6]. Ketiga, dalam beberapa kasus, cecair ionik sekaligus berperan sebagai penjerap reaktan gas, misalnya karbon dioksida [7] atau gas asetilen [8] mudah terlarut dalam cecair ionik sehingga membantu meningkatkan waktu tinggal dalam pelarut dan waktu kontak dengan katalis.

Dalam penerapan katalisis, beberapa publikasi ilmiah melaporkan kolaborasi cantik katalis berukuran nano dengan cecair ionik, misalnya dalam reaksi hidrogenasi selektif asetilen dari etilen menggunakan katalis nano paladium diemban cecair ionik [9]. Asetilen merupakan gas pengotor yang harus dibuang atau dikonversi menjadi etilen dalam proses polimerisasi.

Sintesa katalis paladium nano dalam pelarut cecair ionik menggunakan teknik reduksi menghasilkan ukuran partikel 5 hingga 10 nm. Kemudian, katalis nano yang sudah diemban oleh cecair ionik tersebut langsung digunakan dalam proses hidrogenasi selektif gas asetilen menjadi etilen dalam sebuah proses kontinyu. Keunggulan dari sistem ini adalah tingginya selektifitas reaksi hidrogenasi. Reaksi samping yang merugikan yaitu reaksi hidrogenasi lanjutan dari etilen menjadi ethane bisa dikatakan tidak teramati. Lagi pula, cecair ionik berperan dalam mendispersi katalis nano dan mencegah terjadinya aglomerasi partikel.

 

Ilustrasi katalis nano ruthenium dalam cecair ionik (lit. 10).

Publikasi yang lain menyebutkan bahwa ruthenium nano katalis yang disintesis dalam pelarut cecair ionik juga digunakan dalam reaksi hidrogenasi olefin (alkene) [10]. Dalam publikasi tersebut, diungkapkan beberapa hal yang menarik yaitu aktifitas katalis nano meningkat seiring peningkatan ukuran partikel, namun, selektifitas berbanding terbalik dengan ukuran partikel.

Skema sintesis sistem katalis yang diemban partikel besi oksida nano (lit. 11).

Foto partikel nano yang diperoleh dari transmission electron microscopy (TEM) dan metode pemisahan katalis dari campuran reaksi menggunakan medan magnet (lit. 11).

Contoh penerapan lain dari kombinasi partikel nano dan cecair ionik bisa ditemukan pada reaksi kopling CO2 dengan epoksida [11]. Pada kasus ini, partikel nano besi oksida yang bersifat ferromagnetik digunakan sebagai pengemban gugus aktif katalis. Jadi, dalam hal ini partikel nano tidak berperan dalam proses katalisis melainkan gugus aktif tertentu yang telah diikat oleh partikel nano. Dalam hal ini, cecair ionik berguna sebagai pengemban sekaligus pendispersi sistem katalis tersebut. Karena reaksi tersebut memberikan selektifitas dan produktifitas yang sangat tinggi, pemisahan katalis dari campuran produk cukup dilakukan dengan menggunakan medan magnet yang bakal menarik partikel besi oksida nano. Woooww!!

Dari pemaparan ringkas contoh-contoh di atas cukup bisa disimak bahwa partikel nano dan cecair ionik merupakan sebuah kombinasi yang apik untuk sebuah aplikasi katalisis.

Salam hijau!

Daftar pustaka

[1] http://www.azonano.com/news.asp?newsID=8839

[2] http://www.nanotech-now.com/current-uses.htm

[3] Y. Li and G. A. Somorjai, Nanoscale advances in catalysis and energy applications, Nano Letters 10 (2010) 2289–2295.

[4] Y. Jin, P. Wang, D. Yin, J. Liu, H. Qiu, and N. Yu, Gold nanoparticles stabilized in a novel periodic mesoporous organosilica of SBA-15 for styrene epoxidation, Microporous and Mesoporous Materials 111 (2008) 569-576.

[5] E. Redel, M. Walter, R. Thomann, L. Hussein, M. Krüger, and C. Janiak, Stop-and-go, stepwise and “ligand-free” nucleation, nanocrystal growth and formation of Au-NPs in ionic liquids (ILs), Chemical Communications 46 (2010) 1159-1161.

[6] E. Redel, R. Thomann, and C. Janiak, First Correlation of Nanoparticle size-dependent formation with the ionic liquid anion molecular volume, Inorganic Chemistry 47 (2008) 14–16.

[7] C. Cadena, J. L. Anthony, J. K. Shah, T. I. Morrow, J. F. Brennecke, and E. J. Maginn, Why is CO2 so soluble in imidazolium-based ionic liquids? Journal of American Chemical Society 126 (2004) 5300–5308.

[8] J. Palgunadi, H. S. Kim, J. M. Lee, and S. Jung, Ionic liquids for acetylene and ethylene separation: Material selection and solubility investigation, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification 49 (2010) 192-198.

[9] M. Ruta, G. Laurenczy, P. J. Dyson, and L. Kiwi-Minsker, Pd nanoparticles in a supported ionic liquid phase: Highly stable catalysts for selective acetylene hydrogenation under continuous-flow conditions, Journal of Physical Chemistry C 112 (2008) 17814–17819.

[10] P. S. Campbell, C. C. Santini, F. Bayard, Y. Chauvin, V. Collière, A. Podgoršek, M. F. Costa Gomes, and Jacinto Sá, Olefin hydrogenation by ruthenium nanoparticles in ionic liquid media: Does size matter?, Journal of Catalysis 275 (2010) 99-107.

[11] X. Zheng, S. Luo, L. Zhang, and J.-P. Cheng, Magnetic nanoparticle supported ionic liquid catalysts for CO2 cycloaddition reactions, Green Chemistry 11 (2009) 455-458.

 

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

%d blogger menyukai ini: