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 sebagai konversi.
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-1 h-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 – 200 oC) | Parah (sering > 250 oC) |
| 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.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar