## SPEKTRA INFRAMERAH SPESI TERADSORPSI PADA KATALIS Pt/Aerosil

## Chairil Anwar

## Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Minyak dan Gas Bumi “LEMIGAS”

## ABSTRAK
Adsorpsi karbon monoksida, pirolidina dan butilamina pada Pt/Aerosil dan Aerosil dipelajari dengan menggunakan spektroskopi inframerah. Permukaan Pt/Aerosil dan Aerosil pada ruang hampa (10 -6 mbar) selalu menyerap sinar pada daerah 3730 cm -1 yang ditunjukkan oleh munculnya pita tajam pada spektra. Pita serapan ini merupakan serapan dari vibrasi gugus OH yang dikenal sebagai silanol bebas  (tidak  membentuk  ikatan  hidrogen).  Pita  serapan  ini  akan  hilang  jika  permukaannya ditambahkan amina yang berarti bahwa molekul amina terikat pada gugus OH melalui ikatan hidrogen. Penambahan karbon monoksida tidak mempengaruhi pita serapan ini. Karbon monoksida menimbulkan pita-pita serapan pada daerah antara 2100 cm -1 dan 1800 cm -1 , hal tersebut menunjukkan bahwa amina dan karbon monoksida teradsorpsi pada sisi yang berbeda, molekul amina terikat pada gugus hidroksil sedangkan karbon monoksida terikat pada platinum.
Kata kunci: Infra merah, Adsorpsi, Katalis

## ABSTRACT
The adsorption of carbon monoxida, pyrrolidine and butylamine on Pt/Aerosil and Aerosil were examined by using infrared spectroscopy. The surface of Pt/Aerosil and Aerosil in vacuum (10 -6 mbar) give a strong band at a 3730 cm -1 . This band was due to the absorption of the light by the OH group vibration  known  as  terminal  silanol  (not  forming  hydrogen  bonding).  This  absorption  band  would disappear whenever amine was added to the surface, it means that the amine molecule were bound to the  OH  group.  This  absorption  band  was  not  influenced  by  addition  of  carbon  monoxide.  Carbon monoxide produced absorption bands is areas between 2100 cm -1 and 1800 cm -1 . This showed that amine and carbon monoxide were adsorbed at different sites. Amine molecules were bound to the hydroxyl groups while carbon monoxide to Pt.

## Keywords: Infrared, Adsorption, Catalyst

## PENDAHULUAN
Adsorpsi merupakan langkah yang harus dilalui agar suatu reaksi yang menggunakan jasa katalis heterogen dapat berlangsung. Orientasi molekul teradsorpsi  pada  permukaan  akan  menentukan jenis  produk  yang  dihasilkan.  Platinum-aerosil (SiO 2 )  mempunyai  banyak  pusat  aktif  yang mungkin  membentuk  ikatan  dengan  adsorbat. Dengan  adanya  kontak  antara  platinum  dengan aerosil  maka  kepadatan  elektron  pada  platinum akan  berubah  dan  hal  ini  menyebabkan  pula perubahan  sifat  adsorpsi  terhadap  adsorbat tertentu.  Pergeseran  elektron  dalam  bentuk penurunan tingkat tenaga fermi (pada platinum) dan  peningkatan  tingkat  tenaga  fermi  (pada aerosil)  mengakibatkan  perubahan  sifat-sifat adsorpsinya  (Anderson,  1987).  Kaidah  kontak antara  konduktor  dan  semikonduktor  biasa
digunakan  untuk  menerangkan  perpindahan elektron dari satu materi ke materi yang lain.
Pada katalis heterogen penggunaan spektrometer inframerah  sangat  bervariasi.  Mekanisme  suatu reaksi  dapat  diikuti  dengan  menggunakan  alat ini,  demikian  juga  dengan  pergeseran  elektron dalam kontak antar padatan. Dalam penelitian ini spektroskopi  inframerah  digunakan  untuk mengetahui  posisi  dan  kondisi  adsorbat  pada permukaan  adsorben.  Amina  dan  karbon monoksida  digunakan  sebagai  adsorbat  karena keduanya  merupakan  inhibitor  yang  sangat potensial menurunkan aktivitas katalis, di dalam reaksi  katalitik  pengolahan  minyak  mentah.  Di samping itu sifat adsorpsi karbonmonoksida juga mendasari  temuan-temuan  baru  dalam  efisiensi konversi dari katalitik konverter untuk mengatasi  gas  buang  yang  dihasilkan  dari
pembakaran  bahan  bakar  kendaraan  bermotor (Miller, 2000).
Beberapa  penelitian  telah  dilakukan  untuk mengetahui  struktur  amina  teradsorpsi  pada permukaan  padatan.  Lucchesshi  dkk  (1962) mempelajari adsorpsi ammonia pada permukaan gelas berpori. Dari penelitian tersebut diperoleh data  mengenai  spektra,  yang  menerangkan bahwa  pita  serapan  pada  2960  cm -1 adalah vibrasi  OH  pada  kompleks  Si-OH...NH3.  Cant dkk  (1965),  me-nyimpulkan  bahwa  pita  pada 3000 cm -1 adalah pita serapan yang ditimbulkan oleh  vibrasi  ikatan  yang  sama  dengan  yang dikemukakan  Lucchesshi.  Kedua  peneliti  juga mendapatkan dua pita serapan tajam pada 3400 cm -1 dan 3320 cm -1 yang sesuai dengan vibrasi yang sesuai dengan vibrasi stretching ikatan NH dari  ammonia  yang  terikat  secara  fisika  oleh gugus hidroksil. Griffiths dkk. (1967) menginterprestasikan  bahwa  pita-pita  serapan pada 3345 cm -1 dan 3280 cm -1 merupakan vibrasi ikatan  N-H  yang  terikat  secara  kimia  oleh platinum. Adsorpsi butilamina pada permukaan montmorillonite juga telah dipelajari, diperoleh data  bahwa  pita  serapan  pindah  dari  1595  cm -1 ke  daerah  antara  1520  dan  1500  cm -1 yang berturut-turut  merupakan  serapan  dari  vibrasi deformasi gugus -NH 2 dan -NH3+.
Karbon monoksida teradsorpsi pada permukaan logam dan logam oksida, logam dengan padatan pendukung  silika  atau  alummina  merupakan subyek penelitian dan Eischens dkk. (1954) dan Eischens dkk. (1958). Untuk
menginterpretasikan data, maka spektra senyawa-senyawa  logam  karbonil  digunakan sebagai  pembanding  untuk  pita-pita  serapan yang dihasilkan.
Dua  macam  karbonil  monoksida  berada  dalam kompleks adsorbat-adsorben. Tipe yang pertama terikat melalui atom karbon dengan atom logam tunggal  sehingga  membentuk  struktur  linier. Tipe  yang  kedua  atom  karbon  terikat  sebagai
jembatan antara dua atom logam. Struktur linier menyerap  sinar  pada  daerah  antara  2100  cm -1 dan  2000  cm -1 ,  sedangkan  tipe  yang  kedua menyerap  sinar  di  bawah  1900  cm -1 .  Eischens dkk  menyimpulan  bahwa  adsorpsi  karbon monoksida  pada  platinum  termasuk  tipe  yang pertama.

## METODE PENELITIAN
Spektrometer inframerah yang digunakan dalam penelitian  ini  adalah  Perkin  Elmer  model  180. Skema  diagram  peralatan  ditunjukkan  pada Gambar  1.  Enam  puluh  mg  katalis  dibuat  pelet dan ditempatkan pada sel yang dapat dihampakan dan dipanaskan sampai 500°C.
Sebelum  adsorpsi  dilakukan,  katalis  terlebih dahulu  dioksidasi  pada  350°C  di  bawah  aliran oksigen selama 2 jam, kemudian direduksi pada 400°C dengan aliran hiterogen selama 1 jam, dan terakhir  divakumkan.  Setelah  didinginkan sampai mencapai suhu kamar, adsorbat dimasukkan  ke  dalam  sel  sampai  30  mbar, keadaan  adsorbat  berada  sebagai  fasa  gas. Spektra  diambil  pada  keadaan  ini  dan  juga selama  desorpsi.  Desorpsi  dilakukan  pada berbagai  temperatur  dengan  jalan  pemompaan (pengurangan  tekanan)  atau  dengan  aliran  gas hidrogen.  Kedua  cara  tersebut  dilakukan  pada rentang temperatur kamar sampai dengan 400°C. Regenerasi  katalis  dilakukan  dengan  cara oksidasi pada 350°C selama 2 jam, divakumkan dan direduksi dengan gas hidrogen pada 400°C selama 1 jam.
Gas  karbonmonoksida  (99,997%),  hidrogen (99,999%),  helium  (99,996%)  dan  oksisen (99,995%)  dari  Messer-Giesheim.  Pirrolina (89,0%) dan butilamina (99%) dan Fluka.

## Gambar 1.  Skema  Diagram  Alat  Spektroskopi Inframerah

## HASIL DAN PEMBAHASAN Amina (Pirolidina dan Butilamina)
Katalis  mempunyai  serapan  inframerah  tajam pada  daerah  bilangan  gelombang  3730  cm -1 .
Spektra  ini  merupakan  karakteristik  dari  gugus silanol yang tidak membentuk ikatan hidrogen.
Gambar  2.  Spektra  Inframerah  Dari  Pt/Aerosil A:  pada  400°C;  B:  pada  temperatur kamar
Perubahan intensitas serapan pada daerah antara 3700  dan  3300  cm -1 akan  terjadi  bila  katalis dipanaskan  sampai  dengan  temperatur  400°C, perubahan  intensitas  ini  disebabkan  oleh terlepasnya molekul air dari padatan pendukung.
Gambar  3.  Spektra  Inframerah  Dari  Aerosil  A: pada  400°C;  B:  pada  temperatur kamar
Pada Gambar 2 dan Gambar 3 disajikan spektra inframerah  dari  katalis  Pt/Aerosil  dan  spektra inframerah Aerosil. Pada penelitian ini sifat-sifat permukaan katalis dan pusat aktif permukaan di mana  adsorbat  teradsorpsi  dapat  ditunjukkan. Interaksi  yang  terjadi  antara  molekul  amina dengan  aerosil  atau  dengan  platinum-aerosil akan  sangat  ditentukan  oleh  keberadaan  dan jenis  gugus  hidroksil  pada  permukaan  katalis. Gugus  hidroksil  merupakan  tempat  terikatnya molekul amina pada permukaan katalis.
Gambar  4.  Spektra  Inframerah  Aerosil  A:
Permukaan  vakum;  B.  30  mBar amina.
Pada Gambar 4 dapat dilihat bahwa pita serapan pada  daerah  3730  cm -1 sepenuhnya  hilang dengan  penambahan  amina.  Dengan  cara pemvakuman dan menaikkan temperatur pita ini secara  lambat  akan  berangsur-angsur  muncul kembali.
Sifat  sorpsi  atau  untuk  mengetahui  apakah molekul amina teradsorpsi secara dissosiatif atau tidak,  maka  kecepatan desorpsi yang dilakukan secara  pemvakuman  dibandingkan  dengan kecepatan desorpsi menggunakan aliran hidrogen. Bila adsorpsi terjadi secara dissosiatif maka  hidrogen  diperlukan  di  dalam  proses desorpsi.  Jadi  desorpsi  oleh  aliran  hidrogen harus  lebih  cepat  apabila  dibandingkan  dengan desorpsi secara pemvakuman.
Pengamatan  selama  percobaan  yang  dilakukan pada penelitian ini ternyata bahwa desorpsi oleh
aliran hidrogen lebih tidak efisien dibandingkan dengan  desorpsi  secara  pemvakuman.  Spektra inframerah dari proses desorpsi butilamina pada silika untuk berbagai temperatur permukaan dan berbagai  temperatur  di  bawah  aliran  hidrogen disajikan pada Gambar 5 dan Gambar 6. Spektra A merupakan fasa gas sedangkan spektra B, C, D,  E  berturut-turut  temperatur  desorpsi  secara pemvakuman  dan  desorpsi  di  bawah  aliran hidrogen  pada  50°C,  60°C,  70°C,  80°C  dan  F setelah  regenerasi.  Dengan  demikian  hidrogen tidak  diperlukan  pada  proses  desorpsi  atau adsorpsi molekul amina adalah tidak dissosiatif.
Gambar  5.  Spektra  Inframerah  Desorpsi Butilamina Secara Pemvakuman
Gambar  6.  Spektra  Inframerah  Desorpsi
Butilamina Di Bawah Aliran

## Hidrogen

## Karbon Monoksida
Selain  pada  daerah  antara  2100  dan  2000  cm -1 dalam  penelitian  ini  pita  serapan  juga  terjadi pada  daerah  di  bawah  1900  cm -1 yang merupakan karakter serapan oleh karbonil yang terikat sebagai jembatan. Pada sistem platinum- silika ini, karbonil dapat terikat dalam dua tipe. Hal  ini  antara  lain  disebabkan  oleh  perubahan
valensi  atom  logam  oleh  pengaruh  padatan pendukung  yang  dalam  hal  ini  adalah  silika. Ikatan  logam-karbon  terbentuk  oleh  kontribusi elektron dari adsorben dan adsorbat.
Pita serapan frekuensi tinggi merupakan vibrasi stretching  karbon-oksigen  struktur  II.  Pada ikatan Pt-C struktur II ini kedua elektron ikatan berasal  dari  karbon  monoksida.  Pada  struktur  I partisipasi  elektron  dari  subkulit  d  atom  logam diperlukan,  sebagai  hasilnya  ikatan  karbon dengan  logam  menjadi  lebih  kuat  sedangkan ikatan  antara  karbon  dengan  oksigen  menjadi lebih  lemah  dan  memberikan  serapan  dengan frekuensi lebih rendah.
Dengan  demikian  padatan  pendukung  menjadi pendorong penggunaan elelktron pada subkulit d pada  metal  untuk  berikatan  dengan  molekul karbon  monoksida.  Kesimpulan  ini  didukung oleh  hasil  dari  Blyholder  (1964)  dengan mempelajari  pengaruh  penambahan  hidrogen pada serapan karbon monoksida yang teradsorpsi  pada  platinum.  Dari  penelitian tersebut  disimpulkan  bahwa  hidrogen  berlaku sebagai  donor  elektron  pada  logam.  Sebagai hasilnya  memperbesar  penggunaan  elektron pada  subkulit  d  dan  menurunkan  frekuensi serapan karbon monoksida.
Gambar 7.  Spektra Inframerah Karbon monoksida Teradsorpsi A. Platinum, B. Platinum SiO 2

## KESIMPULAN
Pada katalis Pt/SiO 2 , molekul amina terikat pada gugus  silanol  bebas,  tidak  dissosiatif  dan sebagian besar terikat pada silika. Kontak antara platinum  dengan  silika  mengakibatkan  sifat
adsorpsi platinum terhadap CO berubah. Pt-CO linier pada Platinum, sedangkan Pt-CO linier dan Pt-CO-Pt  (jembatan)  terjadi  pada  sistem  silika- platinum-karbonmonoksida.

## DAFTAR PUSTAKA
Anderson,  J.B.F.,  Burch,  R.,  and  Cairns,  J.A.,
1987, Journal of Catalysis , 107, 351-363.
Blyholder, G., 1964 , J. Phys. Chem ., 68, 2772.
Cant, N.W. and Little, L.H., 1965, Can. J. Chem . 43,1252.
Eischens, R.P., Francis, S.A., and Pliskin, W.A.,
1956, J.Phys, Chem ., 60, 1854.
Eischens,  R.P.,  and  Pliskin,  W.A.,  1958,
Advanced in Catalysis , Vol.X,p.1,
Academic Press Inc., New York.
Pliskin, W.A., and Francis, S.A., 1954, J. Chem.
Phys ., 22, 1786.
Griffiths,  D.W.L.,  Hallam,  H.E.  and  Thomas, W.J., 1967, Trans. Faraday Soc ., 64. 3361.
Luccheshi,  P.J.,  Carter,  J.L.  and  Yates,  D.J.C., 1962, J. Phys. Chem ., 66, 1451.
Miller.,  2000, Method  and  apparatus  for reducing polutants, US Patent 6,012, 283.