A. Suseno, Triyono, B. Setiadji : Pembuatan Katalis Pd

## PEMBUATAN KATALIS Pd-Ce ly -AIjOj DAN UJI AKTIVITAS

## TERHADAP OKSIDASI METANA
Ahmad Suseno1,Triyono2, Bambang Setiadji2
1 Jurusan Kimia, Universilas Diponegoro, Semarang
:Jurusan Kimia, Universilas Gadjah Mada, Yogyakarta

## ABSTRACT
Effects of Ce addition on Pt/ y - A1203 catalysts preparation and their catalytic activity on oxidation of methane have been investigated In this study the catalysts were prepared by impregnating chloride salt solution of paladium and sulphate salt of cerium on y - AI2O3 support. Characterization of catalysts was conducted by gas sorption method to determine surface area, pore radius and pore volume. The test of catalytic activity on oxidation of methane, was carried out in a flow reactor system at a temperature range from 350 °C to 600 °C Products of reaction were analyzed by non-dispersive IR spectroscopy. It was observed that the surface area, pore radius and pore volume decrease with the addition of cerium. The results of oxidation process show that Pd-Ce/ y - A1203 catalyst can be used for oxidation of methane up to 90,62 % conversion.
Key words: cerium, oxidation of methane, gas sotption method.
terdiri atas logam-logam mulia seperti rhodium, platina dan paladium, selain mempunyai akti vitas cukup tinggi pada
temperatur rendah, juga memiliki stabilitas dan daya tali an terhadap racun katalis <2) Tingginya biaya untuk pemakaian logam-logam mulia mendorong usaha menggunakan logam-logam mulia dalam jumlah yang sedikit, tetapi aktifitas dan daya tahan katalitiknya tetap teijaga (i) . Salah satu upaya yang perlu dilakukan adalah dengan menambahkan logam promotor yang berfungsi untuk PENDAHULUAN Salah satu jenis pencemaran lingkungan yang dihadapi umat
raanusia saat ini adalah masalah pencemaran udara akibat proses- proses industri. Gas buang yang berupa hidrokarbon ringan, CO dan NOx, terbukti dapat dikendalikan dengan cara mengoksidasi dan mereduksi yaitu menggunakan katalis konverter pada sistem pembuangan gas (I). Katalis konverter merupakan katalis heterogen yang tersusun dari pcngemban dan logam aktif. Pada umumnya logam yang digunakan
No. Artikel : 46/1999 (Kimia Fisik) 104
A. Suseno, Triyono, R Setiadji : Pembuatan Katalis Pd
meningkatkan kinerja diantaranya adalah cerium
Peneiitian ini merupakan langkah awal dal am upaya menguasai teknologi tersebut. Peneiitian dimulai dengan memilih logam aktif paladium (Pd) untuk proses reaksi oksidasi metana. Pembuatan katalis pada peneiitian ini dilakukan dengan metoda impregnasi. Larutan garam yang mengandung
logam aktif yang bersifat katalitik
yaitu paladium dan logam cerium yang berfungsi sebagai promotor diimpregnasikan pada permukaan pengemban. Pengemban yang dipakai adalah y -AI2O3 berbentuk serbuk. Karakteristik yang akan diteliti meliputi sifat fisik permukaan. sedangkan variabel uji katalis adalah
temperatur reaksi.
katalis. katalis dilakukan dengan membuat larutan garam paladium untuk mendapatkan konsentrasi sebesar 0,5
% dan 1 % b/b serta larutan garam cerium 5 % b/b terhadap berat pengemban. Tahap berikutnya mclakukan impreg-nasi larutan garam paladium ke dal am pengemban,
kemudian dikeringkan di dal am oven. Pembuatan katalis dengan penambahan cerium dilakukan hanva pada katalis 1% Pd dengan metoda impregnasi yang sama. Hasil ini
dikalsinasi pada temperatur 550 °C selama 5 jam. Selanjutnya dioksidasi pada temperatur 350 °C selama 2 jam dan akhimya direduksi dengan gas hidrogen pada temperatur 400 °C selama 1 jam.
Karakterisasi katalis dilakukan dengan adsorpsi gas nitrogen. Metoda
adsorpsi gas dengan persamaan BET digunakan untuk menentukan luas permukaan, volume pori dan jejari pori. Uji aktivitas katalis dilakukan pada reaktor sistem alir yang terbuat dari bahan stainless steel. Pada peneiitian ini sebagai umpan adalah metana serta udara sebagai sumber oksigen. Besamya konsentrasi metana dan hasil konversi dianalisis dengan spektroskopi IR non-dispersif pada berbgai temperatur reaksi secara kontinyu
(4.5.6)

## CARA PENELITIAN
Alat-alat yang digunakan: timbangan listrik, pengaduk magnit, elektric furnace, pemanas listrik, oven, reaktor kalsinasi dan aktivasi, alat-alat gelas laboratorium, reaktor uji aktivitas, spektrofotometer IR non-dispersive, Gas Sorption Analyzer NOVA-1000.
Bahan yang digunakan: y -AI2O3 98% (E.Merck), PdCl2 (59% Pd) 99%
(Merck Schuchardt), Ce(S04)2 4H20 (E.Merck), asam klorida pekat (HC1 37%), asam sulfat pekat, aquades,
Gas N2,02, H2 (PT Aneka Gas), Gas Metana (PT Aneka Gas), Udara tekan. Jalannya Peneiitian meliputi pembuatan katalis, penentuan karakter dan uji aktivitas katalis. Pembuatan

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Reaksi dengan katalis heterogen pada dasamya merupakan fenomena permukaan, permukaan yang meliputi: luas sehingga sifat-sifat No. Artikel: 46/1999 (Kimia Fisik) 105
permukaan, volume pori, jejari pori dan distribusi ukuran port memegang peranan penting. Selanjutnya katalis ini dikaji pengaruh-nya terhadap konsentrasi logam aktif yang berbeda
serta pengaruh penambahan promotor Ce terhadap aktivitas katalitik pada oksidasi metana.
Sifat Permukaan
Hasil pengukuran terhadap karakter permukaan katalis diperlihatkan pada tabel 1. Hasil pengukuran di atas menunjukkan adanya perbedaan harga ke tiga karakter pada masing-masing
katalis. Perbedaan ini muncul k arena komposisi dan konsentrasi logam dari sampel katalis yang berbeda. Hasil pengukuran terhadap konsentrasi logam memperlihatkan adanya pengaruh terhadap sifat geometri pori, bahwa aktif temyata telah dengan penambahan logam aktif ke dalam pengemban dapat mengakibatkan pen unman atau bertambahnya luas permukaan spesifik, volume pori total serta rerata jejari pori, sebagaimana yang
diperlihatkan pada tabel l.
Tabel 1. Hasil penentuan sifat-sifat permukaan Nama Sampel Luas Volume Rerata Konst. permukaan total pori jejari pori jenis(m2/gram) (cc/gram xlO'3) (Angstrom) 130,78 BET Y -AI2O, 195,32 29,87 96,99 Pd 0,5% 124,63 203,13 32,59 69,47 32,67 Pd 1,0% 125,97 205,79 92,68 Pd 1,0% - Ce 5% 110,37 164,63 29,83 146,04 Penurunan luas permukaan terjadi sebagai akibat adanya logam aktif yang terdistribusi tidak hanya di permukaan luar saja ( exterior ) tetapi juga permukaan
bagian dal am (interior) sehingga sebagain pori akan
tertutupi oleh 1 ogam-1ogam aktif. Selain itu perlakuan panas selama proses kalsinasi memungkinkan terjadinya perubahan pada tekstur pori sebagaimana dirangkum pada tabel.2,
dapat
menyebabkan pori-pori
membesar sehingga menurunkan total
luas permukaan. Namun demikian meningkamya luas permukaan katalis
juga dapat terjadi jika distribusi logam aktif yang ditambahkan diatas pengemban tersebar lebih merata dengan ukuran partikel yang lebih kecil. Meningkatnya ukuran pori-pori dapat dibuktikan dengan teijadinya kenaikan rerata jejari pori dari sampel katalis. Hasil penelitian yang dilakukan juga mempunyai kecenderungan yang sama meskipun dengan logam aktif yang berbeda. ,-X, oleh
No. Artikel: 46/1999 (Kimia Fisik)
106

## A. Suseno, Triyono, B. Setiadji : Pembuatan Katalis Pd
Adapun bertambahnya konsentrasi logam aktif dari Pd 0,5 % wt. sampai Pd 1,0 % wt. tidak memberikan perubahan yang berarti terhadap luas permukaan dan rerata jejari pori. Tetapi katalis dengan penambahan
logam cerium sebanyak 5 % wt. (Pd 1,0%-Ce 5%) dibandingkan tanpa cerium (Pd 1,0 % ) justru mengalami penurunan luas permukaan cukup
besar hingga 12,38 %, diikuti dengan menurunnya volume total pori sebesar 20,00 %. Semen tara bertambah atau berkurang-nya volume total pori tidak hanya ditentukan oleh luas permukaan dan rerata jejari porisaja.
Tabel 2. Distribusi (%) volume pori pada berbagai daerah ukuran pori Nama Sampel % Volume pori pada berbagai ukuran pori (A°) 20-30 < 10 10-20 30-40 40-60 60- 200 Y -AI2O3 4,45 39,38 31,96 16,50 6,83 0,83 Pd 0,5% 3,61 39,90 27,95 17,45 9,45 1.61 Pd 1,0% 5,12 37,31 27,75 17,57 10,74 1,50 Pd 1,0%-Ce 5% 8,63 47,02 22,93 10,30 7,23 3,86 Lowell dan Shields <10), harga konstanta BET (C) mempunyai
korelasi dengan harga panas adsorpsi permukaan padatan katalis, sehingga perpedaan harga konstanta BET yang cukup besar antara katalis dengan penambahan cerium (146,04) dan tanpa penambahan (92,68) dapat memberikan petunjuk tentang adanya perbedaan tekstur permukaan kedua sampel tersebut. Secara termodinamik peristiwa adsorpsi gas pada padatan adalah bersifat eksotermis (Campbell, 1988), berarti ada panas yang dihasilkan dari peristiwa adsorpsi tersebut. Kemampuan suatu padatan untuk mengadsorpsi suatu gas atau dikenal dengan istilah panas adsorpsi,
Perubahan sebelum dan sesudah logam aktif ditambahkan dengan konsentrasi
yang berbeda dapat mengubah komposisi volume pori pada tiap-tiap
daerah jejari pori seperti pada tabel 2. Adanya perubahan seperti inilah yang
memberikan konstribusi besar terhadap meningkatnya atau
menurunnya
volume pori total dari masing-masing sampel setelah ditambahkan logam
paladium atau promotor cerium. Parameter lain yang menyolok perbedaannya terdapat pada harga
konstanta BET (C) seperti pada tabel .1, dimana sampel dengan penambahan logam cerium (Pd 1,0% - Ce 5%) memberikan harga C tinggi.
Menurut Mikhail dan Robens <9); No. Artikel: 46/1999 (Kimia Fisik) 107
A. Suseno, Triyono, B. Setiadji : Pembuatan Katalis Pd ...
juga dipengaruhi oleh sifat geometri pori xneliputi luas pennukaan yang tersedia, volume pori dan jejari pori. Dengan demikian dapat dinyatakan bahwa penambahan logam cerium
berpengaruh
permukaan katalis sehingga energi adsorpsi permukaan juga akan bembah. Uji Aktivitas Katalis Maksud dari aktivitas dalam penelitian ini ialah suatu parameter yang raenyatakan seberapa
besar
katalis dapat mengubah (mengkonversi) senyawa umpan menjadi senyawa hasil reaksi.
Pengaruh konsentrasi logam aktif Penambahan konsentrasi logam terhadap tekstur aktif ke dalam pengemban tentunya mempunyai maksud untuk meningkat- kan jumlah situs aktif pada padatan katalis do , sehingga luas permukaan dan ukuran pori pengemban sebagai tempat logam aktif tersebut menjadi parameter yang penting.
100 90 W 0.5% -*-«1.0% 80 ! 70 > 67.11 -X 63.41 | 60 % 50 i x 48 81 . X 42 42 40 > X 36:09 § 30 * 21.93 20 14 84 1258 10 o± 650 300 350
400 450 500
550 600 TEMPERATUR (oC)
Gambar l.Grafik pengaruh konsentrasi logam paladium terhadap konversi
pada berbagai temperatur Hasil pengukuran dengan jumlah
konsentrasi logam aktif yang berbeda tentunya akan memberikan pengaruh tertentu terhadap sifat geometri pori
sebagaimana yang diperlihatkan pada tabel 1. Hasil kajian pengaruh konsentrasi logam Pd terhadap aktivitas oksidasi metana disajikan pada gambar. 1 , dimana aktivitas
sangat dipengaruhi oleh kondisi No. Artikel: 46/1999 (Kimia FLsik) 108
A. Suseno, Triyono, & Setiadji : Pembuatan Katalis Pd,
temperatur reaksi dan konsentrasi
logam dalam katalis. Aktivitas katalitik dengan senyawa umpan metana terlihat pada katalis Pd 1,0% memberikan aktivitas lebih baik
dibandingkan katalis Pd 0,5% pada temperatur reaksi dibawah 550 °C. Meningkatnya aktivitas seiring dengan
meningkatnya konsentrasi logam Pd secara teoritik disebabkan oleh bertambahnya jumlah situs aktif dalam katalis. Tetapi pada reaksi di atas temperatur 550 °C teijadi penurunan aktivitas untuk katalis Pd l,0%..Jika dianalisis dari parameter luas permukaan dan jejari pori antara katalis Pd 1,0% dan katalis Pd 0,5% tidak jauh berbeda (tabel.l) walaupun konsentrasi logam aktifnya jauh berbeda. Hal ini menunjukkan bahwa impregnasi pada katalis Pd 1,0% tidak terdistribusi dengan baik dibanding
katalis Pd 0,5%, dengan kata lain telah terjadi penumpukan logam aktif pada katalis Pd 1,0% memungkinkan proses berlangsung lebih mudah khususnya pada reaksi temperatur tinggi
sehingga
sintering
100 90 O 90.62 Pd 1.0% -Q-- Rd 1.0%- Ce 5% 60 E 70 63.41 60
£
.72 5 50 + 1
. .-ÿ''42.42 41 .87 40 > '36.09 I 30 20 10 O 4 37 9.37 2 #6 0 300 350
550 600 400 450 500 650 TEMPERATUR (oC)
Gambar 2.Grafik pengaruh cerium pada katalis paladium terhadap konversi
pada berbagai temperatur
Hasil karakterisasi pada tabel.l juga memperlihatkan bahwa penambahan konsentrasi logam aktif
dapat
memperbesar luas permukaan dan berkurangnya rerata jejari pori diduga
disebabkan oleh terdispersinya logani aktif yang semakin banyak pada permukaan pori-pori katalis. Hasil penelitian yang dilakukan oleh <3-12-13-14)
No. Artikel : 46/1999 (Kimio Fisik) 109
A. Suseno, Triyono, B. Setiadji : Pembuatan Katalis Pd
me-nunjukkan kecenderungan yang
sama dengan hasil penelitian ini.
Faktor penambahan logam cerium
Hasil uji katalitik memperlihatkan adanya aktivitas yang meningkat cukup besar untuk katalis dengan cerium (Pd 1,0% -Ce 5%) dibanding tanpa cerium
(Pd 1,0%), khususnya pada daerah temperatur 550°C - 600°C seperti pada gambar 2.
Hasil ini juga menunjukkan bahwa aktivitas katalitik dapat ditingkatkan pada konsentrasi logam aktif yang
tetap. Meningkatkan konsentrasi logam
aktif tidak selalu diikuti dengan aktivitas yang lebih tinggi. sebab hasil
penelitian terdahulu yang dilakukan oleh <I5) menunjukkan bahwa dengan meningkamya konsentrasi logam aktif justru mempercepat terjadinya deaktivasi permukaan logam khususnya pada reaksi-reaksi dengan senyawa umpan hidrokarbon. Meningkamya aktivitas katalitik dengan penambahan cerium dapat pula
difahami telah terjadi interaksi sinergis antara cerium dan paladium sebagai
katalis oksidasi metana sehingga kematnpuan katalitiknya meningkat dan hal ini sesuai dengan hasil penelitian <6> yang ditandai dengan meningkamya kemampuan tnengkemisorpsi hidrogen ( hidrogen uptake). Hasil karakterisasi juga menunjukkan adanya penurunan luas permukaan, volume pori dan jejari pori tabel. 1 akibat penambahan cerium yang diduga telah menyebabkan tertumpnya pada sebagian pori oleh dispersi logam yang lebih meningkat, sehingga penurunan tersebut terjadi. Kesimpulan Dari hasil penelitian ini dapat diambil kesimpulan :
1. Paladium sebagai logam aktif dan Cerium sebagai material promotor dapat didispesikan pada y -AI2O3 dengan metoda impregnasi.
2. Katalis dengan penambahan cerium pada katalis Pd/ y -AI2O3 memiliki kineija terbaik pada reaksi oksidasi
metana dan mampu meng-konversi hingga 90,62 % pada suhu 600 °C.
Williamson, V.B., Summer, J.C. and
Scaparo, J.A., 1992, Automotive Catalyst Strategies for Future Emmision systems, Allied-Signal Automotive Catalyst Co, Tulsa
, Oklahoma
DAFTAR PUSTAKA Campbell, l.M.,1988,Cofa/ys/s at
Surfaces, Chapman and Hall, London. Taylor, K.C.,1984, Catalytic Converters, General Motors Research laboratories Warren, Michigan,hal 138-144. Automobile Bell, A.T., 1987, Supports and Metal-Support Interaction, in Hegedus, L.L.(ed), Catalyst Design : Progress and Perspectives, John Wiley & Sons, Inc, New York
No. Artikel : 46/1999 (Kimia Fisik) 110
A. Suseno, Triyono, B. Setiadji : Pembuatan Katalis Pd,
Harrison, B., Diwell, A.F. and Hallett, C., Promoting Platinum Metals by Ceria, Platinum Metal Rev., 1988,32,(2) Thomas, J.M. and Lambert, R.M.,
1980, Characterisation of Catalysts,
John Wiley & Sons Ltd, Chichester Bahri,S.,l995, Pengaruh Kandungan lx)gam Pt dan Temperalur Kalsinasi dalam Pembuatan Katalisator Pty- Alumina terhadap Aktifitas Katalitik Reaksi Dehidrogenasi Sikloheksana, Tesis Pasca sarjana UGM, Yogyakarta. Nunan , J.G., Silver, R.G. and Bredley ,S.A.,1992, Effect of Ce on Performance and Physicochemical Properties of Pt-Containing Automotive Emission Control
Catalysts , in Catalytic Control of Air Pollution,
Crucq.A. ,Eds, Elsevier: New York,Vol ,page 83-86 Salim, A., 1995, Modifikasi Zeolit Alam sebagai Pengemban Platinum untuk Katalis Oksidasi Ixmgsung n- Pentana, Tesis Pasca Sarjana UGM,
Yogyakrta.
Anwar , C., Holisoh dan Witono ,H., 1996, Impregnasi dan Sifat Permukaan Katalis Ni-Mo / y -Al/)3
, Ixmbaran publikasi Lemigas,
Vol.30, no. 3, PPTM, Jakarta Joharmawan, R., 1997, Pembuatan, Karakterisasi dan Uji Aktivitas Pt- Zeolit dan Pd-Zeolit sebagai Katalis Oksidasi Hidrokarbon Ringan, Tesis Pasca Saijana UGM, Yogyakarta.
Kirszensztejn, P., Foltynowicz, Z. and Wachowski.L., 1991, Peculiar Pore Structure of Coke Coating Formed on Pt-Sn/y-Alumina lnd.Eng Catalysts, Chem.Res,30, 2276-2279 Beltramini.J.N. and Datta, R„ 1991, Coke Deposition on Naphta Reforming Catalysts : Influence of The Hidrocarbon Feed, React. KineLCatal Lett.,Vol.44, No.2, 345-
Mikhail, R.S. and Robens, E., 1983, Microstructure and Thermal Analysis of Solid Surface, John Wiley and Sons, New York.
348.
Lowell, S. and Shields, J.E., 1984, Powder Surface Area and Porosity , Second edition, Chapman and Hall,
New York.
No. Artikel : 46/1999 (Kimia Fisik)
111