Di TU Wien, sebuah penelitian mengungkapkan bahwa nanopartikel perak pada karbon 200 kali lebih efektif dibandingkan nanopartikel perak murni karena interaksi pada antarmuka karbon.
Terobosan ini dapat mengubah katalisis industri dengan mengurangi jumlah logam mulia yang dibutuhkan, menurunkan biaya, dan meningkatkan efisiensi.
ADVERTISEMENT
SCROLL TO RESUME CONTENT
Katalis dan Basis Karbonnya
Logam mulia seperti perak, platinum, dan paladium merupakan katalis penting dalam industri kimia. Mereka memungkinkan terjadinya reaksi yang mungkin tidak akan terjadi atau akan terjadi jauh lebih lambat. Logam-logam ini sering digunakan sebagai nanopartikel kecil, namun efektivitasnya juga bergantung pada permukaan tempat logam tersebut ditempatkan. Nanopartikel yang didukung dengan basis karbon telah menunjukkan kinerja yang sangat kuat, meskipun alasannya tidak jelas selama bertahun-tahun.
Para peneliti di TU Wien baru-baru ini berhasil mengukur dan menjelaskan secara tepat interaksi antara nanopartikel logam dan substrat karbon. Mereka menemukan bahwa atom perak pada pendukung karbon dua ratus kali lebih aktif dibandingkan atom perak dalam bentuk murni. Simulasi komputer menunjukkan bahwa faktor kritisnya adalah zona dimana perak bersentuhan langsung dengan karbon. Dengan menggunakan pertukaran isotop hidrogen, tim mengembangkan metode yang lebih cepat dan sederhana untuk mengevaluasi efektivitas dukungan katalis.
Mengungkap Keajaiban Karbon dalam Katalisis
“Untuk waktu yang lama, penggunaan karbon sebagai bahan pembawa katalisis memiliki sesuatu yang hampir ajaib,” kata Prof. Günther Rupprechter dari Institute of Materials Chemistry di TU Wien. Sumber karbon ternyata penting. Untuk beberapa proses, digunakan karbon yang diperoleh dari batok kelapa, ijuk, atau kayu khusus. “Resep” semacam itu bahkan dapat ditemukan dalam dokumen paten – meskipun asal usul bahan kimia sebenarnya relatif tidak relevan. “Ini selalu terlihat seperti seni hitam,” kata Günther Rupprechter.
Idenya adalah bahwa metode pembuatan yang berbeda dapat menghasilkan perbedaan kimia atau fisik yang minimal: Mungkin karbon tersusun dengan cara yang berbeda tergantung pada metode pembuatannya. Mungkin mengandung jejak unsur kimia lainnya? Atau apakah gugus fungsi terakumulasi di permukaan – bahan penyusun molekul kecil yang ikut campur dalam reaksi kimia?
“Dalam industri kimia, orang secara alami sering kali puas dengan kenyataan bahwa suatu proses berhasil dan dapat diulangi dengan andal,” kata Rupprechter. “Tetapi kami ingin mengetahui asal muasal efeknya dan memahami dengan tepat apa yang sebenarnya terjadi pada tingkat atom.” Universitas Cádiz (Spanyol) dan Pusat Mikroskop Elektron USTEM di TU Wien juga terlibat.
Kemajuan Mikroreaktor dalam Penelitian Katalitik
Tim pertama kali menghasilkan sampel yang dapat dikarakterisasi dengan sangat tepat: nanopartikel perak dengan ukuran yang diketahui pada substrat karbon – dan kertas perak tipis tanpa karbon.
Kedua sampel tersebut kemudian diperiksa dalam reaktor kimia: “Perak dapat digunakan untuk memecah molekul hidrogen menjadi atom hidrogen individual,” jelas Thomas Wicht, penulis pertama studi tersebut. “Hidrogen ini kemudian dapat digunakan, misalnya untuk reaksi hidrogenasi etena. Dengan cara serupa, seseorang juga dapat mencampurkan molekul hidrogen 'biasa' dengan molekul yang terbuat dari hidrogen berat (deuterium). Kedua molekul tersebut kemudian dipisahkan oleh perak dan digabungkan kembali.” Semakin aktif katalisnya, semakin sering kedua isotop hidrogen tersebut dipertukarkan. Ini memberikan informasi yang sangat andal tentang aktivitas katalis.
Wawasan Baru tentang Efisiensi Katalis
Ini berarti bahwa untuk pertama kalinya, perbedaan aktivitas antara atom perak dengan dan tanpa dukungan karbon dapat diukur secara tepat – dengan hasil yang spektakuler: “Untuk setiap perak atomlatar belakang karbon menginduksi aktivitas dua ratus kali lebih tinggi,” kata Thomas Wicht. “Ini tentu saja sangat penting untuk aplikasi industri. Anda hanya memerlukan dua per seratus logam mulia yang mahal untuk mencapai aktivitas yang sama – dan Anda dapat melakukannya hanya dengan menambahkan karbon yang relatif murah.”
Alexander Genest dari tim TU Wien melakukan simulasi komputer yang membandingkan aktivasi hidrogen oleh nanopartikel perak pada karbon dan perak murni. Hal ini memperjelas: wilayah batas antara partikel perak dan pembawa karbon sangatlah penting. Efek katalis paling besar terjadi ketika keduanya bersentuhan. “Jadi yang penting bukanlah ukuran permukaan karbon atau atom asing atau gugus fungsi apa pun. Efek katalitik ekstrem terjadi ketika molekul reaktan bersentuhan dengan atom karbon dan perak secara langsung pada antarmuka,” kata Alexander Genest. Semakin besar area kontak langsungnya, semakin besar pula aktivitasnya.
Pengetahuan ini berarti bahwa kumpulan karbon yang berbeda dari sumber yang berbeda kini dapat diperiksa efektivitasnya dengan mudah. “Sekarang kami telah memahami mekanisme tindakannya, kami tahu persis apa yang harus diperhatikan,” kata Günther Rupprechter. “Percobaan kami, di mana kami memaparkan katalis pada campuran hidrogen biasa dan berat, relatif mudah dilakukan dan memberikan informasi yang sangat andal mengenai apakah varian pembawa karbon ini juga cocok untuk reaksi kimia lainnya atau tidak.” Mampu menjelaskan proses pada tingkat atom kini akan menghemat waktu dan uang dalam penggunaan industri dan menyederhanakan jaminan kualitas.
Referensi: “Peran Hidrogen Antarmuka dalam Hidrogenasi Etilen pada Katalis Ag, Au, dan Cu yang Didukung Grafit” oleh Thomas Wicht, Alexander Genest, Lidia E. Chinchilla, Thomas Haunold, Andreas Steiger-Thirsfeld, Michael Stöger-Pollach, José J. Calvino dan Günther Rupprechter, 1 November 2024, Katalisis ACS.
DOI: 10.1021/acscatal.4c05246
Penelitian didukung oleh Austrian Science Fund (FWF; (10.55776/I4434-N dan 10.55776/COE5) (Single Atom Catalysis and Cluster of Excellence Materials for Energy Conversion and Storage, MECS).
RakyatPos.ID Network
