Proses Konversi Nano-struktur Material Silikat Berpori
MCM-41 Dari Material Berlapis MCM-50
Hens Saputra, Mochamad Rosjidi dan Anwar Mustafa
Pusat Pengkajian dan Penerapan Teknologi Industri ProsesBadan Pengkajian dan Penerapan Teknologi Lt.9 Gd.II BPPT Jl. M.H. Thamrin 8 Jakarta 10340
e-mail: henssaputra@yahoo.com Abstrak
Struktur berlapis MCM-50 pada material silikat dapat dikonversi menjadi material berpori
dengan struktur heksagonal MCM-41. Proses konversi tersebut dilakukan dengan metode vapor
infiltration pada temperatur 393 K dalam vessel tertutup menggunakan tetraethylortosilicate
sebagai sumber Si dan dilanjutkan dengan proses kalsinasi pada temperatur 873 K. Dilakukan
pula karakterisasi produk silikat MCM-41 yang dihasilkan menggunakan X-ray diffraction (XRD)
untuk mengidentifikasi struktur material tersebut sebelum dan sesudah proses kalsinasi, observasi
dengan Scanning Electron Microscope (SEM), adsorpsi-desorpsi isothermal menggunakan
nitrogen pada temperatur 77 K serta analisis menggunakan spektrofotometer FTIR. Berdasarkan hasil karakterisasi dapat diketahui bahwa nano-struktur material MCM-41 tersebut memiliki
stabilitas yang sangat baik pada temperatur tinggi, luas permukaan BET sekitar 1000 m2/g,
sehingga berpotensi untuk diaplikasikan sebagai bahan support katalis atau untuk pembuatan membran anorganik tahan panas.
The Lamellar structure of MCM-50 made of silicate materials were able to be converted to the pore material of MCM-41 hexagonal structure. The process of conversion was conducted by vapor infiltration performed by using tetraethylortosilicate as a Si resource and in the closed vessel, then followed by calcination at 873 K. The product of silicate MCM-41 were characterized by X-ray diffraction (XRD) in order to identify the structure being before and after calcination, Scanning Electron Microscope (SEM) observation, adsorption-desorption isotherms using nitrogen at 77 K and FTIR analysis. The results showed that the MCM-41 nano-structure
materials had a good stability at high temperature, BET surface area of about 1000 m2/g.
Therefore, the MCM-41 nano-structure materials are potentially as catalyst support and inorganic membrane.
1. Pendahuluan
Proses pembuatan material nanostruktur telah mendapatkan perhatian para peneliti secara serius akhir-akhir ini karena prospek aplikasinya yang luas pada skala komersial, antara lain sebagai bahan pendukung katalis, pembuatan membran, filler, bahan sensor, dll. Salah satu hasil dari nanoteknologi, peneliti dari Mobil Oil Amerika Serikat menemukan material yang disebut dengan kelompok M41S yaitu terdiri dari struktur heksagonal (MCM 41) dan struktur kubik (MCM 48). Sejak pertama kali dipublikasikan pada tahun 1992, kedua struktur material tersebut menjadi sangat populer dan dapat memberikan semangat baru kepada para peneliti di bidang material, khususnya anorganik. Keunikan dari kedua struktur tersebut adalah luas permukaan dan volume pori yang sangat fantastik, yaitu sekitar 1.000 m2/g dan 1,02 cm3/g. Sedangkan ukuran porinya dapat diatur mulai dari 1 hingga 3 nm. Dengan memanfaatkan luas permukaan dan struktur pori yang terdapat pada kelompok material M41S tersebut maka potensi aplikasinya menjadi sangat luas antara lain sebagai supporting catalyst dan membran.
Luas permukaan yang besar dapat memberi keuntungan apabila diaplikasikan sebagai supporting catalyst
karena memungkinkan kontak antar muka zat-zat yang akan direaksikan menjadi lebih baik sehingga diharapkan dapat meningkatkan konversi reaksinya. Karakteristik lainnya yang menarik adalah struktur yang dapat dibuat secara teratur, baik yang memiliki sistim aliran satu dimensi maupun sistem aliran tiga dimensi seperti MCM-48 sehingga dapat memungkinkan adanya aliran yang berkelak kelok. Kondisi tersebut dapat menyebabkan adanya aliran turbulen yang menguntungkan bila diaplikasikan sebagai katalis atau pendukung katalis. Apabila diaplikasikan sebagai material membran anorganik diharapkan dapat mengurangi resiko terjadinya pore blocking,
karena aliran dapat dibelokkan ke arah lain bila terjadi sumbatan.
Proses pembentukan material MCM-41 dan MCM-48 sangat dipengaruhi oleh beberapa parameter proses, antara lain konsentrasi template organik yang digunakan (surfaktan), perbandingan konsentrasi silika,
temperatur, dll. Apabila konsentrasi surfaktan terlalu tinggi maka dapat terbentuk material MCM-50, yaitu suatu material yang dikelompokkan dalam M41S juga dengan struktur berlapis. Terbentuknya struktur berlapis ini tidak menguntungkan, karena luas permuakaan yang rendah dan strukturnya akan rusak setelah dikalsinasi yaitu runtuhnya lapisan-lapisan silika akibat proses dekomposisi lapisan surfaktan. Pada penelitian ini telah dilakukan proses konversi material MCM-50 menjadi MCM-41, sehingga diharapkan dapat memperbaiki karakteristik material yang telah terlanjur terbentuk menjadi MCM-50, dimana terbentuknya struktur berlapis tersebut dipengaruhi oleh kondisi proses seperti yang telah dibahas di atas.
2. Bahan dan Metode Penelitian 2.1. Bahan dan Peralatan Proses
Bahan yang digunakan pada penelitian ini antara lain tetraethylortosilikat (TEOS) dan tetramethylortosilikat sebagai sumber silikat, cethyltrimethylammonium bromida (C16TAB) sebagai template
organik dan katalis NaOH serta pelarut aquadest.
Peralatan proses yang digunakan terdiri dari dua bagian yaitu unit mixing dan vapour infiltration. Mixing
dilakukan pada temperatur ruang dan tekanan atmosferis dengan kecepatan pengaduk 200 rpm. Peralatan untuk proses vapour infiltration berupa vessel tertutup yang tahan panas, terbuat dari stainless steel. Pada bagian dalam (ruang reaksi) terbuat dari teflon yang mudah dilepas dari framenya. Bahan teflon berguna untuk mengantisipasi kemungkinan terjadinya reaksi antara bahan-bahan kimia yang digunakan dengan dinding frame.
2.2. Metodologi
Metodologi penelitian ini terdiri dari penyiapan larutan induk, proses vapour infiltration dan kalsinasi. Proses penyiapan larutan induk yaitu pencampuran antara surfaktan, pelarut dan katalis. Pembuatan material standar MCM-41 dilakukan dengan perbandingan molar surfaktan/silika 0,1-0,0,5 dan NaOH/TEOS 0,1-0,35. Pembuatan material dengan struktur MCM-50 dibuat dengan perbandingan surfaktan/silika lebih dari 0,7 dan NaOH/TEOS lebih dari 0,5. Diagram proses pembuatan material standar 41 dan struktur berlapis MCM-50 dapat dilihat pada gambar 1.
C16TAB NaOH Aquadest MIXING II 30 ºC, 200 rp m, 1 hr WASHING DRYING CA LCINATION 500 ºC, 5 hrs MIXING I 30 ºC, 200 rp m TEOS MCM-41 MCM-50 VA POUR INFILTRATION TEOS MCM-41 MCM-41 C16TAB NaOH Aquadest MIXING II 30 ºC, 200 rp m, 1 hr WASHING DRYING CA LCINATION 500 ºC, 5 hrs MIXING I 30 ºC, 200 rp m TEOS MCM-41 MCM-50 VA POUR INFILTRATION TEOS MCM-41 MCM-41
Proses konversi struktur MCM-50 menjadi MCM-41 dilakukan pada ruang tertutup, temperatur 120 ºC selama 2 jam. Selanjutnya kalsinasi pada temperatur 600 ºC selama 1 jam.
2.3. Karakterisasi
Material yang dihasilkan dianalisis menggunakan X-ray diffraction (XRD) untuk menganalisis strukturnya sebelum dan sesudah proses konversi dengan metode vapour infliltration maupun proses kalsinasi. Pengamatan partikel dilakukan dengan scanning electron microscope (SEM), dilakukan pula analisis menggunakan FTIR. Analisis distribusi ukuran pori dan luas permukaan (BET surface area) dilakukan menggunakan data adsorpsi-desorpsi isotherm.
3. Hasil dan Pembahasan 3.1. Perubahan struktur berlapis MCM-50 menjadi MCM-41
Setelah proses vapour infiltration yang dilakukan pada material MCM-50 diperoleh struktur MCM-41. Keberhasilan perubahan struktur tersebut dapat diketahui melalui analisis dengan XRD seperti yang terlihat pada gambar 2. 1 2 3 4 5 6 7 8 MCM-50 MCM-41 2 theta (degrees) In te ns it y ( a .u .) 1 2 3 4 5 6 7 8 MCM-50 MCM-41 2 theta (degrees) In te ns it y ( a .u .)
Gambar 2. Grafik XRD struktur MCM-50 dan MCM-41 hasil konversi
Berdasarkan Gambar 2. dapat diketahui bahwa material dengan struktur berlapis MCM-50 dapat diubah menjadi MCM-41. Ciri struktur MCM-50 adalah terlihatnya pengulangan grafik pada 2 theta 2,5 dan 5. Sedangkan pada struktur MCM-41 yang dihasilkan grafik pada daerah 2 theta 5 tidak terlihat lagi. Mekanisme perubahan struktur tersebut dapat dijelaskan melalui gambar 3.
Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si (a) (b)
Pada Gambar 3.a terlihat ilustrasi struktur MCM-50 sebelum dilakukan proses vapous infiltration. Tampak jelas adanya susunan material yang berlapis anatara surfaktan dan silika. Apabila dilakukan kalsinasi maka surfaktan akan terdekomposisi menjadi gas-gas antara lain CO2, O2 dan uap H2O kemudian meninggalkan sistem. Hal ini
mengakibatkan hilangnya suatu lapisan yang tersusun oleh surfaktan tersebut, sehingga lapisan silika akan runtuh dan terjadi struktur amorfase. Pada waktu proses vapour infiltration, Si akan menyisip ke seluruh bagian material sehingga terjadi pelapisan pada seluruh bagian material tersebut, baik sisi surfaktan maupun silika. Apabila proses pelapisan terjadi secara sempurna maka seluruh permukaan surfaktan telah terlapisi oleh silika (Gambar 3.b). Pada waktu dikalsinasi seluruh surfaktan akan terdekomposisi dan meninggalkan sistem, sehingga tersisa komponen silika yang berpori.
3.3. Luas permukaan, volume pori dan distribusi ukuran pori
Hasil analisis adsorpsi-desorpsi isothermal menggunakan gas nitrogen pada 77 K, diketahui adanya struktur mesoporus pada material MCM-41 (Gambar 4).
Gambar 4. Adsorpsi-desorpsi isothermal MCM-41
Gambar 4 memperlihatkan grafik adsorpsi-desorpsi isotherm powder MCM-41 yang dihasilkan. Terjadi peningkatan volume nitrogen yang teradsorpsi pada daerah antara tekanan relatif 0,2 hingga 0,4. Hal ini menunjukkan adanya pori dengan struktur mesoporus. Tidak terlihat adanya hysteresis pada grafik, mengindikasikan struktur pori yang seragam pada bagian luar maupun bagian dalamnya. Hasil analisis BET
surface areamulti point diketahui BET surface area : 1.300 m2/g dan volume pori 1,03 cm3/g. Distribusi ukuran
pori dengan metode BJH dapat dilihat pada gambar 5. Distribusi ukuran pori yang sempit pada material MCM-41 dengan ukuran pori rata-rata 2,4 nm. Spesifikasi tersebut menciptakan potensi untuk diaplikasikan sebagai supporting katalis maupuan bahan baku pembuatan membran. Sebagai bahan supporting katalis, BET surface area yang luas memungkinkan untuk terjadinya kontak antara zat-zat pereaksi menjadi lebih besar frekwensinya sehingga diharapkan dapat meningkatkan konversi reaksi yang diharapkan. Sebagai bahan baku pembuatan membran, adalah merupakan salah satu persyaratan penting untuk memperoleh produk membran yang memiliki selektivitas tinggi sangat dipengaruhi oleh distribusi ukuran porinya.
Gambar 5. Grafik sistribusi ukuran pori dengan metode BJH
4. Kesimpulan
Struktur berlapis MCM-50 dapat dikonversi menjadi struktur heksagonal MCM-41 dengan metode vapor
infiltration. Stabilitas struktur MCM-41 sangat baik, tahan terhadap temperatur yang tinggi, sedangkan MCM-50
mudah rusak pada suhu kalsinasi. BET surface area sampel MCM-41 yang dihasilkan adalah 1.300 m2/g dan volume pori 1,03 cm3/g. Distribusi ukuran pori yang sempit merupakan indikasi tingkat keseragaman pori yang baik, ukuran rata-rata pori adalah 2,4 nm. Berdasarkan karakteristik tersebut, maka material MCM-41 berpotensi untuk dijadikan sebagai catalyst support dan bahan untuk membuat membran.
Daftar Pustaka
1. Saputra, H., (2003), “Synthesis and Characterization of Zirconium-containing Nanoporous Silica Membranes” , Osaka University, Japan, hal. 8-10, 33-35.
2. Saputra, H., (2003). “Pemanfaatan silikat untuk pembuatan membran nanofiltrasi tahan panas berstruktur hexagonal (MCM-41), Jurnal Sains dan Teknologi Indonesia, Edisi Khusus, BPPT, Hal 343-347.
3. Saputra, H., (2004), “Pembuatan dan Karakterisasi Membran Silika-Alumina MCM-41 Hidrophobik dan Hidrophilik untuk Pemisahan Pelarut Organik-Air”, Prosiding Seminar Nasional Viable Manufacturing System 2004, UII, Yogyakarta, Hal 539-544.
4. Kresge, C.T., M.E. Leonowicz, W.J. Roth, J.C. Vartuli, J.S. Beck, (1992), “Ordered mesoporous molecular sieves synthesized by a liquid-crystal template mechanism”, Nature 359 710-712.
on a porous stainless steel support”, Chem. Commun., hal. 2147-2148
6. Oye G., Sjoblom, M. Stocker, (2001), “Synthesis, characterization and potential applications of new materials in the mesoporous range, advanced in colloid and interface science”, Elsevier, 89-90, Hal 439-466.
7. Burggraaf, A.J., L. Cot, (1996), Membrane Science and Technology Series,4, Elsevier, Netherlands, Hal 265.
8. Karge, H. G., J. Weitkamp, (1998), Molecular Sieve 1, Springer, Germany, Hal 97.
9. Thomas J. Pinnavaia and M.F. Thorpe, (1995), “Access in Nanoporous Materials, Plenum Press, New York, Hal 16-17.
10. Zhou, W., J. Klinowski, (1998), “The mechanism channel formation in the mesoporous molecular sieve MCM-41”, Chem. Phys 292, Hal 207-212.
