Dosen Pembimbing: Dr. I Nyoman Marsih Oleh: Feni Fermindo 10504012 Seminar Tugas Akhir S1 Produksi hidrogen melalui Reformasi Kukus Metanol (Steam Reforming of Methanol, SRM) menggunakan katalis Cu/CeO2/Al2O3 Dosen Pembimbing: Dr. I Nyoman Marsih Oleh: Feni Fermindo 10504012

Agenda Presentasi Penelitian Pendahuluan Tinjauan Pustaka Metodologi Penelitian Hasil dan Pembahasan Kesimpulan dan Saran

Pendahuluan

Latar Belakang Sumber energi utama dunia, yaitu bahan bakar fosil (minyak bumi,gas alam,batubara) makin sedikit. Sedangkan, bahan bakar fosil merupakan sumber daya alam yang tidak terbarukan (unrenewable). Teknologi sel bahan bakar (fuel cell) adalah solusi menarik terhadap ketergantungan minyak bumi. Sel bahan bakar merupakan sumber energi alternatif berbahan bakar hidrogen (H2), tidak menghasilkan polusi, karena hanya menghasilkan air murni (H2O) sebagai produk samping. Masalah yang muncul : jumlah H2 bebas yang terdapat di alam terbatas

Latar belakang Penelitian untuk mencari sumber hidrogen yang murah dan efisien, salah satunya adalah melalui reaksi dengan katalis Metanol dapat dikonversi menjadi hidrogen melalui reaksi reformasi kukus metanol [Steam Reforming of Methanol (SRM)] Konversi metanol menghasilkan produk utama yaitu H2 dengan selektifitas mencapai 99%.1) Katalis yang banyak digunakan untuk reaksi SRM adalah katalis berbahan tembaga (Cu) Alasannya, karena Cu cukup murah dan dapat digunakan bermacam-macam logam pendukung Katalis berbasis Cu yang telah banyak diteliti menggunakan ZnO, ZrO2, atau Al2O3 sebagai promotor.

Tujuan Penelitian 1. Mensintesis katalis Cu/CeO2/Al2O3 menggunakan metoda ko-presipitasi 2. Menguji aktivitas katalitik Cu/CeO2/Al2O3 pada reaksi Reformasi Kukus Metanol (SRM) CH3OH(g) + H2O(g) → 3H2(g) + CO2(g)

Ruang Lingkup Penelitian Menyelidiki performa/kinerja katalis Cu/CeO2/Al2O3 untuk reaksi reformasi kukus metanol (SRM)

Tinjauan Pustaka Hidrogen sebagai bahan bakar Metanol sebagai sumber hidrogen yang potensial Reaksi-reaksi menghasilkan hidrogen dari metanol Katalis untuk reaksi reformasi kukus metanol (SRM) Metode ko-presipitasi

Hidrogen Sebagai Bahan Bakar Reaksi yang terjadi pada fuel cell Anoda: 2H2 → 4H+ + 4e- Katoda: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O Total: 2H2 + O2 → 2H2O

Metanol sebagai sumber hidrogen Metanol dianggap sebagai salah satu sumber H2 yang baik karena: Konversinya menjadi H2 terjadi pada temperatur relatif rendah. Rasio hidrogen terhadap karbon tinggi (4:1) Tidak mengandung ikatan C–C, sehingga meminimalkan pembentukan batu arang/kokas. Kandungan hidrogen tinggi pada produk SRM-nya (mencapai lebih dari 75%). 2)

Reaksi-reaksi konversi metanol menjadi H2 Dekomposisi metanol CH3OH(g) → 2H2(g) + CO(g) ΔHo298 = +90,7 kJ/mol Kelemahan reaksi ini adalah dihasilkan gas karbon monoksida yang dapat meracuni fuel cell. 1) Oksidasi parsial metanol CH3OH(g) + ½O2(g) → 2H2(g) + CO2(g) ΔH0298 = -192.2 kJ/mol Reformasi Kukus Metanol CH3OH(g) + H2O(g) → 3H2(g) + CO2(g) ΔH0298 = +49.4 kJ/mol

Katalis untuk reformasi kukus metanol (SRM) Katalis-katalis yang telah diteliti: Cu/ZnO/Al2O3 3) Cu/ZnO/ZrO2/Al2O3 4) Cu/ZnO/CeO2 5) Cu/ZnO/ZrO2/CeO2 Pd/ZnO ZnO–Cr2O3/CeO2–ZrO2

Metode ko-presipitasi Metode ko-presipitasi (pengendapan bersama) adalah metode sintesis oksida logam dari larutan encer garam logamnya, dengan penambahan basa (NaOH, Na2CO3, NH4OH, dll) hingga terbentuk endapan hidroksida logamnya. Metode ko-presipitasi memberikan beberapa keuntungan, yaitu: 1.persiapan/preparasi cepat dan mudah 2.mudah mengontrol/mengatur komposisi oksida 3. terdapat berbagai kemungkinan untuk memodifikasi keadaan permukaan partikel dan homogenitas keseluruhan. 6)

Metodologi Penelitian

Alat dan Bahan Bahan kimia: Cu(NO3)2.5H2O, Ce(NO3)3.6H2O, Peralatan: gelas kimia 100 mL, gelas kimia 250 mL, batang pengaduk kaca, spatula, pengaduk magnet, buret 25 mL, hot plate, pH meter, termometer raksa (Hg), kaca arloji, mortar, perahu alumina corong kaca, kertas Whatman no.1, neraca analitis digital, oven, tungku pembakaran (furnace) Bahan kimia: Cu(NO3)2.5H2O, Ce(NO3)3.6H2O, Al(NO3)3.9H2O, Na2CO3, NaOH aquades

Sintesis katalis Cu/CeO2/Al2O3 Ce(NO3)3.6H2O + aquades Al(NO3)3.9H2O + aquades Cu(NO3)2.5H2O + aquades Campuran larutan Di aduk dan dipanaskan hingga 700C Ditambahkan NaOH(aq) tetes demi tetes Di aduk kuat hingga pH 7 Larutan + endapan

Larutan + endapan Ageing selama 2 jam, T=50 0C Filtrasi sisa larutan Endapan Cu(OH)2 Ce(OH)3 Al(OH)3 Keringkan pada 150 0C selama 12 jam Padatan Cu(OH)2 Ce(OH)3 Al(OH)3 Kalsinasi pada 600 0C selama 5 jam CuO/CeO2/Al2O3

Penentuan Luas Permukaan Katalis dengan Metode BET Karakterisasi untuk penentuan luas permukaan, digunakan metoda BET. Metode ini menggunakan gas yang teradsorpsi pada permukaan padatan pada suhu yang konstan, tetapi volume gas yang berbeda-beda. Jika gas membentuk lapisan tunggal pada permukaan padatan, maka digunakan persamaan: Dengan X = P/Po, P = tekanan gas yang teradsorpsi, Po = tekanan gas yang membentuk lapisan tunggal, V = volume molekul teradsorpsi pada tekanan P, Vm = volume molekul gas yang teradsorpsi membentuk lapisan tunggal, C = konstanta adsorpsi-desorpsi,

Untuk dapat digunakan dalam percobaan, persamaan tersebut harus dilinearisasi menjadi: Luas permukaan katalis didapatkan melalui persamaan:

Penentuan Morfologi Permukaan dengan Menggunakan Metode SEM Analisis morfologi permukaan dengan menggunakan SEM (Scanning Electron Microscopy) memungkinkan pencitraan partikel Gambaran partikel yang ditangkap dengan menggunakan SEM, diakibatkan oleh penembakan elektron berenergi tinggi lalu substrat memantulkan kembali elektron tersebut yang kemudian ditangkap oleh detektor. Pencitraan menggunakan SEM dapat memperlihatkan bentuk dan ukuran partikel.

Karakterisasi Katalis dengan Metode Difraksi Sinar-X (XRD) Penggunaan metode difraksi sinar-X adalah untuk menentukan jenis senyawa/spesi-spesi apa saja yang terbentuk pada padatan katalis. Hubungan antara panjang gelombang (λ), orde difraksi (n), jarak antar kisi (d), dan sudut difraksi (θ) dapat diberikan dalam persamaan Bragg: n λ = 2 d sin θ

Uji Aktivitas Katalis

Hasil dan Pembahasan Sintesis Katalis Karakterisasi Katalis dengan Metode Difraksi Sinar-X (XRD) Karakterisasi Katalis Menggunakan Metode Scanning Electron Microscopy (SEM) Penentuan Luas Permukaan Katalis dengan Metode BET Hasil Uji Aktivitas Katalis Menggunakan Reaktor Mikro

Sintesis Katalis Tahap 1: Preparasi ion-ion logam Cu(NO3)2.5H2O(s) + H2O(aq) → [Cu(H2O)6]2+(aq) + 2 NO3-(aq) Ce(NO3)3.6H2O(s) + H2O(aq) → [Ce(H2O)6]3+(aq) + 2 NO3-(aq) + H2O(aq) Al(NO3)3.9H2O(s) + H2O(aq) → [Al(H2O)6]3+(aq) + 3 NO3-(aq) + 4H2O(aq) NaOH(s) + H2O(aq) → Na+(aq) + 2 OH-(aq)+H+(aq)

Tahap 2: Ko-presipitasi [Cu(H2O)6]2+(aq) + OH-(aq) → Cu(OH)2(s)+ 6H2O(l) [Ce(H2O)6]3+(aq) + OH-(aq) → Ce(OH)3(s)+ 6H2O(l) [Al(H2O)6]3+(aq) + OH-(aq) → Al(OH)3(s)+ 6H2O(l) Tahap 3: Kalsinasi/pembentukan oksida logam Cu(OH)2(s) → CuO(s) + H2O(l) Ce(OH)3(s) → CeO2(s) + H2O(l) 2 Al(OH)3(s) → Al2O3(s) + 3H2O(l)

Karakterisasi Katalis dengan Metode Difraksi Sinar-X (XRD)

Pencitraan Morfologi Katalis Menggunakan Metode Scanning Electron Microscopy (SEM) Gambar SEM 2500 x

Gambar SEM 10.000 x

SEM-EDX

Penentuan Luas Permukaan Katalis dengan Metode BET Menggunakan alat: NOVA 1000 High Speed Gas Sorption Analyzer (Quantachrome Corporation)* Luas permukaan spesifik = 67,9273 m2/g Volume pori total = 48,081 x 10-3 cc/g Jari-jari pori rata-rata = 14,157 Angstrom

Uji Aktivitas Katalis Menggunakan Reaktor Mikro Skema reaktor Reformasi Kukus Metanol (SRM) Laboratorium Teknik Reaksi Kimia dan Katalisis, Program Studi Teknik Kimia ITB

Hasil Uji Aktivitas Katalitik Cu/CeO2/Al2O3 Data GC (Gas Chromatography)

Hasil Uji Aktivitas Katalitik

Kesimpulan dan Saran Kesimpulan 1. Dari interpretasi XRD,pada padatan yang disintesis terdapat puncak-puncak CuO, CeO2, dan Al2O3 2. Pengukuran Luas permukaan katalis dengan Metode BET menunjukkan katalis hasil sintesis memiliki Luas permukaan spesifik 67,9273 m2/g Volume pori total = 48,081 x 10-3 cc/g 3. Hasil pengukuran SEM-EDX menunjukkan komposisi oksida logam fasa aktif, promotor, penyangga tidak sesuai dengan komposisi yang dibuat.

4. Hasil uji aktivitas katalitik dengan reaktor SRM menunjukkan katalis Cu/CeO2/Al2O3 yang disintesis dalam penelitian ini memiliki aktivitas tinggi dan selektivitas CO yang rendah. Konversi metanol menjadi H2 pada T=300 0C mencapai 99,24% dan selektivitas pembentukan CO hanya 0,017%.

Saran Untuk penelitian selanjutnya, perlu diperhatikan: Kontrol reaksi sintesis juga diperlukan agar didapat kristalinitas padatan katalis CuO/CeO2/Al2O3 yang lebih tinggi. Kondisi/parameter reaksi sintesis agar diperoleh Luas permukaan spesifik yang lebih besar. Uji aktivitas katalitik dilakukan berulang agar diketahui kemungkinan konversi metanol mencapai ≈ 100 %

Referensi 1) Yanyong Liu,, Takashi Hayakawa, Tatsuo Tsunoda, Kunio Suzuki, Satoshi Hamakawa, Kazuhisa Murata, Ryuji Shiozaki, Tomoko Ishii, and Mikio Kumagai. (2003). Steam reforming of metanol over Cu/CeO2 catalysts studied in comparison with Cu/ZnO and Cu/Zn(Al)O catalysts. Topics in Catalysis Vol. 22, Nos. 3–4 2) Sanjay Patel, and K.K. Pant (2007). Hydrogen production by oxidative steam reforming of methanol using ceria promoted Cu/Al2O3 catalysts. Fuel Processing Technology 88: 825–832 3) Xin-Rong Zhang, et.al. (2005). A highly efficient Cu/ZnO/Al2O3 catalyst via gel-coprecipitation of oxalate precursors for low-temperature steam reforming of methanol. Catalysis Letters Vol. 102, Nos. 3–4, August 2005 4) S. Velu and K. Suzuki (2003). Selective production of hydrogen for fuel cells via oxidative steam reforming of methanol over CuZnAl oxide catalysts: effect of substitution of zirconium and cerium on the catalytic performance. Topics in Catalysis Vol. 22, Nos. 3–4, April 2003 5) S. Velu and K. Suzuki (2003). Selective production of hydrogen for fuel cells via oxidative steam reforming of methanol over CuZnAl oxide catalysts: effect of substitution of zirconium and cerium on the catalytic performance. 6) www.wikipedia.org/co-precipitation method

Ucapan Terima Kasih Dr. I Nyoman Marsih atas bimbingan dan nasehatnya Dr. Ir. IGBN Makertihartha, pemilik Reaktor SRM, Prodi Teknik Kimia ITB Dr. Ir. Subagjo, Ketua Laboratorium Teknik Kimia dan Katalisis, Prodi Teknik Kimia ITB Para partner kerja penulis (Ferdie Anson dan Wiwit KTH) Semua pihak yang telah membantu