Mikroskop mengungkap rahasia katalis

Sebuah teknik menjanjikan untuk mengamati katalis bekerja bisa memberikan pengetahuan baru tentang bagaimana katalis-katalis ini bekerja, demikian dilaporkan para ilmuwan di Belanda. Tim peneliti ini menggunakan mikroskop sinar-X untuk meneliti reaksi Fischer-Tropsch katalitik di dalam sebuah ruang reaksi yang dibuat khusus, dan mereka juga mengatakan teknologi ini semestinya dapat memberikan para ilmuwan pemahaman yang lebih besar tentang aktivitas katalitik, sehingga memungkinkan perancangan katalis-katalis yang lebih baik.

Katalis-katalis padat sangat banyak digunakan dalam industri kimia, dan mempercepat produksi berbagai senyawa penting. Katalis-katalis ini biasanya tersusun atas logam berukuran nano-meter atau partikel-partikel logam oksida, yang melekat pada sebuah pendukung padat dengan area permukaan yang tinggi.

Akan tetapi, katalis-katalis mengalami perubahan struktural dan kimiawi yang kompleks selama terjadinya reaksi − sehingga mengamati secara langsung katalis yang bereaksi bisa memberikan petunjuk yang bermanfaat untuk meningkatkan efisiensinya. Tetapi melakukan hal ini pada suhu dan tekanan yang umum digunakan dalam industri sejauh ini terbukti cukup sulit.

Sekarang, sebuah tim yang dipimpin oleh Frank de Groot dan Bert Weckhuysen di Universitas Utrecht di Belanda, bekerja sama dengan Lawrence Berkeley National Laboratory, US, telah mencapai hal ini dengan menggunakan sebuah ruang reaksi yang kecil. Penelitian ini merupakan penelitian pertama yang meneliti katalis heterogen yang sedang bekerja dalam skala-nano, kata tim tersebut.

Peta-peta kontur menunjukkan komposisi katalis (kiri) dan area-area dimana kebanyakan hidrokarbon dihasilkan (kanan)

Dalam "nanoreaktor" De Groot, reaksi terjadi antara dua jendela yang disketsa dengan ketebalan hanya 10nm. Desain ini memungkinkan sinar-X melewati reaksi dan di atas detektor, sehingga menghasilkan jepretan reaksi yang sedang berlangsung. Beberapa sinar-X diserap oleh katalis, pereaksi dan produk − energi mutlak yang diserap menunjukkan komposisi kimianya. Tim ini mampu menyelidiki permukaan-permukaan katalis sampai resolusi sekitar 40 nm.

"Ini memberikan kami peluang untuk meneliti perubahan-perubahan kimia yang terjadi dalam sebuah katalis saat sedang bereaksi, kata de Groot ke Chemistry World, sehingga menunjukkan bahwa resolusi ini cukup tinggi untuk memperhatikan masing-masing partikel katalis. "Ini berarti bisa memberikan banyak informasi bermanfaat kepada kita dalam skala-nano."

Salah satu reaksi yang diteliti tim ini adalah proses Fischer-Tropsch − dimana sebuah katalis padat dari partikel-partikel besi oksida yang melekat pada silika digunakan untuk mengonversi karbon monoksida dan hidrogen menjadi hidrokarbon cair yang bisa digunakan sebagai bahan bakar.

Tim de Groot dan Weckhuysen mereplikasi reaksi tersebut dalam nano-reaktor mereka dan menemukan bahwa selama reaksi, besi oksida mengalami beberapa transformasi. Besi oksida awal (Fe₂O₃) dikonversi menjadi oksida lain (Fe₃O₄), sebelum besi silikat (Fe₂SiO₄) dan besi metalik mulai terbentuk. Terakhir, besi karbida (Fe_xC_y) mulai tampak. Dengan mengkorelasikan susunan katalis di area-area berbeda dengan produk-produk organik yang sedang terbentuk, tim ini menunjukkan bahwa karbon berakumulasi dalam area yang kaya besi, dengan produk hidrokarbon terlepas dari metal menuju ke penopang silikon.

"Temuan ini menunjukkan potensi besar bagi katalis-katalis heterogen untuk dicitra secara in situ," papar Alexis Bell di Universitas California, Berkeley, Amerika Serikat. "Saya membayangkan bahwa proses ini tidak terbatas pada pengamatan partikel-partikel katalis, tetapi juga bisa digunakan dalam berbagai aplikasi lain, seperti pendeteksian kadar partikulat asal-udara yang bertanggung jawab bagi pembentukan hujan asam."

Kegunaan lain yang diusulkan mencakup pemantauan perubahan-perubahan struktural pada material-material simpanan hidrogen atau meneliti distribusi nanopartikel medis dalam sel. Tim ini mengatakan perkembangan di bidang optik dan metode pencitraan akan meningkatkan resolusi teknik ini.

(dikutip dari: Soetrisno, http://www.chem-is-try.org/?sect=artikel&ext=217)