Katalis

Menurut definisi, katalis adalah suatu senyawa kimia yang dapat mengarahkan sekaligus meningkatkan kinetika suatu reaksi (jika reaksi tersebut secara termodinamika memungkinkan terjadi). Namun senyawa tersebut (katalis) tidak mengalami perubahan kimiawi diakhir reaksi, dan tidak mengubah kedudukan kesetimbangan kimia dari reaksi.

Pentingnya katalis ditunjukkan oleh kenyataan bahwa lebih dari 75% proses produksi bahan kimia di industry, disintesis dengan bantuan katalis. Contoh proses kimia yang sangat penting misalnya sintesis metanol dari syngas (CO dan H₂) dikatalisis oleh ZnO/Cr₂O₃, dan reaksi water gas shift (WGS), CO + 2H₂O == CO₂ + H₂ dikatalisis oleh besi oksida atau oksida campuran Zn, Cu maupun Cr.

Teknologi katalis telah digunakan dalam industri kimia lebih dari 100 tahun lamanya dan penelitian serta pengembangan teknologi katalis telah menjadi semacam bidang kekhususan kimia.

Peran Katalis dalam khazanah energi reaksi, adalah menurunkan rintangan energi atau menurunkan besaran energi aktifasi sebuah reaksi melalui aneka mekanisme fisikawi maupun kimiawi.

Berikut adalah komponen inti katalis menurut derajat kepentingannya:

1. Selektifitas

Adalah kemampuan katalis untuk memberikan produk reaksi yang diinginkan (dalam jumlah tinggi) dari sekian banyak produk yang mungkin dihasilkan. Produk yang diinginkan tadi sering disebut sebagai yield sedangkan banyaknya bahan baku yang berhasil diubah menjadi aneka produk dikatakan sebagai konversi.

Yield = %selektifitas x konversi

2. Stabilitas

Kemampuan sebuah katalis untuk menjaga aktifitas, produktifitas dan selektifitasnya dalam jangka waktu tertentu

3. Aktifitas

Kemampuan katalis untuk mengubah bahan baku menjadi produk atau aneka produk yang diinginkan (lebih dari satu).

Aktifitas = massa (kg) bahan baku yang terkonversi/(kg atau liter katalis x waktu)

atau

Konversi, yaitu persentase dari bahan baku menjadi aneka produk.

atau

TON (turnover Number), yaitu banyaknya molekul yang bereaksi/(waktu, misalnya detik x setiap situs aktif)

Tiga metode untuk mengukur aktifitas katalis

1. Aktifitas dapat dinyatakan dalam konsep kinetika. Aktifitas dapat dinyatakan dari pengukuran kecepatan reaksi dalam jangkauan tertentu, suhu dan konsentrasi. Kecepatan reaksi, r, dihitung sebagai kecepatan perubahan sejumlah zat, nA dari reaktan A persatuan waktu dan per satuan volume (atau per satuan massa) katalis, sehingga r ini memiliki unit mol L^-1 h^-1 atau mol kg^-1 h^-1.

2. Aktifitas dapat pula dinyatakan oleh turnover number (TON) yang didefinisikan sebagai banyaknya molekul reaktan yang terlibat dalam reaksi tiap situs aktif dan tiap detik.

3. Dalam prakteknya, sebagai perbandingan aktifitas, ukuran-ukuran berikut ini dapat pula digunakan:

a. Konversi dalam kondisi reaksi tetap
b. Space velocity untuk konversi tetap yang tertentu
c. Space-time yield
d. Suhu yang dibutuhkan untuk suatu konversi tertentu

Pengelompokan katalis

Perlu diingat bahwa yang dimaksud katalis homogen artinya adalah katalis yang memiliki atau bisa membentuk satu fasa dengan reaktan dan pelarutnya (misal fasa cair-cair pada sistem katalis asam untuk reaksi esterifikasi).  Sedangkan katalis heterogen tidak memiliki fasa yang sama dengan reaktan maupun pelarut (misalnya fasa padat-cair pada sistem katalis zeolit untuk perengkahan hidrokarbon).

 

Tipe katalis
Katalis homogen	Katalis homo-heterogen	Katalis heterogen
Katalis asam/basa	Biokatalis (enzim)	Bulk katalis (alloy logam)
Kompleks logam transisi	Fungsional nanopartikel	Katalis yang diemban

Perbandingan elemen katalis homogen dan heterogen

Elemen Katalis	Homogen	Heterogen
Efektifitas
Pusat aktif	Semua atom yang memiliki reaktifitas	Hanya atom-atom pada permukaan partikel
Konsentrasi yang dibutuhkan	Rendah	Tinggi
Selektifitas	Tinggi	Lebih rendah
Masalah difusi	Secara praktis tak ada (kinetika mengendalikan jalannya reaksi)	Ada (perpindahan massa mempengaruhi jalannya reaksi)
Kondisi reaksi	Lembut (50 – 200 oC)	Parah (sering > 250 oC)
Penggunaan	Tertentu/spesifik	Luas
Potensi kehilangan aktifitas	Bereaksi kembali dengan produk (pembentukan klaster) dan keracunan	Kristal logam mengalami sintering, keracunan, coking, fouling, migrasi uap metal pada suhu tinggi
Sifat katalis
Struktur/stoikiometri	Mudah ditentukan	Sulit ditentukan
Kemungkinan modifikasi	Tinggi	Rendah
Daya tahan suhu	Rendah	Tinggi
Tehnik pemisahan katalis	Seringkali rumit (distilasi, ekstraksi, dekomposisi kimiawi)	Suspensi, filtrasi (sistem slurry)  Tidak perlu pemisahan (sistem fixed-bed)
Kemungkinan daur ulang katalis	Bisa dilakukan	Tidak perlu (fixed-bed)  Mudah (suspensi atau slurry)
Potensi kehilangan katalis	Tinggi	Rendah

Kelemahan katalis

Alangkah indahnya bila sebuah reaksi kimia tidak membutuhkan katalis agar bisa berlangsung. Tapi kenyataannya jenis reaksi seperti ini jarang ditemui. Keberadaan katalis dalam campuran reaksi kimia tentu saja memberikan masalah tersendiri. Di industri kimia, masalah terutama berkaitan dengan pemisahan (separation), daur ulang (recycle), usia (life time), dan deaktifasi katalis, merupakan isu-isu penting.

Problem pemisahan katalis dari zat pereaksi maupun produk, lebih sering ditemui pada sistem katalis homogen. Karena katalis homogen larut dalam campuran, pemisahan tidak cukup dilakukan dengan penyaringan atau dekantasi. Teknik yang umum digunakan adalah destilasi atau ekstraksi produk dari campuran, misalnya katalis asam-basa pada reaksi esterifikasi biodiesel dipisahkan dengan ekstraksi, kemudian campuran sisa reaktan-katalis yang tertinggal dialirkan lagi menuju bejana reaksi. 

Namun demikian, ada beberapa katalis istimewa dari senyawa komplek logam yang didesain sedemikian rupa, sehingga bisa terpisah atau mengendap setelah reaksi tuntas. Kasus pemisahan untuk katalis heterogen lebih mudah ditanggulangi karena sudah terpisah dengan sendirinya tanpa membutuhkan usaha lain.

Daur ulang dan usia katalis memiliki kaitan. Selama bisa dipisahkan, katalis homogen boleh dikatakan tetap aktif dan memiliki usia yang sangat panjang bahkan nyaris tak terhingga dan bisa digunakan berulang-ulang. Nyawa katalis homogen mungkin tamat, jika mengalami deaktifasi akibat teracuni atau perubahan struktur, akibat proses ektrim.

Katalis heterogen memiliki takdir berbeda. Sering kali katalis heterogen harus diaktifasi dulu sebelum siap digunakan, misalnya dengan jalan direduksi atau dioksidasi. Setelah mengalami proses reaksi berkali-kali, kereaktifan katalis tersebut pelan-pelan menurun akibat perubahan mikrostruktur maupun kimianya, misal terjadi penggumpalan (clustering), migrasi partikel aktif membentuk kristal baru (sintering), oksidasi, karbonisasi, maupun teracuni (poisoned).

Untuk mengembalikan reaktifitas katalis heterogen perlu dilakukan regenerasi dengan cara, misalnya kalsinasi, reduksi-oksidasi kembali, atau pencucian dengan larutan aktif. Seringkali proses regenerasi tidak dapat mengembalikan 100% kereaktifan katalis, sehingga pada saatnya nanti katalis tersebut akhirnya mati juga dan perlu diganti yang baru.