Aplikasi Katalis Heterogen dalam Kehidupan: Peranan Pt-Rh-Pd/-Al2O3 sebagai Catalytic Converter Gas Buang pada Kendaraan Bermotor

Katalis heterogen merupakan katalis yang memiliki fasa yang berbeda dengan reaktannya. Salah satu peranan katalis heterogen adalah Pt-Rh-Pd/-Al2O3 sebagai katalis converter gas buang pada kendaraan bermotor. Catalytic converter merupakan alat yang digunakan sebagai kontrol emisi gas buang yang diletakkan setelah exhaust manifold pada sistem pembuangan kendaraaan bermotor (Husselbee, 1985). Katalis automotive ini pertama kali didesain pada tahun 1975 di US yang bertujuan untuk mengurangi polusi udara dengan cara mengkonversi gas karbonmonoksida (CO), nitrogen oksida (NOx) dan hidrokarbon (HC) yang merupakan gas buang dari reaksi pembakaran bahan bakar yang tidak sempurna (Shelef, 2000).

Gas karbonmonoksida (CO), nitrogen oksida (NOx) dan kidrokarbon (HC) dalam gas buang kendaraan sangat merugikan manusia. Adanya gas CO dapat mengurangi kadar oksigen dalam darah karena CO akan lebih mudah bereaksi dengan hemoglobin (Hb) yang mengakibatkan kemampuan darah untuk mentransfer oksigen berkurang. Gas HC dapat menyebabkan iritasi mata, batuk, rasa engantuk dan bercak kulit. Sedangkan gas NOx dapat mengganggu sistem pernafasan dan merusak paru-paru. NOx juga dapat bereaksi dengan air membentuk hujan asam dan sangat berbahaya bagi lingkungan (Hardianto, 1998).

Secara umum, untuk menanggulangi polutan yang dikeluarkan oleh motor pembakaran dalam (internal combustion engine) ada tiga cara. Pertama, sebelum pembakaran. Kedua, di dalam proses pembakaran, dan ketiga, setelah pembakaran, yaitu perlakuan pada gas produk pembakaran di sistem pembuangan (exhaust gas aftertreatment). Aplikasi pada perlakuan terhadap gas buang kendaraan bermotor yaitu dengan pemasangan catalytic converter pada saluran gas buangnya. Kebanyakan para peneliti menggunakan logam-logam mulia sebagai katalis, seperti Platinum (Pt), Rhodium (Rh), dan Palladium (Pd). Logam-logam mulia tersebut mempunyai aktifitas spesifik yang tinggi sehingga menghasilkan konversi yang besar (Shelef, 2000). Platinum (Pt), Rhodium (Rh), dan Palladium (Pd) didukung oleh -Al2O3 yang berfungsi sebagai media penyimpan oksigen. Pt-Rh-Pd/-Al2O3 disintesis dengan cara impregnasi -Al2O3 yang telah dikalsinasi dengan campuran larutan Pt-Rh-Pd, kemudian dikeringkan pada 283 K selama 2 jam dan dikalsinasi pada 773 K selama 4 jam (Luo, 2006).

Gas buang kendaraan bermotor yang dilepaskan melalui katub buang akan terkonversi menjadi gas yang ramah lingkungan pada temperatur 600 sampai 800 ¬°C. Pada penelitian yang lain, diketahui bahwa reaksi oksidasi CO menjadi CO2 dan reduksi NOx menjadi N2 tidak dapat berlangsung di bawah 500 °C tanpa adanya katalis. Apabila reaksi tersebut ditambahkan katalis Pt maka reaksi dapat berlangsung pada suhu kerja optimum sekitar 300 °C, di mana gas CO dapat teroksidasi menjadi CO2 dengan nilai konversi di atas 83% dan NOx dapat tereduksi menjadi N2 dengan nilai konversi di atas 97% (Buinevicius, 2008) .

Terdapat beberapat tahapan pada catalytic converter, yang pertama adalah reaksi reduksi. Catalytic converter menggunakan platina dan rhodium sebagai katalis logam pada reaksi reduksi. Ketika gas NOx (NO atau NO2) masuk ke dalam catalytic converter, katalis logam akan mengadsorpsi dan menyimpan atom Nitrogen dan membebaskan oksigen dalam bentuk gas Oksigen (O2). Atom Nitrogen yang tersimpan akan bereaksi dengan atom nitrogen lainnya yang teradsorpsi pada katalis membentuk gas Nitrogen (N2). Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:

2NO = N2 + O2 atau 2 NO2 = N2 + 2O2

Tahap kedua yang terjadi pada catalytic converter adalah reaksi oksidasi. Katalis logam yang digunakan catalytic converter untuk reaksi oksidasi adalah Platina atau Paladium. Katalis logam tersebut membantu proses pengubahan emisi gas buang seperti gas Karbon Monoksida (CO) dan sisa hidrokarbon menjadi gas karbondioksida (CO2). Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:

2 CO + O2 = 2CO2 atau HC + xO2 = CO2 + yH2O

Tahap ketiga adalah sistem kontrol yang mengawasi aliran gas buang pada catalytic converter. Informasi yang didapatkan pada sistem kontrol digunakan untuk mengatur perbandingan laju alir udara terhadap bahan bakar yang masuk ke ruang pembakaran. Sistem kontrol memungkinkan catalytic converter bekerja sedekat mungkin dengan titik stoikiometri (Farrauto, 1999) .

Mekanisme reaksi rektan (CO, HC dan NOx) pada permukaan katalis mengikuti mekanisme tipe Langmuir-Hinselwood, di mana masing-masing reaktan akan teradsorpsi pada permukaan katalis membentuk pusat aktif, kemudian kedua pusat aktif bereaksi pada permukaan menghasilkan produk yang selanjutnya didesorpsi, sebagai contoh adalah reaksi CO dan O2 pada permukaan katalis Pt menghasilkan molekul CO2 seperti yang terlihat pada Gambar di bawah ini (Ertl, 2008) .

Mekanisme Adsorpsi CO pada Permukaan Katalis Pt

**Sumber:

1. Husselbee, W.L., 1985, Automotive Cooling Exhaust, Fuel and Lubricating Systems. A Prentice Hall Company, Reston, Virginia.
2. Shelef, M., dan McCabe, R.W., 2000, Twenty-Five Years after Introduction of Autometive Catalysts: What Next?, Catalysis Today, Vol 62, 35-50
3. Hardianto, T. dkk., 1998, Pengembangan Metode dan Penyusunan Standar Uji Dinamik Polusi Gas Buang Kendaraan Bermotor untuk Kondisi Indonesia. Laporan Tahun Pertama Penelitian Hibah Bersaing VI/I Tahun 1997/1998. ITB, Bandung
4. Luo, L., Gu, Z., dan Gu, J., 2006, The Influence of Transition Metals on The Performance of Pt-Rh-Pd/ -Al2O3, Three Way Catalysts for Purification of Automotive Exhaust Gas, Chemical Society of Ethiopia, Vol 20, 113-120
5. Buinevicius, K., dan Melkunas, R., 2008, Catalytic Reduction Of NOx And CO Emissions From Boilers, Faculty of Environmental Engineering, Vilnius Gediminas Technical University
6. Farrauto, R., dan Heck, R., 1999, Catalytic Converter:State of Art and Perspective, Catalysis Today, Vol 51, 351-360
7. Ertl, G., 2008, Molecules at Surfaces and Mechanism of Catalysis, Fritz Haber Institut der Max Planck Gesellschaft, Berlin, Germany