Perpustakaan Digital ITB

Metana merupakan salah satu gas alam yang melimpah di Bumi dan memiliki banyak manfaat namun juga merupakan salah satu gas rumah kaca. Pemanfaatan metana yang lain adalah dengan mengubahnya menjadi metanol. Keuntungan utama metanol adalah bentuknya yang cair sehingga mudah untuk diangkut. Pada industri, perubahan metana ke metanol harus melewati pembentukan gas sintesis terlebih dahulu yang membutuhkan energi intensif, dengan temperatur reaksi dapat mencapai 1000oC. Alternatif lain adalah dengan langsung mengoksidasi metana menjadi metanol. Pada oksidasi parsial langsung, temperatur reaksi yang dibutuhkan jauh lebih rendah, yaitu 300-500oC. Namun, pada reaksi ini, metanol yang dihasilkan jauh lebih rendah. Untuk mengatasi hal itu, perlu digunakan katalis. Terdapat berbagai jenis katalis, salah satu yang banyak dipakai adalah zeolit. Zeolit merupakan sebuah mineral alumino-silikat, dengan jumlah kerangka yang diketahui sangat banyak, mencapai 200 kerangka. Sudah banyak eksperimen yang memakai zeolit sebagai katalis dalam mengubah metana menjadi metanol. Pada eksperimen, biasanya diubah beberapa parameter seperti jenis zeolit, rasio Si/Al, atau parameter lainnya seperti rasio Al/Cu. Salah satu hal lain yang diperhatikan adalah situs aktif pada zeolit, yang merupakan tempat perubahan metana menjadi metanol. Pada zeolit berbasis tembaga, situs aktif ini setidaknya dapat dikelompokkan berdasarkan banyaknya tembaga dalam satu situs. Sebelumnya, diperkirakan tembaga yang lebih banyak dalam satu situs dapat memperbanyak metanol yang dihasilkan. Tetapi, penelitian eksperimen terakhir menunjukkan bahwa situs dengan satu tembaga, [CuOH]+, memiliki energi aktivasi metana yang lebih rendah dibandingkan dengan situs dua tembaga, [Cu-O-Cu]2+. Terdapat penelitian komputasi sebelumnya yang juga memberikan bagaimana reaksi metana dapat berubah menjadi metanol pada situs [CuOH]+, tetapi hasil energi aktivasi penelitian ini jauh lebih tinggi dibandingkan dengan eksperimen, dan mekanismenya masih terdapat spekulasi. Belum ada pemahaman teori yang utuh bagaimana metana dapat berubah menjadi metanol pada situs aktif [CuOH]+. Dengan adanya pemahaman teori yang lebih utuh, dapat didesain katalis yang lebih baik dalam mengubah metana ke metanol. Pada penelitian ini akan digunakan metode komputasi dengan parameter yang lebih umum dipakai dan lebih banyak konsiderasi struktur. Konsiderasi tersebut mencakup dua mekanisme reaksi pemutusan ikatan, yaitu homolitik dan heterolitik, serta dua jalur mekanisme reaksi yang dapat terjadi, dengan melibatkan air dan dengan melibatkan situs non-aktif Cu2+. Struktur-struktur yang didapatkan dianalisis secara termodinamika dan kinetika. Hasil kinetika yang didapatkan kemudian dapat dibandingkan dengan hasil eksperimen untuk mengonfirmasi kebenaran kalkulasi. Teori fungsional kerapatan digunakan pada studi ini untuk kalkulasi. Terdapat dua bagian besar tahapan kalkulasi, yaitu kalkulasi optimasi struktur-struktur yang diprediksi, serta kalkulasi struktur transisi menggunakan metode climbing image nudged elastic band. Hasil menunjukkan jalur mekanisme reaksi yang melibatkan air tidak dapat membentuk metanol. Hal ini disebabkan oleh energi sistem yang sangat endotermik pada pembentukan H2, membuat sistem tidak stabil. Di sisi lain, jalur mekanisme reaksi yang melibatkan situs non-aktif Cu2+ dapat mengubah metana menjadi metanol. Situs non-aktif Cu2+ dan situs aktif [CuOH]+ dimuat dalam satu cincin 12-membered ring, dan terbentuknya situs bergantung dengan lokasi Al. Pada jalur tersebut, situs aktif mengaktivasi metana dengan energi aktivasi sebesar 0,26 eV dengan pemutusan homolitik. Hasil energi ini sebanding dengan hasil laporan eksperimen, yaitu 0,34 ? 0,10 eV. Peran situs non-aktif Cu2+ dalam reaksi adalah untuk mengakomodasi atom H dari situs aktif [CuOH]+. ?