Bagaimana mungkin sedikit nikel bisa bekerja sebaik katalis yang jumlah nikelnya sepuluh kali lebih banyak? Jawabannya ternyata bukan sekadar soal “berapa banyak” nikel yang dipakai, melainkan seperti apa susunan atomnya ketika reaksi sedang berlangsung.
Temuan ini datang dari tim ilmuwan China dan kolaborator internasional yang dipimpin Prof. Tao Zhang, Aiqin Wang, dan Xiaoyan Liu dari Dalian Institute of Chemical Physics (DICP), Chinese Academy of Sciences. Dalam studi yang terbit di Nature Catalysis, mereka mengamati proses pengubahan metana menjadi gas sintesis—campuran karbon monoksida (CO) dan hidrogen (H2)—melalui reaksi yang disebut oksidasi parsial metana atau POM.
Tim itu membuat katalis berbahan nikel hanya dengan kandungan 0,8 persen berat, lalu menempelkannya pada aluminium oksida. Hasilnya mengejutkan: katalis tersebut mampu mengonversi 92 persen metana. Selektivitas terhadap CO dan H2 mencapai 87 persen, dengan rasio H2/CO stabil di sekitar 2,0.
Performa ini sebanding dengan katalis yang mengandung 8,0 persen nikel—padahal jumlah nikelnya hanya sepersepuluh. Katalis 0,8 persen yang dibuat dengan metode lain bahkan tidak efektif menjalankan POM dan lebih banyak membakar metana sepenuhnya.
Lalu, apa rahasianya? Para peneliti menemukan bahwa partikel nikel logam yang ada di awal reaksi cepat berubah menjadi nikel oksida, atau NiO. Namun NiO biasa ternyata juga bukan “jagoan” sebenarnya. Katalis NiO murni hanya mendorong pembakaran metana, bukan menghasilkan gas sintesis secara efektif.
Dengan pengamatan langsung selama reaksi berlangsung, tim menangkap terbentuknya susunan atom baru di permukaan NiO. Susunan ini disebut unit struktural [Ni1O4Ni4]. Bayangkan permukaan katalis seperti lantai tegel. Saat reaksi berjalan, beberapa “tegel” atom bergeser dan membentuk pola baru—dan pola kecil itulah yang justru menjadi lokasi kerja paling aktif.
Perhitungan teori fungsi kerapatan (DFT), metode untuk memperkirakan perilaku atom dan energi reaksi, menunjukkan bahwa struktur baru ini jauh lebih mudah memutus ikatan C-H pada metana. Hambatan energinya hanya 12,5 kilokalori per mol, lebih rendah daripada permukaan NiO biasa sebesar 38,5 dan nikel logam sebesar 15,7.
Jadi, katalis bukan selalu benda yang strukturnya tetap. Dalam kasus ini, “mesin” terbaiknya justru lahir saat reaksi berlangsung. Temuan ini menunjukkan bahwa sedikit logam bisa sangat kuat jika atom-atomnya menemukan susunan yang tepat—seperti tim kecil yang bekerja lebih efektif setelah berada dalam formasi terbaik.
***
DISCLAIMER: Sebagian proses pengolahan artikel ini dibantu oleh teknologi AI. Pembaca disarankan memverifikasi kembali data dan informasi melalui sumber resmi atau sumber primer
Sumber: ScienceDaily
