Inovasi dalam Sintesis Amonia: Penerapan Logam Nitrida sebagai Katalisator Efisien

Amonia (NH₃) merupakan gas tak berwarna dan berbau khas yang sangat tajam. Senyawa ini terdiri dari satu atom nitrogen dan tiga atom hidrogen. Amonia merupakan senyawa yang memainkan peranan yang penting dalam beberapa industri seperti pupuk, bahan kimia, bahan peledak, plastik dan fiber, serta industri lainnya (Modak, 2002).

Salah satu metode dalam menyintesis amonia adalah melalui proses Haber-Bosch, dinamai dari ilmuwan Fritz Haber dan Carl Bosch yang mengembangkannya pada awal abad ke-20. Proses ini tidak hanya memungkinkan pembuatan amonia dalam skala besar, tetapi juga memainkan peran krusial dalam menyediakan sumber nitrogen untuk pupuk, yang mendukung pertumbuhan tanaman dan produksi pangan global. Haber menemukan cara untuk menyintesis amonia berskala besar dari unsur hidrogen dan gas nitrogen. Dengan menggunakan suhu tinggi (sekitar 500 ^oC), tekanan tinggi (sekitar 150-200 atm), dan katalis besi, Haber dapat memaksa gas nitrogen dan hidrogen yang relatif tidak reaktif untuk bergabung menjadi amonia (Modak, 2002). Namun, proses sintesis ini memerlukan katalis besi dan suhu operasi lebih dari 400 ^oC dan membutuhkan tekanan hingga ∼20 MPa untuk mendapatkan hasil paling banyak 30-40%. Selain itu, hasil amonia yang rendah telah menjadi masalah yang signifikan dalam proses Haber-Bosch. Jumlah amonia maksimum yang dihasilkan pada proses ini menurun dengan meningkatnya suhu reaksi. (Hattori dkk., 2023).

Oleh karena itu, diperlukan katalis baru yang dapat menggantikan katalis besi dalam proses sintesis amonia. Humphreys dkk. menyatakan ada beberapa katalis yang dapat berfungsi pada proses sintesis amonia, diantaranya adalah rutherium (Ru), kobalt (Co), nikel (Ni), dan logam nitrida. Diantara beberapa katalis, logam nitrida adalah katalis yang memiliki aktivitas katalitik yang sangat baik serta stabilitas yang sangat baik (Humphreys dkk., 2021).

Logam nitrida

Logam nitrida adalah senyawa kimia yang terdiri atas unsur logam dan nitrogen. Logam nitrida, seperti molibdenum nitrida (MoN₂) dan kobalt molibdenum bimetal nitrida (Co₃Mo₃N), telah menunjukkan harapan sebagai katalis untuk sintesis amonia. Li (2017) menemukan bahwa MoN₂ yang dilapiskan pada Fe merupakan katalis yang sangat efektif untuk proses ini, sementara Kojima dan Aika (2000; 2001) menunjukkan aktivitas dan stabilitas yang unggul dari Co₃Mo₃N yang dilapiskan pada Cs dalam sintesis amonia. Studi-studi ini secara kolektif menyoroti keuntungan potensial dari nitrida logam dalam aplikasi ini, termasuk aktivitas dan stabilitas yang tinggi. Nikel yang dilapisi oleh lantanum nitrida dapat memberikan stabilitas dan efisiensi yang tinggi untuk sintesis amonia (Ye dkk., 2020).

Gambar 1. Perbandingan struktur heksagonal antara grafit (kiri) dan boron nitrida, BN (kanan). (sumber: Zumdahl, 2008 )

Mekanisme reaksi

Ada beberapa mekanisme reaksi yang telah diusulkan. Namun, mekanisme yang telah diusulkan ini memiliki kesamaan dalam hal prinsipnya. Dua mekanisme yang telah diusulkan adalah mekanisme asosiasi dan disosiasi.

Pada Gambar 2 proses sintesis amonia melalui katalis Co/CeN memiliki dua rute. Salah satu rutenya adalah mekanisme asosiatif. Pada mekanisme asosiatif (rute 1) kisi nitrogen pada permukaan CeN akan bereaksi secara langsung dengan H* untuk membentuk NH3 dan meninggalkan area kosong untuk N pada permukaan CeN. Kemudian N₂ masuk kedalam area kosong pada permukaan CeN dan bereaksi kembali dengan H* sehinga tercipta siklus katalitik yang stabil untuk menciptakan NH₃.

Selain itu terdapat mekanisme lainnya, yaitu rute disosiatif (rute 2). Pada rute disosiatif Kisi nitrogen pada permukaan CeN akan bereaksi secara langsung dengan H* untuk membentuk NH₃ dan melepaskan elektron kembali ke area kosong untuk N yang mana memberikan fungsi kerja yang rendah dan menciptakan kisi penyumbang elektron yang tinggi pada CeNv. Kemudian N₂ dapat terdisosiasi oleh Co yang bermuatan negatif menjadi N yang kemudian akan bereaksi kembali dengan H* untuk membentuk NH3 dan membentuk siklus katalitik yang stabil untuk menciptakan NH₃ (Tian-Nan Ye dkk., 2021)

Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan kitano dkk. (2015) menunjukkan bahwa katalis logam nitrida dapat mempercepat proses pembentukan amonia dengan cara menurunkan energi untuk memutuskan ikatan senyawa nitrogen yang sangat kuat, sehingga menciptakan rute sintesis baru yag lebih efisien.

Kesimpulan

Amonia merupakan senyawa yang memainkan peranan yang penting dalam berbagai industri. Dalam proses sintesisnya diperlukan katalis yang dapat mengefisienkan proses pembentukan amonia. Pada proses Haber-Bosch digunakan katalis besi yang dapat menurunkan suhu untuk proses sintesis amonia. Namun, katalis besi dirasa masih kurang efisien untuk proses sintesis amonia, sehingga diperlukan katalis baru yang lebih efisien. Berdasarkan penelitan yang telah dilakukan, logam nitrida dapat menjadi katalis yang lebih baik dalam mengefisienkan proses sintesis amonia.

Daftar Pustaka

Modak, Jayant. (2002). Haber process for ammonia synthesis. Resonance. 7. 69-77. 10.1007/BF02836187.

Hattori, Masashi., Okuyama, Natsuo., Kurosawa, Hiyori. dan Hara, Michikazu. (2023). Low-Temperature Ammonia Synthesis on Iron Catalyst with an Electron Donor. Journal of the American Chemical Society 145 (14), 7888-7897, DOI: 10.1021/jacs.2c13015

Humphreys, J., Lan, R., & Tao, S. (2021). Development and Recent Progress on Ammonia Synthesis Catalysts for Haber–Bosch Process. Advanced Energy and Sustainability Research, 2(1). https://doi.org/10.1002/aesr.202000043

Zumdahl, S. S. (2008). nitride. Encyclopedia Britannica. Diakses pada 20 desember 2023 dari https://www.britannica.com/science/nitride

Li, Q., He, L., Sun, C., & Zhang, X. (2017). Computational Study of MoN2 Monolayer as Electrochemical Catalysts for Nitrogen Reduction. Journal of Physical Chemistry C, 121, 27563-27568.

Kojima, R., & Aika, K. (2000). Cobalt Molybdenum Bimetallic Nitride Catalysts for Ammonia Synthesis. Chemistry Letters, 2000, 514-515.

Kojima, R., & Aika, K. (2001). Cobalt molybdenum bimetallic nitride catalysts for ammonia synthesis: Part 1. Preparation and characterization. Applied Catalysis A-general, 215, 149-160.

Ye, T., Park, S., Lu, Y., Li, J., Sasase, M., Kitano, M., Tada, T., & Hosono, H. (2020). Vacancy-enabled N2 activation for ammonia synthesis on an Ni-loaded catalyst. Nature, 583, 391 – 395.

Ye, T. N., Park, S. W., Lu, Y., Li, J., Wu, J., Sasase, M., Kitano, M., & Hosono, H. (2021). Dissociative and Associative Concerted Mechanism for Ammonia Synthesis over Co-Based Catalyst. Journal of the American Chemical Society, 143(32), 12857–12866. https://doi.org/10.1021/jacs.1c06657

Biswas, A., Bhardwaj, S., Boruah, T., & Dey, R. S. (2022). Electrochemical ammonia synthesis: fundamental practices and recent developments in transition metal boride, carbide and nitride-class of catalysts. Materials Advances, 3(13), 5207–5233. https://doi.org/10.1039/d2ma00279e

Kitano, M., Kanbara, S., Inoue, Y., Kuganathan, N., Sushko, P. V., Yokoyama, T., Hara, M., & Hosono, H. (2015). Electride support boosts nitrogen dissociation over ruthenium catalyst and shifts the bottleneck in ammonia synthesis. Nature Communications, 6(April), 1–9. https://doi.org/10.1038/ncomms7731

.

.