Bahan berpori banyak digunakan dalam katalisis, pemisahan, dan bidang energi karena luas permukaan spesifiknya yang tinggi dan struktur pori yang dapat diatur. Diantaranya, alumina berpori, dengan stabilitas termal yang sangat baik, kelembaman kimia, dan biaya rendah, telah menjadi salah satu pendukung katalis dan bahan templat yang paling penting. Kontrol yang tepat atas strukturnya sangat penting untuk meningkatkan kinerja teknologi terkait.
Alumina berpori adalah bahan alumina dengan area-permukaan-tinggi yang memiliki banyak pori-pori kecil yang memberikan peningkatan luas permukaan dan lokasi reaksi untuk reaksi kimia dan adsorpsi. Ini umumnya digunakan dalam katalis, adsorben, bahan pemisah, pengisi, pendukung, dan aplikasi lainnya. Ukuran pori dan distribusi porinya dapat dikontrol melalui berbagai metode persiapan untuk memenuhi beragam kebutuhan aplikasi.
Metode Pembuatan Alumina Berpori
Metode umum untuk menyiapkan alumina berpori mencakup presipitasi, sintesis hidrotermal, pemrosesan sol-gel, metode emulsi, metode elektrolitik, templat keras, dan templat lunak. Dalam penerapan yang berbeda, metode ini umumnya menggunakan surfaktan untuk membentuk misel sebagai cetakan untuk sintesis bahan mesopori yang terarah, meskipun masing-masing metode memiliki fokus spesifiknya sendiri.
Metode Curah Hujan
Metode pengendapan melibatkan penambahan pengendap ke sumber aluminium anorganik dan penyesuaian kondisi seperti konsentrasi reaktan, pH, mode pengadukan, dan pelarut pencuci untuk mensintesis alumina berpori dengan morfologi tertentu. Sumber aluminium yang umum digunakan meliputi aluminium sulfat, aluminium nitrat, aluminium klorida, dan hidratnya. Pengendap yang umum termasuk air amonia, natrium hidroksida, amonium karbonat, amonium bikarbonat, dan amonium hidroksida. Setelah penuaan, pengeringan, dan kalsinasi, diperoleh alumina berpori dengan morfologi yang diinginkan.
Metode Hidrotermal
Metode hidrotermal melibatkan penempatan larutan campuran ke dalam reaktor tertutup dan memanfaatkan lingkungan-bersuhu dan-tekanan tinggi untuk mendorong pelarutan dan rekristalisasi zat yang sedikit larut atau tidak larut. Dengan mengontrol waktu reaksi, suhu, dan komposisi reaktan, bahan alumina berpori dengan ukuran pori, porositas, dan ketebalan dinding yang berbeda dapat dibuat. Morfologi alumina berpori yang disintesis secara hidrotermal berkaitan erat dengan suhu air, tekanan, konstanta dielektrik, viskositas, dan koefisien difusi larutan.
Sol-Metode Gel
Metode sol-gel melibatkan pemanasan dan pencampuran garam aluminium dan larutan garam amonium untuk terlebih dahulu mendapatkan sol-gel prekursor, diikuti dengan pencucian alkohol, penuaan, pengeringan, dan kalsinasi untuk mensintesis alumina berpori. Garam aluminium yang umum termasuk aluminium nitrat, aluminium klorida, dan hidratnya. Selama persiapan, kontrol yang cermat terhadap pH dan konsentrasi larutan campuran diperlukan untuk mendapatkan bubuk alumina berpori dengan kemurnian tinggi yang terdispersi secara merata.
Metode Templat Keras
Metode templating keras melibatkan pengisian bahan prekursor ke dalam templat padat, diikuti dengan proses seperti pelarutan, ekstraksi, filtrasi, pengeringan, dan kalsinasi untuk mensintesis alumina berpori. Templat keras yang umum digunakan meliputi silika, karbon mesopori terurut, serat, mikrosfer polimer, dan lain-lain.
Metode Templating Lembut
Templat lunak menggunakan interaksi antarmolekul atau intramolekul (misalnya, ikatan hidrogen dan gaya elektrostatis) untuk membentuk agregat (kristal cair, vesikel, misel, mikroemulsi,-film yang dirakit sendiri, dll.) dengan fitur struktural tertentu selama reaksi. Reaktan menggunakan agregat ini sebagai templat untuk menghasilkan partikel dengan morfologi dan struktur tertentu. Templat lunak yang umum digunakan meliputi kopolimer blok, polimer, surfaktan, zat pengompleks, dan gelembung. Dibandingkan dengan hard template, metode soft template lebih sederhana dan lebih langsung dalam penghapusan template serta menawarkan jenis template yang lebih beragam.
Di antara metode-metode tersebut, metode presipitasi menghasilkan alumina berpori dengan biaya rendah, namun ukuran pori dan distribusinya sulit dikendalikan, sehingga membatasi penerapannya untuk menyiapkan alumina berpori dengan ukuran dan distribusi pori tertentu. Metode hidrotermal mudah dioperasikan, memerlukan waktu reaksi yang singkat, dan menawarkan ukuran dan distribusi pori yang dapat disesuaikan, namun kelemahannya mencakup kesulitan dalam mengontrol morfologi produk dan memerlukan kondisi-tekanan tinggi. Metode sol-gel menghasilkan alumina berpori dengan ukuran dan distribusi pori yang dapat disesuaikan, luas permukaan spesifik yang tinggi, dan porositas yang tinggi, namun proses pembuatannya relatif rumit dan memerlukan waktu reaksi yang lama. Metode templat keras menawarkan ukuran pori dan distribusi produk yang dapat dikontrol, namun kelemahannya mencakup perlunya langkah-langkah penghapusan templat dan sulitnya mendaur ulang bahan templat. Metode templating lunak menghasilkan alumina berpori dengan struktur kristal yang relatif teratur, saluran pori yang saling berhubungan, ketebalan dinding yang seragam, kemampuan regenerasi dan penguraian, kontrol yang tepat terhadap ukuran pori dan morfologi pori, serta stabilitas dan reproduktifitas yang baik, sehingga cocok untuk produksi skala besar-.
Fase Kristal Alumina
Alumina adalah bahan anorganik yang murah dan banyak digunakan dengan struktur kompleks dan beberapa fase kristal, seperti -Al₂O₃, -Al₂O₃, -Al₂O₃, δ-Al₂O₃, θ-Al₂O₃, η-Al₂O₃, κ-Al₂O₃, χ-Al₂O₃, dan ρ-Al₂O₃.
Alumina berpori adalah bahan anorganik dengan stabilitas kimia dan termal yang sangat baik, biasanya diperoleh dengan memanaskan-aluminium hidroksida pada suhu tertentu. Struktur kristalnya mengalami transformasi teratur seiring dengan meningkatnya suhu perlakuan panas, dan fase kristal yang berbeda menunjukkan perbedaan yang signifikan dalam sifat fisikokimia dan struktur makroskopis.
-Al₂O₃
-Al₂O₃ memiliki sistem kristal trigonal dan juga dikenal sebagai korundum. Ia memiliki energi kisi yang tinggi dan merupakan fase paling stabil di antara semua polimorf alumina. Akibatnya, ia menunjukkan sifat fisikokimia yang sangat baik seperti tahan asam, tahan alkali, tahan panas, kekerasan tinggi, dan kekuatan tinggi, dan banyak digunakan dalam keramik, pelapis pelindung permukaan, refraktori, katalis dan pendukung katalis, bahan optik, dan bidang lainnya.
-Al₂O₃
Dalam penerapan alumina berpori, -Al₂O₃, sebagai "alumina aktif", adalah fase yang paling banyak digunakan. Fase ini tidak hanya memiliki struktur pori yang berkembang dengan baik, kekuatan mekanik yang baik, dan lokasi asam yang sesuai, namun juga menunjukkan kinerja peptisasi yang sangat baik dalam kondisi asam. Oleh karena itu, bahan ini sangat diperlukan dalam proses industri seperti penyulingan minyak bumi dan sintesis Fischer–Tropsch, menjadikannya bahan kimia dasar yang sangat bernilai dan-bernilai-tambah tinggi.
Sebagai pendukung katalis utama, -Al₂O₃ memengaruhi kinerja reaksi katalitik terutama melalui dua aspek karakteristik strukturalnya. Pertama, kekuatan interaksi antara pendukung dan komponen aktif secara langsung mempengaruhi keadaan dispersi dan struktur elektronik komponen aktif di permukaan. Kedua, struktur pori pendukung itu sendiri menentukan perpindahan massa dan efisiensi difusi reaktan dan produk. Bersama-sama, kedua faktor ini menentukan efisiensi reaksi katalis secara keseluruhan.
ρ-Al₂O₃
ρ-Al₂O₃, karena strukturnya yang hampir-amorf yang unik, dapat berfungsi sebagai komponen dasar refraktori berkinerja tinggi dan sebagai pendukung dalam reaksi hidrogenasi selektif asetilena. Ini adalah bahan pengikat canggih yang dikembangkan selama dekade terakhir dan telah diterapkan secara luas karena sifat-sifatnya yang sangat baik. Semen ini menawarkan ketahanan suhu tinggi, ketahanan korosi, dan stabilitas volume yang unggul dibandingkan semen kalsium aluminat murni, sehingga menjadikannya pengganti yang baik untuk semen kalsium aluminat murni. Pada suhu tinggi, ia berubah menjadi -Al₂O₃. Penambahan ρ-Al₂O₃ berfungsi sebagai pengikat dan oksida tahan api bermutu tinggi, dengan keuntungan yang jelas.
δ-Al₂O₃
δ-Al₂O₃ memiliki nilai khusus dalam pemisahan adsorpsi dan persiapan katalis karena karakteristik permukaannya yang unik.
κ-Al₂O₃
κ-Al₂O₃, dengan ukuran butiran halus dan distribusi ukuran pori terkonsentrasi, telah menemukan aplikasi penting dalam refraktori canggih dan keramik struktural.
Selain itu, di antara alumina transisi, η-Al₂O₃ dan -Al₂O₃ keduanya termasuk dalam sistem kristal kubik dan memiliki parameter struktur pori yang serupa, namun alumina transisi memiliki kepadatan situs asam Lewis permukaan yang lebih tinggi, sehingga menunjukkan kinerja katalitik yang unggul dalam reaksi yang dikatalisis asam seperti dehidrasi metanol menjadi dimetil eter.