Terobosan Material Baru Mengubah Minyak Berat Menjadi Bahan Bakar Bernilai Tinggi
ZMQ-1, zeolit aluminosilikat baru dengan saluran meso-mikropori yang saling berhubungan, mengatasi keterbatasan zeolit tradisional dengan meningkatkan stabilitas dan efisiensi katalitik.
Para peneliti telah mengembangkan zeolit aluminosilikat inovatif, ZMQ-1, yang dirancang dengan sistem saluran meso-mikropori berpotongan yang khas. Inovasi ini siap untuk meningkatkan proses katalitik secara signifikan dalam industri petrokimia.
Diterbitkan di Alampenelitian ini menghadirkan ZMQ-1 sebagai zeolit aluminosilikat pertama yang menampilkan mesopori 28 cincin intrinsik yang saling berhubungan. Terobosan ini mengatasi tantangan lama dalam desain zeolit, termasuk keterbatasan ukuran pori, stabilitas, dan efisiensi katalitik.
Desain ZMQ-1
Zeolit adalah bahan kristal yang terkenal karena aplikasinya dalam pertukaran ion, adsorpsi, dan katalisis. Namun, struktur mikroporinya membatasi penggunaannya dalam pemrosesan molekul yang lebih besar. Para peneliti telah mengatasi keterbatasan ini dengan mengembangkan zeolit dengan mesopori intrinsik—pori-pori yang lebih besar dari 20 Å—dengan tetap menjaga stabilitas dan keasaman.
Upaya sebelumnya untuk membuat zeolit mesopori menghadapi tantangan seperti ketidakstabilan struktural dan berkurangnya keasaman, sehingga tidak cocok untuk aplikasi industri. Namun, ZMQ-1 yang baru dikembangkan telah menunjukkan potensi untuk mengatasi masalah ini.
Para peneliti menggunakan agen pengarah struktur organik (OSDA) berbasis fosfonium, yang berperan penting dalam membentuk kerangka mesopori. Dibandingkan dengan OSDA berbasis amonium tradisional, OSDA berbasis fosfonium ini memiliki muatan positif yang lebih kuat dan stabilitas yang lebih besar, memungkinkan sintesis struktur mesopori yang stabil. Kristalisasi ZMQ-1 dicapai melalui sintesis hidrotermal dengan rasio silikon-aluminium (Si/Al) yang dapat disesuaikan, memungkinkan penyesuaian dalam aplikasi spesifik.
“ZMQ-1 adalah zeolit aluminosilikat pertama dengan sistem saluran meso-mikropori intrinsik,” kata rekan penulis Prof. Peng Lu dari Institut Teknologi Bioenergi dan Bioproses Qingdao (QIBEBT) dari Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok. “Tidak seperti material mesopori yang dilaporkan sebelumnya yang sering kali tidak memiliki stabilitas struktural setelah penghapusan templat organik, saluran 28 cincin yang saling berhubungan di ZMQ-1 menandai kemajuan signifikan dalam desain zeolit.”
Struktur unik ZMQ-1 dijelaskan menggunakan difraksi elektron tiga dimensi (3D ED) dan pemindaian mikroskop elektron transmisi (STEM). Analisis mengungkapkan bahwa mesopori 28 cincin dihubungkan oleh jendela mikropori 10 cincin, membentuk sistem saluran yang efisien. Desain ini memungkinkan difusi molekul besar dan kecil, mengatasi keterbatasan difusi zeolit tradisional. Akibatnya, ZMQ-1 terbukti sangat efektif untuk perengkahan katalitik minyak berat.
Kinerja dalam Retak Katalitik
Untuk mengevaluasi kinerja ZMQ-1, para peneliti melakukan percobaan perengkahan katalitik dengan minyak gas vakum (VGO), bahan baku penting dalam penyulingan minyak bumi. Hasilnya menunjukkan bahwa ZMQ-1 mencapai tingkat konversi VGO yang tinggi dibandingkan dengan zeolit USY dan Beta komersial. Selain itu, kinerjanya secara signifikan mengungguli MCM-41, saringan molekuler mesopori yang terkenal, baik dalam efisiensi konversi maupun stabilitas.
Khususnya, ZMQ-1 yang mengandung fosfor menunjukkan selektivitas dua kali lipat untuk produksi diesel dan secara signifikan mengurangi pembentukan kokas dibandingkan dengan produk komersialnya. Kombinasi hasil solar yang lebih tinggi dan produksi kokas yang lebih rendah menghasilkan selektivitas bahan bakar keseluruhan yang mengesankan (gabungan bensin dan solar) sebesar 80%, suatu peningkatan yang nyata dibandingkan zeolit konvensional.
Hasil ini menyoroti kemampuan ZMQ-1 yang mengandung fosfor untuk secara efisien mengubah hidrokarbon berat menjadi bahan bakar yang berharga, memanfaatkan struktur meso-mikropori yang unik untuk memaksimalkan hasil produk target sekaligus meminimalkan produk sampingan yang tidak diinginkan.
Dengan potensi yang ditunjukkan dalam aplikasi katalitik, ZMQ-1 mewakili terobosan dalam pengembangan proses kimia yang lebih efisien dan berkelanjutan. Dengan mengatasi tantangan yang terus-menerus dalam penelitian zeolit, seperti keterbatasan ukuran pori dan stabilitas struktural, ZMQ-1 menciptakan peluang baru untuk aplikasi dalam perengkahan minyak berat dan konversi energi ramah lingkungan.
Referensi: “Zeolit stabil dengan saluran mesopori yang tersusun secara atom dan saling berhubungan” oleh Peng Lu, Jiaoyan Xu, Yiqing Sun, Rémy Guillet-Nicolas, Tom Willhammar, Mohammad Fahda, Eddy Dib, Bo Wang, Zhengxing Qin, Hongyi Xu, Jung Cho, Zhaopeng Liu, Haijun Yu, Xiaobo Yang, Qiaolin Lang, Svetlana Mintova, Xiaodong Zou dan Valentin Valtchev, 11 Desember 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-024-08206-1
Penelitian tersebut dipimpin oleh Prof Lu dan Prof Valentin Valtchev dari Normandy University. Para ilmuwan di Universitas Stockholm dan China University of Petroleum (Tiongkok Timur) juga memberikan kontribusi dalam penelitian ini.
