Proposal DRTPM

Aktivitas katalitik yang didorong oleh medan listrik dari tekstil kapas-oksida grafen tereduksi: Sistem katalis batas fasa untuk hidrogenasi alkena

Ringkasan

Mengontrol reaksi kimia menggunakan medan listrik bisa menjadi revolusioner dalam kimia. Ahli kimia memahami bahwa medan listrik dapat mengontrol reaksi katalitik heterogen. Di sini, hidrogenasi alkena yang digerakkan medan listrik menggunakan oksida grafena tereduksi tekstil kapas sebagai katalis berlapis akan digunakan untuk menunjukkan efek medan listrik dalam reaksi katalitik. Banyak katalis partikulat, seperti nikel, paladium, dan platina, digunakan untuk hidrogenasi alkena. Kerugiannya adalah keefektifan yang rendah, waktu proses yang lama, dan biaya katalis yang tinggi. Hidrogenasi alkena yang efisien tampaknya menjadi bidang yang menantang, secara ilmiah. Masalah utama yang dihadapi dalam penggunaan katalis partikulat padat adalah sulitnya interaksi yang efektif antara partikel gas dan katalis karena lokasinya dalam fase cair yang mengurangi kontak fase gas dan cair dengan katalis dalam reaksi hidrogenasi. Sebelumnya, kami mengusulkan kemungkinan menerapkan sistem katalitik fase-batas ke reaksi cair-cair yang tidak dapat bercampur dengan menggunakan katalis tekstil berlapis. Berdasarkan fakta dan temuan ini, minat penelitian kami difokuskan pada pengembangan sistem untuk menunjukkan efek medan listrik dalam reaksi katalitik heterogen cair-gas. Untuk mempelajari efek medan listrik pada sistem katalis, kami akan merancang bejana reaksi yang memungkinkan larutan terpapar lingkungan elektrostatik grafena oksida tereduksi tekstil kapas yang dikendalikan dengan sumber tegangan. Di sini, aktivitas katalitik oksida grafena tereduksi untuk hidrogenasi alkena, sebagai model reaksi, akan dipelajari di bawah arus listrik. Penelitian ini akan menjawab pertanyaan apakah medan listrik dapat mengontrol hidrogenasi katalitik alkena atau tidak. Kami menganggap ini sebagai pertanyaan terbuka yang, setelah dijawab, dapat menjelaskan hubungan struktur-properti fundamental yang mengatur disosiasi gas hidrogen pada situs aktif graphene oksida tereduksi dengan adanya medan listrik lokal untuk hidrogenasi alkena. Luaran yang ditargetkan adalah publikasi ilmiah di jurnal bereputasi (Q1) kimia material dan katalisis.

Kata kunci (maksimal 5 kata kunci): aktivitas katalitik yang digerakkan medan listrik, katalis batas fasa, hidrogenasi alkena.

Pendahuluan Penelitian (1000 kata)

A. Latar belakang dan rumusan permasalahan

Meskipun hanya sedikit publikasi tentang eksperimen sukses yang menunjukkan efek medan listrik dalam reaksi katalitik, secara teori dimungkinkan untuk mengontrol reaksi katalitik menggunakan medan listrik eksternal. Medan listrik dapat mengubah termodinamika reaksi kimia dengan cara yang sama seperti suhu dan tekanan. Beberapa metode komputasi telah digunakan untuk menjelaskan pengaruh medan listrik eksternal pada reaksi katalitik dan juga penerapan metode tersebut, yaitu aktivasi metana selektif. Di sini, kami akan mendemonstrasikan luasnya kemungkinan dalam katalisis berbantuan medan listrik menggunakan oksida grafena tereduksi tekstil kapas dalam hidrogenasi alkena sebagai model reaksi. Kelompok penelitian kami telah menunjukkan bahwa reaksi katalitik pada sistem gas-cair dapat dilakukan dengan menggunakan katalis batas fasa berlapis. Studi ini difokuskan untuk membuktikan hipotesis bahwa hidrogenasi alkena dapat dikontrol dengan menerapkan medan listrik eksternal menggunakan katalis batas-fase berlapis. Untuk alasan ini, oksida graphene yang direduksi tekstil kapas akan disiapkan sebagai katalis batas-fase berlapis. Kami juga sudah melakukan perhitungan dengan teknik Density Functional Theory (DFT) bahwa secara teori hal ini dapat terjadi. Hubungan fungsi struktur-properti dari katalisis berbantuan medan listrik dari grafena oksida tereduksi tekstil katun dalam hidrogenasi alkena perlu dipelajari secara komprehensif menggunakan bejana reaksi yang memungkinkan lingkungan elektrostatik grafena oksida tereduksi tekstil yang terpapar larutan dikendalikan dengan sumber tegangan dan berbagai teknik spektroskopi yang tersedia.

Dalam kimia, mengendalikan reaksi kimia merupakan pekerjaan yang penting dan selalu menyenangkan. Secara termodinamika, reaksi kimia dapat dikontrol dengan bermain dengan tekanan dan suhu. Baru-baru ini, pengendalian reaksi kimia dengan menggunakan medan listrik mendapat perhatian dari para ilmuwan, meskipun tidak sepenuhnya berhasil [1]. Kimiawan mulai mengeksplorasi apakah medan listrik dapat digunakan untuk mengontrol reaksi. Sepintas, penggunaan medan listrik dalam reaksi kimia sulit didemonstrasikan dan dibuktikan. Bisakah medan listrik memengaruhi pembentukan dan pemutusan ikatan individu? Ini adalah pertanyaan yang sangat menantang untuk dijawab.

Penjelasan peran medan listrik untuk katalisis heterogen telah dipelajari secara teoritis [1]. Studi ini mencakup peran medan listrik internal dan eksternal dalam mempengaruhi aktivitas katalitik dan selektivitas. Metode komputasi seperti model antarmuka vakum-logam telah digunakan untuk mendemonstrasikan efek medan listrik pada katalisis heterogen [2]. Studi eksperimental menggunakan reaktor kapasitor juga telah dilaporkan dalam literatur [3]. Berdasarkan bukti ini, jelas bahwa medan listrik dapat mengubah termodinamika reaksi kimia dengan cara yang sama seperti suhu dan tekanan. Akibatnya, katalisis berbantuan medan listrik telah menjadi bidang penelitian yang menarik untuk dieksplorasi.

Meskipun upaya besar telah dilakukan untuk mendemonstrasikan efek medan listrik pada katalisis heterogen, karya ini hanya berlaku untuk reaksi spesifik yang menggunakan reaktor tertentu. Reaksi yang melibatkan transformasi metana telah dipelajari sebelumnya [4]. Antara lain adalah kopling oksidatif metana, steam reforming metana, kopling dehidrogenatif langsung dari metana, perengkahan metana, dan oksidasi parsial metana. Oleh karena itu, masih banyak peluang untuk melakukan eksperimen dengan menggunakan jenis reaksi lain. Salah satunya adalah hidrogenasi alkena. Hidrogenasi adalah reaksi kimia antara molekul hidrogen (H₂) dan senyawa yang menggunakan nikel, paladium, atau platina sebagai katalis. Proses ini biasanya digunakan untuk mereduksi atau menjenuhkan senyawa organik.

Hidrogenasi biasanya merupakan penambahan pasangan atom hidrogen ke molekul, seringkali alkena. Katalis diperlukan untuk reaksi yang akan digunakan; Hidrogenasi non-katalitik hanya terjadi pada suhu yang sangat tinggi. Hidrogenasi mengurangi ikatan rangkap tiga dan rangkap dalam hidrokarbon. Namun, reaksi ini dilakukan pada suhu yang relatif tinggi, yakni sekitar 150 °C [5].

Density Functional Theory (DFT) menunjukkan bahwa medan listrik berperan sebagai katalis untuk menurunkan hambatan energi bagi adsorpsi disosiatif molekul gas hidrogen pada graphene [6]. Oleh karena itu, ada peluang graphene digunakan sebagai katalis untuk hidrogenasi alkena dengan bantuan medan listrik.

Baru-baru ini, kelompok kami mengusulkan tipe baru dari sistem katalitik bernama phase-boundary catalysis (PBC) [7-21]. PBC adalah tipe baru dari sistem katalitik heterogen yang memfasilitasi reaksi kimia komponen kimia tertentu dalam fase yang tidak bercampur untuk bereaksi pada situs katalitik aktif yang terletak di batas fase. Kami telah menemukan metode yang mudah untuk merakit partikel oksida pada antarmuka minyak-air dengan modifikasi sebagian permukaan luar partikel dengan zat alkilsilana. Salah satu fitur yang paling mencolok dari bahan amfifilik ini adalah bahwa partikel rakitan dimuat dengan sejumlah kecil titanium (IV) oksida yang bertindak sebagai katalis yang efisien untuk oksidasi alkena hidrofobik dan alkohol dengan hidrogen peroksida encer tanpa agitasi mekanis. Sistem reaksi dengan demikian disebut fase-batas katalisis. Kami juga telah mengusulkan kemungkinan penerapan sistem katalitik batas fasa untuk reaksi cair-gas [20]. Berdasarkan temuan dan fakta ini, minat penelitian kami difokuskan pada mendemonstrasikan dan menjelaskan efek medan listrik eksternal pada reaksi katalitik heterogen menggunakan oksida grafena tereduksi tekstil kapas dalam hidrogenasi alkena. Untuk mendukung proposal ini, baru-baru ini, kami melaporkan penilaian fisik dan elektrokimia tekstil kapas yang dimodifikasi dengan polipirol dan graphene/reduced graphene oxide untuk elektroda fleksibel [21], dan juga perhitungan teoretis menggunakan Density Functional Theory mengenai efek dari medan listrik terhadap reaksi katalisis [22].

Kesimpulannya, penelitian ini adalah membuktikan konsep sistem untuk mendemonstrasikan pengendalian reaksi kimia menggunakan medan listrik. Kami berharap pekerjaan ini membuka perspektif baru untuk menggunakan medan listrik untuk mengontrol reaksi kimia katalitik, terutama untuk hidrogenasi alkena (lihat Gambar 1).

Daftar Pustaka

1. Che F, Gray JT, Ha S, Kruse N, Scott SL, McEwen JS. Elucidating the roles of the electric fields in catalysis: a perspective. ACS Catal. 2018;8:5153-5174.
2. Mathew K, Kolluru VSC, Mula S, Steinmann SN, Hennig RG. Implicit self-consistent electrolyte model in plane-wave density-functional theory. J Chem Phys. 2019;151:234101.
3. Gorin CF, Beh ES, Kanan MW. An electric field-induced change in the selectivity of a metal oxide-catalyzed epoxide rearrangement. J Am Chem Soc. 2012;134:186-189.
4. Okada S, Manabe R, Inagaki R, Ogo S, Sekine Y. Methane dissociative adsorption in catalytic steam reforming of methane over Pd/CeO2 in an electric field. Catal Today. 2018;307:272-276.
5. Nishimura S. Handbook of Heterogeneous Catalytic Hydrogenation for Organic Synthesis. New York: Wiley-VCH; 2001.
6. Ao ZM, Peeters FM. Electric field: a catalyst for hydrogenation of graphene. Appl Phys Lett. 2010;96:253106.
7. Nur H. A perspective on catalysis in the immiscible liquid-liquid system. J Indones Chem Soc. 2019;2:66-71.
8. Ran NHM, Chandren S, Nur H. Phase-boundary catalysts for oxidation reactions. In: Lee SL, ed. Recent Development of Nanostructured Heterogeneous Catalyst for Oxidation Reaction. Penerbit UTM Press; 2014:1-15.
9. Nur H, Ikeda S, Ohtani B. Phase-boundary catalysis: a new approach in alkene epoxidation with hydrogen peroxide by zeolite loaded with alkylsilane-covered titanium oxide. Chem Commun. 2000;2235.
10. Nur H, Ikeda S, Ohtani B. Phase-boundary catalysis of alkene epoxidation with aqueous hydrogen peroxide using amphiphilic zeolite particles loaded with titanium oxide. J Catal. 2001;204:402-408.
11. Nur H, Ikeda S, Ohtani B. Phase-boundary catalysts for acid-catalyzed reactions: the role of bimodal amphiphilic structure and location of active sites. J Braz Chem Soc. 2004;15:719-724.
12. Ikeda S, Nur H, Sawadaishi T, Ijiro K, Shimomura M, Ohtani B. Direct observation of bimodal amphiphilic surface structures of zeolite particles for a novel liquid-liquid phase-boundary catalysis. Langmuir. 2001;17:7976-7979.
13. Nur H, Hau NY, Muhid MNM, Hamdan H. Surface structure of alkylsilylated HZSM-5 as phase-boundary catalyst. Phys J Indones Phys Soc. 2004;A7:0218.
14. Nur H, Ikeda S, Ohtani B. Amphiphilic NaY zeolite particles loaded with niobic acid: materials with applications for catalysis in immiscible liquid-liquid system. React Kinet Catal Lett. 2004;82:255-261.
15. Ikeda S, Nur H, Wu P, Tatsumi T, Ohtani B. Effect of titanium active site location on activity of phase boundary catalyst particle for alkene epoxidation with aqueous hydrogen peroxide. Stud Surf Sci Catal. 2003;145:251-254.
16. Nur H, Attan N, Ran NM, Ikeda S, Ohtani B. On effective locations of catalytic active sites in phase boundary catalyst. ITB J Sci. 2012;44A:153-163.
17. Yuan LS, Razali R, Efendi J, Buang NA, Nur H. Temperature-controlled selectivity in oxidation of 1-octene by using aqueous hydrogen peroxide in phase-boundary catalytic system. Appl Catal A Gen. 2013;461:21-25.
18. Hau NY, Misnon II, Nur H, Muhid MNM, Hamdan H. Biphasic epoxidation of 1-octene with H2O2 catalyzed by amphiphilic fluorinated Ti-loaded zirconia. J Fluorine Chem. 2007;128:12-16.
19. Ran NHM, Yuliati L, Lee SL, Mahlia TMI, Nur H. Liquid-gas boundary catalysis by using gold/polystyrene-coated hollow titania. J Colloid Interface Sci. 2013;394:490-497.
20. Yaghoubidoust F, Salimi E, Ati AA, Nur H. Investigating the catalytic activity of a novel phase boundary catalyst in oxidation of styrene. Asia Pac J Chem Eng. 2019;14:e2350.
21. Yaghoubidoust F, Salimi E, Wicaksono DHB, Nur H. Physical and electrochemical appraisal of cotton textile modified with polypyrrole and graphene/reduced graphene oxide for flexible electrode. J Text Inst. 2021;112:646-658.
22. Amer GE, Razak FIA, Sapari S, Nur H, Setu SA. Elucidating the alkene hydrogenation reaction based on cotton textile reduced graphene oxide under the influence of external electric field: Illustration of new noble method. Heliyon. 2023;9:e14888.

B. Pendekatan pemecahan masalah

Efek medan listrik eksternal pada reaksi katalitik heterogen dapat ditunjukkan dengan menggunakan katalisis oksida grafena tereduksi tekstil katun dalam hidrogenasi alkena. Sistem katalis ini diharapkan dapat membuktikan konsep sistem untuk mendemonstrasikan pengendalian reaksi kimia menggunakan medan listrik. Sebagai panduan untuk tindakan di masa depan, karya ini akan membuka perspektif baru untuk menggunakan medan listrik untuk mengontrol reaksi kimia katalitik.

Berikut ini adalah pertanyaan riset untuk penelitian ini:

• Apakah medan listrik eksternal dapat mengendalikan aktivitas katalitik dari tekstil kapas-oksida grafen tereduksi dalam hidrogenasi alkena?
• Apa hubungan struktur-sifat-fungsi dari aktivitas katalitik yang didorong medan listrik pada tekstil kapas-oksida grafen tereduksi dalam hidrogenasi alkena?

C. State of the art dan kebaruan

Temuan dalam penelitian ini akan menjadi pedoman untuk penelitian selanjutnya bahwa medan listrik eksternal dapat secara tepat mengontrol hidrogenasi katalitik alkena. Pertama, pendekatan baru untuk menerapkan medan listrik dalam katalisis heterogen. Kedua, hubungan sifat-sifat struktur dari aktivitas katalitik yang digerakkan oleh medan listrik dari graphene oksida yang direduksi tekstil kapas dalam hidrogenasi alkena.

D. Peta Jalan (Roadmap) Penelitian 5 tahun ke depan

Tahun 1:

1. Melakukan tinjauan teoritis untuk memahami konsep dasar medan listrik dan pengaruhnya pada reaksi katalitik heterogen.
2. Merancang dan membangun wadah reaksi yang memungkinkan lingkungan elektrostatik tekstil kapas-oksida grafen tereduksi terpapar larutan yang dikendalikan dengan sumber tegangan.
3. Melakukan eksperimen awal untuk menentukan parameter eksperimental yang optimal, seperti konsentrasi larutan, tegangan, dan frekuensi medan listrik.

Tahun 2:

1. Mengembangkan teknik sintesis dan karakterisasi tekstil kapas-oksida grafen tereduksi.
2. Mengoptimalkan proses hidrogenasi alkena menggunakan tekstil kapas-oksida grafen tereduksi sebagai katalis berlapis di bawah berbagai kondisi medan listrik.
3. Mengumpulkan data eksperimental untuk mendukung hipotesis bahwa medan listrik dapat mengendalikan reaksi hidrogenasi alkena.

Tahun 3:

1. Melakukan studi mekanisme reaksi hidrogenasi alkena dalam keberadaan medan listrik dan tekstil kapas-oksida grafen tereduksi sebagai katalis.
2. Memahami bagaimana medan listrik mempengaruhi struktur dan sifat oksida grafen tereduksi dan bagaimana hal ini berhubungan dengan aktivitas katalitiknya.
3. Melakukan studi perbandingan dengan katalis partikulat seperti nikel, paladium, dan platinum untuk menilai efisiensi, waktu proses, dan biaya katalis.

Tahun 4:

1. Mengembangkan metode untuk mengoptimalkan medan listrik yang diterapkan pada sistem katalis heterogen cair-gas.
2. Menyelidiki aplikasi potensial teknologi ini pada reaksi hidrogenasi lainnya dan reaksi katalitik heterogen yang berbeda.
3. Mengembangkan model komputasi untuk memprediksi dan menggambarkan perilaku medan listrik dalam reaksi katalitik heterogen cair-gas.

Tahun 5:

1. Melakukan uji coba skala pilot untuk menguji efektivitas teknologi dalam skenario industri.
2. Melakukan studi ekonomi dan analisis risiko untuk menggambarkan kelayakan teknologi ini dalam aplikasi komersial.
3. Mempublikasikan hasil penelitian dalam jurnal ilmiah terkemuka dan mengajukan paten untuk melindungi teknologi yang dikembangkan.
4. Mencari kolaborasi dengan industri dan peneliti lainnya untuk mengkomersialisasi teknologi ini dalam aplikasi yang lebih luas.

Tujuan Penelitian

Studi ini berangkat dari tujuan berikut:

• Untuk merancang, mensintesis, dan mengkarakterisasi grafena oksida yang direduksi tekstil kapas sebagai katalis berlapis dalam hidrogenasi alkena yang dibantu oleh medan listrik eksternal dalam mengendalikan aktivitas katalitik.
• Untuk mempelajari hubungan struktur-sifat-fungsi dari aktivitas katalitik yang digerakkan oleh medan listrik dari oksida grafena tereduksi tekstil katun dalam hidrogenasi alkena.

Metode

Tahapan penelitian ini terdiri dari lima tahap. Tahap pertama adalah persiapan katalis, di mana grafena oksida yang direduksi tekstil kapas akan disintesis dengan metode Hummers melalui oksidasi kimia. Selanjutnya, tahap kedua adalah karakterisasi katalis. Grafena oksida kapas yang direduksi tekstil akan dicirikan oleh beberapa spektroskopi dan analisis termal untuk memastikan struktur dan sifat fisik dan kimia katalis yang disintesis.

Tahap ketiga melibatkan pembuatan bejana reaksi. Bejana reaksi dirancang untuk menciptakan lingkungan elektrostatis yang dapat dikendalikan dengan sumber tegangan untuk menghasilkan medan listrik yang dapat mempengaruhi aktivitas katalitik.

Tahap keempat adalah integrasi katalis dan reaktor, di mana katalis dan bejana reaksi diintegrasikan untuk melakukan reaksi hidrogenasi alkena. Dalam tahap ini, katalis grafena oksida kapas yang direduksi tekstil akan digunakan dalam reaksi hidrogenasi.

Tahap kelima adalah studi aktivitas katalitik berbasis medan listrik dari hidrogenasi alkena. Pada tahap ini, aktivitas katalitik akan diamati dan dianalisis secara terus-menerus selama reaksi hidrogenasi, dengan memperhatikan pengaruh medan listrik terhadap aktivitas katalitik. Dengan demikian, penelitian ini bertujuan untuk mempelajari pengaruh medan listrik pada aktivitas katalitik dari grafena oksida kapas yang direduksi tekstil dalam hidrogenasi alkena.

Tahapan-tahapan tersebut digambarkan pada gambar-gambar di bawah ini. Dari tahapan-tahapan tersebut, luaran dalam bentuk publikasi ilmiah dapat dihasilkan, yaitu tiga publikasi di jurnal berupa publikasi internasional dengan topik-topik preparasi katalis dan karakterisasinya, proses katalisis di bawah medan listrik, dan mekanisme reaksi.

Teori baru/Temuan baru/Pengetahuan

Temuan dalam penelitian ini akan menjadi pedoman untuk penelitian selanjutnya bahwa medan listrik eksternal dapat secara tepat mengontrol hidrogenasi katalitik alkena. Pertama, pendekatan baru untuk menerapkan medan listrik dalam katalisis heterogen. Kedua, hubungan sifat-sifat struktur dari aktivitas katalitik yang digerakkan oleh medan listrik dari graphene oksida yang direduksi tekstil kapas dalam hidrogenasi alkena.

Pernyataan Dampak pada Quintuple Helix

• Aktivitas katalitik yang tinggi dari katalis heterogen dapat mengurangi pencemaran lingkungan. Hasil penelitian ini akan bermanfaat untuk proses green chemistry. Melalui praktik kimia hijau, kita dapat menciptakan alternatif bahan berbahaya. Kami dapat merancang proses kimia yang mengurangi limbah dan mengurangi permintaan akan sumber daya yang semakin berkurang. Kita dapat menggunakan proses yang menggunakan jumlah energi yang lebih kecil.
• Proyek tersebut dapat memperkuat daya saing Malaysia di sektor industri kimia.
• Proyek ini akan menghasilkan manfaat pendidikan yang signifikan bagi para ilmuwan muda melalui pelatihan pascasarjana.

Pencarian Paten

Pencarian paten yang diusulkan menggunakan kata kunci yang dipilih mengungkapkan bahwa IP terkait dengan konsep tujuan penelitian. Menggunakan semua kata kunci, lens.org mengembalikan tren peningkatan 62 paten yang diterbitkan untuk tahun 1997 hingga 2020. Topik utama dari penelitian ini adalah aktivitas katalitik yang digerakkan oleh medan listrik dari katalis berlapis. Meskipun ditemukan 62 paten menggunakan kata kunci bekas, setelah dilihat satu per satu, topik yang dipatenkan tidak sama. Hal ini menunjukkan bahwa topik ini berpotensi untuk dipatenkan.

A Complete Application