BAB I PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang Fotokatalis telah mendapat banyak perhatian selama tiga dekade terakhir
sebagai solusi yang menjanjikan baik untuk mengatasi masalah energi maupun lingkungan. Sejak diketahui bahwa air dapat didekomposisi menjadi hidrogen dan oksigen secara fotoelektrokimia dengan menggunakan elektroda semikonduktor (TiO2) di bawah radiasi sinar UV, banyak penelitian telah dilakukan untuk menghasilkan hidrogen dari fotolisis air menggunakan berbagai macam material fotokatalis. Misalnya, Maeda dan Domen (2007) telah mengembangkan oksinitrida logam seperti XTaO2N (X = alkali tanah dan lantanida) untuk proses fotolisis air. Dalam beberapa tahun terakhir, kepentingan ilmiah dalam fotokatalisis heterogen juga telah difokuskan untuk aplikasi di bidang lingkungan seperti pengolahan air dan pemurnian udara, seperti Yu dan Brouwers (2009) yang telah mensintesis TiO2 terdoping karbon untuk reaksi fotooksidasi gas NO. Proses fotokatalisis oleh semikonduktor diawali dengan terbentuknya pasangan elektron-hole. Ketika fotokatalis mendapatkan radiasi cahaya dengan energi yang sama atau lebih besar daripada energi celah pita (Eg), elektron di pita valensi (VB) dapat tereksitasi ke pita konduksi (CB), meninggalkan hole (h+) di VB.
hv
TiO2 → TiO2 + e-CB + h+VB Pasangan elektron-hole dapat bergabung kembali (rekombinasi), melepaskan energi dalam bentuk panas. Namun, jika elektron dan hole bermigrasi ke permukaan semikonduktor tanpa rekombinasi, maka elektron dan hole dapat melakukan berbagai macam reaksi oksidasi dan reduksi dengan spesies yang teradsorpsi di permukaan material semikonduktor seperti air, oksigen, senyawa organik dan senyawa anorganik lainnya. Reaksi oksidasi dan reduksi adalah
1
2
mekanisme dasar dari proses fotokatalitik baik untuk produksi gas hidrogen maupun remediasi air (Choi, 2010). Fotokatalis heterogen yang berjenis oksida logam terus dikembangkan dalam penelitian sejak TiO2 diketahui dapat digunakan sebagai sel elektrokimia untuk fotolisis air. Semikonduktor seperti Nb2O5, Sm2Ti2S2O5, Bi2O3, ZnWO4, Bi2 WO6, NaTaO3, CaIn2O4, WO3, TiO2, Fe2O3, ZnO, dan lain-lain dapat diaplikasikan secara luas baik untuk fotolisis air maupun degradasi senyawa organik. Di antara berbagai jenis semikonduktor, TiO2 banyak digunakan sebagai fotokatalis karena stabil, tidak larut dalam air, tidak beracun, tahan terhadap korosi, dan ketersediaan yang berlimpah (Devi dan Kumar, 2011). Namun, TiO2 hanya aktif bekerja dengan menggunakan radiasi sinar UV karena energi celah pita (Eg) TiO2 yang relatif besar (3.2 eV untuk fase anatase) padahal sinar UV yang masuk ke bumi hanya berkisar 3-5% dan efisiensi hasil yang rendah (<10%) karena proses rekombinasi yang terlalu cepat antara elektron dan hole (Sun et al., 2010). Modifikasi TiO2 dengan metode berbeda telah dikembangkan baik untuk memperlebar aktivitas TiO2 di daerah sinar tampak maupun untuk mencegah terjadinya rekombinasi antara elektron dan hole. Ada banyak penelitian yang melaporkan bahwa kation logam transisi (Fe, Ni, Cr, Co, W, V, dan Zr), oksida logam (Fe2O3, Cr2O3, CoO2, MgO + CaO dan SiO2), keramik logam transisi (WO3, MoO3, Nb2O5 , SnO2, dan ZnO) dan senyawa anionik (C, N, dan S) dapat digunakan untuk modifikasi TiO2 dalam rangka meningkatkan serapan di daerah sinar tampak (Shirsath et al., 2013). Metode doping merupakan salah satu modifikasi TiO2 yang mampu mengubah struktur elektronik TiO2 sehingga mampu menurunkan energi celah pita. Penggunaan dopan baik itu dopan tunggal maupun dopan ganda mampu menurunkan energi celah pita TiO2. Dewasa ini ion logam transisi dan unsur nonlogam sering digunakan sebagai dopan, baik itu dopan tunggal, dopan ganda nonlogam-nonlogam, ion logam transisi–ion logam transisi, maupun dopan ganda ion logam transisi–nonlogam.
3
Di antara berbagai ion logam transisi dan unsur nonlogam, ion Fe3+ dan nitrogen sering digunakan sebagai dopan, baik itu dopan tunggal maupun ganda. Ion Fe3+ menjadi kandidat terbaik karena ukuran jari-jari ion Fe3+(0,064 nm) yang mirip dengan jari-jari ion Ti4+ (0,068 nm). Oleh karena itu, Fe3+ dapat masuk ke dalam struktur TiO2, berada di bagian interstisial atau menempati posisi subtitusional. Selain itu, Fe3+ dapat bertindak sebagai perangkap untuk pasangan elektron-hole sehingga meningkatkan efisiensi fotokatalitik TiO2 (Yalҫin et al., 2011). Sama halnya seperti ion Fe3+, nitrogen dapat disisipkan ke dalam material TiO2 karena jejari ionik dari nitrogen dan oksigen tidak jauh berbeda. Selain itu, orbital 2p dari nitrogen dekat dengan orbital 2p milik oksigen sehingga mampu membentuk level energi baru di atas pita valensi TiO2 sehingga Eg dari TiO2 dapat dipersempit sehingga aktivitasnya bisa bergeser ke daerah sinar tampak (Rane et al., 2006). Banyak metode doping yang dapat digunakan untuk preparasi TiO2 terdoping ion Fe3+ maupun nitrogen, salah satunya metode impregnasi. Metode impregnasi ini mampu memaksimalkan material fotokatalis yang sudah ada, tanpa harus mensintesis fotokatalis dari prekursor awal, seperti metode sol-gel, hidrotermal, solvolisis, dan sebagainya yang membutuhkan prekursor awal seperti titanium tetraisopropoksida (TTIP), TiCl4, TiOSO4, dan sebagainya. Dengan kata lain, metode impregnasi dapat digunakan untuk memodifikasi material fotokatalis yang sudah ada sehingga aktivitasnya dapat bergeser ke daerah sinar tampak. Gurkan et al. (2012) telah melakukan sintesis N-TiO2 dengan metode impregnasi TiO2 P25 degussa (79% fase anatase, 21% fase rutil) dengan urea sebagai sumber nitrogen untuk keperluan degradasi sefazolin. Material N-TiO2 hasil sintesis memiliki energi celah pita sebesar 2,90; 2,88; dan 2,79 eV untuk kadar nitrogen sebesar 0,10; 0,25; dan 0,50% b/b. Keberadaan dopan nitrogen tidak hanya menurunkan energi celah pita, tetapi juga meningkatkan efisiensi reaksi fotodegradasi sefazolin jika dibandingkan dengan TiO2 tanpa dopan. Berbeda dengan penelitian Gurkan et al. (2012), pada penelitian ini, TiO2 yang memiliki fase 100% anatase dicampur dengan larutan urea pada konsentrasi tertentu yang kemudian diaduk selama 4 jam dan direndam selama 24 jam yang
4
bertujuan untuk memfasilitasi interaksi antara nitrogen dengan titanium. Adanya proses perendaman ini diharapkan nitrogen yang terikat secara elektrostatik dengan Ti4+ juga semakin banyak sehingga diharapkan nitrogen akan masuk ke struktur kristal TiO2 ketika proses kalsinasi. Sathiskumar et al. (2011) telah melakukan sintesis nanopartikel fotokatalis Fe-TiO2 dengan menggunakan metode impregnasi TiO2 P25 Degussa untuk fotodegradasi zat warna azo. Hasil penelitian menunjukkan bahwa Fe-TiO2 memiliki serapan tepi pada panjang gelombang 600 nm, yang mengindikasikan adanya level energi baru yang terbentuk akibat penambahan ion Fe3+. Aktivitas fotokatalitik degradasi zat warna azo material Fe-TiO2 lebih besar jika dibandingkan dengan TiO2 murni. Pada penelitian ini, material Fe-TiO2 disintesis dengan menggunakan metode yang sama dengan metode yang dilakukan Sathiskumar et al. (2011), hanya saja pada penelitian ini menggunakan material TiO2 dengan komposisi 100% anatase. Pemakaian dopan ganda, khususnya ion logam transisi dan nonlogam, terus dikembangkan. Penggunaan ion Fe3+ dan nitrogen untuk dopan ganda pada material TiO2 mampu memberikan efek sinergis baik terhadap penurunan energi celah pita maupun efisiensi fotokatalitik TiO2. Pada penelitian-penelitian sebelumnya, material Fe-N-TiO2 banyak disintesis dengan metode sol-gel, hidrotermal, impregnasi Fe-TiO2 yang dilanjutkan dengan kalsinasi menggunakan gas nitrogen pada suhu tinggi. Pada penelitian ini, peneliti mencoba mensintesis material Fe-N-TiO2 dengan menggunakan metode impregnasi yang didasarkan pada kedua dopan tersebut akan terikat secara elektrostatik ketika proses pengadukan dan proses doping tersebut akan sempurna ketika proses kalsinasi dilakukan. Energi celah pita material Fe-N-TiO2 dibandingkan dengan Fe-TiO2, N-TiO2, dan TiO2 yang akan dibahas pada Bab 5. 1.2 1.
Tujuan Penelitian Mempelajari pengaruh dopan Fe3+ dan nitrogen dengan variasi 2,5; 5,0; dan 7,5% b/b terhadap energi celah pita material Fe-TiO2, dan N-TiO2.
5
2.
Mempelajari pengaruh TiO2 terdoping tunggal dan ganda terhadap energi celah pita TiO2, melalui sintesis dan karakterisasi material Fe-TiO2, N-TiO2, dan Fe-N-TiO2.
1.3 1.
Manfaat Penelitian Mengembangkan proses pembuatan material fotokatalis berbasis TiO2 yang mampu aktif bekerja di bawah radiasi sinar tampak.
2.
Memberikan kontribusi dalam pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi
tentang
material
fotokatalis
yang
diharapkan
mampu
diaplikasikan dalam bidang remidiasi lingkungan dan energi terbarukan.
