BAB IV HASIL dan PEMBAHASAN 4.1 Sintesis Padatan ZnO dan CuO/ZnO Pada penelitian ini telah disintesis padatan ZnO dan padatan ZnO yang di-doped dengan logam Cu. Doping dengan logam Cu diharapkan mampu meningkatkan aktivitas padatan dalam mengkonversi metanol menjadi H2. Selain itu, diharapkan nilai konversi dan selektivitas dari katalis meningkat. Sintesis ZnO dan CuO/ZnO pada penelitian ini dilakukan dengan metode kopresipitasi. Hal terpenting dalam metoda kopresipitasi adalah agen pengendap yang akan ditambahkan ke dalam larutan prekursor dan pH pengendapan. Pada penelitian ini digunakan asam oksalat sebagai agen pengendap. Keuntungan penggunaan oksalat sebagai agen pengendap adalah karena padatan hasil pengendapan dengan oksalat memiliki kualitas yang baik (endapan yang cukup murni, tidak menghasilkan senyawa berbahaya ketika dikalsinasi sehingga tidak akan mengotori katalis) jika dibandingkan dengan agen pengendap yang lain. Ketika dikalsinasi pun, oksalat akan terdekomposisi menjadi H2O dan CO2 sehingga tidak menghasilkan padatan sampingan yang dapat mengotori katalis. Padatan yang berhasil disintesis adalah padatan ZnO, 1%-CuO/ZnO, dan 5%-CuO/ZnO. Diketahui dari penelitian sebelumnya17 bahwa konsentrasi 0,1 M untuk larutan seng dan 0,15 M untuk larutan oksalat adalah konsentrasi optimum untuk sintesis padatan ZnO. Namun demikian, variasi konsentrasi untuk sintesis tetap dilakukan. Variasi konsentrasi reaktan memberikan hasil bahwa konsentrasi 0,1 M untuk larutan seng dan 0,15 M untuk larutan oksalat memang konsentrasi optimum untuk sintesis ZnO. Oleh karena itu, sintesis selanjutnya dilakukan dengan konsentrasi tersebut. Pengaruh konsentrasi terhadap rendemen ditunjukkan oleh tabel 4.1. Pada percobaan variasi konsentrasi, pengendapan dilakukan pada pH 6,4.
Tabel 4. 1 Pengaruh konsentrasi reaktan terhadap rendemen Konsentrasi larutan seng
Konsentrasi larutan oksalat
% rendemen
0,01 M
0,015 M
-*
0,1 M
0,1 M
80,19
0,1 M
0,15 M
94
Jenuh
Jenuh
62,67
*) jumlah padatan sangat sedikit sehingga tidak dihitung % rendemennya Selain konsentrasi, pH juga berpengaruh terhadap hasil sintesis. pH dalam hal ini berpengaruh pada kelarutan suatu spesi dalam larutan. Setiap garam memiliki pH tertentu untuk pengendapan optimum. pH tersebut akan berbeda untuk tiap senyawa sehingga pengaturan pH sangat penting dalam metode kopresipitasi untuk mendapatkan hasil yang optimum. Pada penelitian ini penambahan larutan NaOH 0,1 M bertujuan agar pH pengendapan optimum untuk padatan seng oksalat tercapai. Variasi pH pun telah dilakukan dengan hasil ditunjukkan pada Tabel 4. 2. pH 2 adalah pH yang dicapai ketika larutan seng dan larutan oksalat dicampurkan. Selanjutnya, dicoba pengendapan pada pH netral dan pada pH di sekitar 6,4. Semua pengujian tersebut memberikan hasil yang tidak maksimal. Pada Tabel 4. 2 terlihat bahwa pH optimum untuk pengendapan adalah pH 6,2. Berdasarkan literatur, pH pengendapan untuk seng oksalat adalah 6,420. Namun pada penelitian ini pH optimum pengendapan seng oksalat adalah 6,2 sehingga untuk sintesis selanjutnya pH pengendapan yang digunakan adalah pH 6,2. Penambahan larutan NaOH 0,1 M memungkinkan terjadinya pengendapan spesi seng hidroksida. Namun, berdasarkan literatur20, pada pH 6,2 seng akan mengendap sebagai seng oksalat dan bukan seng hidroksida. Tabel 4. 2 Pengaruh pH terhadap rendemen pH
% rendemen
2
20
6,2
96,34
6,4
94
7
64,67
Padatan ZnO yang berhasil disintesis berwarna putih, sedangkan padatan CuO/ZnO yang berhasil disintesis berwarna coklat. Warna coklat pada padatan CuO/ZnO semakin pekat dan gelap sesuai dengan bertambahnya persentase Cu yang digunakan. Fotograf padatan ZnO, 19
1%-CuO/ZnO, dan 5%-CuO/ZnO ditunjukan oleh Gambar 4. 1. Berat padatan ZnO, 1%CuO/ZnO, dan 5%-CuO/ZnO yang berhasil disintesis ditunjukkan pada Tabel 4. 3.
Gambar 4. 1 Fotograf padatan yang berhasil disintesis (dari kiri ke kanan, ZnO, 1%-CuO/ZnO, 5% CuO/ZnO) Tabel 4. 3 Rendemen padatan yang berhasil disintesis Padatan
Berat (gram)
% rendemen
ZnO
2,8076
93,58
1%-CuO/ZnO
2,8902
96,34
5%-CuO/ZnO
2,959
98,63
4.2 X Ray Diffraction (XRD) Pengujian XRD dilakukan untuk mengetahui kristalinitas, identifikasi padatan, dan menentukan ukuran padatan yang berhasil disintesis19. Aktivitas suatu katalis sangat bergantung pada kristalinitasnya. Semakin kristalin suatu katalis, maka aktivitas katalis tersebut semakin tinggi. Selain kristalinitas, morfologi pun mempengaruhi tinggi rendahnya aktivitas. Namun, berdasarkan penelitian sebelumnya diketahui bahwa yang mempengaruhi aktivitas hanyalah tingkat kristalinitas saja13. Berdasarkan spektrum XRD dari masing-masing padatan, dapat disimpulkan bahwa ketiga padatan yang diperoleh sangat kristalin. Identifikasi puncak-puncak difraktogram memberikan hasil bahwa puncak-puncak tersebut adalah puncak dari ZnO. Pada difraktogram padatan CuO/ZnO tidak ditemukan adanya puncak tambahan dari CuO, baik sebagai logam maupun sebagai oksida. Difraktogram masing-masing padatan hasil sintesis ditunjukkan pada Gambar 4.2 dan difraktogram gabungan ketiga padatan ditunjukkan pada Lampiran A. 20
Tidak adanya puncak tambahan dari spesi CuO pada difraktogram padatan CuO/ZnO memiliki dua kemungkinan, yaitu: 1. Spesi Cu (baik sebagai logam maupun oksida) menempel pada permukaan ZnO tapi strukturnya amorf dan tersebar secara merata, atau 2. Spesi Cu (baik sebagai logam maupun oksida) terinterkorporasi dalam kisi ZnO. Kedua kemungkinan tersebut memungkinkan untuk terjadi. Namun, apabila spesi CuO terinterkorporasi pada kisi ZnO, warna padatan CuO/ZnO yang diperoleh haruslah putih, bukan coklat seperti hasil yang diperoleh dan telah ditunjukkan pada Gambar 4.1. Karena hal tersebut, maka diambil kesimpulan bahwa spesi menempel pada permukaan ZnO sebagai oksida dalam bentuk CuO. Apabila logam Cu dibakar dengan keadaan aerob, maka logam Cu akan bereaksi dengan oksigen membentuk CuO. Jadi, selama proses kalsinasi, logam Cu yang digunakan sebagai dopan pasti membentuk spesi CuO yang memang berwarna kecoklatan sehingga bila spesi Cu yang digunakan semakin banyak maka warna padatan setelah dikalsinasi akan berwarna semakin coklat. Ukuran partikel padatan yang berhasil disintesis berada pada kisaran nm menandakan bahwa partikel yang disintesis sudah memiliki ukuran nano. Hal ini sesuai dengan yang diharapkan. Diinginkan partikel berukuran nano karena aktivitas katalis berukuran nano lebih tinggi daripada partikel berukuran makro. Perbandingan ukuran padatan yang berhasil disintesis ditunjukkan pada Lampiran A. Perhitungan ukuran partikel dilakukan dengan persamaan :
Dengan t adalah ukuran partikel, λ adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan pada penngukuran, dan B adalah lebar setengah puncak pada difraktogram. Perhitungan dapat dilihat pada Lampiran A.
21
Gambar 4. 2 Difraktogram padatan ZnO (atas), 1%-CuO/ZnO (tengah), dan 5%CuO/ZnO(bawah)
22
Dari perhitungan pada Lampiran A dapat dilihat bahwa ukuran partikel ZnO dan CuO/ZnO relatif sama dan tidak mengalami perubahan dengan bertambahnya kadar CuO. Tidak ada suatu kecenderungan ukuran yang teramati akibat semakin bertambahnya persentase CuO yang ditambahkan. Hal ini berarti bahwa CuO yang digunakan sebagai dopan tidak mempengaruhi ukuran partikel yang terbentuk.
4.3 Scanning Microscope Elektron (SEM) SEM dilakukan untuk mengetahui morfologi padatan ZnO dan CuO/ZnO. Selain itu, SEM pun dilakukan untuk mengetahui ukuran pori dari partikel yang berhasil disintesis. Syarat dari katalis adalah memiliki pori untuk memperluas permukaan yang dapat digunakan oleh substrat untuk bereaksi. Ukuran pori katalis tidak boleh terlalu kecil dan juga tidak boleh terlalu besar. Jika pori terlalu kecil dikhawatirkan substrat memiliki ukuran yang lebih besar dari pori sehingga tidak bisa masuk ke dalam pori katalis. Jika pori terlalu besar, luas permukaan katalis akan semakin kecil sehingga tempat yang bisa digunakan untuk bereaksi semakin sedikit. Hasil foto SEM ditunjukkan pada Gambar 4.3, Gambar 4.4, dan Gambar 4.5. Dari Gambar 4.3, Gambar 4.4, dan Gambar 4.5 terlihat bahwa ketiga padatan memiliki morfologi yang hampir sama. Penambahan CuO sama sekali tidak mempengaruhi morfologi ZnO. Untuk ukuran partikel, tidak terlihat adanya perbedaan ukuran yang mencolok. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa penggunaan dopan CuO tidak mempengaruhi morfologi dan ukuran partikel. Foto SEM masing-masing pada hasil sintesis ditunjukkan pada Lampiran B.
23
Gambar 4.3 Foto SEM padatan ZnO pembesaran 5.000 kali
Gambar 4.4 Foto SEM padatan 1%-CuO/ZnO pembesaran 5.000 kali
Gambar 4.5 Foto SEM padatan 5%-CuO/ZnO pembesaran 5.000 kali 24
4.4 Aktivitas Fotokatalisis Katalis diharapkan memiliki aktivitas yang tinggi. Aktivitas katalis yang diinginkan ditinjau dari dua hal, yaitu konversi dan selektivitas. Konversi adalah kemampuan katalis dalam mengubah sejumlah reaktan menjadi produk reaksi, sedangkan selektivitas adalah kemampuan suatu katalis untuk mengubah reaktan menjadi produk yang diinginkan. Katalis yang baik adalah katalis yang memiliki nilai konversi dan selektivitas yang tinggi. Pada reaksi konversi metanol menjadi H2 dengan memakai fotokatalis ZnO, yang menjadi kunci penting adalah proses eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Dengan keberadaan CuO sebagai dopan, diperkirakan akan muncul pita terlarang pada energy gap. Keberadaan pita terlarang akan menyebabkan energi yang diperlukan untuk eksitasi elektron semakin kecil. Dengan demikian, proses eksitasi elektron akan berlangsung lebih mudah sehingga reaksi konversi metanol akan terjadi lebih cepat dan nilai konversi semakin besar. Pada penelitian ini telah diuji seberapa jauh kemampuan katalis yang disintesis terhadap konversi metanol. Hasil pengujian aktivitas katalis 5%- CuO/ZnO ditunjukkan oleh Tabel 4.4. bahwa katalis 5%-CuO/ZnO memiliki nilai konversi yang cukup tinggi. Setelah direaksikan slama lima jam, katalis 5%-CuO/ZnO mampu mengkonversi methanol sebanyak 86,32 %. Profil %-konversi metanol yang dikatalisa oleh katalis 5%-CuO/ZnO terhadap waktu ditunjukkan pada Gambar 4. 6. Konversi dihitung berdasarkan pengurangan metanol setelah reaksi berjalan selama beberapa waktu. % konversi dihitung dengan persamaan :
Tabel 4. 4 % konversi metanol oleh padatan 5% CuO/ZnO terhadap waktu t (jam)
% konversi
0
0,00
0,5
13,49
1
25,93
1,5
49,84
2
62,31
3
66,60
4
75,87
5
86,32
25
Gambar 4. 6 Profil % konversi padatan 5%-CuO/ZnO terhadap waktu Padatan 1%-CuO/ZnO pun diuji untuk mengetahui seberapa besar nilai konversinya. Untuk membandingkan, maka diambil sampel setelah reaksi berlangsung selama 3 jam. Perbandingan nilai konversi padatan 1%-CuO/ZnO dan 5%-CuO/ZnO ditunjukkan pada Tabel 4. 5. Terlihat bahwa padatan 5%-CuO/ZnO memiliki nilai konversi yang lebih tinggi dari padatan 1%-CuO/ZnO. Tabel 4. 5 Perbandingan konversi padatan sintesis Padatan
% konversi
ZnO
-
1% CuO/ZnO
26,16
5% CuO/ZnO
66,60
Telihat bahwa katalis yang di-doped oleh CuO 5% (w/w) memiliki nilai konversi paling tinggi dibandingkan katalis lain. Hal ini menandakan bahwa dopan Cu mampu meningkatkan aktivitas fotokatalitik katalis ZnO untuk konversi metanol menjadi H2. Oleh karena itu, dalam penelitian ini katalis yang paling baik adalah katalis 5%-CuO/ZnO karena memiliki nilai konversi yang paling tinggi dibanding katalis lainnya.
26
Gambar 4. 7 Perbandingan konversi metanol katalis ZnO Pengujian aktivitas dilakukan dengan menggunakan sumber cahaya berupa lampu komersial dengan daya 18 W. Lampu tersebut digunakan tanpa adanya filter. Namun demikian, nilai konversi yang diperoleh cukup signifikan. Hal ini sangat menguntungkan karena tidak diperlukannya lampu UV untuk mengaktivasi katalis yang digunakan. Hal ini sesuai dengan nilai energy gap ZnO yang memang berada pada daerah sinar tampak. Walaupun telah diketahui nilai konversi dari masing-masing padatan, namun selektivitasnya belum diketahui. Nilai selektivitas perlu diketahui untuk mengetahui jumlah H2 yang terbentuk. Jika nilai selektivitas rendah, maka katalis akan menjadi kurang efisien dalam praktiknya walaupun katalis tersebut memiliki nilai konversi yang tinggi. Selain itu, morfologi dari masing-masing katalis masih belum jelas. Foto SEM harus dilakukan kembali untuk mengetahui efek dari dopan CuO terhadap morfologi permukaan katalis ZnO.
27
