BENTUK KRISTAL TITANIUM DIOKSIDA • • •
TiO2 memiliki tiga macam bentuk kristal : Anatase rutil brukit namun yang memiliki aktivitas fotokatalis terbaik adalah anatase. Bentuk kristal anatase diamati terjadi pada pemanasan TiO2 bubuk mulai dari suhu 120 ºC dan mencapai sempurna pada 500 ºC. Pada suhu 700 ºC mulai terbentuk kristal rutil (Ollis & Elkabi, 1993)
anatase
rutile
Rutil, TiO2 Keelektronegatifan atom Ti dan atom O dalam skala Pauling adalah 1,54 dan 3,44. Perbedaan keelktronegatifan antara kedua atom tersebut adalah 1,90. Dengan demikian senyawa TiO2 adalah senyawa ionik yang dibentuk dari ion-ion Ti4+ dan ion O2-. Kisi kristal rutil adalah trigonal primitif, seperti yang ditunjukan pada Gambar
Gambar Kisi kristal rutil (TiO2). Warna merah adalah ion O2-, sedangkan warna hitam adalah ion Ti4+
Pada kisi kristal TiO2, setiap ion Ti4+ dikelilingi oleh 6 ion O2- dengan geometri oktahedral. Dan setiap ion O2dikelilingi oleh 3 ion Ti4+ dengan geometri trigonal planar. Dengan demikian bilangan koordinasi ion Ti4+ adalah 6, sedangkan bilangan koordinasi ion O2adalah 3.
Beberapa senyawa yang mengkristal dengan struktur rutil diberikan pada Tabel. TiO2 MgH2 ZnF2 CoF2 MnF2 GeO2 MgF2 NiF2 IrO2
MoO2 PbO2 SiO2
SnO2 TaO2 WO2
ANATASE
Tipe-tipe Kristal TiO2 Ada tiga struktur kristal utama TiO2, yaitu anatase (tetragonal), rutile(tetragonal) dan brookite (ortorombik). Meskipun struktur mereka sama-sama berbentuk oktahedral (TiO6), namun berbeda satu sama lain dalam distorsi oktahedral dan pola perakitan rantai oktahedral (Winkler, 2003). Hanya rutile dananatase yang cukup stabil keberadaannya dan biasa digunakan sebagai fotokatalis (Tjahjanto dan Gunlazuardi, 2001). Struktur anatase dan rutile dapat dilihat pada gambar berikut ini:
SIFAT-SIFAT TIO2
Oksida TiO2 merupakan padatan berwarna putih, mempunyai berat molekul 79,90; densitas 4,26 gcm-3; tidak larut dalam HCl, HNO3 dan aquaregia, tetapi larut dalam asam sulfat pekat membentuk titanium sulfat (TiSO4) (Cotton dkk., 1988). TiO2 tidak menyerap cahaya tampak tetapi mampu menyerap radiasi UV sehingga dapat menyebabkan terjadinya radikal hidroksil pada pigmen sebagai fotokatalis. Reaktivitas TiO2 terhadap asam tergantung temperatur saat dipanaskan. TiO2 yang baru mengendap larut dalam asam klorida pekat, namun bila TiO2dipanaskan pada 900oC hampir semua tidak larut dalam asam kecuali larutan sulfur panas, yang kelarutannya meningkat dengan penambahan ammonium sulfat untuk menaikkan titik didih asam dan HF. Secara kimiawi TiO2 murni dibuat dari TiCl4 yang telah dimurnikan secara destilasi bertingkat. Tetraklorida ini dihidrolisis dalam larutan encer hingga diperoleh endapan berupa titanium dioksida terhidrat yang selanjutnya dikalsinasi pada 800 oC (Kirk, 1993). Partikel TiO2 telah cukup lama digunakan sebagai fotokatalis mendegradasi berbagai senyawa organik. TiO2 merupakan semikonduktor yang memiliki fotoaktivitas dan stabilitas kimia tinggi serta tahan terhadap fotokorosi dalam semua kondisi larutan kecuali pada larutan yang sangat asam atau mengandung fluoride. TiO2 juga bersifat nontoksik, memiliki sifat redoks, yaitu mampu mengoksidasi polutan organik dan mereduksi sejumlah ion logam dalam larutan (Brown, 1992).
BAND GAP TIO2
Jika titanium dioksida menyerap cahaya yang memiliki tingkat energi lebih tinggi dibanding tingkat energi celah pitanya menyebabkan elektron melompat ke pita konduksi dan meninggalkanhole di pita valensi. Kristal rutil memiliki energi celah pita 3,0 eV dan anatase memiliki energi celah pita 3,2 eV sehingga keduanya akan menyerap sinar ultraviolet. Untuk kristal rutil juga dapat menyerap sinar yang mendekati cahaya tampak sehingga dapat menyerap sinar dengan jangkauan yang lebih besar. Dengan logika ini diperkirakan kristal rutil akan lebih baik digunakan sebagai fotokatalis. Tetapi pada kenyataannya anatase memiliki aktivitas fotokatalis yang lebih tinggi (Hoffman dkk, 1995).
PEMBAHASAN
Untuk membentuk pelet sensor TiO2 digunakan metode so-gel untuk mereduksi ukuran serbuk titanium dioksida dengan pelarut asam sulfat. Tahapan awalnya larutan TiO2 & asam sulfat di stiring dengan variasi kecepatan 600 rpm, 700 rpm dan 800 rpm (hasil dari percobaan). Setelah distiring ± 2-3 jam terbentuk gel, kemudian di drying 1 jam temperatur 350 ͦ C & di kalsinasi 500 ͦ C. Persamaan kimia : TiO2 + H2SO4 TiOSO4 + H2O
TiOSO4 (analisa hasil XRD serbuk setelah kalsinasi) berbentuk serbuk dengan warna putih secara fisik terlihat menggumpal, kemudian dikompaksi dengan tekanan 200 bar membentuk pelet dengan diameter 14 mm. Tahapan selanjutnya di sintering dengan 3 variasi temperatur yaitu 700, 800 dan 900 ͦ C. Metode peak broadening digunakan untuk menganalisa hasil pengujian XRD. Analisa yang dilakukan adalah perubahan posisi 2 , single peak, FWHM, crystal size dan mikrostrain. Untuk menganalisa single peak dilakukan dengan software high score plus dengan metode profile fitting.
Rumus B (degree)
D (crystal size) : D=
B=
D adalah crystal size, dari rumusan diatas B adalah lebar setengah puncak (FWHM) dalam radian. adalah panjang gelombang yang digunakan dalam uji XRD yaitu 1,54056 Å, adalah posisi sudut terbentuknya puncak, adalah nilai microstrain dari hasil pengujian peak broadening.
Pengujian SEM dan XRD menunjukkan bahwa ukuran serbuk 600 rpm paling besar, variasi kecepatan stiring 700 rpm & 800 rpm memiliki ukuran serbuk yang bersaing lebih kecil dari serbuk variasi kecepatan stiring 600 rpm. Sehingga proses sol-gel dapat mereduksi ukuran serbuk titanium dioksida. Setelah dikompaksi dalam bentuk pelet diameter 14 mm, dilakukan analisa dengan pengujian SEM untuk melihat porositas, pelet dengan variasi kecepatan stiring 600 rpm memiliki porositas yang banyak dan besar (lubang) namun jarak antar butirnya kecil (compact/padat). Pelet dengan variasi kecepatan stiring 700 rpm banyak memiliki porositas, sedangkan pelet dengan variasi stiring 800 rpm memiliki sedikit porositas. Jarak antar butirnya kurang homogen untuk spesimen dengan variasi kecepatan stiring 700 rpm dan 800 rpm.
Setelah dilakukan tahapan sintering yang merupakan peristiwa penghilangan pori-pori antara partikel bahan, pada saat yang sama terjadi penyusutan komponen, dan diikuti oleh pertumbuhan grain serta peningkatan ikatan antar partikel yang berdekatan, sehingga menghasilkan bahan yang lebih mampat/kompak (indiani dkk, 2009). Semua spesimen mengalami peningkatan crystal size seiring dengan kenaikan variasi temperature sintering ( 700 ͦ C, 800 ͦ C dan 900 ͦ C). Hal ini membuktikan sintering dapat meningkat ukuran Kristal (pertumbuhan butir). Namun setiap spesimen memiliki kepadatan dan jumlah porositas yang berbedabeda setelah sintering. Pelet dengan variasi kecepatan stiring 600 rpm, variasi sintering 700, 800 dan 900 ͦ C banyak memiliki porositas, seiring dengan kenaikan temperatur sintering membentuk ketidak aturan butiran (memuai). Pelet dengan variasi kecepatan stiring 700 rpm dengan temperatur sintering 700, 800 dan 900 ͦ C tidak memiliki perbedaan yang mencolok. Pelet 700 rpm dengan temperatur sintering 900 ͦ C mengalami necking dan butirnya tidak beraturan. Sedangkan pelet dengan variasi kecepatan stiring 800 rpm mengalami necking semua baik temperatur sintering 700,800 dan 900 ͦ C.
Hasil pengujian XRD setelah sintering menunjukkan bahwa semua pelet memiliki fase anatase dan berstruktur kristal tetragonal. Semua spesimen memiliki rumus kimia TiO2 (titanium dioksida), hanya ada 2 spesimen yang berbeda yaitu pelet variasi kecepatan stiring 700 rpm variasi temperatur sintering 700 ͦ C dengan rumus kimia Ti0,72O2 dan pelet dengan variasi kecepatan stiring 800 rpm variasi temperatur sintering 700 ͦ C dengan rumus kimia Ti0,78O2. Reduksi kation titanium dalam senyawa diakibatkan oleh proses pemanasan/sintering yang menyebabkan vacancy kation dengan rumus Ti(1-x)O2.
DIAGRAM FASE TIO2
Amorf adalah padatan yang partikel penyusunnya tidak memiliki keteraturan yang sempurna.
STRUKTUR KRISTAL
Sistem Tetragonal Sistem tetragonal Hampir sama dengan sistem isometric/Kubic. Perbedaanya, salah satu sumbunya lebih panjang dari pada dua sumbu yang lain. Sumbu yang berbeda ini menjadi sumbu utama, yang disebut juga sumbu c. Sedangkan dua sumbu yang lain sama panjang a dan b. Dalam sistem isometri bentuk kristal dapat dikatakan seperti kubus, namun dalam tetragonal sistem kristal berbentuk umum persegi. Contoh Mineral Sistem Tetragonal : Bornit Nama Mineral : Bornit Rumus kimia : Cu5FeS4 Berat Jenis (BD) : 5,0 Sistim Kristal :tetragonal Belahan : dalam jejak Warna : merah tembaga atau perunggu Goresan : hitam keabu-abuan yang terang Kekerasan : 3
ORTOHOMBIK
5. Sistem Ortorombik
Pada sistem ortorombik, sumbu kristalnya berjumlah tiga buah yang kesemuanya tidak sama panjang dan ketiganya saling berpotongan tegak lurus. Satu sumbu memanjang vertical, yang disebut sumbu c. Sumbu satunya lebih panjang disebut sumbu a.Sumbu ketiganya melintang dari kanan ke kiri yang disebut sumbu b. Contoh Mineral Sistem Ortorombik : Topaz Nama Mineral : Topas Rumus kimia : Al2(SiO4)(F2OH)2 Berat Jenis (BD) : 19,3 Sistim Kristal : ortorombik Belahan : sempurna Warna : bening,kuning, merah mudakebiruan, kehijauan Goresan : Kekerasan : 8
STRUKTUR KRISTAL
