ISBN :978-602-73159-0-7 SEMINAR NASIONAL KIMIA DAN PENDIDIKAN KIMIA VII “Penguatan Profesi Bidang Kimia dan Pendidikan Kimia Melalui Riset dan Evaluasi” Program Studi Pendidikan Kimia Jurusan P.MIPA FKIP UNS Surakarta, 18 April 2015
MAKALAH PENDAMPING
KIMIA FISIK DAN ANORGANIK
ISBN : 978-602-73159-0-7
MODIFIKASI PERMUKAAN TiO2-KARBON MELALUI SATU TAHAP SINTESIS DENGAN METODE ARC-DISCHARGE DALAM MEDIA CAIR Astrid Olivia Nandika1,*, Teguh Endah Saraswati2, dan Candra Purnawan2 1Jurusan 2Jurusan
Kimia, FMIPA, Universitas Sebelas Maret, Surakarta, Indonesia Kimia, FMIPA, Universitas Sebelas Maret, Surakarta, Indonesia
e-mail:
[email protected];
[email protected];
[email protected]
ABSTRAK Modifikasi permukaan fotokatalis nanopartikel TiO2-Karbon dengan arc-disharge dalam media cair berhasil dilakukan. Proses fabrikasi dilakukan dengan satu tahapan metode arcdischarge menggunakan dua elektroda grafit dari baterai dry cell, dimana salah satu elektroda diisi dengan campuran bubuk karbon, TiO2, lem silika sebagai elektroda arc-discharge dalam media cair yang terdiri dari 50% etanol dengan penambahan 10%, 50%, 75%, 99% asam asetat glasial. Metode arc-discharge dilakukan dengan mengalirkan tegangan sebesar 20-40 V dan arus sebesar 10-50 A. Pola difraktogram dari X-Ray Diffraction (XRD) menunjukkan proses fabrikasi nanopartikel TiO2-Karbon berhasil, hal ini ditandai dengan adanya puncak pada 25,32˚; 26,62˚; dan 36,02˚ yang merupakan puncak karakteristik utama dari TiO2, C grafit, dan titanium karbida. Spektra FTIR menunjukkan adanya vibrasi ulur dari Ti-O pada serapan antara 450–550 cm-1;stretching C-H pada daerah 2900-2880 cm-1; stretching O-H dari molekul H2O yang terserap pada permukaan TiO2 pada daerah 3400–3700 cm-1; danstretching C=C yang diasumsikan berasal dari karbon didaerah 1600 cm-1. Keberhasilan modifikasi permukaan dengan metode ini juga ditunjukkan dari peningkatan dispersitas nanopartikel dalam air. Hal ini mengindikasikan bahwa gugus fungsional yang mengandung oksigen berhasil melekat pada permukaan nanopartikel. Secara keseluruhan, hasil yang diperoleh menyimpulkan nanopartikel yang disintesis dengan penambahan asam asetat memiliki sifat permukaan yang lebih baik dibandingkan tanpa penambahan asam asetat. Kata Kunci : Asam Asetat, Arc-Discharge, fotokatalitik, TiO2, Karbon.
ISBN :978-602-73159-0-7 pembuatan nanopartikel TiO2-karbon dengan
PENDAHULUAN Perkembangan
industri
tekstil
di
menggunakan metode arc-discharge
adalah
Indonesia terjadi dengan sangat pesat yaitu
mekanisme kerja yang lebih alami pada proses
mencapai 0,85% per tahun, akibatnya terjadi
pemisahan
peningkatan limbah industri tekstil sehingga
kontaminannya sehingga produk nanomaterial
secara langsung berdampak pada peningkatan
yang dihasilkan memiliki tingkat pemurnian yang
limbah zat warna yaitu sekitar 10-15% [3]. Salah
cukup tinggi [4]. Berdasarkan penelitian Andhika
satu metode pengolahan limbah tekstil yang
(2014), didapatkan effisiensi fotokatalitik untuk
praktis serta efisien yaitu fotokatalisis dengan
mendegradasi
menggunakan TiO2 [6], Fe2O3, ZnO, WO3 [7].
menggunakan bantuan lampu merkuri dari
Namun metode ini masih memiliki kekurangan,
nanopartikel
dimana masih menggunakan sumber sinar dari
43,01% [1, 2]. Hal ini dikarenakan proses
lampu UV. Penggunaan lampu UV di sebabkan
dispersi
energi celah pita dari TiO2 cukup besar (3,2 eV)
material tidak dapat bercampur secara alami
sehingga bila menggunakan sinar matahari
dengan media cair dari limbah sehingga masih
kurang efisien karena hanya menggunakan ±5%
dibutuhkan proses pengadukan secara mekanik.
dari spektrum sinar matahari (fraksi UV cahaya
Berdasarkan hal tersebut maka diperlukan
matahari) dan meningkatkan biaya operasi
penelitian
sistem fotokatalitik TiO2.
permukaan dari nanomaterial tersebut
antara
nanomaterial
metilen
biru
TiO2-karbon
yang
kurang
lebih
dengan
adalah
sebesar
sempurna,
lanjut
untuk
dengan
dimana
memodifikasi
Oleh karena itu, kami mengusulkan
Pendekatan yang paling menjanjikan untuk penggunaan TiO2 pada daerah sinar
penelitian
tampak adalah dengan memodifikasi fotokatalis
dilakukan dengan penambahan asam asetat
TiO2 sehingga terjadi pergeseran penyerapan
glasial
spektrum sinar ke daerah sinar tampak. Akan
terbentuk material nanokomposit yang pada
tetapi
kelemahan,
permukaannya terdapat gugus –COOH, –C=O,
diantaranya yaitu membentuk agregasi akibat
dan –OH. Lebih lanjut, material termodifikasi ini
proses katalitik, hal ini disebabkan karena
diharapkan
partikel
luas
sempurna dalam limbah cair dan sensitivitasnya
permukaannya dan TiO2 memiliki kemampuan
melebar ke daerah sinar tampak. Karenanya,
adsorpsi
pada
TiO2
memiliki
TiO2
yang
beberapa
kehilangan
rendah
efektivitas
untuk
polutan
untuk
modifikasi
(CH3COOH)
sehingga
mampu
tahap
permukaan
diharapkan
terdispersi
pengaplikasiannya limbah
proses
pengolahan
sebab itu, untuk mengoptimalkan kinerja TiO2
menggunakan
diperlukanlah suatu media pendukung salah
penelitian ini diharapkan, asam asetat glasial
satunya adalah karbon [5]. Modifikasi dengan
akan
doping karbon akan mempersempit band gap
meningkatkan
yang membuat katalis aktif di bawah cahaya
mendegrdasi zat warna metilen biru.
tampak. Menurut Sano (2002), Kelebihan dari
METODE PENELITIAN
mampu
cukup
dengan
dikarenakan sifatnya yang non-porous. Oleh
sinar
ini
ini
matahari.
memodifikasi, aktivitas
dengan
Hasil
lebih
fotokatalitik
dari
lanjut dalam
ISBN :978-602-73159-0-7 A. Bahan
menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) Bruker
Bahan yang digunakan pada penelitian
D8 untuk menentukan kristalinitas dan struktur
ini adalah elektroda karbon yang didapatkan dari
kristalnya,
baterai, titanium dioksida A-100
Spectrometer
98%, asam
Fourier
Transform
(FTIR)
tipe
Infra
Red
FT-IR-8201
Pc
asetat 99%, etanol 70%, aseton 90% dan lem
digunakan untuk mengidentifikasi modifikasi
silika (Autosil Black Gasket RTV silicone) dan
permukaan pada material yang ditandai dengan
akuades.
adanya
B. Metode
oksigen,
1.
gugus
fungsi
dan
dilakukan
menggunakan
Sintesis
Pada sintesis ini digunakan 2 macam
yang
sonikasi
mengandung uji
dengan
dispersi cara
mendispersikan 3 mg nanopartikel kedalam 3 ml
elektroda grafit yang diperoleh dari baterai dry
akuades selama 60 menit.
cell, dimana elektroda 1 dibuat runcing pada
HASIL DAN PEMBAHASAN
salah satu sisinya, sedangkan elektroda kedua
Preparasi dan modifikasi nanopartikel
dilubangi tengahnya dengan diameter 3 mm
TiO2-C menggunakan metode arc-discharge
kemudian di isi dengan campuran TiO2 anatase,
dalam media cair etanol dengan penambahan
bubuk
asam asetat telah berhasil dilakukan. Gambar 1
karbon
perbandingan kemudian
di
dan berat
lem
silika
1:3:1.
panaskan
dengan
Elektroda
pada
suhu
ini
menunjukkankerangka alat untuk proses sintesis
120˚C
dan modifikasi nanopartikel TiO2-C dengan
selama 6 jam hingga elektroda tersebut menjadi
menggunakan
keras. Media cair yang digunakan merupakan
media cair.
metode
arc-discharge
dalam
campuran antara etanol 50% dan penambahan asam
asetat
dengan
konsentrasi
tertentu.
Konsentrasi asam asetat yang digunakan pada sintesis ini adalah 0%, 10%, 50%,75% dan 99% dalam 300 mL media cair.
Pada proses
fabrikasi, kedua elektroda dimasukkan dalam media cair dan diletakkan pada jarak tertentu, kemudian dialiri dengan tegangan sebesar 2040 V dan arus sebesar 10-50 A. Pada proses fabrikasi
ini
dihasilkan
nanopartikel
Gambar 1. Setting arc-discharge
yang Ketika tegangan sebesar 20-40 V dialiri
mengendap. Nanopartikel TiO2-karbon yang dihasilkan
pada
selanjutnyadikumpulkan
tahap dan
ini,
dikarakterisasi
proses
diantara kedua elektroda tersebut,
dimana
elektroda grafit terevaporasi dan berinteraksi
pada tahapan berikutnya. 2.
dari katoda menuju ke anoda timbul percikan api
Karakterisasi
dengan
Nanopartikel yang dikumpulkan pada
nanopartikel TiO2-C. Pada proses ini dihasilkan
fabrikasi
selanjutnya
dikarakterisasi
TiO2,
sehingga
menghasilkan
dua lapisan nanopartikel yaitu yang mengapung
ISBN :978-602-73159-0-7 diatas permukaan media cair dan nanopartikel yang tenggelam didasar media cair. Nanopartikel yang mengapung diatas permukaan ini masih bersifat hidrofobik dan memiliki energi permukaan yang lebih besar dibandingkan
dengan
nanopartikel
yang
tenggelam. Sebaliknya nanopartikel sedimen yang terbentuk didasar media cair bersifat hidrofilik karena telah termodifikasi oleh gugus karboksilat
atau
gugus
yng
mengandung
oksigen. Oleh karena itu, dipilihlah nanopartikel yang tenggelam (sedimen) untuk dianalisa lebih lanjut. Hasil fabrikasi nanopartikel (sedimen) yang didapat kemudian dikeringkan pada suhu ruangan (25-27˚C) selama 24 jam ditunjukkan dalam Gambar 2.
a
Gambar 3. Perbandingan difraktogram: JCPDS 41-1487 Grafit (a), JCPDS 86-1157 TiO2 Anatase (b), JCPDS 72-2496 Titanium Karbida (c), TiO2-C Tanpa Asam asetat (d), TiO2-C dalam asam asetat 10% (e), TiO2-C dalam asam asetat 50% (f), TiO2-C dalam asam asetat 75% (g), TiO2-C dalam asam asetat 99% (h). Puncak 25,32˚
b
merupakan puncak khas dari
TiO2 (JCPDS No. 86-1157), sedangkan puncak yang berada pada 26,62˚ merupakan puncak khas dari C grafit (JCPDS No.25-0284) dan terdapat
puncak
baru
pada
36,02˚
yang
diperkirakan merupakan puncak dari titanium Gambar
2.
Penampang
samping(a)
dan
karbida (TiC) (JCPDS No.72-2496).
Hal ini
menandakan telah terbentuknya nanopartikel
Penampang atas(b).
TiO2 termodifikasi dengan karbon (TiO2-C). di
Karakterisasi FTIR digunakan untuk
karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction
mengidentifikasi modifikasi permukaan pada
(XRD) Bruker D8, Fourier Transform Infra Red
material yang ditandai dengan adanya gugus
Spectrometer (FTIR) tipe FT-IR-8201 serta
fungsi yang mengandung oksigen. TiO2 memiliki
dilakukan uji dispersi menggunakan sonikasi
daerah serapan antara 450–550 cm-1
dengan cara mendispersikan 3 mg nanopartikel
menunjukkan adanya vibrasi ulur dari Ti-O, pada
kedalam 3 ml akuades selama 60 menit.
daerah 2900-2880 cm-1 merupakan stretching C-
Nanopartikel
ini
selanjutnya
hal ini
XRD
H, pada daerah 3400–3700 cm-1 merupakan
bertujuan untuk menentukan kristalinitas dan
stretching O-H dari molekul H2O yang terserap
struktur kristalnya,dimana dapat terlihat pada
pada
Gambar 3 difraktogram yang dihasilkan antara
serapan
pola TiO2 dan sampel TiO2-C memiliki puncak-
menunjukkan adanya stretching C=C yang
puncak yang sebanding.
diasumsikan
Karakterisasi
menggunakan
permukaan yang
TiO2.
lemah
berasal
Kemudian
didaerah
dari
adanya
1600
karbon.
cm-1
Hasil
ISBN :978-602-73159-0-7 karakterisasi menggunakan FTIR ini ditunjukkan pada
Gambar
4.
Serapan-serapan
yang
b
terdapat pada sampel ini menandai modifikasi permukaan TiO2-C telah berhasil dilakukan.
Gambar 5. Hasil dispersi nanopartikel TiO2-C dalam akuades disonikasi selama: 30 menit (a), dan 60 menit (b).
Pada gambar 5 dapat terlihat bahwa material yang di sintesis dengan penambahan asam asetat pada media cairnya pengalami peningkatan dispersitas dalam air dibandingkan dengan
tanpa
penambahan
asam
asetat.
Berdasarkan hasil dispersi ini dapat terlihat bahwa nanopartikel yang disintesis dengan Gambar 4. Spektra grafit (a), TiO2 Anatase (b),
penambahan 50% asam asetat memiliki tingkat
TiO2-C tanpa asam asetat (c),TiO2-C dalam
dispersi yang paling baik dibandingkan dengan
asam asetat 10% (d), TiO2-C dalam asam asetat
penambahan asam asetat dengan kadar 10%,
50% (e), TiO2-C dalam asam asetat 75% (f),
75%, dan 99%. Lebih lanjut material ini dapat
TiO2-C dalam asam asetat 99% (g).
digunakan untuk proses fotodegradasi limbah
Keberhasilan nanopartikel
ini
modifikasi
akan
permukaan
meningkatkan
tekstil.
daya
dispersi material tersebut. Sedangkan Gambar 5
KESIMPULAN
menunjukkan hasil dispersi dari nanopartikel
Sintesis
yang telah berhasil di fabrikasi.
a
dan
modifikasi
permukaan
TiO2-karbon dalam media cair telah berhasil dilakukan melalui satu tahapan dengan metode arc-discharge.
Sintesis
ini
dilakukan
menggunakan media cair etanol dan asetat dengan konsentrasi berbeda. Kadar etanol yang digunakan dalam
sintesis ini adalah 50%
sedangkan asam asetat yang digunakan adalah 0%, 10%, 50%, 75%, dan 99%. Berdasarkan hasil analisis XRD dapat terlihat bahwa pola difraksi yang dihasilkan dari sampel memiliki
ISBN :978-602-73159-0-7
ISBN :978-602-73159-0-7 kecocokkan dengan puncak-puncak
[3]Christian H, Suwito E, A. Ferdian T,Setiadi T,
khas milik TiO2, dankarbon. Demikian pula dari
Suhardi S H.,2007, Kemampuan Pengolahan
hasil analisis FTIR dapat terlihat bahwa terdapat
Warna Limbah Tekstil oleh Berbagai Jenis
gugus fungsi yang mengandung oksigen, Hal ini
Fungi dalam Suatu Bioreaktor, Surabaya :
mengindikasikan gugus fungsi tersebut telah
Seminar Nasional Fundamental Dan Aplikasi
berhasil
Teknik Kimia.
banyak
menempel
pada
permukaan
nanopartikel TiO2-karbon, sehingga nanopartikel TiO2-karbon
mengalami
peningkatan
[4] Sano,
N.,
Wang,
H.,
Alexandrou,
I.,
daya
Chhowalla, M., dan Teo, K.B.K., 2002,
dispersi. Nanopartikel yang terprepasi dengan
Properties of Carbon Onions Produced by an
penambahan asam asetat 50% memiliki tingkat
ArcDischarge in Water, Journal of Applied
dispersi lebih baik dibandingkan dengan tanpa
Physics, Vol 92, No. 5, 2783-2788.
penambahan asam asetat maupun dengan
[5] Subramani, A.K., Byrappa, K., Anada, S.,
penambahan asam asetat dengan konsentrasi
Ray,
K.M.L.,
10%, 75% dan 99%.
Yoshimura,
Ranganathaiah, M.,
2007,
C.,
dan
Photocatalytic
Degradation of Indigo Carmine Dye Using TiO2 Impregnated Activated Carbon, Bulletin
UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terimakasih ditujukan kepada Program Fasilitasi Perguruan Tinggi Pendidikan
of Materials Science, Vol. 31, No. 1, 37-41. [6] Sopyan,
I.,
1998,
Fotokatalitik
Nasional Jawa Tengah dengan skim Hibah
Semikonduktor-Dasar Teori dan Penerapan,
Penelitian
Majalah BPPT, No LXXXVII
Dosen
Muda
2014
(No:
1269/UN27.11/PN/2014) yang telah mendukung
[7] Tada, H., Hattori, A., Tokihisa, Y., Imai, K.,
sebagian dana panelitian yang digunakan dalam
Tohge, N., dan Ito, S., 2000, Anatase TiO
penelitian ini.
Nanoparticles on Rutile TiO Nanorods: A Heterogeneous Nanostructure via Layer-by-
DAFTAR RUJUKAN
Layer Assembly. The Journal of Physical
[1] Andhika, I.F., 2014, Fabrikasi Nanokomposit
Chemistry B Letters, Vol 104, 4585-45.
TiO2-Karbon Sebagai Material Fotokatalitik
TANYA JAWAB
Dengan Metode Arc-discharge Dalam Media
PENANYA : Jadigia Ginting
Cair, Surakarta: FMIPA UNS, ALCHEMY, Vol
Pertanyaan : a) Bond gap 3,2 ev. Ev tersebut apakah
10, No. 2, 186-194. [2] Andhika, I.F., 2014, Pembuatan Material Fotokatalitik
TiO2
Termodifikasi
Karbon
Menggunakan Limbah Batu Baterai Untuk
elektron valensi? Jawaban : a) Ya, ev yang dimaksud adalah elektron
Degradasi Zat Warna, Surakarta: FKIP UNS,
valensi karena setiap fase bond gapnya
Seminar Nasional Kimia Dan Pendidikan
berbeda.
Kimia VI, ISBN: 979363174-0, 393-398.
ISBN :978-602-73159-0-7 PENANYA : Nanik Dwi Nurhayati Pertanyaan : a) Apakah pembuatan elektroda 1:3:1 hasilnya maksimal? Diperoleh dari mana perbandingan itu? b) Elektroda yang dihasilkan digunakan untuk apa? Jawaban : a) Diperoleh dari penelitian sebelumnya.
b) Digunakan untuk elektroda pada saat sintesis dengan metode Arc-discharg.
