Jurnal Teknik Material dan Metalurgi Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, 2011
PENGARUH TEMPERATUR KALSINASI TERHADAP PEMBENTUKAN NANOPARTIKEL TUNGSTEN TRIOKSIDA HASIL PROSES SOL-GEL Stefanus Haryo Nugroho (2706 100 017) Jurusan Teknik Material dan Metalurgi, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya ABSTRAK
Nanopartikel Tungsten Trioksida (WO3) dibuat dari material dasar Tungsten (VI) Hexaklorida (WCl6) dan alkohol dengan menggunakan teknik sol-gel. Diikuti proses kalsinasi dalam variasi temperatur kalsinasi 300 oC, 400 oC, 500 oC dan 600 oC selama 1 jam. Karakterisasi untuk mendapatkan morfologi permukaan dari nanopartikel tungsten trioksida dilakukan pengujian Scanning Electron Microscope (SEM) dan Transmission Electron Microscope (TEM). Stuktur Kristal diperiksa oleh pengujian X-Ray Diffraction (XRD).Hasil penelitian dari XRD mengindikasikan bahwa semakin tinggi temperatur semakin besar ukuran kistal dan hasil penelitian SEM semakin tinggi temperatur semakin kecil ukuran partikel, hal ini disebabkan karena terbentuknya agregat pada sampel, agregat ini dapat dilihat dari hasil TEM pada temperatur kalsinasi 600 oC. Kata kunci: Nanopartikel, Tungsten (VI) Hexaklorida (WCL 6), Tungsten Trioksida (WO3).
PENDAHULUAN
Teknik sol-gel adalah salah satu cara yang sederhana dan mudah dalam pembentukan nanopartikel. Teknik sol-gel dapat digunakan untuk menghasilkan WO3 dari Tungsten (VI) Hexaklorida yang dilarutkan ke dalam alkohol. Teknik sol-gel adalah teknik kimia basah untuk pembuatan bahan (biasanya logam oksida) mulai dari larutan kimia yang bereaksi untuk menghasilkan partikel koloid nanosized (atau sol) yang bertindak sebagai prekursor. Jenis prekursor adalah logam alkoxides dan logam yang mengalami reaksi hidrolisis dan polycondensation. Hasilnya adalah sebuah sistem yang terdiri dari partikel padat (ukuran mulai dari 1 nm sampai 1 μm) yang tersebar dalam pelarut. Tungsten trioksida (WO3) adalah senyawa kimia mengandung oksigen dan logam transisi tungsten. Dalam aplikasinya tungsten trioksida digunakan untuk sensor gas, kain fireproofing dan sebagai pigmen kuning pada keramik, selain itu digunakan untuk membuat tungstates untuk layar x-ray.
dan 50 μL surfactant (Sigma, Triton X-100) ditambahkan ke dalam larutan. Diperoleh tungsten trioksida sol. Sol Tungten Trioksida di kalsinasi dengan variasi temperatur 300 oC, 400 oC, 500 oC dan 600 oC selama 1 jam. Serbuk hasil kalsinasi kemudian di uji dengan pengujian Scanning Electron Microscope (SEM) dan Pengujian Transmission Electron Microscope (TEM). Stuktur Kristal diperiksa oleh pengujian X-Ray Diffraction (XRD).
METODOLOGI
Proses sol-gel untuk menghasilkan gel Tungsten oxide ditunjukan diagram alir pada Gambar 1. Tungsten (VI) Hexaklorida (WCL6 ) sebanyak 7 gram dilarutkan dengan 100 mL etanol dan 10 mL NH4OH. Larutan diaduk dalam temperatur es selama 24 jam. Ion klorida dihapus menggunakan aquades sampai tidak ada endapan putih AgCl muncul ketika dititrasi dengan larutan 0,1M perak nitrat. Endapan dipisahkan dari larutan yang tersisa menggunakan centrifuge. Endapan kemudian dipeptisasi oleh ammonia hidroksida,
1
Gambar 1. Diagram alir penelitian
Jurnal Teknik Material dan Metalurgi Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, 2011 HASIL DAN PEMBAHASAN Pembentukan sol-gel tungsten trioksida Metode sol-gel yang dilakukan meliputi proses sol dan gelasi. Proses sol dalam penilitian ini meliputi proses pelarutan7 gram tungsten (VI) hexachloride dengan 100 mL ethanol, larutan yang terbentuk memiliki endapan berwarna kuning dan endapan menjadi biru saat penambahan ammonium hidroksida (NH4OH). Larutan kemudian diaduk selama 24 jam pada temperatur es. Tahap gelasi terjadi saat pengadukan berlangsung, dengan terbentuknya endapan yang semakin banyak, yang menyebabkan gerakan dari stirrer semakin tidak beraturan. Endapan kemudian dicuci dengan aquades, sampai tidak ada endapan putih AgCl ketika di titrasi dengan 0.1 M larutan perak nitrat. Larutan kemudian dicentrifuge selama 1 jam untuk memisahkan larutan dengan endapan. Endapan kemudian di peptisasi menggunakan ammonium hidroksida (NH4OH) untuk mendispersi kembali endapan, supaya partikel besar menjadi lebih kecil dan ditambahkan 50 μL surfactant (Triton X-100) untuk menurunkan tegangan permukaan. 100 mL sol-gel tungsten trioksida terbentuk berwarna biru pekat. Sol-gel kemudian di kalsinasi dalam variasi temperatur 300 oC, 400 oC, 500 oC dan 600 o C. Pengamatan secara makro menunjukan perbedaan warna yang mencolok, pada temperatur 300 oC berwarna coklat, pada temperatur 400 oC berwarna coklat kehitaman, pada temperatur 500 o C berwarna hijau, dan pada temperatur 600 oC berwarna hijau kekuningan, seperti pada Gambar 2. Analisa mengenai ukuran kristal, morfologi dan ukuran partikel dilakukan uji XRD, SEM dan TEM.
a
b
c
d
Gambar 2 Hasil kalsinasi dari sol-gel tungsten trioksida pada temperatur (a) 300 oC, (b) 400 oC, (c) 500 oC dan (d) 600 oC.
2
Analisa XRD Pengujian XRD (Philips XRD X-Pert XMS) pada serbuk tungsten trioksida dalam berbagai temperatur kalsinasi dengan waktu holding selama 1 jam dapat dilihat pada Gambar 3. Pola XRD menunjukan bahwa kristal tungsten trioksida yang terbentuk pada temperatur kalsinasi antara 300 oC – 400 oC mempunyai struktur kristal hexagonal (kartu JCPDS nomor 852459). Sedangkan pada temperatur 500 oC dan pada temperatur 600 oC struktur kristalnya adalah monoklinik (kartu JCPDS 83-0950). Analisa XRD untuk mengetahui struktur kristal menggunakan program Match. Secara umum, pola XRD menunjukkan puncak-puncak yang semakin tajam dan intensitas yang semakin tinggi dengan dengan kenaikan temperatur. Pada temperatur kalsinasi 300 oC dan 400 oC terlihat puncak dari pola XRD yang lebih lebar dengan intensitas yang lebih rendah daripada pola XRD pada suhu 500 dan 600 oC, hal ini menunjukan struktur menyerupai material yang masih bersifat semicrystalline, seperti terlihat pada Gambar 4. Hal ini disebabkan karena masih adanya kandungan air kimiawi (air kristal ) pada sampel tersebut. Dengan kenaikan temperatur, air kristal akan berkurang sehingga struktur material mendekati bentuk kristal seperti ditunjukan pada pola XRD untuk temperatur kalsinasi 500 oC dan 600 oC dengan puncak yang tajam dan intensitasnya yang tinggi. Ukuran kristal serbuk tungsten trioksida diketahui dari persamaan Scherer. D=
_0.9λ_ Β cosө
Dimana λ adalah panjang gelombang radiasi (Ǻ), B adalah Full Width at Half Maximum (rad) dan ө adalah sudut Bragg (o). Ukuran kristal serbuk tungsten trioksida dari berbagai temperatur kalsinasi dapat kita simpulkan bahwa semakin tinggi temperatur kalsinasi semakin besar ukuran kristal tungsten trioksida ditunjukan pada Tabel 1. Abdullah (2004) dalam jurnalnya mengindikasikan hal yang sama seperti pada Tabel 2. Abdullah menggunakan teknik Colloidal Gas Aphrons (CGAs) untuk mendapatkan nanopartikel WO3 dengan temperatur kalsinasi 400 oC, 500 oC, 600 oC dan 700 oC dengan holding time selama 4 jam.
Jurnal Teknik Material dan Metalurgi Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, 2011 4000 3500 3000 2500 300 C
2000
400 C
1500
500 C
1000
600 C
500
0 5 10.68 16.36 22.04 27.72 33.4 39.08 44.76 50.44 56.12 61.8 67.48 73.16 78.84 84.52
2ө (degree)
Gambar 3. Pola XRD pada serbuk tungsten trioksida yang telah dikalsinasi dengan berbagai temperatur. 500 450 400 350 300 250
300 C
200
400 C
150 100 50 5 10.32 15.64 20.96 26.28 31.6 36.92 42.24 47.56 52.88 58.2 63.52 68.84 74.16 79.48 84.8
0
2ө (degree)
Gambar 4. Pola XRD pada serbuk trioksida pada temperatur kalsinasi 300 oC dan 400 oC.
Tabel 1. Ukuran kristal serbuk tungsten trioksida dari berbagai temperatur. Temperatur o
300 C 400 oC 500 oC 600 oC
3
λ(Ǻ)
B(rad)
Ө(o)
1.540560 1.540560 1.540560 1.540560
0.0186 0.0137 0.0068 0.0049
11.61 11.82 12.16 12.16
Cos ө 0.98 0.98 0.98 0.98
D (nm) 7.31 9.92 20.40 28.36
Tabel 2 Ukuran kristal WO3 yang dihasilkan dari teknik CGAs Temperatur Ukuran kristal (nm)
400 oC
500 oC
30 ± 5
50 ± 5
600 oC 150 ± 10
700 oC 200 ± 10
Jurnal Teknik Material dan Metalurgi Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, 2011 Analisa SEM Morfologi permukaan dari serbuk tungsten trioksida dari hasil SEM (Zeiss EVO MA 10). Gambar 5 dan Tabel 3 mengindikasikan bahwa partikel-partikel WO3 cenderung membentuk agregat dengan partikel yang lain. Kecenderungan ini semakin berkurang dengan kenaikan temperatur. Pada Gambar 4.3 (a) terlihat bahwa partikel-partikel membentuk cluster yang masingmasing cluster terdiri dari 8-20 partikel. Wang dalam jurnalnya yang memakai raw material WCl6 dan proses sol-gel yang sama, namun hasil bentuk WO3 dalam bentuk lapisan film tipis. Wang menyimpulkan bahwa semakin tinggi temperatur semakin besar ukuran partikel pada film tipis WO3. (Wang, 2003). Hasil dari penelitian ini adalah material serbuk yang memiliki karakteristik yang berbeda dengan material film tipis. Di dalam penelitian ini ukuran partikel akan semakin kecil dengan kenaikan temperatur kalsinasi, yang merupakan karakter dari material serbuk.
c
d
a
e
b
Gambar 5. Hasil Foto SEM serbuk tungsten trioksida pada temperatur kalsinasi (a) 300 oC, (b) 400 oC, (c) 500 oC, dan (d) 600 oC dengan perbesaran 10.000x; (e) 600 oC dengan perbesaran 20.000x.
Analisa TEM Morfologi permukaan dan ukuran partikel dari tungsten trioksida dengan resolusi yang lebih tinggi dibandingkan dari hasil SEM didapatkan dari pengujian TEM (JEOL JEM-1400) seperti terlihat pada Gambar 6.
4
Jurnal Teknik Material dan Metalurgi Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, 2011 Analisa TEM pada temperatur kalsinasi 600 oC menunjukan bahwa adanya agregasi dari unit-unit partikel seperti pada Gambar 6 (a) dan (b). Partikel agregasi tersebut membentuk seperti partikel yang lebih besar dapat terlihat dalam Gambar 6 (c) pada skala 50 nm. Agregasi ini disebabkan karena tungsten trioksida adalah material higroskopis, yang memiliki kemampuan menyerap molekul air yang baik. Hal inilah yang menyebabkan partikelpartikel tersebut berkumpul menjadi satu dan tidak homogen. Ukuran partikel dari serbuk tungsten trioksida dengan temperatur 600 oC adalah sekitar 4-20 nm, dan satu agregasi partikel sekitar 10-60 nm.
a
b
Pengaruh temperatur terhadap perubahan struktur kristal dan morfologi Faktor yang dapat menyebabkan perubahan terhadap struktur kristal dan morfologi suatu material adalah temperatur dan tekanan. Dalam penelitan ini menggunakan temperatur kalsinasi untuk mempelajari perubahan setiap variabel Temperatur kalsinasi dapat merubah struktur kristal dan morfologi karena adanya energi yang berlangsung selama proses. Semakin tinggi temperatur kalsinasi semakin besar energi.
KESIMPULAN dan SARAN c
Kesimpulan
Gambar 6. Hasil foto TEM pada serbuk tungsten trioksida pada temperatur kalsinasi 600 oC dengan skala (a) 10 nm, (b) 20 nm dan (c) 50 nm.
5
Tungsten trioksida (WO3) nanopartikel telah dapat disintesa dengan menggunkan metode sol-gel dengan precursor WCl6, ethanol dan NH4OH. Berdasarkan hasil XRD diketahui pada temperatur kalsinasi 300 oC – 400 oC struktur kristalnya hexagonal. Pada 500 oC dan 600 oC struktur kristalnya monoclinic. Ukuran kristal didapatkan dari rumus Scherer. Semakin besar temperatur kalsinasi semakin besar pula ukuran kristal. Pada temperatur kalsinasi 300 oC dan 400 o C terlihat puncak dari pola XRD yang lebar dengan intensitas yang rendah yang menunjukan struktur menyerupai material yang masih bersifat semicrystalline. Hal ini disebabkan karena masih adanya kandungan air kimiawi ( air kristal ) pada sampel tersebut. Dengan kenaikan temperatur, air kristal akan berkurang sehingga struktur material mendekati bentuk kristal.
