SINTESIS SERBUK BARIUM HEKSAFERIT DENGAN METODE KOPRESIPITASI EL INDAHNIA KAMARIYAH 1109201715 JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2011
Latar Belakang Barium heksaferit (BaFe12O19 atau BaO.6Fe2O3)
Magnet permanen
Motor, Loudspeaker, Perekam magnetik, Material absorber (peredam Gel. EM)
Material anti radar
Magnet permanen
Ferrit magnet
- Menghasilkan medan magnet -Kemagnetannya sulit dihilangkan
Philips (1950an)
Ferrit Type-M/Hexaferit BaFe12O19 SrFe12O19
Ferrite NdFeB SmCo AlNiCo
FERROXDURE (FXD)
Shanker RAM, 1988, Canada Polikristal BaFe12O19 (µm) Reaksi larutan padat Sintering 1000-1400ºC
Hsiang dkk, 2006, Taiwan Partikel BaFe12O19 Kopresipitasi kalsinasi 600ºC, 2 jam.
Lisjak dkk, 2007, Slovenia Partikel nano BaFe12O19 Kopresipitasi kalsinasi 600ºC, 5 jam. Kalsinasi 700-800, 1 jam
Dimri dkk, 2003, India Partikel BaFe12O19 21 nm Metode prekursor sitrat Sintering 1100ºC, 3 jam.
Barium heksaferit
Li dkk, 2007, Cina Partikel BaFe12O19 45 nm Metode Sol Gel Kalsinasi 950ºC, 3 jam.
Qiu dkk, 2004, Cina Partikel BaFe12O19 250, 100, 75 dan 50 nm High energy ball milling (HEBM) kalsinasi 850ºC, 1 jam.
Qiu dkk, 2004, Cina Partikel BaFe12O19 20-30 nm Gell self-propagating combustion (GSPC) technique and High energy ball milling (HEBM) process Kalsinasi 800 C digiling 20 jam, kalsinasi 600 C digiling 60 jam
Dari penelitian Lisjak, Hsiang dkk dapat disimpulkan bahwa pembentukan BaFe12O19 dengan metode kopresipitasi dapat tercapai melalui 2 mekanisme, yaitu : (i) Tidak langsung, melalui fasa peralihan (BaFe2O4) (ii) Langsung dari fasa prekursornya (BaCO3) Pada mekanisme kedua, pembentukan BaFe12O19 membutuhkan temperatur yang lebih rendah dibandingkan mekanisme pertama. Maka dilakukan penelitian untuk mensintesis BaFe12O19 berfasa tunggal dengan metode kopresipitasi pada variasi temperatur rendah berbahan dasar a. BaCO3, FeCl3 dan pasangan asam basa kuat HCl dan NH4OH b. BaCO3, pasir besi (Fe3O4) dan pasangan asam basa HNO3 dan NH4OH Perumusan Masalah : Bagaimana penerapan metode kopresipitasi dalam proses sintesis partikel BaFe12O19. Batasan masalah : Sintesis partikel BaFe12O19 dengan metode kopresipitasi
Barium heksaferit (BaFe12O19 atau BaO.6Fe2O3)
Dalam satu unit sel berisi 38 ion O2-, 2 ion Ba2+, dan 24 ion Fe3+.
Fe3+ = 16 dan Fe3+ = 8 Fe3+
= 8 x 5 µB = 40 µB
Nano BaFe12O19 ?
BaFe12O19 Keramik
material keramik, bersifat magnetik grain
Pengulangan unit cell
Ukuran kristal berskala nano dapat berperilaku sebagai domain magnet tunggal sehingga sifat magnetiknya sangat berbeda dibandingkan dengan material bulknya. Misalnya koersifitas material semakin meningkat.
Dari penelitian yang pernah dilakukan oleh Lisjak dkk (2007), pembentukan BaM dengan metode kopresipitasi dapat tercapai melalui 2 mekanisme, yaitu :
(i) langsung dari fase precursornya,
(ii) tidak langsung, melalui BaFe2O4 sebagai fase intermediate.
Pada mekanisme pertama, pembentukan BaM membutuhkan temperatur yang lebih rendah karena energi aktivasi lebih rendah dibandingkan mekanisme kedua. BaCO3 dibentuk dari prekursor selama proses preparasi dilakukan. Pembentukan BaFe2O4 dan BaFe12O19 dimulai dengan proses degradasi BaCO3 pada temperatur 500˚ C. Jadi, pembentukan BaCO3 dibutuhkan untuk membentuk BaFe12O19 pada temperatur rendah.
2 O , alkohol , H → Ba − prec(a) + Fe − prec(a ) BaA2 + 12 FeA3 NaOH
→ BaCO3 Ba − prec(amorf ) + CO2 udara 0
C , H 2O Fe − prec(amor ) 290 → α − Fe2 O3 )
C , H 2O → BaFe12 O19 Ba − prec(amorf ) + Fe − prec(amorf ) 500
0
C ,CO2 BaCO3 + α − Fe2 O3 600 → BaFe12 O19 + BaFe2 O4 0
C α − Fe2 O3 + BaFe2 O4 600 → BaFe12 O19
Metodologi
Reaksi yang terjadi pada pembentukan endapan BaFe12O19 pada proses kopresipitasi adalah sebagai berikut : 1.
Sintesis I dan II BaCO3 ( s) + 2 HCl (l ) → BaCl2 + H 2CO3 12 FeCl3 .6 H 2O + 12 H 2O → 12 FeCl3 + 84 H 2O BaCl2 + 12 FeCl3 + H 2CO3 + H 2O + HCl + 39 NH 4OH → BaFe12O19 + 39 NH 4Cl + 22 H 2O + CO 2
Tabel 1. Komposisi Material Penyusun BaFe12O19 pada Sintesis I dan Sintesis II
2.
No
Sintesis
BaCO3
HCl 1 M
FeCl3
Aquades
HCl 12,7 M
NH4OH 6,5 M
1
Sintesis I
6,1 gr
60 ml
100 gr
13,4 ml
31 ml
185,2 ml
2
Sintesis II
6,1 gr
60 ml
100 gr
13,4 ml
-
185,2 ml
Sintesis III Tabel 2. Komposisi Material Penyusun BaFe12O19 pada Sintesis III No
Material Dasar
Massa/Volume
1
α-Fe2O3
8,624 gr
2
BaCO3
1,776 gr
3
Etanol
50 ml
Fe3O4 & HNO3 14,7 M
BaCO3 & HNO3 1 M
SINTESIS IV
NH4OH 6,5 M - dibilas hingga pH≈7 - dikeringkan di udara terbuka
Prekursor
- dipanaskan 700°C, 1 jam
Tabel 3. Komposisi Material Penyusun BaFe12O19 pada Sintesis IV
Uji XRD
No
Material Dasar
Massa/Volume
1
BaCO3 dan HNO3 1 M
5,328 gr dan 50 ml
2 3
Pasir Besi (Fe3O4) dan HNO3 14,7 M 25,1 gr dan 90,36 ml NH4OH 6,5 M
157,8 ml
Pembahasan Sintesis I
Gambar 1. Kurva DTA/TGA Serbuk Prekursor BaFe12O19 Pemanasan 150°C selama 1 Jam.
(a)
(c)
(b)
(d)
Gambar 2. Pola Difraksi Serbuk Prekursor BaFe12O19 (a) Pemanasan 200°C dan 300°C , (b) 600°C, 700°C dan 800°C, (c) Waktu pemanasan 1 jam, dan (d) Pemodelan Rietica Fasa Hematit (Blake,dkk.1966)
Hematit
(a)
(b) Gambar 3. Plot Hasil Refinement pada Sampel Pemanasan 800°C dengan (a) Rietica dan (b) Maud
Tabel 4. Nilai Hasil Refinement Fasa Hematit dengan Rietica dan Maud pada Sampel Sintesis I
No
Sampel
1
Rietica
Maud
χ2 (%)
Rp (%)
Rwp (%)
Rexp (%)
Sig (%)
Rp (%)
Rwp (%)
Rexp (%)
600 C, 1 jam
1,49
15,96
22,62
18,51
1,30
18,57
24,04
18,46
2
600 C, 5 jam
1,27
14,38
23,18
20,53
1,29
19,95
26,74
20,72
3
700 C, 1 jam
1,17
14,19
23,82
21,98
1,17
17,48
25,87
22,08
4
700 C, 3 jam
1,15
13,52
22,66
21,15
1,11
15,42
23,58
21,32
5
800 C, 1 jam
1,14
14,59
23,96
22,41
1,22
20,04
27,65
22,66
(a)
(b)
Gambar 4 (a) Serbuk Hematit pada Pemanasan Sampel 700°C, (b) Serbuk Barium Heksaferit
Sintesis II
Gambar 5. Pola Difraksi Serbuk Prekursor BaFe12O19 pemanasan 150°,200°C dan 250°C
Geothite (FeO(OH))
(a)
(b)
Gambar 6. Plot Hasil Refinement pada Sampel Pemanasan 150°C selama 1 jam dengan (a) Rietica dan (b) Maud
Tabel 5. Nilai Hasil Refinement Fasa Geothite dan Hematit dengan Rietica dan Maud pada Sampel Sintesis II
No
Sampel
1
Rietica
Maud
αFe2O3
FeO(OH)
χ2 (%)
Rp (%)
Rwp (%)
α-Fe2O3
FeO(OH)
Sig (%)
Rp (%)
Rwp (%)
150°C 1 jam
-
100%
1,62
19,26
26,32
-
100%
1,18
18,51
25,82
2
150°C 2 jam
-
100%
1,49
18,54
25,17
-
100%
1,14
17,70
24,69
3
200°C 1 jam
-
100%
1,59
19,36
26,41
-
100%
1,18
18,53
25,82
4
200°C 2 jam
-
100%
1,50
18,08
25,03
-
100%
1,17
18,34
25,22
5
250°C 1 jam
69,45% 2,13
30,55% 0,85
1,61
20,64
26,73
46,05% 1,51
53,95% 1,26
1,22
20,64
26,82
6
250°C 2 jam
79,90 2,27
20,10% 0,69
1,78
22,10
28,33
71,86% 1,60
28,14% 0,98
1,20
20,32
26,59
Sintesis III
(a)
(b)
Gambar 7. Pola Difraksi (a) Sampel BaCO3-Hematite pada Pemanasan 600°C, 700°C dan 800°C (b) Pemodelan Rietica Fasa Hematit dan BaFe2O4
Dari pola difraksi data terukur sampel pemanasan 600°C, 700°C dan 800°C selama 1 jam, secara manual teridentifikasi telah terbentuk fasa hematit dan mulai terbentuk fasa BaFe2O4.
(a)
(b)
Gambar 8. Plot Hasil Refinement pada Sampel Pemanasan 800°C selama 1 jam dengan (a) Rietica dan (b) Maud
Sintesis IV
600 500 400 300 200 100 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
2θ
(a)
Gambar 9. Pola Difraksi (a) Sampel BaCO3-Fe3O4 pada Pemanasan 700°C (b) Pemodelan Rietica Fasa Hematit dan BaFe12O19
(b)
Dari pola difraksi data terukur sampel pemanasan 700°C selama 1 jam, secara manual teridentifikasi telah terbentuk fasa hematit dan mulai terbentuk fasa BaFe12O19.
(a)
(b)
Gambar 10. Plot Hasil Refinement pada Sampel Pemanasan 700°C selama 1 jam dengan (a) Rietica dan (b) Maud
Kesimpulan : Sintesis I (BaCO3, FeCl3, HCl, NH4OH)
Temperatur 200°C dan 300°C selama 1-3 jam akan terbentuk fasa hematit
Temperatur 600°C, 700°C, dan 800°C selama 1 – 5 jam terbentuk fasa hematit
Sintesis II (BaCO3, FeCl3, NH4OH)
Temperatur 150°C - 200°C selama 1-2 jam terbentuk fasa geothite (FeO(OH))
Temperatur 250°C selama 1-2 jam terbentuk fasa geothite dan hematit
Sintesis III (Fe2O3 dan BaCO3)
Temperatur 600°C-800°C selama 1 jam terbentuk fasa hematit dan mulai terbentuk BaFe2O4
Sintesis IV (BaCO3 dan pasir besi (Fe3O4))
Temperatur 700°C selama 1 jam terbentuk fasa hematit dan mulai sedikit terbentuk BaFe12O19
Kesimpulan
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan diperoleh kesimpulan sebagai berikut : 1. Pembentukan fasa BaFe12O19 dengan metode kopresipitasi tergantung pada bahan dasar pembentuknya. Fasa tersebut mulai muncul meskipun dalam intensitas yang kecil pada bahan dasar BaCO3, Fe3O4, HNO3 dan NH4OH pada pemanasan 700°C. 2. Peningkatan konsentrasi HCl menyebabkan transformasi fasa BaFe12O19 membutuhkan temperatur yang lebih tinggi karena Fe-prec sulit terbentuk dan BaCO3 akan terdegradasi kembali menjadi BaCl2. 3. Munculnya fasa α-Fe2O3 sebagai fasa dominan dimungkinkan karena disebabkan oleh 2 faktor, yaitu : a. munculnya BaCl2 kembali sebagai hasil degradasi BaCO3 yang bereaksi dengan HCl, dan b. penambahan larutan NH4OH, yang menyebabkan keseimbangan transformasi fasa intermediate menjadi fasa BaFe12O19 terganggu 4. Pemanasan α-Fe2O3 dengan BaCO3 pada temperatur 600°C, 700°C dan 800°C selama 1 jam hanya bisa membentuk fasa α-Fe2O3 dan BaFe2O4.
Pola Difraksi Sintesis I
Pola Difraksi Sintesis II
Pola Difraksi Sintesis III
Pola Difraksi Sintesis IV
