Irana Eka Putri
NRP. 2410 100 010
Dosen Pembimbing : Dr-Ing. Doty D Risanti, ST., MT.
JurusanTeknik Fisika, InstitutTeknologi Sepuluh Nopember Surabaya, 20 Januari 2014
Dye-sensitized Solar Cell (DSSC) Bahan semikonduktor
Self cleaning cat tembok (Kusmahetingsih, 2012) Sensor kelembaban (Hasan, 2010)
Pengolahan limbah (Slamet, 2007)
anatase rutile brokite (Zhang, 1998)
Metode kopresipitasi
TiCl3
Rutile secara termodinamik diketahui lebih stabil daripada anatase atau brookite (Zhang, 1998).
Rumusan masalah penelitian ini yaitu bagaimana hasil laju pertumbuhan partikel TiO2 yang dihasilkan dari proses sintesis menggunakan variasi suhu dan waktu pemanasan, serta pH ?
Tujuan penelitian ini yaitu mengetahui hasil laju pertumbuhan partikel TiO2 yang dihasilkan dari proses sintesis menggunakan variasi suhu dan waktu pemanasan, serta pH.
Proses sintesis TiO2 dilakukan pada suasana basa dengan menggunakan NH4OH yang dilarutkan bersama dengan HCl 2M pH yang digunakan saat sintesis TiO2 adalah rentang pH basa lemah yaitu 8 – 10 Temperatur untuk pemanasan TiO2 yaitu antara 2001000oC dan waktu antara 2 – 10 jam
TiO2 adalah material semikonduktor yang memiliki 3 fase, antara lain anatase, rutile, dan rutile. Dapat disintesis dari TiCl3 atau TiCl4.
Metode kopresipitasi merupakan metode sintesis bottom up yang digunakan untuk mendapatkan ukuran partikel kecil berukuran nanometer (Rahmawati, 2012). Dengan menggunakan metode kopresipitasi, didapatkan material berbentuk padatan (solid) dari presipitatnya yang berbentuk cairan (aqueous) (Zhu, 2003).
Efek Gibbs-Thomson sangat besar berpengaruh pada tahapan nukleasi. Perhitungan ukuran partikel menggunakan persamaan berikut:
Preparasi alat dan bahan. Bahan : 1. TiCl3 2. Aquades 3. HCl 2M 20% 4. NH4OH 2M 25% 5. Alkohol 96% Alat : 1. Hotplate dan magnetic stirrer 2. Gelas beker 3. Crucible 50 ml 4. Pipet 5. pHmeter 6. Spatula 7. Gelas ukur 8. Gunting 9. Mortar 10. Kertas filter 11. Masker dan sarung tangan
Sintesis TiO2 menggunakan metode kopresipitasi. 1. TiCl3 sebanyak 10 ml detambahkan dengan 5 ml larutan HCl (HCl 0,3 ml dan air 4,7 ml) dicampur sampai homogen menggunakan magnetic stirrer dengan temperatur hotplate sebesar 45o C. 2. Kemudian ditambahkan HCl sebanyak 20 ml dan NH4OH 50 ml. Lalu dicampur kembali hingga homogen. 3. Setelah itu ditambahkan NH4OH sebanyak 50 ml dan dicampur kembali hingga homogen. Penambahan NH4OH dilakukan secara terus menerus sebanyak 50 ml sampai muncul endapan putih, lalu pengadukan dihentikan selama ± 1 menit. 4. Selanjutnya ditambahkan sebanyak 500 ml, lalu pengadukan dilakukan kembali sampai larutan berwarna putih.
Pengujian. 1. Pengujian pertama adalah XRD (X-Ray Diffraction) menggunakan sudut pendek antara 15O– 65O 2. Pengujian berikutnya adalah BET untuk mengetahui ukuran pori dan surface area Analisa dan Pembahasan. Analisa dan pembahasan meliputi pengaruh variasi temperatur dan waktu pemanasan, serta pH pada hasil ukuran partikel yang dihasilkan.
√ √ √ √ √
√ √
D=
0,92 λ β cos θ
Hasil kurva XRD menunjukkan fase mayoritas adalah anatase untuk temperatur pengujian 200 800°C. Partikel anatase yang besar merupakan daya dorong (driving force) transformasi dari anatase ke rutile (Renade, 2002). Sedangkan pada 1000°C mayoritas rutile. Transformasi fasa TiO2 dari anatase ke rutile terjadi pada temperatur rendah dan berakhir pada temperatur tinggi (Ding, 2007).
Fase perubahan warna larutan saat proses sintesis menggunakan NH4OH bekas dan baru memiliki perbedaan. Perlu dilakukan penambahan NH4OH sebanyak 2 kali untuk mendapatkan fase perubahan warna yang sesuai dengan refrensi. NH4OH bekas hasil sintesis sudah berubah menjadi NH4Cl memiliki kemurnian atau molaritas tidak sama dengan NH4OH baru (Hunter, 1998).
D=
0,92 λ β cos θ
Persamaan Scherrer (Tanaka, 2011) :
Perubahan fase anatase ke rutile terjadi pada daerah stasioner (LaMer, 1954). Daerah stasioner terjadi pada temperatur 550-600°C. dan pertumbuhan ukuran partikel semakin cepat pada temperatur 800-1000°C.
D=
0,92 λ β cos θ
Persamaan Scherrer (Tanaka, 2011) :
Selisih ukuran partikel 3060 nm. NH4OH bekas hasil sintesis sudah berubah menjadi NH4Cl memiliki kemurnian atau molaritas tidak sama dengan NH4OH baru (Hunter, 1998).
Persamaan Gibbs-Thomson (Tanaka, 2011) : Pertumbuhan partikel akan lebih cepat pada temperatur tinggi dan laju pertumbuhannya dapat ditentukan oleh pengaruh waktu (ReyesCoronado, 2008).
Persamaan rasion pertumbuhan rutile (Ding, 1997) :
Pertumbuhan rutile terjadi pada kombinasi temperatur dan waktu pemanasan yang tinggi. Perubahan fase anatase ke rutile terjadi pada daerah stasioner (550 – 600°C)
Persamaan Arhenius (Zhang, 1999) :
Semakin besar nilai k0 maka energi yang dibutuhkan partikel untuk merubah fase dari anatase ke rutile (Ea) akan semakin besar. Kebutuhan energi aktivasi yang besar sebanding dengan ukuran partikel yang terbentuk (Zhang, 1999)
Temperatur (°C)
200
400
550
600
800
1000
Waktu (jam)
Surface Area (m2/g)
Diameter Pori (nm)
Volume Pori (cc/g)
2
82,462
3,351
0,216
4
40,572
5,655
0,162
10
50,907
12,656
0,208
2
97,191
9,625
0,304
4
103,344
9,713
0,306
10
74,222
7,909
0,227
2
29,365
9,520
0,343
4
94,083
9,635
0,317
10
76,362
7,909
0,234
2
66,958
9,485
0,469
4
100,323
9,685
0,350
10
86,847
7,913
0,255
2
50,455
9,700
0,232
4
46,131
12,360
0,211
10
90,359
7,913
0,265
2
22,739
6,486
0,090
4
25,497
6,686
0,101
200 C
600 C
400 C
800 C
550 C
1000 C
10 Jam
4 Jam
2 Jam
Pertumbuhan volume partikel yang relatif sama menunjukkan partikel tersebut telah mencapai batas kritis atau setimbang (equilibrium) dan energi bebas mencapai titik minimum (Mehranpour, 2011)
2 Jam
4 Jam
10 Jam
Persamaan rasio agglumerasi AN(50) (Hsiang, 2007):
Rasio agglumerasi terendah didapatkan setelah waktu pemanasan 10 jam. Nilai surface area yang semakin kecil menyebabkan terjadinya proses agglumerasi kasar (hard agglumeration) (Hsiang, 2007) sehingga ukuran partikel yang terbentuk jauh lebih besar.
Kinetika pertumbuhan partikel TiO2 berlangsung pada temperatur pemanasan yang tinggi.
Hasan, Erzam S. dkk. 2010. “Karakteristik Lapisan Titanium Dioksida (TiO2) Sebagai Bahan Dielektrik Sensor Kelembaban Jenis Kapasitif”. Jurnal Aplikasi Fisika Vol: 6 No: 2. Kusmahetiningsih, Nining. 2012. “Aplikasi TiO2 Sebagai Self Cleaning pada cat Tembok dengan Dispersant Polietilen Glikol (PEG)”. Jurnal Teknik Pomits Vol: 1 No: 1 (2012) 1-5. Slamet. dkk. 2007. “Pengolahan Limbah Cr(VI) dan Fenol dengan Fotokatalis serbuk TiO2 dan CuO/TiO2”. Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia. Reaktor Vol: 11 No: 2 Hal: 78-85. Hsiang, Hsing-I. Lin, Shih-Chung. 2007. “Effect of Aging on Nanocrystalline Anatase-to-Rutile Phase Transformation Kinetics”. Ceramic Internation Journal of Science Direct Volume 34 (2008) pp. 557-561. Mehranpour, H. Askari, Masoud. Ghamsari, M Sasani. 2011. “Nucleation and Growth of TiO2 Nanoparticles”. Nanomaterials ISBN 978-953-307-913-4. Zhang, Hengzhong. Bandfield, Jillian F. 1999. “New Kinetic Model for The Nanocrystalline Anatase-to-rutile Transformation Revealing Rate Dependence on Number of Particles”. Americal Mineralogist, Volume 84, pp. 528-535. Ding, Xing-Zhao. Liu, Xiang-Huai. 1997. “Correlation Between Anatase-to-Rutile transformation and Grain Growth in Nanocrystalline Titania Powders”. Journal of Materials Research Vol. 13, No. 9 pp. 2556-2559. Reyes-Coronado, D. Rodríguez-Gattorno, G. Espinosa-Pesquiera, M E. Cab, C. de Coss, R. Oskam, G. 2008. “Phase-pure TiO2 Nanoparticles: Anatase, Brookite and Rutile”. Nanotechnology Volume 19,145605 (10pp), IOP Publishing Ltd: UK. Renade, M R. Navrotsky, A. Zhang, H Z. Banfield, J F. Elder, S H. Zaban, A. Borse, P H. Kulkarni, S K. Doran, G S. Whitfield, H J. 2002. “Energetics of Nanocrystalline TiO2” PNAS Vol. 99, pp.6476-6481.
Temp (OC)
time (hour)
200
2
4
400
10
2
4
550
10
2
4
600
10
2
4
800
10
2
4
1000
10
2
4
XRD
√√√√√√√√√√√√√√√√√
BET
√√√√√√√√√√√√√√√√√ Temp (OC)
time (hour)
XRD
BET
200
2
4
400
10
2
4
10
√√√√√√
