SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
Pengaruh Suhu Pemanasan pada Sintesis Film Fe3O4/ZnO/ITO dengan Metode Sol-Gel Terhadap Struktur Kristal, Morfologi, Band Gap, dan Sifat Photoelectrochemical MOCHAMAD FATCHUR ROZI, NANDANG MUFTI, YUDYANTO Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Malang. Jl. Semarang 5 Malang E-mail:
[email protected] ABSTRAK: Bahan bakar fosil tidak bisa diharapkan untuk memenuhi kebutuhan energi nasional hingga beberapa tahun mendatang. Hal ini karena cadangan bahan bakar fosil semakin berkurang dan harganya yang terus meningkat. Salah satu sumber energi alternatif, yaitu Photoelectrochemical cells (PEC) dapat menghasilkan energi listrik, hidrogen untuk bahan bakar fuell cell, dan sebagai pengurai bahan organik. PEC terdiri dari larutan elektrolit dan dua elektroda yang salah satunya adalah film Fe3O4/ZnO/ITO. Pada penelitian ini, sintesis film Fe3O4/ZnO/ITO diawali dengan ekstraksi pasir besi dan hasilnya disíntesis menggunakan metode kopresipitasi untuk menghasilkan serbuk Fe 3O4. Komposit Fe3O4/ZnO yang dilapiskan pada substrat ITO menggunakan metode sol-gel dan spin coating. Pada penelitian ini dilakukan variasi suhu pemanasan yaitu 450, 500, 550, 600, dan 650oC. Film yang dihasilkan kemudian dikarakterisasi menggunakan XRD, SEM-EDX, UV-Vis spektrofotometer dan pengujian rapat arus. Hasil analisis XRD menunjukkan adanya fasa baru yang terbentuk, yakni α-Fe2O3. Uji SEM menunjukkan ukuran butir sampel semakin besar seiring naiknya suhu pemanasan. Uji EDX menunjukkan semua sampel memiliki unsur pembentuk film Fe 3O4/ZnO/ITO, yakni Fe, Zn, dan O. Nilai band gap film memiliki nilai yang hampir sama, berkisar antara 2,94-3,17 eV. Sampel dengan suhu pemanasan 600oC memiliki nilai rapat arus paling tinggi, yakni mencapai 70 μA/cm2. Kata Kunci: energi alternatif, photoelectrochemical, film Fe3O4/ZnO/ITO.
PENDAHULUAN Energi sangat dibutuhkan oleh masyarakat dan industri seiring meningkatnya pertumbuhan ekonomi nasional. Pertumbuhan konsumsi energi di Indonesia selama 10 tahun terakhir relatif pesat, yaitu rata-rata 5,2 persen per tahun (Hikam, 2015). Pertumbuhan konsumsi energi ini masih didominasi oleh energi fosil, seperti batu bara, gas alam dan minyak bumi. Namun, karena sifat bahan bakar fosil yang tidak dapat diperbarui dan jumlahnya yang terbatas, bahan bakar fosil tidak bisa diharapkan untuk mencukupi kebutuhan energi yang semakin meningkat. Secara geografis, Indonesia terbentang dari 6ºLU-11ºLS dan 95ºBT-141ºBT menjadikan Indonesia memiliki zona serapan matahari relatif banyak dibandingkan negara-negara lain, yakni sebesar 4800 watt/m2/hari (Zahrok, 2015). Dengan kata lain, di Indonesia berpotensi untuk dikembangkan sumber energi baru dan terbarukan terutama dalam pemanfaatan energi surya. Pemanfaatan energi surya sebagai pembangkit energi yang sekarang sudah ada adalah sel surya. Namun, sel surya yang sudah ada memiliki efisiensi rendah. Oleh karena itu, perlu dikembangkan alternatif baru yang memanfaatkan energi surya sebagai pembangkit energi. Photoelectrochemical (PEC) merupakan sebuah sel yang dapat mengkonversi energi surya menjadi sebuah pembawa energi melalui proses elektrokimia dengan bantuan rangsangan cahaya. PEC dapat menghasilkan listrik secara langsung, dapat menghasilkan hidrogen melalui pemecahan molekul air, serta dapat menguraikan bahan organik (Acar dan Dincer, 2014). PEC terdiri dari dua elektroda dan larutan elektrolit, yang mana satu atau kedua elektrodanya merupakan fotoaktif (Bak dkk, 2002; Yusoff dkk, 2014). Material organik yang bagus di bidang PEC salah satunya ISBN 978-602-71729-1-9
F-M-79
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016 adalah ZnO karena karakteristik transparansi, dan dispersi yang tinggi (Huang dkk, 2011; Fan dkk, 2013). ZnO memiliki efisiensi fotokatalitik rendah dan tingkat photocorrosion tinggi. Oleh karena itu, perlu digabungkan dengan material lain yang secara efektif dapat meningkatkan aktivitas fotokatalitik. α-Fe2O3 merupakan salah satu material yang memiliki aktivitas fotokatalitik tinggi (Chen dkk, 2015) yang mungkin cocok dengan ZnO. α-Fe2O3 salah satunya dapat diperoleh dengan cara pemberian pengaruh suhu luar pada serbuk Fe3O4 yang nantinya akan teroksidasi. Menurut Wang dkk, (2013) Fe3O4 mampu meningkatkan efisiensi konversi sel surya polimer hingga 13%. Berdasarkan karakteristik dari sifat ketiga material di atas, kombinasi Fe 3O4, α-Fe2O3, dan ZnO diharapkan mampu meningkatkan efisiensi konversi pada PEC. METODE PENELITIAN Penelitian ini dimulai dari ekstraksi pasir besi, kemudian pasir besi yang sudah diekstraksi dilarutkan ke dalam HCl dan difiltrasi, larutan hasil filtrasi dititrasi dengan NH4OH. Larutan yang diperoleh, didiamkan hingga terbentuk endapan kemudian dicuci dan dikeringkan. Selanjutnya dilakukan sintesis pembentukan prekursor Fe 3O4/ZnO dengan metode sol-gel. Prekursor Fe3O4/ZnO yang terbentuk lalu dilapiskan pada substrat ITO, kemudian dilakukan proses pemanasan selama 2 jam. Film yang dihasilkan dikarakterisasi dengan XRD, SEM-EDX, UV-Vis spektrofotometer kemudian diukur nilai rapat arus menggunakan metode 2 elektroda. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil XRD Film Fe3O4/ZnO
Gambar 1. Pola Difraksi Film Fe3O4/ZnO/ITO dengan Variasi Suhu Pemanasan 450, 500, 550, 600, dan 650 oC
Dalam penelitian ini, XRD digunakan untuk mengetahui pola difraksi film Fe3O4/ZnO/ITO berdasarkan variasi suhu pemanasan 450, 500, 550, 600, dan 650 oC selama 2 jam yang ditunjukkan pada Gambar 1. Berdasarkan Gambar 1, teramati bahwa terdapat beberapa fasa yang terbentuk, yakni magnetit (Fe3O4), zink oksida (ZnO), dan hematit (α-Fe2O3). Fasa α-Fe2O3 terbentuk karena terjadi oksidasi pada Fe3O4 akibat suhu pemanasan yang diterapkan pada film Fe3O4/ZnO/ITO. Selain itu, terjadi peningkatan intensitas puncak ZnO (002) ketika mencapai suhu pemanasan 600 oC dan menurun ketika mencapai suhu 650oC. Intensitas puncak difraksi menunjukkan tingkat kristalinitas suatu material (Lee dkk, 2014). Hal ini mengindikasikan bahwa kristalinitas ZnO mencapai titik tertinggi ketika mencapai suhu pemanasan 600 oC. ISBN 978-602-71729-1-9
FM-80
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016 Hasil SEM-EDX Film Fe3O4/ZnO/ITO
c)
b)
Gambar 2. Morfologi Film Fe3O4/ZnO/ITO berdasarkan Variasi Suhu Pemanasan a. 450oC, b. 500oC, c. 550oC, d. 600oC, dan e. 650oC Tabel 1. Ukuran Butir Rata-rata Sampel berdasarkan Variasi Suhu Pemanasan Sampel Ukuran butir rata-rata (nm)
450oC
500oC
550oC
600oC
650oC
34,48
33,25
35,16
43,10
45,69
Tabel 2. Komposisi Unsur Film Fe3O4/ZnO/ITO Hasil Karakterisasi EDX Suhu Pemanasan (oC) 450 500 550 600 650
Fe 6,99 6,62 4,53 5,68 8,68
Komposisi Unsur (%) O 12,03 13,09 14,82 14,00 13,48
Zn 75,10 75,29 76,46 75,75 75,03
Rasio Fe/Zn 0,09 0,08 0,06 0,07 0,11
Dalam penelitian ini hasil karakterisasi SEM digunakan untuk mengetahui morfologi dan ukuran butir film Fe3O4/ZnO/ITO berdasarkan variasi suhu pemanasan yang disajikan dalam Gambar 2. Berdasarkan Gambar 2 menunjukkan bahwa partikel nano sampel tumbuh seragam dan ukuran butir yang ditemukan bervariasi dengan semakin naiknya suhu pemanasan yang diterapkan. Ukuran butir butir film Fe3O4/ZnO/ITO dengan variasi suhu pemanasan 450, 500, 550, 600, dan 650oC hasil analisa SEM disajikan dalam Tabel 1. Komposisi unsur film Fe3O4/ZnO/ITO hasil karakterisasi EDX berdasarkan variasi suhu pemanasan 450, 500, 550, 600, dan 650oC dirangkum dalam Tabel 2. Berdasarkan Tabel 2 dapat diketahui bahwa terdapat hubungan antara suhu pemanasan dengan komposisi unsur Fe3O4/ZnO, namun bukan merupakan hubungan yang linier. Komposisi Fe turun dari suhu pemanasan 450oC ke 550oC, kemudian naik lagi sampai suhu pemanasan 650oC. Penurunan komposisi Fe terjadi karena proses oksidasi Fe 3O4 menjadi α-Fe2O3 yang ditunjukkan dengan komposisi unsur O yang semakin meningkat. Komposisi unsur Zn dalam Tabel 2 mengindikasikan komposisi ZnO di dalam sampel, sedangkan komposisi unsur Fe mengindikasikan komposisi oksida Fe. Karakterisasi Sifat Optik Film Fe3O4/ZnO/ITO Gambar 3. Absorbansi Film Fe3O4/ZnO/ITO dengan Variasi Suhu Pemanasan Tabel 3. Nilai Absorpsi Film Fe3O4/ZnO/ITO berdasarkan Variasi Suhu Pemanasan Suhu Pemanasan (oC) 450 500 550 600 650
ISBN 978-602-71729-1-9
Panjang Gelombang (nm)
Absorpsi
370 370 370 370 360
1.691 1,501 1.019 1,335 1,733
FM-81
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016 Gambar 4. Nilai band gap Film Fe3O4/ZnO/ITO berdasarkan Variasi Suhu Pemanasan Tabel 4. Nilai Band Gap Film Fe3O4/ZnO/ITO berdasarkan Variasi Suhu Pemanasan Suhu Pemanasan (oC)
Band Gap (eV)
450 500 550 600 650
2,94 3,17 3,00 2,97 3,03
Berdasarkan Gambar 3, secara umum nilai absorpsi untuk semua sampel menurun untuk panjang gelombang yang semakin besar. Pada panjang gelombang yang lebih rendah memiliki absorpsi tinggi yang menunjukkan karakteristik penyerapan ZnO. Tabel 3 menunjukkan nilai absorpsi film Fe3O4/ZnO/ITO berdasarkan variasi suhu pemanasan. Pada sampel dengan suhu pemanasan 550oC memiliki nilai absorpsi paling rendah. Hal ini karena komposisi Fe yang terkandung dalam sampel sedikit. Hasil ini sesuai dengan penelitian Wang dkk, (2009) yang menyatakan bahwa, nilai absorpsi rendah dengan semakin berkurangnya komposisi Fe pada film ZnO. n Gambar 4 menyajikan ekstrapolasi dari grafik hubungan antara hv dan hv dan Tabel 4 menunjukkan nilai band gap film Fe3O4/ZnO/ITO berdasarkan variasi suhu pemanasan 450, 500, 550, 600, dan 650oC. Nilai band gap relatif hampir sama pada variasi suhu pemanasan, yakni berada pada kisaran 2,94-3,17 eV. Pada suhu pemanasan 450oC, film Fe3O4/ZnO/ITO memiliki nilai band gap paling rendah. Hal ini karena fasa Fe3O4 (0,1 eV) relatif lebih banyak, sehingga menyebabkan nilai band gap kecil (Roychowdhury dkk, 2013). Selain fasa, ukuran butir juga berpengaruh pada nilai band gap, yaitu nilai band gap semakin kecil seiring ukuran butir yang semakin besar (Yang dkk, 2010). Film dengan suhu pemanasan 500oC memiliki ukuran butir paling kecil, yang mengakibatkan nilai band gap besar (3,17 eV) dan juga menunjukkan karakteristik dari ZnO (3,2 eV). Densitas Photocurrent Film Fe3O4/ZnO/ITO Arus yang dihasilkan oleh film Fe3O4/ZnO/ITO dalam sel PEC diukur menggunakan ampermeter. Pengujian dilakukan dengan metode pengukuran 2 probe di bawah penerangan sinar matahari dengan intensitas 82.000-84.000 lux pada pukul 11.30-12.30 WIB. Hasil pengujian arus dalam keadaan terang diberikan pada Gambar 3. Berdasarkan Gambar 3, nilai rapat arus semakin besar seiring dengan naiknya suhu pemanasan. Namun, rapat arus mengalami penurunan setelah suhu pemanasan di atas 600oC. Hal ini menunjukkan bahwa pada sampel dengan suhu pemanasan 600oC memiliki sifat photoelectrochemical baik yang ditunjukkan dengan nilai rapat arus berkisaran 70 μA/cm2. KESIMPULAN 1. Suhu pemanasan mempengaruhi struktur kristal, yakni terbentuknya fasa α-Fe2O3. Fasa α-Fe2O3 terbentuk karena terjadi oksidasi pada Fe3O4 akibat suhu pemanasan yang diterapkan. 2. Suhu pemanasan mempengaruhi morfologi sampel yang ditunjukkan dengan nilai ukuran butir cenderung semakin besar seiring naiknya suhu pemanasan. 3. Hasil ekstrapolasi grafik menunjukkan nilai band gap film Fe3O4/ZnO/ITO dengan suhu pemanasan 450-650oC masing-masing yaitu, 2,94 eV, 3,17 eV, 3,00 eV, 2,97 eV, dan 3,03 eV. 4. Film dengan suhu pemanasan 600oC memiliki sifat PEC baik yang ditunjukkan dengan nilai rapat arus berkisaran 70 μA/cm2. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Direktorat Pendidikan Tinggi (DIKTI) yang telah memberikan dana penelitian dari skim PKM-Penelitian. ISBN 978-602-71729-1-9
FM-82
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016 DAFTAR RUJUKAN
Acar, C. and Dincer, I. 2014. Analysis and Assessment of a Continuous-type Hybrid Photoelectrochemical System for Hydrogen Production. International journal of hydrogen energy. 39: 15362-15372 Bak, T., Nowotny, J., Rekas, M., and Sorrell, CC. 2002. Photoelectrochemical Hydrogen Generation from Water using Solar Energy: materialserelated aspects. International journal of Hydrogen Energy. 27: 991-1002. Chen, C., Bai, H., Da, Z., Li, M., Yan X., and Jiang, J. 2015. Hydrothermal Synthesis of Fe2O3/ZnO Heterojunction Photoanode for Photoelectrochemical Water Splitting. Functional Materials Letters. 8(5): 1550058 (4 pages). Fan, J., Hao, Y., Cabot, A., Johansson, E.M.J., Boschloo, G., and Hagfeldt, A. 2013. Cobalt (II/III) Redox Electrolyte in ZnO Nanowire-Based Dye-Sensitized Solar Cells. ACS Applied Materials and Interfaces. 5: 1902-1906. Hikam, AS. M. 2015. Ketahanan Energi Indonesia 2015-2025 Tantangan dan Harapan. Jakarta: CV. Rumah Buku. Huang, J., Yin, Z., and Zheng, Q. 2011. Applications of ZnO in Organic and Hybrid Solar Cells. Energy and Environmental Science. 4: 3861. Lee, K.R., Hsu, Y.P., Chang, J.K., Lee, S.W., Tseng, C.J., and Jang, J.S.C. 2014. Effects of Spin Speed on the Photoelectrochemical Properties of Fe2O3 Thin Films. International Journal of Electrochemical Science. 9: 7680-7692. Roychowdhury, A., Pati, S.P., Mishra, A.K., Kumar, S., and Das, D. 2013. Magnetically Addressable Fluorescent Fe3O4/ZnO Nanocomposites: Structural, Optical and Magnetization Studies. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 74: 811–818. Wang, C., Chen, Z., He, Y., Li, L., and Zhang, D. 2009. Structure, Morphology and Properties of Fe-doped ZnO Films Prepared by Facing-Target Magnetron Sputtering System. Applied Surface Science. 255: 6881–6887. Wang, K., Ren, H., Yi, C., Liu, C., Wang, H., Huang, L., Zhang, H., Karim, A., and Gong, X. 2013. Solution-Processed Fe3O4 Magnetic Nanoparticle Thin Film Aligned by an External Magnetostatic Field as a Hole Extraction Layer for Polymer Solar Cells. ACS Appl. Mater. Interfaces. 5: 10325−10330. Yang, S., Liu, Y., Zhang, Y., and Mo, D. 2010. Investigation of Annealing-treatment on Structural and Optical Properties of Sol-Gel-derived Zinc Oxide Thin Films. Bull. Mater. Sci. 33 (3): 209-214. Yusoff, N., Vijay Kumar, S., Pandikumar, A., Huang, N.M., Marlinda, A.R., and An’amt, M.N. 2014. Core-shell Fe3O4-ZnO Nanoparticles Decorated on Reduced Graphene Oxide for Enhanced Photoelectrochemical Water Splitting. Ceramics International. 2014.12.084. Zahrok, Z.L. dan Prajitno, G. 2015. Ekstrak buah murbei (morus) sebagai sensitizer alami dte-sensitized solar cell (DSSC) menggunakan substrat kaca ITO dengan teknik pelapisan spin coating. Jurnal sains dan seni. ITS 4(1): 2337-3520.
ISBN 978-602-71729-1-9
FM-83
