PROSIDING SEMINAR NASIONAL REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2004 ISSN : 1411 - 4216
KAJIAN STRUKTUR KACA (x) MnO2 – (100-x) P2O5 MENGGUNAKAN FTIR SPEKTROSKOPI Budi Astuti, Md. Rahim Sahar, Md. Supar Rohani, dan Sulhadi Jabatan Fizik, Fakulti Sains, Universiti Teknologi Malaysia Skudai 81310, Johor Bahru Telp. 07-5534246 E-mail :
[email protected]
Abstrak Kaca mangaan fosfat dengan perbedaan komposisi kimia berhasil dibuat dengan teknik melt quenching. Dari hasil analisis difraksi Sinar-X didapatkan bahwa semua sampel yang didapatkan akan bersifat amorphous apabila komposisi P2O5 lebih besar dari 50mol%. FTIR spektroskopi digunakan untuk menentukan unit struktur dari kaca mangaan fosfat. Penambahan komposisi MnO2 menyebabkan perubahan unit struktur kaca melalui reaksi oksidasi. Selain itu, penambahan mangan oksida menyebabkan ikatan ionic P-O- …Mn terbentuk dimana ion Mn menggantikan oksigen pada ikatan kaca fosfat. Kata kunci : FTIR Spektroskopi; Melt Quenching; Struktur
Pendahuluan Kaca fosfat merupakan kaca yang sangat menarik untuk dikaji karena beberapa sifatnya yang unik. Terutamanya pada sifat fisiknya dibandingkan dengan kaca silikat dan kaca borat. Kaca fosfat memiliki koefisien ekspansi termal yang tinggi, suhu lebur dan suhu kritis kristalisasi yang rendah, suhu transisi yang rendah dan transmisi yang tinggi pada daerah ultraviolet dibandingkan dengan kaca silikat (Shih dkk, 1998; Subbalakshmi dan veeraiah, 2002; Liu dkk, 1997; Cervinka dkk, 1993; Karabulut dkk, 2001; Nocun, 2004). Nocun menyatakan kaca fosfat juga merupakan bahan yang sesuai untuk power laser yang tinggi karena memiliki koefisien termo-optik yang rendah dan emisi yang tinggi . Untuk aplikasi yang lain dapat dihubungkan dengan sifat temperatur transisi yang rendah seperti pada kaca alkali-alumina-fosfat dapat dimanfaatkan pada organik polimer. Kaca fosfat yang di campur dengan litium memiliki konduktiviti ionic yang tinggi sehingga dapat diaplikasikan untuk alat penyimpan energi (Shih dkk, 1998). Struktur kaca fosfat dibentuk oleh PO4 tetrahedra seperti pada struktur silikat. Kaca P2O5 disusun oleh PO4 tetrahedra dimana pada tiga dari empat ujung sudutnya mengikat satu oksigen dan ujung yang keempat mengikat dua oksigen sebagai terminal (Doremus, 1973). Mangaan oksida merupakan oksida pengubah suai yang akan menyebabkan kerusakan ikatan P-O-P dan oksigen terminal yang dibentuk pada struktur kaca fosfat. Tujuan dari makalah ini adalah untuk mempelajari struktur yang terbentuk pada kaca fosfat yang di dop dengan mangaan oksida. Spektroskopi FTIR akan digunakan untuk mempelajari struktur yang terbentuk. Perubahan sifat dengan struktur yang terjadi pada kaca (x)MnO2 – (100-x)P2O5 juga akan didiskusikan. Bahan dan Metode Penelitian 2.1. Pembuatan Kaca Kaca binari mangaan fosfat (x) MnO2- (100-x) P2O5 dengan x = 10,20,30,40,50,60 dan 70 mol% di buat dengan menggunakan teknik melt quenching. Sampel terlebih dulu di campur sebelum ditempatkan pada krusibel silika dan dipanaskan pada furnace dengan suhu 400ºC selama 1jam, kemudian suhu dianaikan pada suhu 1000ºC selama 1jam untuk meleburkan komposisi kaca tersebut. Setelah komposisi kaca melebur kemudian dituangkan pada plat baja untuk dicetak. Untuk menghindari keretakan pada kaca, kemudian kaca dimasukkan kembali pada furnace dengan suhu 350ºC selama 3jam untuk proses anneling. Setelah itu suhu furnace diturunkan pada suhu kamar dengan kadar penurunan 1.0 ºC/min. Sample kemudian ditempatkan pada dessicator. Sampel kemudian di analisis dengan difraksi sinar-x untuk menentukan bahwa sampel yang didapatkan bersifat amorphous. 2.2. Karakterisasi Struktur Kaca Struktur kaca dikarakterisasi dengan menggunakan FTIR spektroskopi. Penyerapan spectra dengan FTIR pada range 400-4000cm-1 dilakukan dengan menggunakan Spektroskopi Perkin Elmer GX-IR JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK G-2-1 UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
menggunakan metode KBr pellet pada suhu kamar. Campuran kuantitas kaca yang dicampurkan dengan serbuk KBr dengan perbandingan 1:100. Pelet yang didapatkan dengan ketebalan ± 1mm terbentuk dengan melakukan sedikit pengepresan pada campuran sample kaca dan serbuk KBr. Kemudian spectra dijalankan dengan resolution 2 cm-1 dan power 350 mW. Hasil dan Pembahasan Kaca yang terbentuk adalah homogen, clear dan berwarna ungu serta tidak menunjukkan puncakpuncak tertentu ketika diuji dengan menggunakan difraksi sinar-x, itu menunjukkan sampel yang diperoleh besifat amorphous. Kaca yang terbentuk adalah kaca dengan komposisi P2O5 lebih dari 50mol%. Komposisi kaca dan hasil pengujian dengan difraksi sinar-x ditunjukkan pada tabel 1. Table 1. Komposisi kaca P2O5-MnO2 dan difraksi sinar-x Batch composition (mol%) P2O5 MnO2 90 10 80 20 70 30 60 40 50 50 40 60 30 70
Remark
XRD Analisis
Homogeneus, clear, purple Homogenous, clear, purple Homogenous, clear, purple Homogenous, clear, dark purple Homogenous, clear, dark purple Not forming glasses Not forming glasses
amorphous amorphous amorphous amorphous amorphous crystallized crystallized
Dari Tabel 1. terlihat bahwa tidak semua komposisi kaca akan terbentuk sampel kaca. Sampel hanya akan terbentuk jika komposisi fosfat lebih dari 50 mol%, dan ketika komposisi fosfat berkurang maka kaca tidak dapat terbentuk. Hal ini dimungkinkan karena dengan penambahan MnO2 yang merupakan oksida pengubah suai menyebabkan struktur kaca fosfat sukar untuk terbentuk sehingga tidak menghasilkan sampel kaca. Selain itu juga ditunjukkan, sample yang diperolehi berwarna ungu. Dan dengan penambahan mangaan oksida, warna ungu menjadi semakin gelap. Warna ungu yang terjadi pada kaca dimungkinkan karena sifat raw material mangan oksida dan karakteristik pada ion Mn3+ yang berasal dari reaksi oksidasi ion Mn4+. Dari hasil analisis difraksi sinar-x, tidak menunjukkan puncak-puncak tertentu ketika diuji. Itu menunjukkan bahwa sampel kaca yang terbentuk bersifat amorphous. Sedangkan pada sampel kaca dengan komposisi fosfat kurang dari 50 mol% menunjukkan puncak tertentu sehingga dapat diasumsikan sebagai kristal (hasil analisis tidak ditunjukkan disini). Dari analisis FTIR spektroskopi, dapat diperoleh beberapa informasi tentang perubahan struktur kaca fosfat yang di dop dengan mangaan oksida. Gambar 1. menunjukkan spektra dari FTIR spectroskopi dalam daerah wavenumber 400-4000cm-1 pada kaca fosfat yang di dop dengan mangaan oksida. Spektra menunjukkan daerah penyerapan yang kuat disekitar 1277-1329 cm-1 disebutkan sebagai ikatan P=O simetrik stretching (Nocun, 2004). Ditunjukkan juga bahwa intensitinya pada daerah penyerapan P=O meningkat dengan peningkatan penambahan MnO2. Hal ini mengidentasikan bahwa terjadi penggabungan Mn3+ pada stuktur kaca melalui proses depolimerisasi. Penggabungan ion Mn3+ juga ditunjukkan oleh pergeseran wavenumber makin besar sehingga energi yang digunakan untuk bervibrasi juga makin besar. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa ikatan pada daerah penyerapan tersebut makin kuat.
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
G-2-2
MnO2 (mol %)
X = 10
X = 30 %T
X = 20
X = 40
X = 50
4000.0 3600
3200
2800
2400
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400.0
cm¯¹
Gambar 1. Spektra FTIR kaca X(MnO2)-1-X(P2O5), dengan 10≤x≤50 mol%
Pada kaca metafosfat, dikatakan untuk komposisi dop kurang dari 50mol%, diprediksi memiliki kedudukan Q3 tetrahedra akan menurun dengan penambahan modifier oxide (Shih, 2004). Akan tetapi, hasil dari pengamatan didapatkan dengan penambahan MnO2, struktur Q3 tetrahedra meningkat. Selain itu, daerah penyerapan disekitar 1078-1170 cm-1 disebutkan sebagai P-O- model asymmetric 3−
stretching dan model deformasi PO4 pada daerah penyerapan 503-537 cm-1(Salim dkk, 1995). Grup model P-O- dinyatakan sebagai struktur fosfat non bridging oksigen yang merupakan bagian dari struktur rantai PO4 tetrahedra. Daerah penyerapan ini bergeser pada wavenumber yang lebih besar dengan penambahan MnO2. Sehingga dapat diasumsikan bahwa penyerapan pada daerah tersebut struktur kacanya menjadi P-O- …Mn+ yang bersifat ionik. Daerah ini juga merupakan overtone dari frekuansi daerah penyerapan 503-537cm-1 . Selain itu, daerah penyerapan disekitar 783-766 cm-1 disebutkan sebagai symmetric stretching P-O-P yang bergeser menuju wavenumber yang lebih kecil (Shih dkk, 1998; Subbalakshmi dan veeraiah, 2002; Ouchetto dkk, 1991; Aomari dkk, 1997). Dan daerah penyerapan untuk P-O-P asymmetric stretching pada 916-949 cm1 bergeser pada frekuensi yang lebih besar dengan penambahan komposisi MnO2 (Mioshnichenko dan Khvedchenya,1981). Seperti pembahasan diatas, pergeseran ini juga diasumsikan adanya penggabungan ion Mn pada kaca fosfat dimana akan menyebabkan perubahan pada panjang rantai fosfat dan sudut ikatan pada rantai P-O-P asymmetric stretching. Menurut Rouse (1978), jika ion modifier oxide memiliki kuat medan yang lebih besar akan menyebabkan sudut ikatan P-O-P dalam struktur kaca akan menjadi kecil. Posisi puncak dari FTIR spektroskopi dapat ditabulasikan dan ditunjukkan pada Tabel 2. Tabel 2. Puncak penyerapan dari FTIR Spektroskopi kaca (x) MnO2- (100-x) P2O5 Glass Compositions P2O5 MnO2 90 10 80 20 70 30 60 40 50 50
Peak positions of IR bands (cm¯¹) 503 517 547 540 537
783 779 776 768 766
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
916 923 925 930 949
1078 1080 1096 1118 1170
1277 1299 1310 1317 1329
G-2-3
Dari Tabel 2. dapat terlihat bahwa dengan penambahan mangan oksida akan menyebabkan pergeseran wavenumber menuju wavenumber yang lebih besar. Sehingga dapat diplot grafik hubungan antara wavenumber dengan penambahan mangaan oksida. 1340 1330
k (cm-1)
1320 1310 1300 1290 1280 1270 0
10
20
30
40
50
60
MnO2
Gambar 2. Hubungan wavenumber dan komposisi MnO2 Kesimpulan Sistem kaca (x)MnO2 – (100-x)P2O5, dengan 10 ≤ x ≤ 70 mol% berhasil dibuat. Kaca akan mudah dibuat jika komposisi P2O5 lebih besar dari 50mol%. Pada FTIR spektroskopi didapatkan bahwa struktur yang terbentuk dipengaruhi oleh komposisi mangaan oksida. Penambahan komposisi mangaan oksida menyebabkan depolimerisasi pada kaca sehingga menyebabkan perubahan struktur kaca fosfat. Ucapan Terima Kasih Penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada UTM dengan VOT nomber 74532 yang telah memberikan support secara finansial dalam penelitian ini. Juga penulis mengucapkan terima kasih kepada Prof. Dr. Md Rahim Sahar, PM. Dr. Md. Supar Rohani sebagai supervisor, Sulhadi, Putut Marwoto, Ngurah Made D.P. dan agus Setya Budi atas bimbingannya dan teman- teman semua yang telah membantu. Daftar Pustaka Shih P.Y., Yung S.W., Chin T.S., (1998) , “ Thermal and Corrosion Behavior of P2O5-Na2O-CuO Glasses”, J. Non-Cryst.Solids, 224, hal. 143-152 Subbalakshmi P., Veeraiah N., 2002), “ Study of CaO-WO3-P2O5 glass system by dielectric properties, IR spectra and differential thermal analysis”, J. Non-Cryst. Solids, 298, hal. 89-98 Liu H.S., Chin T.S., Yung S.W., (1997), “FTIR and XPS Studies of Low-Melting PbO-ZnO-P2O5 Glasses”, Mat. Chem. And Physics 50, hal. 1-10 Ladislav Cervinka, Jaroslava Bererova, Miroslav Trojan, (1993), “An X-ray Study of Phosphate Glasses of the Composition [M(PO3)2]n (M=Zn, Cu, Mn, Ca and Mg)”,J. Non-Cryst. Solids 192&193, hal. 121-124 Karabulut M., Metwalli E., Brow R.K., (2001), “Structure and properties of lanthanum-Aluminumphosphate Glasses”, J.Non-Cryst. Solids 283, hal. 211-219 Nocun, Marek. (2004), “Structural studies of phosphate glasses with high ionic conductivity”, J.Non-Cryst. Solids 333, hal. 90-94 Doremus, Robert H., (1973), “Glass Science”, Edisi 1, John Wiley & sons, Canada, hal 34
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
G-2-4
Salim M.A., Khattak G.D., Sakhawat Hussain, (1995), “X-ray photoelectron spectroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy and electrical conductivity studies of copper phosphate glasses”, J.Non-Cryst. Solids, 185, hal 101-108 Aomari k., saidi M., Drissi, (1997), Physics & Chemistry glasses, 38, hal 15 Ouchetto M., Elouadi B., Parke S., (1991), Physics & chemistry glasses, 32, hal 202 Rouse G.B. Miller P.J., Risen W.M., (1978), “ Mixed Alkali glass Spectra and Structure”, J. Non-Cryst. Solids, 28, hal. 193
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
G-2-5
DATA PRIBADI PENYAJI 1. Nama Penulis
: BUDI ASTUTI
2. Tempat/tanggal lahir
: Banjarnegara, 16 Februari 1979
3. Alamat Instansi
:-
4. Pendidikan
: S1, Pend Fisika – Unnes Semarang (2001)
5. Pengalaman Penelitian
:
1. A Study of Optical properties on (70-x)P2O5-30MnO2-(x)Sm2O3 Glasses 6. Publikasi Ilmiah
:
1. Preparation and FTIR Spectroscopy of
(70-x)P2O5-30MnO2-(x)Sm2O3 Glasses
(MASS Conference xx, di Lumut, Malaysia-2003) 2. Vibrational Spectroscopy and Optical Band Gap in (MnO2)30 – (Sm2O3)x – (P2O5) 70-x Glasses (AFFS 2004, di UTM Skudai, Malaysia-2004) 7. Alat yang diperlukan untuk presentasi : ! OHP ! LCD
Semarang, 26 Juni 2004 Tertanda,
BUDI ASTUTI
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
G-2-6
