SINTESIS DAN KARAKTERISASI NANOPARTIKEL PIGMEN (BIRU) PRUSSIAN BLUE FERRIC(III) HEXACYANOFERRATE(II) (Fe4[Fe(CN)6]3 BERBAHAN DASAR PASIR BESI ALAM Lilis Try Wahyuni1, Nandang Mufti, Yudyanto Program Studi Fisika FMIPA Universitas Negeri Malang 1 Email :
[email protected] Abstract Iron sand containst of iron minerals , such as magnetite (Fe3O4) , hematite (α - Fe2O3) and maghemite (γ - Fe2O3) . the iron sand can be used as source of pigments. In this research, nanoparticles pigments ( blue ) Prussian Blue Fe4[Fe(CN)6]3 with a sand base material synthesized by co-precipitation method . In this research FeCl3 synthesized from iron sand after synthesized Fe2O3 uses the co-precipitation method and then disolves 0,3 grams of Fe2O3 in 5 mL HCl. It has been prepared three variation compositions of K4[Fe(CN)6], dissolves 0.5 grams (PB 1), 1 grams (PB 2), and 1.5 grams (PB 3) each other in 5 mL H2O. In this research, to synthesis Prussian Blue using co-precipitation method. Fitting of XRD patterns prove that standard model which produced greater composition of K4[Fe(CN)6] makes Prussian Blue phase percentage greater. The compositions of 0,5 grams (PB 1), 1 grams (PB 2) and 1,5 grams (PB 3) of K4[Fe(CN)6], the phase percentage sequentially are 45.2%, 55.1%, and 62.0%. in this research, the Prussian Blue has smallest grain size is PB 2. PB 2 has grain size is 29,8 nm. SEM-EDS results microscopically show that all pigmens of PB which produced are aglomerated. Besides that, UV-Vis spectrometric test show that the wavelength absorpsion of PB 1, PB 2, and PB 3 sequentially 720 nm, 730 nm, and 740 nm. If compositions of K4[Fe(CN)6] becomes greater, peak of maximum absorpsion is getting lower and absorption wavelength shifts to the right. By using MS2 Bartington in susceptibility test, it shows that if composition of K4[Fe(CN)6] is greater, so susceptibility value is greater too. The susceptibility values of PB 1, PB 2, and PB 3 are 7,9; 8,2; and 8,7. Kata Kunci: Iron sand, pigmen Prussian Blue, Co-precipitation,composition of K4[Fe(CN)6]
sebagai bahan campuran semen atau bahan bangunan. Salah satu pemanfaatan pasir besi yang memiliki nilai ekonomi yang lebih tinggi adalah digunakan sebagai pigmen. Sebelumnya pada penelitian Atma K, 2013 telah berhasil disintesis nanopartikel pig-men oksida besi hitam (Fe3O4), merah (Fe2O3), dan kuning (FeOOH) berbahan dasar pasir. Diperlukan pengembangan lebih lanjut mengenai penelitian tersebut, yaitu salah satunya dengan sintesis pigmen biru berbahan dasar pasir besi sehingga semua warna dasar dapat tersediakan.
PENDAHULUAN Indonesia merupakan negara yang memiliki sumber daya alam yang melimpah. Salah satu kekayaan alam yang tersebar hampir di seluruh wilayah Indonesia adalah pasir besi. Pasir besi merupakan pasir yang kaya akan kandungan besi (Fe). Umumnya kandungan besi tersebut dalam keadaan teroksidasi dan membentuk besi oksida, seperti magnetit (Fe3O4), hematit (α-Fe2O3), dan maghemit (γ-Fe2O3) (Yulianto, 2010). Namun sejauh ini pemanfaatan pasir besi alam belum aptimal, yaitu hanya sebantas di-gunakan
1
komposisi raw material. Komposisi stoikiometri tidak menjamin rendahnya tingkat impuritas. hal ini karena pengendapan terjadi karena zat tersebut berada dalam bentuk persenyawaan dimana hasil kali konsentrasi ion-ionnya melebihi harga Ksp senyawa tersebut. Ksp atau hasil kali kelarutan adalah hasil kali konsentrasi ion-ion dalam larutan jenuh pada suhu tertentu, setelah masingmasing konsentrasi dipangkatkan dengan koefisiennya menurut persamaan ionisasinya (Keenan dalam Suyanti, 2011). Prussian Blue memiliki sifat magnetik yang menarik untuk dikaji jika dilihat dari interaksi magnetik antara ion-ionnya. Prussian Blue memiliki pusat logam Fe(II) yang bersifat diamagnetik. Logam Fe(II) berhungan dengan logam Fe(III) melalui ligan sianida. Fe(III) memiliki sifat feromagnetik. Antar logam Fe(III) memiliki jarak 10,28 Å. Hal ini mengakibatkan exchange coupling sangat lemah. Hal ini mendorong para ilmuan untuk membuat Prussian Blue analog, yaitu dengan mengganti logam Fe(II) maupun Fe(III) dengan tujuan dapat mengurangi jarak antar logam yang bersifat paramagnetik (Verdanguer, 2006). Pada penelitian ini Prussian Blue yang disintesis disiapkan sebagai pigmen. Pigmen berasal dari bahasa latin, yaitu pigmentum yang berarti bahan pewarna (Smith, 2010). Proses terlihatnya warna dikarenakan ketika suatu cahaya polikromatik mengenai suatu bahan, maka terdapat panjang gelombang yang diserap (absorpsi) adapula yang diteruskan atau dipantulkan. Panjang gelombang yang diteruskan atau dipantulkan ini yang akan sampai pada mata sehingga warna dapat terlihat sesuai
Prussian Blue dengan rumus kimia Fe4[Fe(CN)6]3 merupakan pigmen biru gelap yang diperoleh melalui reaksi FeCl3 dan larutan K4[Fe(CN)6]. Prussian Blue memiliki struktur face-centered cubic (FCC) dengan latis parameter a = b = c = 10.143 Å dengan space group Fm3m seperti yang di-tunjukkan pada gambar 2.3 (Kumar, 2004). Selain itu Prussian Blue juga diaplikasikan sebagai electrochromic displays, elektrokatalisis, baterai sekunder, fotomagnet, penyimpanan hidrogen (Gotoh, 2007), dan penangkal racun thalium (McParland, 2009). Dalam penelitian ini Prussian Blue disintesis melalui metode kopresipitasi. Hal ini bertujuan agar ukuran butir yang dihasilkan memiliki ukuran nanometer. Material nanometer memiliki berbagai kelebihan dibandingkan dengan material bulk. Perbedaan sifat tersebut meliputi sifat mekanik, konduktivitas, sifat magnetik dan lain-lain. Metode kopresipitasi merupakan salah satu metode sintesis nanopartikel berdasarkan pengendapan zat yang diinginkan (Keenan , 1992). Pada penelitian ini dipilih metode kopresipitasi dikarenakan prosesnya menggunakan suhu rendah dan mudah untuk mengontrol ukuran partikel sehingga waktu yang dibutuhkan relatif lebih singkat (Vernandez, 2011). Kopresipitasi adalah pengendapan ikutan. Proses dimana suatu zat yang biasanya dapat larut, ikut tersangkut mengendap selama pengendapan zat yang diinginkan (Underwood dalam Anggit, 2013). Tantangan dalam menggunakan metode kopresipitasi adalah bagaimana menghasilkan meterial dengan kemurnian tinggi. Salah satu yang dapat dilakukan adalah memvariasi
2
aquades. Berikut ini adalah persamaan reaksinya:
dengan panajng gelombang tersebut. Pengujian spektrometri UV-Vis dalam penelitian ini dimaksudkan untuk mengentahui Prussian Blue yang dihasilkan range panjang gelombang Uv-Vis yang diabsorpsi.
4FeCl3 + 3K4[Fe(CN)6] Fe4[Fe(CN)6]3 + 12KC1
à
Karakterisasi yang dilakukan adalah uji XRD, SEM-EDX, UVVis, serta uji suseptibilitas. Hasil XRD yang diperoleh digunakan untuk mengetahui persentase fase Prussian Blue yang diperoleh pada sampel dan untuk mengetahui ukuran butir yang dihitung dnegna menggunakan persamaan SchereerDebay. Hasil SEM-EDX digunakan untuk mengetahui struktur morfologi dari Prussian Blue yang diperoleh serta komposisinya. Hasil SEM-EDX dapat dianalisis secara langsung karena data bersifat deskriptif. Sedangkan hasil UV-Vis digunakan untuk mengetahui range panjang gelombang UV-Vis yang terabsorbsi oleh Prussian Blue.sifat magnetik dari Prussian Blue diketahui dari hasil uji suseptibilitas dengan menggunakan alat Bartington MS2.
METODE Nanopartikel Prussian Blue disintesis dengan menggunakan metode kopresipitasi. Prussian Blue dihasilkan dari reaksi antara larutan FeCl3 dengan larutan K4[Fe(CN)6]. Larutan FeCl3 dihasilkan dari pasir besi denga terlebih dahulu menyintesis Fe3O4 dengan metode kopresipitasi kemudian disintering dengan temperatur 700 ℃ dengan waktu penahanan 2 jam sehingga dihasilkan Fe2O3. FeCl3 diperoleh dengan mereaksikan Fe2O3 dengan HCl. Persamaan reaksinya adalah sebagai berikut: Fe2O3 (s) + 6HCl(l) à 2FeCl3(aq) + 3H2O(l) Fe2O3 dihasilkan dengan melarutkan pasir besi dengan HCl 12,063 M. Filtrat yang diperoleh kemudian ditetesi larutan NH4OH 0,6 M hingga dipetoleh endapan Fe3O4 berwarna hitam. Prussian Blue disintesis dengan memvariasi komposisi K4[Fe(CN)6], yaitu 0,5 gram, 1 gram, dan 1,5 gram yang masing-masing dilarutkan dalam 5 mL aquades. Sedangkan komposisi Fe2O3 tetap, yaitu 0,3 gram dan dilarutkan dalam 5 mL HCl. Proses sintesis dilakukan dengan meneteskan larutan K4[Fe(CN)6] ke dalam larutan FeCl3 dengan kecepatan 12 tetes/menit. Selama proses pencampuran larutan distrirrer dengan kecepatan 400 rpm pada temperatur ruang. Endapan yang diperoleh (Prussian Blue) disaring dan dicuci menggunakan
HASIL DAN PEMBAHASAN Persentase fase Prussian Blue Berikut ini adalah hasil dan pembahasan perhitungan persentase fase Prussian Blue berdasarkan hasil XRD. Hasil XRD yang diperoleh dicocokan dengan hasil XRD Prussian Blue yang telah disintesis oleh Rohilla pada tahun 2010. Hasil pencocokan ditunjukkan pada Gambar 1.
3
=
0,9 = cos
0,9 3,14 cos 2 180
Nilai FWHM ditentukan dengan menggunakan software OriginPro 8. Ukuran butir berdasarkan perhitungan ditampilakan pada Tabel 1. Tabel 1. Ukuran Butir untuk Berbagai Variasi Komposisi K4[Fe(CN)6] Komposisi Ukuran K4[Fe(CN)6] Butir
Gambar 1. Hasil pencocokan pola XRD
Perhitungan persentase fase Prussian Blue dilakukan dengan perhitungan menggunakan persamaan: %
=
100%
5 gram (PB 1)
35,6 nm
1 gram (PB 2)
29,8 nm
1,5 gram (PB 3)
36,8 nm
Berdasarkan perhitungan tersebut dihasilkan persentase fase Prussian Blue PB 1, PB 2, dan PB 3 bertututturyt adalah 45,5%; 55,1%; dan 62%.
SEM-EDX Gambar 3 menunjukkan hasil SEM dari PB 1, PB 2, dan PB 3.
Gambar 2 Hubungan Massa K4[Fe(CN)6] terhadap Persentase PB
Gambar 3 Hasil SEM a. PB 1, b. PB 2, c. PB 3
semakin besar komposisi K4[Fe(CN)6] maka persentase fase Prussian Blue juga semakin besar. Hal ini karena semakin komposisi K4[Fe(CN)6] maka semakin besar pula bagian FeCl3 yang bereaksi membentuk Prussian Blue Fe4[Fe(CN)6]3.
Berdasarkan hasil SEM diatas, tampak bahwa PB 1, PB 2, dan PB 3 teraglomerasi. Hal ini disebabkan karena sifat magnet dalam bahan sehingga terjadi gaya tarik menarik antar partikel. Absorbansi Penjang Gelombang UV-Vis Gambar 4 dibawah ini merupakan hasil dari spektrometri UV-Vis dari Prussian Blue yang diperoleh dalam penelitian ini.
· Ukuran Butir Perhitungan ukuran butir berdasarkan hasil XRD dilakukan dengan menggunakan persamaan Scherer-Debay 4
Nilai Suseptibilitas Prussian Blue Gambar 5 dibawah ini merupakan hasil dari pengukuran suseptibilitas. PB 1, PB 2, dan PB 3 memiliki nilai suseptibilitas berturutturut adalah 7,9 ; 8,2; dan 8,7.
Gambar 4 Hasil Spektrometri UV-Vis PB 1, PB 2, dan PB 3
Berdasarkan dari hasil yang ditunjukkan pada Gambar 4 tampak bahwa PB 1, PB 2, dan PB 3 memiliki absorpsi maksimal pada panjang gelombang berturut turut 720 nm, 730 nm, dan 740 nm. Terlihat bahwa panjang gelombnag yang terabsopsi adalah dalam rentang warna biru-hijau, yaitu dalam rentang 620-750 nm (Susila, 2014). Semakin besar komposisi K4[Fe(CN)6] maka panjang gelombang absorpsi semakin bergeser ke kanan. Gambar 4 juga menunjukkan bahwa semakin besar komposisi K4[Fe(CN)6] maka puncak absorpsi maksimal semakin rendah. Terlihat bahwa tingkat absorpsi maksimum PB1, PB 2, dan PB 3 berturut-turut adalah 0.505; 0,418; 0.2155. Hal ini dikarenakan berdasarkan hasil pelarutan tampak bahwa semakin besar K4[Fe(CN)6] maka partikel yang dapat terlarut dalam air akan semakin sedikit. Partikel-partikel tersebut yang akan mengabsorbsi cahaya yang melewatinya sehingga semakin banyak partikel dalam suatu larutan maka tingkat absorbansi juga akan semakin meningkat. hasil ini sesui dengan teori bahwa nilai absorbansi berbanding lurus dengan konsentrasi (Susila, 2014).
Gambar 5 Grafik Pengaruh massa K4[Fe(CN)6] terhadap Suseptibilitas Prussian Blue
Berdasarkan hasil pada Gambar 5 tampak bahwa selisih nilai suseptibilitas antara ketiga Prussian Blue relatif kecil dan bahan bersifat feromagnetik. KESIMPULAN Telah berhasil diperoleh nanopartikel pigmen biru Prussian Blue Fe4[Fe(CN)6]3 berbahan dasar pasir besi alam. Semakin tinggi komposisi K4[Fe(CN)6] maka persentase Prussian Blue semakin besar. Komposisi K4[Fe(CN)6] 0,5 gram, 1 gram, dan 1,5 gram menghasilkan persentase terbentuknya fase Prussian Blue bertutut-turut 45,2%; 55,1%; dan 62,2%. Semakin tinggi komposisi K4[Fe(CN)6] maka tingkat absorpsi maksimum UV-Vis semakin rendah dan panjang gelombang absorbansi semakin besar. Tingkat absorpsi maksimum untuk komposisi K4[Fe(CN)6] 0,5 gram, 1 gram, dan 1,5 gram berturut-turut adalah 0.505; 0.418; dan 0.2155 sedangkan panjang gelombang absorbansinya ber-
5
Prussian Blue and its Analogues. Jurnal Nanotechnology DOI: 10.1088/09574484/18/34/345609
turut-turut adalah 720 nm, 730 nm, dan 740 nm. Semakin tinggi komposisi K4[Fe(CN)6] maka nilai suseptibilitas Prussian Blue juga semakin besar. Komposisi K4[Fe(CN)6] 0,5 gram, 1 gram, dan 1,5 gram menghasilkan nilai suseptibilitas berturut-turut 7,9; 8,2; dan 8,7. Prussian Blue yang disintesis dengan metode kopresipitasi menghasilkan Prussian Blue berukuran nano. Prussian Blue yang menghasilkan ukuran butir paling kecil adalah Prussian Blue dengan komposisi K4[Fe(CN)6] 1 gram, dan 1,5 gram dimana menghasilkan ukuran butir 29,8 nm. Ketiga Prussian Blue teraglomerasi secara morfologi.
Keenan. 1992. Ilmu Kimia untuk Universitas. Jakarta: Erlangga McParland, M. 2009. IPCS Evaluation of Antidotes FOR Poisoning by 5 Metals and Metalloids. Rohilla, S, dkk. 2010. Synthesis of Fe4[Fe(CN)6]3.14H2O Nanopowder by CoPrecipitation Technique and Effect of Heat Treatment. Journal of Materials Vol. 118 (2010) No 104.
DAFTAR PUSTAKA
Smith, Susie, et al. 2010. Pigments and Minerals. (Online) PDF
Anggit, Aurelia. 2013. Analisis Krom (III) dengan Metode Kopresipitasi Menggunkan Nikel Dibutilditiokarbamat secara Spektrofotometri Serapan Atom. Skripsi tidak diterbitkan. Semarang: Kimia Universitas Negeri Semarang Atma
Suyanti, dkk. 2011. Pengendapan Torium dari Hasil Olah Pasir Monasit. Makalah disajikan dalam Prosiding dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2011 di Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan-Batan Yogyakarta 19 Juli 2011
K, Tri. 2013. Sintesis Nanopartikel Pigmen Oksida Besi Hitam (Fe3O4), Merah (Fe2O3) dan kuning (FeOOH) Berbasis Pasir Besi Tulungagung. Skripsi tidak diterbitkan. Malang: Fisika UM
Verdaguer, M, et al. 2006. Magnetic Prussian Blue Analogs. (Online) PDF Yulianto, Agus dkk. 2010. Produksi Hematit (α-Fe2O3) dari Pasir Besi: Pemanfaatan Potensi Alam Sebagai Bahan Industri Berbasis Sifat Kemagnetan. Jurnal Sains Materi Indonesia Vol. 5, No 1
Fernendez, Benny Rio. 2011. Sinteisis Nanopartikel. Padang: Universitas Andalas Gotoh,
Akihito. 2007. Simple Synthesis of Three Primary Colour Nanoparticle Inks of
6
