PENGARUH KETEBALAN FILM TIPIS FOTOKATALIS TIO2 PADA SUBSTRAT KACA TERHADAP NILAI ABSORBSI, UKURAN BUTIR, SIFAT HIDROFILIK DAN ANTI FOGGING Ifa Kumala R.L1), Nandang Mufti2), Hartatiek3) 1)
Mahasiswa Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Malang Dosen Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Malang 3) Dosen Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Malang Jl. Semarang no. 5 Malang. Alamat e-mail :
[email protected]:
[email protected], 2)
Abstract A research on the growth of TiO2 thin film which aims to determine the effect of TiO2 thin film thickness on glass against value absorption, grain size, hydrophilic properties and anti-fogging. TiO2 thin film layer growth using the sol-gel method of spin coating with raw material TiCl4 , etanol, ethylen glycol, and PVA. Crystal structure, absorption value, the value of bandgap, thickness and hydrophilic properties of TiO2 thin film layers can be learned from the results of characterization using X-Ray Difraction (XRD), UV-Vis Spektroftometer, Scanning Electron Microscope (SEM-EDAX). XRD results showed phase is formed by the orientation of the crystal is anatase peaks at crystal planes 101. Characterization of UV-Vis absorption shows the greatest and smallest transmittance at 3 times the coating, with a bandgap of 3.33 eV. These results indicate that with increasing layer thickness the higher the level of absorption. The higher the value, the thickness layer will be hydrophilic and can be used as an anti-fogging Key Words : TiO2 (titanium dioxide), Absorption,Thin Film Thickness, Absorption, Grain Size, Hidrophilic, Anti Fogging teknologi rekayasa permukaan (Anggita et al, 2013). Penggunaan kaca tetap menjadi pilihan dari bangunan-bangunan di era abad 21. Beberapa tahun belakangan ini Titanium Selain peningkatan pengetahuan akan sifat-sifat dioksida (TiO2) menjadi salah satu yang sangat bahan ini yang transparan, material ini juga ekstensif untuk dipelajari (Sharma et al., 2008). berfungsi untuk memperindah properti dan Morfologi lapis tipis titania memegang peranan sebagai alternatif penghematan energi karena penting dalam penangkapan sinar matahari. dapat membantu pencahayaan ruangan Keberadaan fasa kristalin TiO2 yang berbeda bangunan, serta panas pada bangunan. akan mempengaruhi efektivitas penyerapan Perkembangan proses produksi kaca, energi foton oleh lapis tipis TiO2. Fasa menyebabkan penggunaan material ini kristalin TiO2 yang bersifat fotoaktif meliputi semakin luas dan digunakan hampir di seluruh fasa anatase dan rutile dengan energi celah bagian bangunan (Lestari, 2014). Kaca (Eg) secara berurutan 3,2 dan 3,0 eV. Selain merupakan material transparan yang selain itu, morfologi permukaan lapis tipis TiO2 juga mempunyai kelebihan, juga memiliki mempengaruhi kapasitas adsorpsi. Morfologi kekurangan, misalnya terkontaminasi oleh yang berbeda memberikan kapasitas dan lama kotoran, apabila tidak dibersihkan kotoran- adsorpsi yang berbeda. Jumlah polutan organik kotoran yang menempel tersebut lama yang teradsorpsi pada lapis tipis TiO2 akan kelamaan akan mengurangi pencahayaan mempengaruhi efektivitas interaksi antara + ruangan bahkan dapat merusak permukaan spesies h atau radikal •OH dengan polutan material, maka perlu dicari solusi untuk organik (Machiakh dan Bensaha, 2009). menangani dilakukan material pekerjaan
masalah tersebut. Berbagai cara untuk memodifikasi materialtersebut untuk mempermudah manusia, salah satunya dengan
Salah satu aplikasi film titania adalah dalam bidang fotokatalisis. Fotokatalisis ini banyak diaplikasikan dalam kehidupan, setelah ditemukannya sifat hidrofilik pada permukaan 1
film TiO2, maka aplikasi ini terus berkembang dan diantaranya adalah untuk anti fogging dan self cleaning (Benani et al., 2009). Salah satu contoh kecil kegunaan fotokatalisis untuk aplikasi anti fogging adalah penggunaan film tipis TiO2 pada kaca. Chun et al, (2010) mensintesis film TiO2 dengan metode sol gel dengan menggunakan prekursor titanium isoprokposida (TTIP), dengan proses hidrolisis dilakukan dalam kondisi N2 atmorfer. Hasil yang diperoleh mempunyai persen transmitansi 90%. Menurut Lange et al, (2008) metode sol-gel sering digunakan dalam sintesis lapis tipis atau modifikasi pori karena deposisi multilayer dapat mengontrol struktur, komposisi,dan aktifitas lapis tipis yang dihasilkan. Sharma et al, (2009) mensintesis film TiO2 dengan menggunakan prekursor TTIP yang ditambahkan dengan HCl dan etil alkohol dan diaduk dengan magnetik stirrer selama 1 jam. Kemudian dilakukan pelapisan pada substrat gelas dengan metode spin coating. Film dikalsinasi dengan temperature divariasikan pada suhu 250oC, 300oC, dan 350oC. Hasil uji transmitansi menunjukkan bahwa pada suhu 350oC dengan menggunakan XRD diketahui sudah erbentuk kristal anatase dan pengukuran trnsmitan diperoleh transmitansi 90%. Berdasarkan uraian data pada penelitian pendahuluan dan beberapa penelitian yang telah dilakukan oleh peneliti lain, maka dibuat material anti fogging dari film tipis TiO2 yang hidrofilik pada substrat kaca, dengan pegaruh variasi waktu putaran pada spin coating dan variasi ketebalan sebanyak 1x, 2x, 3x lapisan. Variasi ini dilakukan dengan maksud untuk mendapatkan nilai ketebalan film tipis TiO2 yang ditumbuhkan di atas substrat kaca menggunakan metode sol-gel spin coating sehingga didapatkan sifat fisis, mikrostruktur film tipis dan juga untuk mempelajari aktivitas fotokatalitik dari film tipis sehingga kaca tetap terlihat jernih. Oleh sebab itu perlu diadakan sebuah penelitian tentang, “Pengaruh Ketebalan Film Tipis Fotokatalitis TiO2 pada Substrat Kaca Terhadap Nilai Absorbsi, Ukuran Butir, Sifat Hidrofilik dan Anti Fogging.”
Rumusan Masalah a. Bagaimana struktur kristal yang terbentuk pada film tipis TiO2 ? b. Bagaimana pengaruh ketebalan film tipis terhadap nilai absorbsi pada berbagai panjang gelombang sinar tampak ? c. Bagaimana pengaruh ketebalan terhadap ukuran butir pada film tipis TiO2 ? d. Bagaimana pengaruh ketebalan lapisan terhadap sifat hidrofilik film tipis TiO2? e. Bagaimana pengaruh ketebalan lapisan terhadap anti fogging pada lapisan film tipis TiO2? Metode Penelitian Tahap Preparasi Substrat Tahap persiapan adalah menyiapkan bahan yang digunakan yaitu substrat kaca ukuran 2,5 x 2,5 x 0,1 cm. Preparasi substrat ini meliputi pembersihan substrat sebelum digunakan untuk bahan yang akan dilapisi. Hal ini sangat penting karena akan sangat menentukan ikatan lapisan terhadap substrat. Substrat kaca dibersihkan/dicuci dalam alkohol 96% selama 15 menit dan aseton selama 15 menit. Substrat kemudian dikeringkan dalam oven bersuhu 100°C selama 30 menit. Tahap Pembuatan Tahap selanjutnya yaitu sintesis sol gel TiO2, untuk menghasilkan larutan TiO2. TiCl4 99% (precursor) dan etanol 96% (pelarut) dengan rasio perbandingan volume precursor dan pelarut adalah 1: 1. Larutan diaduk dengan menggunakan magnetic stirrer 800 rpm selama 60 menit pada suhu kamar sehingga larutan tercampur seluruhnya. Pada larutan yang telah dicampurkan terjadi reaksi hidrolisis garam yang ditunjukkan pada persamaan: TiCl4 + 2C2H5OH TiO2+ 4HCl + 4CH2 Larutan yang akan terbentuk masih berupa sol, dan akan membentuk gel dengan penambahan larutan Polivinil alkohol (PVA). Kedua larutan tersebut dicampur dan diputar menggunakan magnetic stirer 800 rpm selama 60 menit supaya larutan benar-benar tercampur merata. 2
Proses pembuatan lapisan tipis dilakukan dengan cara mengambil 4 tetes larutan TiO2 untuk diteteskan pada substrat yang sudah ditempatkan pada alat spin coating. Kemudian substrat yang telah ditetesi larutan TiO2 diputar dengan kecepatan putar 1500 rpm. Langkah berikutnya adalah pemanasan awal. Kemudian pemanasan (annealing) dilakukan dengan menggunakan furnace dengan suhu 500oC selama 1 jam. Dilakukan variasi ketebalan sebanyak 1x, 2x, 3x pelapisan. Proses annealing berfungsi untuk memperbaiki struktur kristal.
dengan model ternyata ketiga puncak tersebut merupakan senyawa TiO2 dengan struktur kristal anatase dengan bidang kristal 101. Hal ini sesuai dengan penelitian Heri, dkk 2011, yang menyatakan bahwa pada suhu sekitar 550oC akan tumbuh kristal dengan stuktur anatase. Data Hasil Uji SEM-EDX
Tahap Karakterisasi Struktur kristal, nilai absorbsi, ukuran butir, nilai bandgap, ketebalan dan sifat hidrofilik lapisan film tipis TiO2 dapat dipelajari dari hasil karakterisasi menggunakan X-Ray Difraction (XRD), Spektroftometer UV-Vis, Scanning Electron Microscope (SEM-EDAX). Hasil Penelitian Data Hasil Uji XRD pada Film Tipis TiO2
Gambar 2 Hasil Ketebalan SEM Ketebalan (a) 1 Film Tipis , (b) 2 Film Tipis, (c) 3 Film Tipis
Hasil citra uji SEM ditunjukkan pada Gambar 2. Berdasarkan skala yang ada, ketebalan ratarata permukaan 1 kali pelapisan adalah 2,06 m . Terdapat partikel berwarna putih yang diindikasi adanya pengotor saat proses pelapisan. Ketebalan rata-rata permukaan 2 kali pelapisan sebesar 3,33 m dan tebal rata-rata permukaan 3 kali pelapisan sebesar 5,20 m .
Analisis identifikasi fasa TiO2 menggunakan software FullProof dan Origin 8, hasilnya ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 3 Hasil Morfologi SEM Ketebalan (a) 1 kali (b) 2 kali (c) 3 kali Film Tipis TiO2
Hasil perhitungan dengan persamaan shcerrer maka diperoleh nilai ukuran butir kristal pada tabel 1 Tabel 1 Nilai Ukuran Butir Kristal TiO2 Ketebalan Film Tipis 1 Film 2 Film TiO2 Tipis Tipis Gambar 1 Pola XRD Flim Tipis TiO2 Hasil Fitting FulProff dan Origin8
Dari Gambar 1, terlihat adanya satu puncak yang terbentuk pada masing-masing sampel pada sudut hamburan (2 ) 25,32o pada 1 film tipis, 25,27o pada 2 film tipis, dan 25,41o pada 3 film tipis. Setelah dianalisa dan dicocokkan
Ukuran Butir Kristal
235 nm
179 nm
3 Film Tipis 137 nm
Tabel 1 dan Gambar 3 menunjukkan bahwa bahwa sampel yang dihasilkan memiliki ukuran butir kristal kecil, karena pada dasarnya kristal yang berukuran besar dengan satu orientasi menghasilkan puncak difraksi yang mendekati sumbu vertikal. Kristal yang berukuran kecil 3
menghasilkan puncak yang lebar karena kristal yang kecil memiliki bidang pantul sinar-X yang terbatas. Puncak difraksi dihasilkan oleh interferensi secara konstruktif sinar yang dipantulkan oleh bidang-bidang kristal (Abdullah, 2008). Semakin tebal film tipis semakin kecil ukuran butir kristal yang terbentuk. Semakin kecil ukuran butir kristal semakin banyak rongga yang terbentuk sehinggan semakin luas permukaan untuk menyerap radikal bebas.
transmitansi dilakukan pada panjang gelombang 320 nm - 800 nm yaitu dimulai dari cahaya ultraviolet sampai cahaya tampak.
hv b(hv E g ) n dengan = koefisien absorbsi, hv = energy foton (eV), b = konstanta. Nilai n dapat (n=2) atau (n=1/2)
Gambar 5 Nilai bandgap lapisan fim tipis TiO2
Pada perhitungan ini, indirect band gap relative sama yaitu sekitar 3,30 eV, 3,33 eV dan 3,33 eV yang ditunjukkan pada Gambar 5. Gambar 4 Hasil Uji EDAX Lapisan Film Tipis.
Uji Sifat Hidrofilik sebagai Anti Fogging Hasil EDAX menunjukan bahwa komposisi unsur Ti tertinggi dalag pada ketebalan 3 lapisan yaitu sebesar 11,11% Nilai Absorbansi pada Lapisan Film Tipis TiO2 Hasil dari nilai absorbansi lapisan tipis TiO2 dilakukan dengan menggunakan alat Spektrofotometri UV-Vis dalam rentang panjang gelombang antara 320 nm hingga 800 nm. Data yang diperoleh dari pengujian ini adalah data absorbansi. Semakin tebal lapisan maka nilai absorbansinya akan semakin tinggi. Nilai absorbansi berturut-turut mulai dari 3 lapisan, 2 lapisan, dan 1 lapisan adalah 1,56; 1,20; 1,08. Hal ini dikarenakan banyaknya atom-atom bahan yang terlibat dalam proses penyerapan berkas cahaya. Nilai Celah Pita Optik pada Lapisan Film Tipis TiO2
Pengukuran sudut kontak dilakukan dengan menggunakan metode tetesan air. Sudut kontak antara air dengan bahan dianalisi menggunakan software ImageJ. Sudut kontak yang kecil dapat dicapai bila terbentuk gugus hidroksil yang stabil pada permukaan sehingga ketika air datang dapat langsung berikatan dengan gugus hidroksil ini. Hasil yang diperoleh ditunjukkan pada Gambar 6. Sudut kontak air dan permukaan film tipis antara 20o-40o yaitu masih dalam rentang sifat hidrofilik.
Gambar 6 Sudut kontak sebelum disinar matahari (a) 1 kali (b) 2 kali (c) 3 kali dan setelah disinari matahari (c’) 1 kali (b’) 2 kali (c’) 3 kali
Perhitungan celah pita optik dimulai dari penentuan nilai transmitansi maksimum dan minimum, tebal dan koefisien serapan lapisan tipis dan diakhiri perhitungan dengan menerapkan metode Tauc Plot. Pengukuran
4
Abdullah M dan Khairurrijal K. 2009. Review: Karakterisasi Nanomaterial. Jurnal Nanosains & Teknologi. ISSN 19790880. Vol. 2 (1): 1-9.
. Gambar 7. Uji anti fogging lapisan film tipis TiO2
Gambar 7 adalah hasil uji anti fogging dilakukan dengan menyemprotkan air ke permukaan substrat kaca yang telah ditumbuhkan film tipis TiO2 dan substrat kaca yang tidak dilapisi sama sekali. Sifat hidrofilik terlihat bahwa pada substrat yang ditumbuhkan film tipis TiO2, air langsung tersebar membentuk lapisan (tidak terbentuk/droplet air), sedangkan pada potongan kaca yang tidak dilapisi, terlihat butiran-butiran/droplet air. Dengan demikian, terbukti bahwa kaca yang ditumbuhkan film tipis TiO2 memiliki sifat hidrofilik, sehingga dapat membentuk lapisan air yang tipis. V.
Kesimpulan
Berdasarkan analisis dan pembahasan yang telah dilakukan pada bagian sebelumnya, dapat ditarik kesimpulan bahwa lapisan film tipis TiO2 berhasil ditumbuhkan pada substrat kaca. Struktur kristal yang terbentuk adalah anatase pada satu bidang hkl 101. Dengan bertambahnya ketebalan lapisan maka nilai absorbsi semakin meningkat, dan nilai bandgap sekitar 3,33 eV. Dengan nilai bandgap yang besar ini membuat permukaan lapisan film sifat hidrofilik sehingga bisa digunakan sebagai anti fogging. Ucapan Terima Kasih Terima kasih penulis ucapkan kepada DP2M Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan Nasional atas sebagian pendanaan selama penelitian pada tahun 2015. .
Referensi
Arutanti O, Abdullah M, Khairurrijal K dan Mahfudz H. 2009. Penjernihan Air Dari Pencemaran Organik dengan Proses Fotokatalis pada Permukaan Titanium Dioksida (TiO2). Jurnal Nanosains dan Nanoteknologi: 53-55. Bayu Wahyudi, Hendri Widiyandari. 2011. Deposisi Nanopartikel Titanium Dioksida (TiO2) di atas Gelas Transparan Konduktif dan Aplikasinya sebagai Elektroda Kerja pada Sel Surya Berbasis Dye (DSSC). Jurnal Sains dan Matematika, Volume 19 (4), 2011, 122-126 Byung-Ho Moon. 2013. Titanium oxide Films Prepared by Sputtering, Sol Gel and Dip Coating Methods for Photovoltaic Application. Korea: Deptarment of Electrical Engineering, Kyungsung University, Busan 608-736 Chiahung Huang. 2012. Synthesis of Neutral SiO2/TiO2 Hydrosol and Its Application as Antireflective SelfCleaning Thin Film. Taiwan: International Journal of Photoenergy Volume 2012 Choi, Won Seok, et al. 2009. Optical and structural properties of ZnO/TiO2/ZnO multi-layers prepared via electron beam evaporation. Orginal Research Article Vacuum, Volume 83, Issue 5, 878-882 Dejan Verhov sek. 2012. The Synthesis of Anatase Nanoparticles and the Preparation of Photocatalytically Active Coatings Based on Wet ChemicalMethods for Self-Cleaning Applications. Slovenia:International Journal of Photoenergy Volume 2012 Desi,
S., Gusnedi, Zulhendri K. 2014. Pengaruh Waktu Spin Coating Terhadap Struktur dan Sifat Listrik sel Surya Pewarna Tersensitasi. Pillar Of Physics, Volume 1, 2014, 33-40
Djoko Hartanto, Tri Esti, Hamzah Fansuri, Didik Prasetyo. 2011. Karakterisasi Struktur Pori dan Morfologi ZSM-2 Mesopori yang Disintesis dengan 5
Variasi Waktu Aging. Surabaya: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Sepuluh November Edy
Supriyanto, Ashanal Holikin, Suwardiyanto. 2010. Pengaruh Thermal Annealing terhadap Struktur Kristal dan Morfologi Bubuk Titanium Dioksida (TiO2).Jember:Fakultas Matematika dn Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Jember.
Fajar T, Maresta. 2010. Sistem Penjernih Air Yang Tercemar Bakteri E. Coli Berbasis Fotokatalis TiO2 Dikombinasikan Dengan Karbon Aktif. Semarang : Jurusan Fisika Universitas Diponegoro. Firdaus, C.M., dkk. 2012. Characterization of ZnO and ZnO:TiO2 Thin Films Prepared by Sol-Gel Spray-Spin Coating Technique. Original Research Article Procedia Engineering, Volume 41, 2012, Pages 1367-1373 H,Sanjaya. 2005. Pembuatan Lapisan Tipis Titania Pada Plat Kaca Dengan Metoda Celupan dan Uji fotokatalisnya pada air rawa Gambut. Padang : Skripsi Sarjana Kimia UNAND Heri Sutanto, dkk. 2011. Pembuatan Sistem Pengolah Air Bersih Menggunakan Material Fotokatalis Titania (TiO2). Semarang : Fakultas MIPA UNDIP
Hoover, S. 2005. LOOKING THROUGH GLASS. Environmental Design + Construction, 8(4), 18-20. Retrieved from http://search.proquest.com/docview/23 5013060?accountid=38628 K.Hashimoto, H. Irie, and A. Fujishima. 2005. “TiO2 photocatalysis:a historical overview and future prospects,” Japanese Journal of Applied Physics 1, vol. 44, no. 12, pp. 8269–8285 Kaewtip, C., Chadpunyanun, P., & Boonamnuayvitaya, V. 2012. Effect of co-dopants in TiO2-SiO2 thin films on the formaldehyde degradation. Water, Air and Soil Pollution, 223(4), 14551465. doi:http://dx.doi.org/10.1007/s11270011-0957-8 Kamaruddin, S., & Stephan, D. 2014. Sol-gel mediated coating ancharacterization of photocatalytic sand and fumed silica for environmental remediation. Water, Air and Soil Pollution, 225(5), 1-11. doi:http://dx.doi.org/10.1007/s11270014-1948-3 Lin, W.C, Yang, W.D., Huang, I. L.,Wu, T.S & Chung, Z.J. 2009. Hydrogen Production from Methanol/Water photocatalytic Decomposition Usding Pt/TiO2-xNx catalyst. Energy & Fuels, 23,2192-2196.
6
