Penggunaan Ruang Reaksi Berbentuk Tabung Berdiameter 500 µm untuk Menumbuhkan Nanopartikel ZnO Berdispersi Tunggal

Jurnal Matematika & Sains, Agustus 2013, Vol. 18 Nomor 2

Penggunaan Ruang Reaksi Berbentuk Tabung Berdiameter 500 µm untuk Menumbuhkan Nanopartikel ZnO Berdispersi Tunggal Horasdia Saragih, Donn Richard Ricky dan Albinur Limbong Laboratorium Sains Terapan, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Advent Indonesia e-mail: [email protected] Diterima 29 April 2012, disetujui untuk dipublikasikan 1 Agustus 2012 Abstrak Nanopartikel ZnO berdispersi tunggal memiliki bidang terapan yang sangat luas karena sangat atraktif serta memiliki efisiensi kerja yang sangat tinggi. Oleh karena itu investigasi terhadap teknik-teknik penumbuhannya terus dilakukan dan mendapat banyak perhatian. Teknik penumbuhan yang efisien dan sederhana, terus dicari. Pada penelitian ini nanopartikel ZnO berdispersi tunggal telah ditumbuhkan dengan menggunakan ruang reaksi berbentuk tabung berjari-jari 500 µm. Sifat sirkulatif bahan cair yang mengalir di dalam tabung dimanfaatkan untuk mendapatkan hasil campuran dan hasil reaksi prekursor yang homogen. Dengan memanfaatkan pola alir prekursor yang sirkulatif serta ukuran volumenya yang sangat kecil di dalam tabung, dihasilkan waktu pencampuran yang sangat singkat dan distribusi ukuran nanopartikel ZnO yang relatif homogen (berdispersi tunggal). Dengan cepatnya proses pencampuran dan dengan homogennya ukuran nanopartikel ZnO yang dihasilkan, membuat teknik penumbuhan ini menjadi sangat efesien dan sederhana. Serbuk ZnCl 2 , serbuk NaOH dan di-water (H 2 O) digunakan sebagai prekursor, dan etanol digunakan sebagai pelarut. Polimer polyvinylpyrrolidone (PVP) digunakan sebagai separator untuk memperkecil ukuran rata-rata nanopartikel ZnO dan untuk mempersempit distribusi ukurannya. Kata kunci: Ruang reaksi berbentuk tabung, Nanopartikel ZnO, Dispersi tunggal, Polyvinylpyrrolidone (PVP).

The Use of Tube Reactor with Diameter of 500 µm for Growing ZnO Monodisperse Nanoparticles Abstract ZnO monodisperse nanoparticles have various field applications. This material is very attractive and has high performance. Today, the growth technique of this material with high efficiency and simplicity is intensively investigated and attrack much attention. In this work, ZnO monodisperse nanoparticles were grown with by using reactor in the tube form with diameter of 500 µm. In the tube, precursors were flowed circulatively and have very small volume. Due to the circulative flow and very small volume of precursors in the tube, the homogen mixture of precursors, homogen reactions, and finally, monodisperse of ZnO nanoparticles were obtained in short time. With this reactor, growth of ZnO monodisperse nanoparticles could be carried out simply and efficiently. ZnCl 2 , NaOH and H 2 O were used as precursors, and ethanol was used as solvent. Polymer polyvinylpyrrolidone (PVP) was used as separator to obtain different average size and different distribution size of ZnO monodisperse nanoparticels. Keywords: Tube Reactor, ZnO nanoparticles, Monodisperse, Polyvinylpyrrolidone (PVP). ke depan akan semakin bertambah pada berbagai bidang terapan. Celah pita optik ZnO dapat diperbesar dan warna luminisensnya dapat diubah dengan memperkecil ukurannya (Kumbhakar dkk., 2008; Gong dkk., 2007). Karena potensi terapannya yang besar dan luas maka investigasi terhadap teknik penumbuhan yang dapat menghasilkan partikel ZnO berukuran nanometer saat ini terus dilakukan dan mendapat banyak perhatian. Partikel ZnO berukuran nanometer (nanopartikel ZnO) telah ditumbuhkan dengan menggunakan teknik ultrasonic spray pyrolysis (Htay dkk., 2007). Nanokristal ZnO berdiameter 10-90 nm telah diperoleh. Temperatur penumbuhan yang digunakan berada pada kisaran 200-600oC. Tingginya temperatur penumbuhan yang digunakan pada teknik

1. Pendahuluan Zinc oxide (ZnO) adalah suatu material semikonduktor yang memiliki celah pita optik yang lebar yaitu 3,2 eV yang dapat dipakai pada berbagai bidang terapan, seperti: sel surya, divais luminisens, dan sensor kimia (Choudhury dkk., 2011). Sifat listrik dan optik ZnO dapat diatur melalui ukurannya (Viswanatha dkk., 2004). Hal ini dimungkinkan karena diameter eksiton ZnO sangat besar, yaitu sekitar 5,6 nm sehingga bila ukuran partikelnya diperkecil sampai pada orde besaran ini, karakteristiknya sangat bergantung pada ukuran (Viswanatha dan Sarma, 2006). Karena karakteristik listrik dan optik ZnO dapat dikendalikan dengan mengendalikan ukurannya, maka potensi terapan ZnO

49

50


ini membuat proses operasionalnya relatif tinggi. Teknik hydrothermal (Hu dkk., 2007; Lu dkk., 2006), solvothermal (Shen dkk., 2007; Yang dkk., 2005) dan sol-gel (Mezy dkk., 2008) selanjutnya dipilih sebagai alternatif, dan hasilnya nanopertikel ZnO dapat ditumbuhkan pada temperatur yang lebih rendah. Lu dkk. (2006) menumbuhkan nanowire ZnO pada temperatur 150oC, Yang dkk. (2005) menumbuhkan nanorod ZnO pada temperatur 80oC dan Mezy dkk. (2008) menumbuhkan nanopartikel ZnO pada temperatur 60oC. Tantangan dalam menghasilkan nanopartikel ZnO bukan saja hanya sebatas pada usaha untuk meminiaturisasi ukurannya, akan tetapi juga untuk menghasilkan ukuran dengan tingkat keseragaman yang tinggi (berdispersi tunggal atau monodispers). Hal ini penting karena nanopartikel ZnO dengan karakter yang khas, hanya dapat dihasilkan apabila ukurannya hampir seragam (Cui dkk., 2009; Park dkk., 2004). Monodispers nanopartikel ZnO sangat atraktif dan memiliki efisiensi kerja yang sangat tinggi (Cui dkk., 2009). Teknik-teknik penumbuhan seperti yang diterangkan di atas, dimana seluruh bahan yang digunakan dicampur atau direaksikan di dalam suatu ruang yang ukurannya berskala makro, belum dapat memberikan hasil yang optimal (Hale dkk., 2005). Distribusi ukuran nanopartikel ZnO yang dihasilkan masih sangat lebar bahkan berdispersi ganda (polidispers). Hal ini terjadi karena waktu proses pembentukan nukleus (nukleasi) sebagai kandidat partikel dan waktu proses pertumbuhan nukleus terjadi bersamaan di ruang yang sama sebagai akibat dari besarnya ruang reaksi, sehingga jumlah atau persentasi partikel ZnO yang berukuran nanometer yang dihasilkan dan yang diperlukan, relatif sangat kecil. Laju nukleasi jauh lebih tinggi dibandingkan dengan laju pencampuran prekursor untuk mencapai homogen. Oleh karena itu teknik-teknik tersebut dianggap boros (Poot dkk., 2010). Untuk mengatasi masalah-masalah tersebut di atas pada penelitian ini nanopartikel ZnO telah dicoba ditumbuhkan dengan teknik lain, yaitu dengan menggunakan ruang reaksi berbentuk tabung berjarijari 500 µm. Tabung dibuat dari bahan kaca sehingga dapat tembus cahaya dan tidak bereaksi dengan bahan prekursor yang digunakan. Teknik ini sangat efisien dan dapat menghasilkan nanopartikel ZnO berdispersi tunggal. Di dalam tabung dengan jari-jari 500 µm, fluida mengalir secara sirkulatif. Dengan

memanfaatkan sifat sirkulatif ini, proses pencampuran dan pereaksian prekursor di dalam tabung terjadi secara otomatis tanpa membutuhkan pengadukan secara eksternal. Volume prekursor yang dicampur sangat kecil sehingga waktu pencampurannya untuk mencapai campuran yang homogen sangat cepat. Dengan kecilnya volume campuran ini, maka energi panas yang dibutuhkan oleh prekursor untuk bereaksipun sangat kecil sehingga sangat hemat. Kecilnya ukuran volume campuran prekursor di dalam tabung dapat menghindari terjadinya pembentukan partikel berukuran besar dan variatif. Sebagai hasilnya nanopartikel ZnO yang dihasilkan sangat kecil dan homogen (monodispers). Energi panas pembangkit reaksi dapat disuplai secara radiatif dengan menggunakan lampu pemanas. Selain itu, gas dapat diinjeksi secara periodik ke dalam tabung untuk memisahkan aliran campuran prekursor ke dalam volume-volume yang lebih kecil lagi sehingga membentuk pola alir gas-cair. Proses pengaliran prekursor di dalam tabung berjari-jari 500 µm dapat dilakukan hanya dengan memanfaatkan gaya gravitasi sehingga dapat menambah keefisienan teknik ini. 2. Metode Penelitian 2.1 Ruang reaksi berbentuk tabung berjari-jari 500 µm Ruang reaksi dibuat dari bahan gelas yang tembus cahaya yang dikonstruksi berbentuk tabung berjari-jari 500 µm dengan panjang 1 m (Gambar 1). Bahan gelas digunakan agar material reaktor tidak bereaksi dengan molekul prekursor yang akan digunakan, sementara tembus pandang diperlukan agar proses pemberian energi termal yang akan digunakan oleh prekursor untuk bereaksi untuk menghasilkan nanopartikel dapat disuplai secara radiatif dengan menggunakan lampu pemanas. Panjang tabung yang mendapat perlakuan radiasi adalah 20 cm untuk memanaskan campuran prekursor sehingga bereaksi membentuk nanopartikel ZnO. Tabung, sepanjang 70 cm diukur dari awal pencampuran prekursor, tidak dipanaskan. Seluruh prekursor yang digunakan untuk menumbuhkan nanopartikel dialirkan ke dalam tabung secara bersamaan. Lampu sorot dengan daya 500 Watt digunakan untuk memanaskan campuran prekusor di dalam tabung. Pemanasan dilakukan ketika campuran prekursor di dalam tabung dalam keadaan mengalir.

Gambar 1. Ruang reaksi berbahan gelas berbentuk tabung berjari-jari 500 µm yang dialiri bahan cair (prekursor yang digunakan) dan gas.

Saragih, dkk., Penggunaan Ruang Reaksi Berbentuk Tabung Berdiameter 500 µm untuk Menumbuhkan ………

2.2 Penumbuhan nanopartikel ZnO di ruang reaksi berbentuk tabung berjari-jari 500 µm Ruang reaksi seperti diterangkan di atas digunakan untuk menumbuhkan nanopartikel ZnO. Prekursor yang digunakan adalah ZnCl 2 (99,9%; Merck), NaOH (99%; Merck) dan di-water (H 2 O). Polimer polyvinylpyrrolidone (PVP) digunakan sebagai separator. Serbuk ZnCl 2 , serbuk NaOH dan H 2 O dilarutkan ke dalam pelarut etanol (99%, Merck) masing-masing pada konsentrasi 10 mM, 16 mM dan 1000 mM. Polimer PVP dilarutkan ke dalam pelarut etanol pada ragam konsentrasi yaitu: 2 g/30 ml, 4 g/30 ml dan 6 g/30 ml. Ragam konsentrasi larutan PVP ini dibutuhkan untuk memvariasi ukuran rata-rata nanopartikel ZnO yang akan ditumbuhkan. Proses pelarutan seluruh prekursor dilakukan dengan cara diaduk berbantuan magnetic stirrer pada temperatur ruang. Proses pengadukan untuk melarutkan masingmasing prekursor di atas terus dilakukan sampai diperoleh masing-masing larutan yang bening. Penumbuhan nanopartikel ZnO tanpa menggunakan polimer PVP terlebih dahulu dilakukan dengan menggunakan ketiga larutan prekursor ZnCl 2 , NaOH dan H 2 O yang masing-masing dialirkan secara bersamaan dengan perbandingan 1:1:1 ke dalam tabung. Tabung diposisikan miring membentuk sudut 50o terhadap bidang datar. Posisi miring ini diperlukan agar prekursor yang dimasukkan ke dalam tabung selanjutnya dapat mengalir sebagai akibat gaya tarik gravitasi bumi. Besar sudut kemiringan ini akan mempengaruhi laju alir prekursor di dalam tabung dan oleh karena itu mempengaruhi laju pencampuran prekursor. Udara bebas digunakan sebagai gas pemisah campuran prekursor di dalam tabung untuk membentuk aliran pasangan cairan-gas. Laju alir prekursor dan frekuensi injeksi udara ke dalam tabung diset sedemikian rupa sehingga menghasilkan panjang cairan campuran prekursor hasil pemisahan sebesar 300 µm, sementara laju alir pasangan cairan-gas sebesar 4,7 cm/dt. Pasangan cair-gas ini dialirkan sepanjang 70 cm di dalam tabung sebelum dipanaskan. Pada sepanjang aliran 70 cm ini, prekursor-prekursor yang digunakan akan bercampur secara homogen. Setelah itu campuran ini dipanaskan pada sepanjang 20 cm lintasannya di dalam tabung secara radiatif dengan menggunakan lampu sorot sehingga campuran prekursor yang mengalir memiliki temperatur 40oC. Pada sepanjang 20 cm ini, proses dekomposisi prokursor, nukleasi dan pertumbuhan partikel ZnO di dalam tabung akan terjadi yang akhirnya menghasilkan nanopartikel ZnO yang berdispersi tunggal yang terdispersi pada pelarut etanol. Larutan PVP pada berbagai konsentrasi sebagaimana telah diterangkan di atas digunakan untuk mengubah ukuran rata-rata nanopartikel ZnO yang tumbuh. Larutan PVP bersama-sama dengan

51

ketiga larutan prekursor: ZnCl 2 , NaOH dan H 2 O masing-masing dialirkan secara bersamaan dengan perbandingan 1:1:1:1 ke dalam tabung. Dengan cara yang sama seperti sebelumnya, panjang cairan campuran prekursor hasil pemisahan diset sebesar 300 µm dan laju alir pasangan cairan-gasnya diset sebesar 4,7 cm/dt serta aliran pasangan cairan-gasnya dipanaskan pada sepanjang 20 cm sehingga menghasilkan temperature campuran 40oC, nanopartikel ZnO yang berdispersi tunggal dengan ukuran rata-rata partikel yang berbeda, diperoleh. Proses ini dilakukan untuk tiga ragam konsentrasi PVP yang diterangkan di atas. 2.3 Karakterisasi nanopartikel ZnO Diameter rata-rata dan derajat keragaman (distribusi) ukuran nanopartikel ZnO yang ditumbuhkan, dihitung dengan menggunakan data respon absorbans optiknya yang diukur dengan menggunakan alat spectrophotometer UV-Vis dengan resolusi optikal 1 nm (BOECO S-26, Germany). Sebagaimana dilaporkan oleh Pesika dkk. (2003) bahwa penghitungan suatu sebaran ukuran nanopartikel yang tumbuh dan terdispersi di dalam suatu pelarut yang membentuk suatu koloid, seperti di dalam penelitian ini dimana nanopartikel ZnO tumbuh dan terdispersi di dalam pelarut etanol, sangat akurat bila dihitung dengan menggunakan data respons absorbans optiknya. Data respons absorbans optik memberikan informasi terhadap seluruh ukuran nanopartikel yang tumbuh, baik partikel yang berukuran kecil maupun partikel yang berukuran besar, termasuk distribusi ukuran seluruh partikel, tidak seperti pada pengukuran menggunakan SEM ataupun TEM dimana hanya bersifat lokal terhadap posisi-posisi partikel tertentu sehingga informasi terhadap seluruh ukuran partikel yang dihasilkan, sulit diperoleh. Pengukuran dengan data absorbans optik tidak dipengaruhi oleh material pengkapsulasi yang dalam penelitian ini adalah material polimer PVP. Pengukuran dengan menggunakan data absorbans optik jauh lebih sederhana. Pengukuran absorbans dilakukan pada rentang panjang gelombang 200-800 nm. Pada saat pengukuran, koloid dimasukkan ke dalam cuvette yang terbuat dari quarzt dengan panjang lintasan 1 cm. Sebelum digunakan, cuvette terlebih dahulu dibersihkan melalui proses sonikasi selama 5 menit di dalam media di-water. 3. Hasil dan Pembahasan Nanopartikel ZnO yang dihasilkan dengan menggunakan ruang reaksi dan parameter penumbuhan seperti diterangkan di atas adalah nanopartikel ZnO yang terdispersi di dalam etanol membentuk suatu koloid (nanokoloid). Koloid nanopartikel ZnO yang ditumbuhkan tanpa menggunakan polimer PVP ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar 2a memperlihatkan koloid partikel ZnO yang tidak dipapar pada sinar ultraviolet, sementara

52


Gambar 2b dan 2c memperlihatkam koloid partikel ZnO yang dipapar pada sinar ultraviolet. Khusus untuk Gambar 2c adalah koloid partikel ZnO yang telah disentrifugasi pada laju 3000 rpm selama 30 menit.

Gambar 2. Koloid partikel ZnO berpelarut etanol. (A) tanpa dipapar sinar ultraviolet (A); (B) dan (C) dipapar sinar ultraviolet (B) dan (C); setelah disentrifugasi pada laju 3000 rpm selama 30 menit (C). Untuk melihat efek kecilnya ukuran partikel ZnO yang dihasilkan, yang sudah berada pada orde besaran diameter eksitonnya, koloid partikel ZnO dipapar di bawah sinar ultraviolet. Diperoleh bahwa, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 2b dan 2c, koloid partikel ZnO menghasilkan luminisens berwarna hijau kekuning-kuningan. Sebagaimana dilaporkan oleh Djurisic dkk. (2006) dan Gong dkk. (2007), partikel ZnO yang memiliki ukuran lebih kecil dari 50 nm akan menghasilkan luminisens hijau kekuning-kuningan. Artinya, partikel ZnO yang ditumbuhkan pada penelitian ini telah memiliki ukuran yang berada pada besaran diameter eksitonnya. Selanjutnya nanokoloid ZnO ini disentrifugasi pada laju 3000 rpm selama 30 menit untuk melihat apakah nanopartikel ZnO yang dihasilkan masih dipengaruhi secara signifikan oleh gaya tarik gravitasi bumi. Sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 2c, endapan partikel ZnO tidak dihasilkan. Ini artinya bahwa nanopartikel ZnO yang tumbuh secara dominan hanya dikendalikan oleh gerak Brown (Dalmaschio dkk., 2010).

Gambar 3. Spektrum absorbans (A) nanopartikel ZnO dan diferensiasinya (dA/d) sebagai fungsi panjang gelombang (). Nanopartikel ZnO ditumbuhkan tanpa menggunakan polimer polyvinylpyrrolidone (PVP).

Respons absorbans optik nanopartikel ZnO yang ditumbuhkan tanpa menggunakan polimer PVP dari panjang gelombang 290-390 nm, diukur dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 3. Diameter ratarata nanopartikel ZnO ditentukan dari puncak eksitoniknya, sementara distribusi ukurannya ditentukan dari kemiringan tepi absorpsinya. Suatu kemiringan tepi absorpsi yang relatif tajam dengan suatu puncak eksitonik yang terbentuk baik, menunjukkan suatu distribusi ukuran partikel yang sempit. Sementara suatu tepi absorpsi yang lebar menunjukkan distribusi ukuran partikel yang lebar (Viswanatha dan Sarma, 2006). Untuk partikel ZnO, Kumbhakar dkk. (2008) telah menurunkan perumusan hubungan rata-rata jarijari partikel dengan panjang gelombang dimana puncak absorpsi (puncak eksitonik) terjadi, yaitu: r (nm) 

0,3049  26, 23012  102440  p 72 ( nm ) 6,3829  2483  p (2nm )

(1)

dimana r (nm) adalah rata-rata jari-jari partikel dalam satuan nanometer dan λ p adalah panjang gelombang dimana absorpsi maksimum terjadi (dalam satuan nanometer). Dispersi (persentasi distribusi) diameter partikel d dapat dihitung dengan menggunakan perumusan yang diturunkan oleh Viswanatha dan Sarma (2006), yaitu: 2 d  0, 0025 d app  0,524 app  1, 41

dimana d app 

d 2  d1 2r

(2)

 100 dan d 2 – d 1 adalah full

width at half maximum (FWHM) puncak kurva distribusi diameter partikel yang diperoleh dari diferensiasi kurva absorbans terhadap panjang gelombang (dA/d”0”. Sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 3 bahwa puncak eksitonik nanopartikel ZnO yang tumbuh terjadi pada panjang gelombang  p = 324 nm, dan tunggal. Artinya, distribusi ukuran nanopartikel ZnO, tunggal (monodispers). Dengan mensubstitusi nilai  p ke persamaan (1), diameter rata-rata nanopartikel ZnO (d=2r) diperoleh yaitu sebesar 3,14 nm. Distribusi diameternya ditentukan dari besar FWHM puncak kurva diferensiasi absorbans terhadap panjang gelombang (dA/d”0”, yang menghasilkan  1 = 326 nm dan  2 = 341 nm. Nilai  1 dan  2 dikonversi ke nilai d 1 dan d 2 dengan menggunakan persamaan (1) dan menghasilkan masing-masing: 3,19 nm dan 3,66 nm. Dengan mengurangkan kedua nilai d ini maka diperoleh d 2 – d 1 = 0,46 nm sehingga nilai d app = 14,97. Persentasi distribusi diameter nanopertikel selanjutnya dapat diperoleh dengan mensubstitusi d app ke persamaan (2) dan menghasilkan d = 5,77%. Artinya dispersi ukuran diameter nanopartikel ZnO yang tumbuh adalah sebesar 5,77%. Dengan demikian nanopartikel ZnO yang ditumbuhkan dengan menggunakan parameter sebagaimana diterangkan di atas dengan tanpa menggunakan PVP menghasilkan karakteristik: (1) berdispersi tunggal (karena puncak eksitoniknya


tunggal), (2) berukuran diameter rata-rata 3,14 nm dan (3) memiliki persentasi distribusi 5,77%. Sempitnya distribusi ukuran dan kecilnya diameter rata-rata nanopartikel ZnO yang tumbuh seperti dihasilkan di atas menjadi satu keuntungan yang didapatkan dengan menggunakan ruang reaksi berbentuk tabung dengan jari-jari 500 µm sebagaimana digunakan pada penelitian ini. Pada ruang yang kecil di dalam tabung dan pada volume campuran prekursor yang sangat kecil, proses pengontrolan pencampuran dan reaksi dapat dilakukan secara lebih presisi dibandingkan dengan cara konvensional yang menggunakan ruang reaksi berskala makro. Di dalam ruang reaksi yang sangat kecil ini dengan sistim alir dua fase (cair-gas), proses pencampuran prekursor dan proses reaksi dapat dilakukan dalam waktu yang cepat karena pola alirnya yang sirkulatif, dan kedua proses tersebut dapat dipisahkan secara baik sehingga tidak menghasilkan distribusi ukuran nanopartikel yang lebar. Selanjutnya, penumbuhan nanopartikel ZnO dilakukan dengan melibatkan polimer PVP yang terlarut di dalam etanol pada berbagai konsentrasi: 2 g/30 ml, 4 g/30 ml dan 6 g/30 ml. Masing-masing larutan prekursor: ZnCl 2 , NaOH dan H 2 O serta larutan PVP dialirkan secara bersamaan ke dalam tabung reaktor dengan perbandingan 1:1:1:1. Spektrum absorbans nanopartikel ZnO yang dihasilkan untuk setiap konsentrasi PVP yang berbeda, diukur dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 4. Spektrum absorbans nanopartikel ZnO yang ditumbuhkan tanpa menggunakan PVP, diikutsertakan sebagai bandingan. Suatu pergeseran puncak eksitonik ke arah panjang gelombang yang lebih kecil untuk konsentrasi PVP yang lebih tinggi, terjadi. Puncak eksitonik yang dihasilkan adalah tunggal untuk setiap konsentrasi PVP yang digunakan.

Gambar 4. Spektrum absorbans (A) nanopartikel ZnO yang ditumbuhkan dengan menggunakan ragam konsentrasi PVP.

53

Gambar 5. Hubungan besarnya diameter rata-rata nanopartikel ZnO yang tumbuh terhadap konsentrasi polimer PVP yang digunakan pada saat penumbuhan. Sebagaimana dilakukan sebelumnya, puncakpuncak eksitonik ini digunakan untuk menghitung diameter rata-rata nanopartikel ZnO yang dihasilkan. Dengan menggunakan Persamaan (1), diameter (d) rata-rata nanopartikel ZnO yang dihasilkan untuk masing-masing konsentrasi PVP yang digunakan, dihitung dan hasilnya berturut-turut adalah: 2,87 nm (2 g/30 ml); 2,68 nm (4 g/30 ml) dan 2,59 nm (6 g/30 ml). Dari hasil yang ditunjukkan pada Gambar 4 terlihat bahwa meskipun polimer PVP hadir pada penumbuhan, nanopartikel ZnO yang tumbuh tetap berdispersi tunggal. Hal ini ditunjukkan oleh puncak eksitonik yang dihasilkan tetap tunggal untuk setiap konsentrasi PVP yang digunakan. Hubungan besarnya diameter rata-rata nanopartikel ZnO dengan konsentrasi PVP yang digunakan ditunjukkan pada Gambar 5. Dari hasil ini terlihat bahwa dengan menggunakan polimer PVP, ukuran rata-rata nanopartikel ZnO dapat diubah-ubah. Penggunaan polimer PVP dengan konsentrasi yang lebih tinggi menghasilkan nanopartikel ZnO dengan ukuran yang lebih kecil. Artinya, polimer PVP dapat mengendalikan proses pertumbuhan nanopartikel ZnO. Hal ini dapat terjadi karena polimer PVP dapat menonaktifkan titik-titik aktif permukaan partikel ZnO sehingga menurunkan energi permukaannya (Viswanatha dan Sarma, 2006). Selain itu, PVP memiliki kemampuan adesi yang kuat terhadap partikel ZnO terutama yang dibangkitkan oleh atomatom O-nya sehingga secara elektrostatik PVP mudah menempel di permukaan ZnO (Tachikawa dkk., 2011). Oleh kedua sifat ini, pertumbuhan nanopartikel ZnO dapat dikendalikan dan ukurannya dengan mudah dapat diubah-ubah dengan berbantuan polimer PVP.

54


diberikan. Pembentukan nukleus (proses nukleasi) dan pertumbuhan nukleus (proses koalisi) hanya terjadi ketika campuran dipanaskan di sepanjang 20 cm di dalam tabung.

Gambar 6. Diferensiasi spektrum absorbans terhadap panjang gelombang (dA/d) nanopartikel ZnO yang ditumbuhkan dengan menggunakan ragam konsentrasi polimer PVP sebagai fungsi panjang gelombang (). Gambar 6 menunjukkan kurva diferensiasi spektrum absorbans terhadap panjang gelombang (dA/d) nanopartikel ZnO yang ditumbuhkan dengan menggunakan ragam konsentrasi polimer PVP sebagai fungsi panjang gelombang. Dispersi (distribusi) ukuran diameter nanopartikel ZnO yang dihasilkan dihitung dengan menggunakan FWHM kurva ini. Dengan cara seperti telah diterangkan sebelumnya, hasilnya persentasi distribusi ukuran diameter nanopartikel ZnO yang diperoleh untuk konsentrasi PVP: 2 g/30 ml, 4 g/30 ml, dan 6 g/30 ml, masingmasing adalah: 5,75%; 5,30%; dan 5,68%. Lebih jelasnya pada Gambar 7 ditunjukkan hubungan dispersi diameter nanopartikel ZnO ini terhadap konsentrasi polimer PVP yang digunakan. Dari hasil ini terlihat bahwa terjadi suatu tren penurunan persentasi distribusi ukuran nanopartikel ZnO dengan naiknya konsentrasi PVP yang digunakan meskipun tidak secara tajam. Namun suatu anomali teramati ketika menggunakan konsentrasi 4 g/30 ml etanol dimana distribusi ukuran lebih sempit dari yang lainnya. Suatu investigasi lanjutan diperlukan untuk mengkonfirmasi keanomalian ini. Namun setidaknya hasil ini menunjukkan bahwa pengendalian distribusi ukuran nanopartikel ZnO yang ditumbuhkan dapat dilakukan dengan mengendalikan konsentrasi PVP yang digunakan. Untuk melihat apakah proses pembentukan nanopartikel ZnO terjadi pada saat prekursor dicampur di dalam tabung melalui proses alir tanpa pemanasan, absorbans larutan yang dihasilkan tanpa pemanasan, diukur dan ditunjukkan pada Gambar 8 (absorbans koloid yang dihasilkan dengan pemanasan pada temperatur 40oC disertakan sebagai bandingan). Hasilnya, spektrum absorbans tidak menunjukkan adanya puncak eksitonik. Berbeda dengan apa yang ditunjukkan oleh spektrum absorbans koloid yang dipanaskan pada temperatur 40oC yang menghasilkan puncak eksitonik yang jelas. Ini berarti bahwa pembentukan nanopartikel ZnO tidak terjadi jika pemanasan terhadap campuran di dalam tabung tidak

Gambar 7. Hubungan dispersi diameter nanopartikel ZnO yang tumbuh dengan besarnya konsentrasi polimer PVP yang digunakan saat penumbuhan dengan menggunakan reaktor mikro.

Gambar 8. Spektrum absorbans koloid nanopartikel ZnO yang ditumbuhkan tanpa PVP pada temperatur ruang dan temperatur 40oC sebagai fungsi panjang gelombang. Pengukuran absorbans koloid nanopartikel ZnO yang dihasilkan untuk ragam konsentrasi polimer PVP dan tanpa polimer PVP pada 120 menit, 1 hari dan 1 minggu setelah penumbuhan, juga dilakukan untuk melihat apakah proses pertumbuhan partikel masih terjadi ketika koloid sudah keluar dari tabung reaktor dan menempati wadah penampungan (gambar tidak ditampilkan). Hasilnya tidak menunjukkan adanya perubahan dari apa yang diperlihatkan pada Gambar 4. Ini menunjukkan bahwa ukuran nanopartikel ZnO yang dihasilkan sangat stabil. 4. Kesimpulan Penumbuhan nanopartikel ZnO pada ragam diameter rata-rata dan berdispersi tunggal dengan menggunakan ruang reaksi berbentuk tabung berjarijari 500 µm dan panjang 1 m, telah dilakukan. Pola sirkulatif bahan cair yang mengalir di dalam tabung dimanfaatkan untuk mencampur precursor. Volume


prekursor dan campurannya dapat dikendalikan dalam ukuran yang sangat kecil di dalam tabung dengan berbantuan suatu gas yang diinjeksi secara periodik ke dalam tabung. Dengan memanfaatkan pola alir sirkulatif dari campuran yang memiliki ukuran yang sangat kecil ini dapat diperoleh campuran yang sangat homogen dalam waktu yang singkat. Untuk menghasilkan nanopartikel ZnO, campuran prekursor yang mengalir dan bersirkulasi di dalam tabung, dipanaskan pada temperatur 40oC pada sepanjang 20 cm tabung. Diameter rata-rata nanopartikel ZnO yang dihasilkan dapat divariasi dengan menggunakan bantuan polimer PVP. Ukuran nanopartikel ZnO yang diperoleh berdistribusi tunggal. Penggunaan polimer PVP dengan konsentrasi yang lebih tinggi menghasilkan diameter rata-rata nanopartikel ZnO yang lebih kecil. Penggunaan PVP tidak hanya dapat memperkecil diameter rata-rata nanopartikel ZnO, akan tetapi juga dapat mempersempit distribusi ukurannya. Distribusi ukuran nanopartikel ZnO semakin sempit ketika konsentrasi PVP yang digunakan semakin tinggi. Ukuran nanopartikel ZnO yang dihasilkan sangat stabil. Nanopartikel ZnO tidak lagi mengalami pertumbuhan lanjutan di luar tabung pada temperatur ruang. Ucapan Terimakasih Penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada Direktorat Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat (DP2M) – DIKTI atas bantuan pendanaannya untuk melaksanakan kegiatan penelitian ini. Daftar Pustaka Choudhury, M., S.S. Nath, and R. K. Nath, 2011, ZnO: PVP quantum dot ethanol sensor, Journal of Sensor Technology, 1, 86-90. Cui H., Y. Feng, W. Ren, T. Zeng, H. Lv, and Y. Pan, 2009, Strategies of large scale synthesis of monodisperse nanoparticles, Recent Patents on Nanotechnology, 3, 32-41. Dalmaschio, C. J., C. Ribeiro, and E. R. Leite, 2010, Impact of the colloidal state on the oriented attachment growth mechanism. Nanoscale, 2, 2336-2345. Djurisic, A. B., Y. H. Leung, K. H. Tam, L. Ding, W. K. Ge, H. Y. Chen, and S. Gwo, 2006, Green, yellow and orange defect emission from ZnO nanostructures: Influence of excitation wavelength, Applied Physics Letters, 88, 103107. Gong, Y., T. Andelman, G. F. Neumark, S. O’Brien, and I. L. Kuskovsky, 2007, Origin of defectrelated green emission from ZnO nanoparticle: effect of surface modification, Nanoscale Research Letters, 2, 297-302. Hale, P. S., L. M. Maddox, J. G. Shapter, N. H. Voelcker, M. J. Ford, and E. R. Waclawik, 2005, Growth Kinetics and Modeling of ZnO

55

Nanoparticles, Journal of Chemical Education, 82(5), 775-778. Htay, M.T., Y. Hashimoto, and K. Ito, 2007, Growth of ZnO submicron single-crystalline platelets, wire and rods by ultrasonic spray pyrolysis, Japanese Journal of Applied Physics, 46, 440-448. Hu, H., X. Huang, C. Deng, X. Chen, and Y. Qian, 2007, Hydrothermal synthesis of ZnO nanowires and nanobelts on a large scale, Materials Chemistry and Physics, 106, 5862. Kumbhakar, P., D. Singh, C. S. Tiwary, and A. K. Mitra, 2008, Chemical synthesis and visible photoluminescence emission from monodispersed ZnO nanoparticles, Chalcogenide Letters, 5(12), 387-394. Lu, C., L. Qi, J. Yang, L. Tang, D. Zhang, and J. Ma, 2006, Hydrothermal growth of large-scale micropatterned arrays of ultralong ZnO nanowires and nanobelts on zinc substrate, Chemical Communications, 33, 3551-3553. Mezy, A., C. Gerardin, D. Tichit, D. Ravot, S. Suwanboon, and J. Tedenac, 2008, Morphology control of ZnO nanostructures, Journal of the Ceramic Society of Japan, 116, 369-373. Park, J., K. An, Y. Hwang, J. G. Park, H. J. Noh, J. Y. Kim, J. H. Park, N. M. Hwang, and T. Hyeon, 2004, Ultra-large-scale syntheses of monodisperse nanocrystals, Nature Materials, 3, 891-895. Pesika, N. S., K. J. Stebe, and P. C. Searson, 2003, Determination of the particle size distribution of quantum nanocrystals from absorbance spectra, Advanced Materials, 15(15), 12891291. Poot, A.G.V., G. R. Gattorno, O. E. S. Dominguez, R. T. P. Diaz, M. E. Pesqueira, and G. Oskam, 2010, The nucleation of ZnO nanoparticles from ZnCl 2 in ethanol solutions, Nanoscale, 2, 2710-2717. Shen, L., N. Bao, K. Yanagisawa, A. Gupta, K. Domen, C. C. and Grimes, 2007, Controlled synthesis and assembly of nanostructured ZnO architectures by a solvothermal soft chemistry process, Crystal Growth and Design, 7(12), 2742-2748. Tachikawa, S., A. Noguchi, T. Tsuge, M. Hara, O. Odawara, and H. Wada, 2011, Optical properties of ZnO nanoparticles capped with polymers, Materials, 4, 1132-1143. Viswanatha, R., S. Sapra, B. Satpati, P. V. Satyam, B. N. Dev, and D. D. Sarma, 2004, Understanding the quantum size effect in ZnO nanocrystals, Journal of Materials Chemistry, 14, 661-668. Viswanatha, R. and D. D. Sarma, 2006, Study of the growth of capped ZnO nanoparticles: a route

56


to rational synthesis, Chemistry a European Journal, 12, 180-186. Yang, L., G. Wang, C. Tang, H. Wang, and L. Zhang, 2005, Synthesis and photoluminescence of corn-like ZnO nanostructures under solvothermal-assisted heat treatment, Chemical Physics Letters, 409, 337–341.

Penggunaan Ruang Reaksi Berbentuk Tabung Berdiameter 500 µm untuk Menumbuhkan Nanopartikel ZnO Berdispersi Tunggal

Recommend Documents