Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIV HFI Jateng & DIY, Semarang 10 April 2010 hal. 139-145
139
SINTESA DAN KARAKTERISASI SIFAT STRUKTUR NANO PARTIKEL Fe3-XMnXO4 DENGAN METODE KOPRESIPASI Abdulloh Fuad, Renik Wulansari, Ahmad Taufiq, Sunaryono Jurusan Fisika Universitas Negeri Malang, Jl. Semarang 5 Malang, email:
[email protected] INTISARI Partikel nano Fe3-xMnxO4 (0 ≤ x ≤ 1) telah disintesa dengan metode kopresipitasi dari bahan alam pasir besi Fe3O4. Keunggulan metode ini dapat dilakukan pada suhu rendah ( < 100oC ), waktu relatif cepat, serta dengan peralatan yang sederhana. Penelitian ini bertujuan untuk mensintesis nano-partikel Fe3-xMnxO4, dan menguji sifat strukturnya. Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah pasir besi dari Tulungagung, HCl (PA 99.9%), NH4OH (PA 99.9%), MnCl2.4H2O (PA 99.9%). Karakterisasi kandungan unsur-unsur bahan dilakukan dengan menggunakan XRF (Minipal-4). Sedangkan pengujian sifat struktur dilakukan dengan XRD (X’Pert Pro). Hasil pengujian XRD selanjutnya diolah dengan bantuan software, Rietveld, GSAS, Convert dan EXPGUI untuk mendapatkan informasi parameter kisi, posisi atomik, jarak atom terdekat dan sudut antar atom. Hasil penelitian menunjukkan bahwa besarnya Parameter kisi a, b, dan c serta volume kisi partikel nano Fe3-xMnxO4 (0 ≤ x ≤ 1) meningkat sesuai dengan kenaikan doping x. Hal ini terjadi karena jari-jari ion Mn2+ (0.80A) lebih besar dibandingkan jarijari ion Fe 3+ (0.63A) mengakibatkan jarak antar atom semakin kecil, gaya tarik Fe 3+ semakin kuat, elektron Mn2+ semakin mudah terlepas dari inti. Kata Kunci: Struktur Kristal, kopresipitasi, Partikel Nano
I.
PENDAHULUAN
Mineral oksida besi magnetit (Fe3O4) masih terus diteliti dan dikembangkan secara intensif hingga kini. Oksida besi dapat ditemukan secara mudah pada banyak material seperti mill scale dan pasir besi. Keberadaan pasir besi yang terdistribusi secara luas serta jumlahnya melimpah di Indonesia menjadi daya tarik secara ekonomi. Magnetite (Fe3O4) memiliki berbagai macam aplikasi antara lain di bidang biomedis, absorbent, dan katalis. Bakar dkk (2007). Para peneliti juga mengembangkan pendopingan terhadap Fe3O4. Hal ini diharapkan agar memperoleh bahan baru dengan sifat yang lebih baik dari sebelumnya. Dalam penelitian ini telah dikembangkan metode fabrikasi partikel nano Fe3-xMnxO4 dengan metode kopresipitasi. Hal yang menarik dalam penelitian ini adalah penggunaan pasir alam dari Tulungagung sebagai bahan dasar magnetite Fe3O4. Berangkat dari uraian di atas, maka peneliti tertarik untuk melakukan penelitian dengan judul “Sintesa dan karakterisasi partikel Nano Fe3-xMnxO4 dengan metode kopresipitasi”. II. TINJAUAN PUSTAKA II.1. Pasir Besi Pasir besi adalah sumber daya alam yang sangat berlimpah di Indonesia, khususnya di Pulau Jawa. Salah satu kajian yang menarik dari pasir besi adalah penelitian struktur Kristal dan sifat kemagnetanya. Kandungan pasir besi pada pasir alam sangat potensial dan memiliki nilai ekonomis tinggi. Oleh karena itu perlu diteliti pemanfaatan lebih lanjut pasir besi pada bidang material science. Sampai saat ini pemanfaat pasir alam di Indonesia sangat terbatas sebagai bahan bangunan. Harganyapun sangat rendah Rp. 10.000,-/m3. Jika diolah melalui pemisahan kadar Fe3O4 nya, harganya bisa meningkat menjadi Rp. 100.000,- /kg. Pemanfaatan lain dalam material science adalah ferrofluida dan ferrogel. Dalam pembuatan ferrofluida, pasir besi diekstrak menggunakan bahan magnet. Pasir besi yang menempel pada magnet dihaluskan dan ekstral ulang menggunakan magnet. Selanjutnya proses ini diulang sekitar 3 kali. Akan diperoleh Fe3O4 dengan kemurnian sekitar 80%. Langkah berikutnya adalah pembuatan Fe3O4 dalam ukuran nanopartikel. Untuk memperoleh Fe3O4 nanopartikel digunakan metode kopresipitasi. II.2. Oksida Besi Magnetite (Fe3O4) Strukur Fe3O4 dapat ditulis FeO. Fe2O3 membentuk spinel invers dalam bentuk kubik. Sesuai ICSD dengan kode 30860 diketahui Fe3O4 memiliki space group F d -3 m Z dengan no 227 dan panjang kisi yang sama yaitu a = b = c sebesar 8,396 Å dan sudut α = β = γ = 90o. Secara detail struktur Fe3O4 ditunjukkan pada Gambar 1.
ISSN 0853 - 0823
140
Abdulloh Fuad, dkk / Sintesa Dan Karakterisasi Sifat Struktur Nano Partikel Fe3-XMnXO4 Dengan Metode Kopresipasi
Gambar 1. Struktur spinel Fe3O4 berdasarkan ICSD dengan kode 30860 Saat ini para peneliti telah memfokuskan penelitiannya tentang Fe3O4. Penulis memfokuskan penelitiannya pada peningkatan sifat magnetnya. Oleh karena itu penulis melaporkan tentang hasil pendopingan Mn pada Fe3O4. Pendopingan Mn pada Fe3O4 dinyatakan dalam persamaan reaksi Fe3xMnxO4. Fokus dari penelitian ini adalah memperoleh bahan nanopartikel Fe3-xMnxO4. II.3. Besi-Mangan Oksida (Fe3-xMnxO4) Oksida besi magnetit (Fe3O4) merupakan struktur spinel dengan ion-ion logam bervalensi ganda. Menurut Wichkam (1969) komposisi dan distribusi muatan pada Fe3-xMnxO4 dapat dijabarkan sebagai berikut. Mnx2+Fe1-x3+[Fe1-x2+Fe1+x3+]O4 Oktahedral
Tabel 1. Distribusi ion-ion Fe dan Mn serta sifat spinel Fe3-xMnxO4 X
Bahan
Distribusi Spinel
Sifat Spinel
0,0
Fe3O4
Fe3+[ Fe2+ Fe3+]O4
Invers
0,2
Fe2,8Mn0,2O4
Mn0,22+Fe0,83+[ Fe0,82+Fe1,23+] O4
Campuran
0,4
Fe2,6Mn0,4O4
Mn0,42+Fe0,63+[ Fe0,62+Fe1,43+] O4
Campuran
0,6
Fe2,4Mn0,6O4
Mn0,62+Fe0,43+[ Fe0,42+Fe1,63+] O4
Campuran
0,8
Fe2,2Mn0,8O4
Mn0,82+Fe0,23+[ Fe0,22+Fe1,83+] O4
Campuran
1,0
FeMnO4
Mn2+[Fe23+] O4
Normal
III. METODE PENELITIAN Pada penelitian ini telah dilakukan sintesa bahan Fe3-xMnxO4 dengan metode kopresipitasi. Metode ini menggunakan asam clorida sebagai asam kuat untuk melarutkan bahan dasar pasir besi. Pada reaksi ini dihasilkan larutan FeCl3. Proses pendopingan Mn dilakukan dengan pencampuran MnCl2.4H2O. Untuk mengendapkan larutan, digunakan NH4OH. Berdasarkan reaksi kimia, untuk pembuatan Fe3-xMnxO4 dengan menggunakan metode kopresipitasi dapat dilakukan seperti persaman-persamaan reaksi berikut. Fe + 2HCl → FeCl2 + H2 2Fe + 6HCl → 2FeCl3 + 3H2 2FeCl3 + FeCl2 + xMnCl2.4H2O + 8NH4OH → Fe3-xMnxO4 + 8NH4Cl + 4H2O Pada Gambar 2 disajikan diagram alur proses pembuatan Fe3-xMnxO4.
ISSN 0853 - 0823
Abdulloh Fuad, dkk / Sintesa Dan Karakterisasi Sifat Struktur Nano Partikel Fe3-XMnXO4 Dengan Metode Kopresipasi
141
Pasir
HCL
Diekstrak dengan magnet permanen
Pasir besi
Pencampuran 0 Magnetic Stirrer pada suhu <100 C selama ± 40 menit Magnetic Stirrer pada suhu 70‐900C selama ± 40 menit
Pendinginan Penyaringan MnCl2.4H2O Pencampuran Larutan ini MnCl 2.4H2O dimasukkan dulu
Cairan hasil saringan
Pencampuran NH4OH
Penyaringan Penyaringan Endapan hasil saringan Fe3‐xMnxO4
OVEN Pada suhu 1000C Selama 1 jam
Karakterisasi
Karakterisasi
Karakterisasi
Karakterisasi
Analisis Data dan Pembahasan Gambar 2. Diagram alur penelitian IV. HASIL DAN PEMBAHASAN IV.1. Hasil Uji XRF Setelah bahan telah berhasil disintesis diperoleh partikel nano Fe3-xMnxO4 (0 ≤ x ≤ 1). Untuk mengetahui berapa persen unsur Fe dan Mn yang terdapat dalam partikel Fe3-xMnxO4 (0 ≤ x ≤ 1) digunakan uji XRF. Sebagaimana pada tabel 2.
ISSN 0853 - 0823
142
Abdulloh Fuad, dkk / Sintesa Dan Karakterisasi Sifat Struktur Nano Partikel Fe3-XMnXO4 Dengan Metode Kopresipasi
Tabel 2. Hasil uji XRF ( X-Ray Flouresence) Bahan
Fe (%)
Fe3O4
99.65
Mn (%) 0.35
2
Fe2,8Mn0,2O4
94.55
5.45
3
Fe2,4Mn0,4O4
91.03
8.97
4
Fe2,2Mn0,6O4
86.79
13.21
5
Fe2Mn0,8O4
83.29
16.71
6
Fe2MnO4
74.96
25.04
No urut 1
Dari hasil uji XRF di atas dapat dilihat bahwa pendopingan Mn dapat masuk pada Fe3O4, meskipus fraksi molarnya terdapat perbedaan dari persamaan reaksinya. IV.2. Hasil Uji XRD Analisis search match untuk semua sampel 0 ≤ x ≤ 1 menghasilkan pola difraksi yang sama dengan pola difraksi Fe3O4 yang memiliki no PDF 11-0614 tanpa ada fasa yang lain. Hasil pengukuran kurva XRD dapat dilihat pada Gambar 3. Fe3O4 Fe2.2Mn0.8O Fe2.4Mn0.6O4 Fe2.6Mn0.4O4 Fe2.8Mn0.2O4 Fe2MnO4
Fe2MnO4
4
Fe2.2Mn0.8O4
Intensity (a.u)
Fe2.4Mn0.6O4
Fe2.6Mn0.4O4 Fe2.8Mn0.2O4
Fe3O4
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2 Theta (deg)
Gambar 3. Kurva hasil pengukuran XRD (diukur di Lab. Sentral FMIPA UM) Dari Grafik XRD di atas dapat diketahui kualitas kristal dengan menghitung nilai FWHM. Kurva FWHM sebagai fungsi fraksi molar x, ditunjukkan pada Gambar 4.
0.45
o
Nilai FWHM ( )
0.40
0.35
0.30
0.25
0.20
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Variasi x
Gambar 4. Hubungan variasi x terhadap Nilai FWHM Pada Fe3-xMnxO4 ISSN 0853 - 0823
Abdulloh Fuad, dkk / Sintesa Dan Karakterisasi Sifat Struktur Nano Partikel Fe3-XMnXO4 Dengan Metode Kopresipasi
143
Berdasarkan Gambar 4 menunjukkan bahwa nilai FWHM untuk Fe3O adalah 0.650°A. Nilai FWHM cenderung mengalami penurunan pada x=0.2 yaitu 0.470°A. Selanjutnya mengalami peningkatan peningkatan berturut-turut untuk untuk variasi x semakin besar. Nilai FWHM terbesar pada x=1 yaitu 0.935°A. Hal ini menunjukan bahwa pada x=0,2 terjadi pembentukan kristal dengan grain terbesar. IV.3. Data Hasil Penghalusan Dari hasil penghalusan data XRD diperoleh nilai parameter kisi dan volume kristal partikel nano Fe3-xMnxO4 sebagai variasi fraksimolar x, ditunjukkan pada Tabel 3. Tabel 3. Parameter Kisi Fe3-xMnxO4 Hasil Penghalusan Parameter a=b=c (Å) V (Å3) Rp Rwp χ2 Dwd
tabel 4.
Variasi x 0 8.39 590.58 0.17 0.23 1.46 1.43
0.2 8.39 591.64 0.18 0.24 1.70 1.74
0.4 8.39 591.85 0.18 0.24 1.77 1.17
0.6 8.40 592.70 0.19 0.25 1.78 1.18
0.8 8.40 592.91 0.17 0.22 1.38 1.50
1 8.40 593.76 0.17 0.22 1.49 1.41
Jarak antar atom terdekat dari struktur Fe3-xMnxO4 untuk berbagai variasi x, ditunjukkan pada Tabel 4. jarak atom terdekat dengan variasi x Jarak atom o
Terdekat ( A) Fe3_O (1) Fe3_O (2) Fe2_O Mn_O Mn_Fe3 Mn_Fe2 Mn_Mn
variasi x 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.8848 2.0589 2.0589 -
1.8861 2.0603 2.0603 2.0603 2.9684 2.9684 2.9684
1.8860 2.0601 2.0601 2.0601 2.9682 2.9682 2.9682
1.8872 2.0615 2.0615 2.0615 2.9702 2.9702 2.9702
1.8870 2.0619 2.0619 2.0619 2.2699 2.2699 2.2699
1.8882 2.0625 2.0625 2.0625 2.9716 2.9716 2.9716
Berdasarkan Tabel 4 dapat dilihat bahwa jarak antar atom Fe3_O(1) dan Fe3_O(2) meningkat dengan bertambahnya nilai x. Perubahan fraksi mol x berpengaruh pada jarak atom Fe3_O(2) mengalami perubahan. Jarak atom Fe3_O(1) terdekat diperoleh pada x = 0 yaitu sebesar 1.8848 Å dan jarak paling jauh diperoleh pada x = 1 yaitu sebesar 1.8882Å. Jarak atom Fe3_O(2) terdekat diperoleh pada x = 0 yaitu sebesar 2.0589Å dan jarak paling jauh diperoleh pada x = 1 yaitu sebesar 2.0625Å. Dalam penelitian ini sudut antar atom terdekat juga diteliti. Hasil perhitungan sudut antar atom terdekat ditunjukkan pada Tabel 5. Tabel 5. Sudut antar atom terdekat terhadap variasi x Sudut atom o
Terdekat ( A) O_Fe3_O (1) O_Fe3_O (2) O_Fe3_O (3) O_Fe3_O (4) O_Fe2_O (1) O_Fe2_O (2)
variasi x 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
109.74 87.78 179.96 92.21 87.78 179.96
109.74 87.78 179.96 92.21 87.78 179.96
109.74 87.78 180.00 92.21 87.78 180.00
109.74 87.78 179.96 92.21 87.78 179.96
109.74 87.78 180.00 92.21 87.78 180.00
109.74 87.78 179.96 92.21 87.78 179.96 ISSN 0853 - 0823
144
Abdulloh Fuad, dkk / Sintesa Dan Karakterisasi Sifat Struktur Nano Partikel Fe3-XMnXO4 Dengan Metode Kopresipasi
Sudut atom o
Terdekat ( A) O_Fe2_O (3) O_Mn_O (1) O_Mn_O (2) O_Mn_O (3)
variasi x 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
92.21 -
92.21 87.78 179.96 92.21
92.21 87.78 180.00 92.21
92.21 87.78 179.96 92.21
92.21 87.78 180.00 92.21
92.21 87.78 179.96 92.21
Berdasarkan Tabel 5 dapat dilihat bahwa sudut antar atom untuk O_Fe3_O(1) dan O_Fe3_O(2) bernilai konstan . Sudut antar atom O_Fe3_O (1) diperoleh nilai sebesar 109.7410 A dan Sudut antar atom O_Fe3_O (2) diperoleh nilai sebesar 87.78400A . IV.4. Ukuran Kristal Ukuran kristal suatu fasa dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Scherrer yaitu:
Lave = L
ave
kλ B0 cos θ
merupakan ukuran kristal, k merupakan konstanta, Bo merupakan (Full Width Half Maximum,
FWHM) dan θ merupakan sudut difraksi, dimana grafik ditunjukkan pada Gambar 5. 9
Ukuran Kristal (nm)
8
7
6
5
4
3 0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Variasi x
Gambar 5. Grafik ukuran kristal serbuk Fe3-xMnxO4 terhadap variasi x yang disentesis dengan metode kopresipitasi V. KESIMPULAN 1. 2. 3.
Berdasarkan analisis data dan pembahasan di atas dapat disimpulkan sebagai berikut: Struktur kristal partikel nano Fe3-xMnxO4 (0 ≤ x ≤ 1) adalah stuktur kubik yang sperik. Ukuran kristal partikel nano Fe3-xMnxO4 terendah dimiliki oleh x = 1 yaitu sekitar 3.87 nm dan terbesar oleh x = 0.2 yaitu sekitar 8.53 nm. Parameter kisi dan Volume kisi partikel nano Fe3-xMnxO4 (0 ≤ x ≤ 1) semakin meningkat yaitu naik secara linier seiring dengan kenaikan doping x. Hal ini terjadi karena jari-jari ion Mn2+ (0.80oA) lebih besar dibandingkan jari-jari ion Fe 3+ (0.63oA) mengakibatkan jarak antar atom semakin kecil, gaya tarik Fe 3+ semakin kuat, elektron Mn2+ semakin mudah terlepas dari inti.
VI. DAFTAR PUSTAKA Bakar M. Abu, W.L. Tan, N.H.H. Abu Bakar. 2007.Journal of Magnetism and Magnetic Materials 314 Vol 1-6. Callister, William J. 1987. Material Science and Engineering. Addison-wesley publishing company, Inc.
ISSN 0853 - 0823
Abdulloh Fuad, dkk / Sintesa Dan Karakterisasi Sifat Struktur Nano Partikel Fe3-XMnXO4 Dengan Metode Kopresipasi
145
Cullity B.D. 1972. Introduction to Magnetic Material. USA. Addison Wesley. Gnanaprakash. G, S. Mahadevan, T. Jayakumar, P. Kalyanasundaram, J. Philip, B. Raj, Materials Chemistry and Physics 103 (2007) 168–175. Gamos J.A., M.H. Sousa, F.A. Tourinho, J. Mestnik-Filho, R. Itri, J.Depeyrot. 2005. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 289 184-187. Iida H, K. Takayanagi, T. Nakanishi, T. Osaka, Journal of Colloid and Interface Science 314 (2007) 274–280. Li-Xia Yang, et.al. 2006. Low Tempeature Synthesis Of Mn3O4 Polyhedral Nanocrystals And Magnetic Study. Journal of Solid State Chemistry vol 179, Elsevier. Moskowitz, B, M. 1991. Hitchhiker's Guide to Magnetism in enviromental magnetism Workshop. University of Minnesota. 5 – 8 June 1991. Munaji. 2008. Pembuatan Ferogel Berbasis Partikel Nano Ferit Fe3O4. Tugas Akhir. Jurusan Fisika Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Pratapa. S. 2004. Analisis Rietveld. Jurusan Fisika ITS. Surabaya. Regina C.C. Costa, M.F.F. lelis, L.C.A. Oliveira, J.D. Fabris, J.D. Ardisson, R.R.V.A. Rios, C.N. Silva, R.M.Lago. 2006. Journal of Hazardous Materials B129 Vol 171-178..
ISSN 0853 - 0823
