Jurnal Teknik Material dan Metalurgi Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, 2011 SINTESA TUNGSTEN TRIOKSIDA NANO PARTIKEL DENGAN METODE SOL GEL DAN POST- HYDROTHERMAL Hasnan Nisfu1, Diah Susanti, Ph.D2, Haryati Purwaningsih, S.Si, M.Si2 1. Mahasiswa jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS 2. Dosen jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS ABSTRAK Dalam penelitian ini tungsten trioksida disintesis dari prekursor tungsten hexaklorida (WCl6), etanol, dan amonium hidroksida (NH4OH) dengan metode sol-gel diikuti dengan pasca-hidrotermal dan pengeringan. Suhu pasca-hidrotermal adalah 2000 C dengan variasi waktu tahan selama berjamjam 12, 16, 20 dan 24. Scanning Electron Microscope (SEM), Transmission Electron Microscope (TEM) dan X-Ray Diffraction (XRD) digunakan untuk mengkarakterisasi material, morfologi permukaan dan struktur dari bahan yang dihasilkan. Ada 2 fase yang berbeda yaitu fase heksagonal dan monoklinik berdasarkan pemeriksaan XRD. Ukuran material cenderung menurun dengan meningkatnya waktu tahan 60,567 - 9,625 nm. Hasil SEM menunjukkan bentuk kotak pada waktu tahan 12 jam yang secara bertahap menghancurkan menjadi bentuk yang lebih kecil dan tidak teratur seiring lama waktu tahan. Analisa TEM menunjukkan bahwa bahan bentuk kotak sebenarnya terdiri dari beberapa nanotube. Kata Kunci: Nanopartikel,
Tungsten Trioksida, Sol-Gel, Post-Hydrothermal.
PENDAHULUAN Pada umumnya reaksi material anorganik berlangsung antara solid dengan solid, solid dengan liquid, ataupun solid dengan gas. Reaksi ini pada umumnya berlangsung pada temperatur yang tinggi agar dapat melelehkan zat padat. Oleh karena itu, terkadang sulit untuk menentukan apa fasa fisik yang terlibat pada saat proses pembentukannya. Proses sintesa material padat multi komponen yang dilakukan pada temperatur tinggi disebut “Metode Keramik”. Karena material padat tidak dapat bereaksi satu sama lain pada temperatur kamar. Sehingga temperatur tinggi diperlukan untuk dapat mencapai laju reaksi yang sesuai. Temperatur yang diperlukan antara 6000C dan 15000C pada konsep keramik tradisional. Pada proses sintesa material anorganik sebagian fasa yang terbentuk tidak stabil.(Schubert, 2000). Sehingga diperlukan suatu proses untuk memperbaiki sifatnya yaitu dengan menggunakan metode sol-gel. Salah satu bahan metal oksida yang dapat disintesa dengan metode sol gel adalah tungsten trioksida yang merupakan semikonduktor tipen yang mempunyai keunggulan dapat diaplakasikan sebagai sensor gas beracun, alatalat opto elektrokromik dan modulasi optikal, fotokatalis kain, desain permukaan hidrofilik, serta katalis selektif untuk diaplikasikan reaksi oksidasi dan reduksi.
1
Sedangkan proses post-hidrothermal dilakukan dengan tujuan untuk mendapatkan suatu material tungsten trioksida yang mempuyai suatu karakteristik tertentu. Proses ini dipilih dengan alasan proses pemanasannya dilakukan pada temperatur yang rendah, pengontrolan bentuk dan ukuran dari serbuk, tingkat kehomogenitasan yang tinggi dan proses sintesa yang cukup mudah. Tujuan penelitian ini adalah untuk mempelajari apakah teknik sol gel ini dapat menghasilkan tungsten trioksida. Mempelajari pengaruh temperatur post hidrothermal terhadap sifat dari tungsten trioksida, morfologi permukaan, ukuran partikel dan struktur kristal dari tungsten trioksida (WO3). TINJAUAN PUSTAKA Sol adalah suspensi koloid dari partikel solid dalam suatu liquid yang mana fasa yang tersebar sangatlah kecil (antara 1-100nm ) sehingga gaya gravitasinya dapat diabaikan dan interaksinya didominasi oleh gaya-gaya jarak pendek seperti gaya tarik Van Der Waals dan muatan pada permukaan. Inersia dari fasa yang tersebar begitu kecil sehingga menunjukan pergerakan Brownian (atau Brownian diffusion), yaitu suatu pergerakan molekul secara acak yang dipengaruhi oleh momentum tumbukan dari molekul-molekul media suspensinya. Sol adalah suspensi koloid dari partikel solid dalam liquid. Aerosol adalah
Jurnal Teknik Material dan Metalurgi Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, 2011 partikel suspensi koloid dari partikel solid dalam gas dan sebuah emulsi adalah tetesantetesan liquid dalam liquid. Semua tipe koloid ini dapat digunakan untuk menghasilkan polimer atau partikel untuk pembuatan keramik. Proses pasca hidrotermal (posthydrothermal) dilakukan dengan tabung (container) di mana di dalamnya terdapat sebuah tabung tambahan terbuat dari Teflon dan penutupnya, yang keseluruhannya dilapisi dinding baja dan dikencangkandengan dan mekanisme sekrup. tidak terendam oleh air. Dalam proses hidrotermal ini yang diinginkan adalah uap air bertekanan tinggi sebagai suatu agen promosi reaksi kristalisasi fasa (Imai,et.al. 1997). METODOLOGI PENELITIAN Bahan yang digunakan pada penelitian ini Tungsten (VI) hexaklorida (WCL6, Aldrich Chemical, >99,9%) dicampur dengan etanol dan NH4OH. Larutan diaduk dalam temperatur es selama 24 jam. Ion klorida dihilangkan menggunakan aquades sampai tidak ada endapan putih AgCl muncul ketika dititrasi dengan larutan perak nitrat. Endapan dipisahkan dari larutan yang tersisa menggunakan alat centrifuge. Endapan kemudian dipeptized oleh ammonia hidroksida (NH4OH), dan surfactant (Sigma, Triton X100) ditambahkan ke dalam larutan. Diperoleh tungsten trioksida sol. Sol Tungten trioksida dimasukkan dalam post-hidrothermal dipanaskan pada temperatur 2000C dengan variasi waktu tahan 12, 16, 20 dan 24 jam. Setelah proses pemanasan sampel lalu dikeringkan dalam furnace pada temperatur 600C. Serbuk hasil post-hidrothermal kemudian di uji dengan pengujian Scanning Electron Microscope (SEM) dan Transmission Electron Microscope (TEM) untuk melihat morfologi permukaan yang terbentuk. Sedangkan pengujian X-Ray Diffraction (XRD) untuk mengetahui fasa yang terbentuk dan orientasi kristalnya. HASIL DAN PEMBAHASAN Pengamatan Makro
Pengamatan hasil makro dilakukan untuk mengetahui perubahan secara visual dari tiap perlakuan variasi waktu tahan pada sampel yang didapat.
2
Figure a
Figure b
Figure c
Figure d
Gambar 1(a,b,c,d) Foto Makro sampel pada variasi waktu tahan 12, 16, 20 dan 24 jam.
Dari hasil pengamatan makro kemudian dilakukan pengujian XRD
tersebut
Analisa XRD
Pengujian XRD (Philips XRD X-Pert XMS) pada serbuk tungsten trioksida dalam berbagai variasi waktu tahan selama 12, 16, 20 dan 24 jam dapat dilihat pada Gambar 2. Pola XRD pada waktu tahan 12, 16 dan 20jam mempunyai struktur kristal hexagonal (kartu JCPDS nomor 85-2459). Sedangkan pada waktu tahan 24 jam mempunyai struktur Kristal monoklinik (kartu JCPDS nomor 720677). Analisa hasil XRD menggunakan program Match. Pada hasil XRD terlihat bahwa semakin lama variasi waktu tahan terjadi penurunan intensitas. sedangkan adanya perubahan waktu tahan berpengaruh terhadap perubahan bentuk fasa dari WO3. Hal ini, ditunjukkan dari adanya perubahan fasa pada saat waktu tahan 24 jam. Ukuran kristal tungsten trioksida diketahui dari persamaan Schearer.
Dimana λ adalah panjang gelombang radiasi (Ǻ), B adalah Full Width at Half Maximum (rad) dan ө adalah sudut Bragg (o). Dapat disimpulkan bahwa semakin lama variasi waktu tahan semakin kecil ukuran kristal tungsten trioksida ditunjukan pada Tabel 1.
Jurnal Teknik Material dan Metalurgi Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, 2011
Gambar 2. Pola XRD pada berbagai variasi waktu tahan 12, 16, 20 dan 24 jam
Table 1 Ukuran Serbuk Tungsten Trioksida pada berbagai variasi waktu tahan Waktu tahan 12 jam 16 jam 20 jam 24 jam
λ
B
θ
1.54056 1.54056 1.54056 1.54056
0.0024 0.0028 0.0032 0.0147
14.021 14.018 14.038 11.570
Cos θ 0.97 0.97 0.97 0.98
D (Ǻ) 605.67 516.03 448.08 96.25
2
Analisa SEM
Morfologi permukaan dari serbuk tungsten trioksida dari hasil SEM (Zeiss EVO MA 10). Gambar 3 mengindikasikan bahwa partikel-partikel WO3 cenderung membentuk agregat dengan partikel yang lain. Dari hasil pengujian SEM juga terlihat bahwa partikel yang terbentuk memiliki bentuk persegi yang kemudian secara brangsur-angsur pecah dan kembali teragregasi menjadi bongkahan yang lebih besar.
3
1
4
3
Jurnal Teknik Material dan Metalurgi Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, 2011 3
5 Gambar 3. (1) 12 jam, (2) 16 jam, (3) 20 jam, (4)24 jam. Hasil Foto SEM pada perbesaran 5000x; (5) 24 jam Hasil Foto SEM pada perbesaran 10000x
Dari hasil SEM terlihat bahwa dalam satu cluster terdiri atas ± 8-20 partikel. Analisa TEM Morfologi permukaan dari tungsten trioksida pada perbesaran lebih tinggi ditunjukkan dari uji TEM (JEOL JEM-1400) menunjukkan bahwa partikel tungsten trioksida berbentuk persegi pada variasi waktu tahan 12 jam. Seperti pada gambar 4. 1
Gambar 4. Hasil foto TEM pada serbuk tungsten trioksida pada variasi waktu tahan 12 jam dengan skala (a) 2 μm, (b) 20 nm dan (c) 20 nm.
Dari hasil pengujian TEM pada gambar 1 terlihat bahwa partikel yang terbentuk berupa flake yang transparan dengan beragam ketebalan mulai dari ketebalan 0.1 μm sampai dengan 0.2 μm. Sedangkan pada gambar 2 terlihat bahwa kristalnya berbentuk nanotube dengan diameter ± 10 nm dan panjang ± 2μm. Data tersebut hanya bisa dilihat dari perbesaran sampai 20 nm. Gambar 4 (1) menunjukkan hasil pengujian TEM pada perbesaran yang rendah. Hasil ini sama dengan hasil yang ditunjukkan pada pengujian SEM. Gambar 4.7 (2 dan 3) merupakan hasil pengujian pada perbesaran 200000x. dari hasil ini terlihat bahwa bentukbentuk persegi tersebut merupakan kumpulan dari partikel-partikel yang lebih kecil dengan bentuk menyerupai tabung (nanotube) dengan ukuran lebar ± 8 nm dan panjang hingga 2 μm. Pengaruh Tekanan Post-Hidrotermal terhadap Struktur dan Morfologi Material WO3 Terdapat beberapa variable yang mempengaruhi struktur dan morfologi material. Beberapa di antaranya adalah suhu, tekanan, precursor (reaktan), dan metode pemrosesan. Di dalam penelitian ini digunakan variabel pengaruh tekanan uap air (steam) untuk menghasilkan material WO3 dengan morfologi dan struktur yang berbeda. Dalam penelitian ini tekanan yang dihasilkan dari proses post-hidrotermal digunakan untuk merubah kristalinitas tungsten trioksida yang dihasilkan dari proses
2
4
Jurnal Teknik Material dan Metalurgi Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, 2011 sol-gel. Peningkatan waktu tahan proses posthidrotermal sebanding dengan perubahan tekanan dari proses post-hidrotermal. Semakin besar tekanan akan menghasilkan transformasi fase dari heksagonal ke monoklinik. Peningkatan tekanan juga akan merubah ukuran partikel hingga menjadi 9.625 nm. Sehingga tekanan dari proses post- hidrotermal dapat digunakan untuk menghasilkan tungsten trioksida dalam orde nano. KESIMPULAN dan SARAN Kesimpulan Tungsten trioksida nanopartikel telah dapat disintesa menggunakan metode sol-gel dengan prekursor WCl6, Ethanol dan Ammonium hidroksida (NH4OH). Dari hasil proses post-hidrotermal diketahui bahwa pada variasi waktu tahan 12, 16 dan 20 jam didapatkan struktur kristal yang heksagonal. Sedangkan pada variasi waktu tahan 24 jam terjadi perubahan struktur menjadi monoklinik. Dari proses post-hidrtermal juga dihasikan ukuran kristal yang terbentuk jadi semakin kecil dan perubahan bentuk partikel seiring perubahan waktu tahan. Perubahan ukran ketebalannya juga terlihat mengalami perubahan dengan variasi ketebalan mulai yang paling tipis ± 111 nm dan yang paling tebal ± 300 nm. Dari proses post-hidrothermal juga didapatkan bahwa dalam satu partikel berisi sekumpulan nanotube yang berkumpul menjadi satu (agregasi) yang dikarenakan material yang dihasilkan bersifat higroskopis. Saran Untuk penelitian selanjutnya ada beberapa saran yang dapat diperhatikan: 1. Melakukan analisa Thermal Gravimetric Analysis (TGA) untuk mengetahui kandungan dari air kristal pada berbagai variasi waktu tahan. 2. Melakukan analisa Fourier Transform Infrared Spectrophotometer (FTIR) untuk mengidentifikasi ikatan senyawa kimia dalam suatu material. 3. Melakukan analisa High Resolution Transmission Electron Microscope (HRTEM) untuk mengetahui ukuran
5
partikel, space lattice dan difraksi kristal pada tungsten trioksida. DAFTAR PUSTAKA Brinker, C.Jeffry; Scherer, George W. 1990. “Sol-gel Science: The Physics and Chemistry of Sol-gel Processing”. Boston San Diego New York London Sydney Tokyo Toronto: Academic Press, Inc. Bushan, Bharat. 2003. ”Handbook of Nanotechnology”. London Paris Tokyo: Springer-Verlag New York Berlin Heidelberg. Champaiboon, T., “Efficiency enhancement of a tungsten oxide alcohol sensor”. Davis, M.J., “Growth of Thin Films of Molybdenum and Tungsten Oxides by Combustion Chemical Vapour Deposition using Aqueous Precursor Solutions”. De Groot, Frank; Kotani, Akio, 2008. “Core Level Spectroscopy of Solids”. United States of America: Taylor & Francis Group, LLC. Egerton, Ray F. 2005. “Physical Principles of Electron Microscopy: An Introduction to TEM, SEM, and AEM”. United States of America: Springer Science+Business Media, Inc. H. Imai, H. Moromoto, A. Tominaga, H. Hirashima, 1997, “Structural changes in solderived SiO2 and TiO2 films by exposure to water vapour”. J. Sol −Gel. Sci. Technol. 10, pp. 45-54. R. Huirache-Acuña, F. ParaguayDelgadoc, M.A.Albiter, J.Lara-Romero,R. Martínez-Sánchez, “Synthesis and characterization of WO3nanostructures prepared by an aged hydrothermal”. Materialas Characterization 60 (2009) Jang-Hoon Ha, P. Muralidharan, Do Kyung Kim “Hydrothermal synthesis and characterization of self-assembled hWO3nanowires/nanorods using EDTA salts”. Journal of Alloys and Compounds 475 (2009) 446–451. J. Tamaki, Z. Zhang, K. Fujimori, M. Akiyama, T. Harada, N. Miura, N. Yamazoe, “Grain-size effects in tungsten oxide-based sensor for nitrogen oxides”, J. Electrochem. Soc. 141 (1994) Knauth, Philippe; Schoonman, Joop. 2002. “Nanocrystalline Metals and Oxides: selected
Jurnal Teknik Material dan Metalurgi Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, 2011 Properties and Applications”. United States of America: Kluwer Academic Publishers. Lassner, Erik; Schubert Wolf-dieter. 1999. “Tungsten: Properties, Chemistry, Technology of The Element, Alloys, and Chemical Compounds”. United States of America: Kluwer Academic / Plenum Publishers. Pratapa, S. 2004. “Prinsip-prinsip dan Implementasi Metode Rietveld untuk Analisis Data Difraksi”. Surabaya. Sakka, Sumio. 1980. “Handbook of Solgel Science and Technology: Processing Characterization and Applications”. New York Boston Dordrecht London Moscow: Kluwer Academic Publishers. Shih-Han Wang, Tse-Chuan Chou, Chung-Chiun Liu. 2003. “Nano-crystalline tungsten oxide NO2 sensor”. Sensors and Actuators B 94 (2003) 343–351 Sun, Zhengfei. 2005. “Novel Sol-gel Nanoporous Materials, Nanocomposites and Their Applications in Bioscience”. Drexel University. X.L. Li, J.F. Liu, Y.D. Li, “Inorganics Chemistry” 42 (2003) 921–924. Yuwono. “Investigasi Pertumbuhan Nanopartikel TiO2 dalam Proses Sol–Gel dan Perlakuan Lanjutan Pengeringan-Anil-Pasca Hidrotermal” (2010).
6
