Jurnal Teknika Vol. 4 No. 2 September 2012
SINTESIS DAN KARAKTERISASI KRISTAL NANO ZnO Cicik Herlina Yulianti 1 1) Dosen Fakultas Teknik Prodi Elektro Universitas Islam Lamongan Abstrak Pengembangan material kristalin berukuran nano merupakan suatu bidang yang akhir-akhir ini menjadi perhatian penelitian. ZnO adalah kristal yang banyak dipakai dalam berbagai keperluan, sebagai katalis atau pendukung katalis, atau sebagai semikonduktor. Karakteristik kristal ZnO tergantung pada ukuran dan metode preparasinya.. Pada penelitian ini kristal nano ZnO telah berhasil disintesis dengan metode yang sederhana dan ekonomis yaitu melalui kopresipitasi dari prekursor seng asetat 0,1 M dan asam oksalat 0,15 M. Data XRD menunjukkan bahwa ZnC2O4 yang telah dikalsinasi suhu 400 oC telah terdekomposisi sempurna menjadi ZnO. Kristal nano ZnO yang dihasilkan memiliki ukuran 31 nm. Data SEM menunjukkan bahwa morfologi kristal nano ZnO tampak homogen sebagai partikel padat berbentuk bulat kecil. Data FTIR menunjukkan adanya vibrasi ulur Zn-O (υZn−O) pada bilangan gelombang 486 cm-1. Kata kunci: karakterisasi, kristal nano ZnO, sintesis 1. Pendahuluan Pengembangan material kristalin berukuran nano merupakan suatu bidang yang akhir-akhir ini menjadi perhatian penelitian. ZnO adalah kristal yang banyak dipakai dalam berbagai keperluan, sebagai katalis atau pendukung katalis, atau sebagai semikonduktor. Karakteristik kristal ZnO tergantung pada ukuran dan metode preparasinya. Preparasi kristal ZnO dengan ukuran nano telah dilakukan dengan metode yang berbeda-beda seperti aerosol, emulsi mikro, ultrasonik, metode sol gel, evaporasi larutan dan suspensi, evaporasi dekomposisi larutan (EDS), reaksi solid state, sintesis wet chemical, dan metode spray pirolisis (Kanade K.G., dkk 2006). Oleh karena itu perkembangan sintesis kristal nano ZnO dengan menggunakan metode yang sederhana dan ekonomis saat ini menjadi penting. Pada penelitian sebelumnya, Kanade K.G., dkk (2006), telah berhasil membuat kristal nano ZnO dari prekursor seng asetat dengan asam oksalat dengan pelarut air, methanol, dan etilen glikol. Rentang konsentrasi larutan seng asetat yang digunakan sebesar 0,008 M - 0,1 M dan rentang
konsentrasi larutan asam oksalat yang digunakan sebesar 0,12 - 0,18 M. Dari penelitian tersebut disimpulkan bahwa reaksi antara 0,1 M seng asetat dengan 0,15 M asam oksalat dapat memberikan produk intermediet maksimum jika dibandingkan dengan rasio konsentrasi prekursor yang lain, dengan ukuran kristal ZnO yang dihasilkan berturutturut adalah 22-25 nm untuk pelarut air dan 14-17 nm untuk pelarut organik. Mengacu pada penelitian Kanade dkk., pada penelitian ini kristal ZnO disintesis dari campuran larutan seng asetat 0,1 M dan asam oksalat 0,15 M. Penggunaan konsentrasi yang sama ini dimaksudkan untuk mendapatkan kristal dengan ukuran yang kecil. Proses yang dilaporkan pada penelitian ini sangat ekonomis, sederhana, dan berpotensi untuk diproduksi dalam skala besar. 2. Metode Penelitian 2.1 Sintesis Kristal Nano ZnO Bahan-bahan yang diperlukan dalam penelitian ini adalah aquades, aqua DM, seng asetat dihidrat (Zn(CH3COO)2.2H2O, Merck,
Jurnal Teknika Vol. 4 No. 2 September 2012
99 %) dan asam oksalat hidrat (C2H2O4.2H2O, Merck, 99,5-102,5%). Kristal ZnO disintesis berdasarkan metode kopresipitasi yang dilakukan oleh Kanade., dkk. (2006). Pada penelitian ini, ZnO disintesis dari campuran Zn(CH3COO)2.2H2O 0,1 M dan H2C2O4.2H2O 0.15 M dalam pelarut air deionisasi. Campuran diaduk dengan kecepatan 160 rpm selama 12 jam pada temperatur kamar. Endapan seng oksalat dipisahkan dengan filtratnya dengan sentrifuse, diikuti pencucian dengan air deioniasi dan aceton serta dikeringkan dalam oven pada 120 oC satu malam. Kristal ZnO diperoleh setelah kalsinasi seng oksalat dalam furnace pada temperatur 400 oC selama 4 jam. 2.2 Karakterisasi Kemurnian kristal dan ukuran kristal dikarakterisasi dengan menggunakan XRD yang dilanjutkan dengan analisis ukuran kristal dengan program MAUD; IR; dan morfologi kristal diuji dengan SEM. 3. Hasil dan Pembahasan 3.1 Sintesis kristal nano ZnO Pada sintesis kristal ZnO, larutan asam oksalat 0,15 M ditambahkan tetes demi tetes ke dalam larutan seng asetat 0,1 M agar tidak terjadi penggumpalan secara mendadak sambil dilakukan pengadukan dengan kecepatan 160 rpm. Penambahan asam oksalat dilakukan hingga didapatkan larutan jenuh yang diindikasikan adanya perubahan warna dari jernih menjadi keruh dan berwarna putih. Penambahan asam oksalat ke dalam larutan seng asetat ini memungkinkan adanya pembentukan seng oksalat. Skema reaksi kopresipitasi yang terjadi dapat ditunjukkan sebagai berikut (Kanade dkk, 2006): Zn(CH3COO)2.2H2O + H2C2O4.2H2O ZnC2O4.2H2O + 2CH3COOH + 2H2O (1) Larutan hasil kopresipitasi ini dibiarkan tetap distirer dengan kecepatan 160
rpm selama 12 jam, proses ini untuk mendapatkan endapan seng oksalat yang homogen. Setelah 12 jam larutan hasil kopresipitasi dipisahkan antara endapan dan filtratnya dengan menggunakan sentrifuse untuk mencegah partikel-partikel yang berukuran kecil tidak hilang. Endapan kemudian dicuci dengan aqua demineralisasi dan aseton. Hal ini dilakukan untuk mengurangi sisa asam oksalat yang tidak bereaksi sehingga didapat padatan yang berwarna putih (Kanade dkk, 2006). Selanjutnya, padatan berwarna putih dikeringkan dalam oven pada suhu 120 oC selama 12 jam. Padatan putih yang telah dikeringkan kemudian dikalsinasi dengan suhu 400 oC selama 4 jam untuk menghilangkan ion oksalatnya sehingga terbentuk struktur ZnO. Proses dekomposisi yang terjadi pada padatan seng oksalat menjadi seng oksida mengikuti reaksi sebagai berikut (Kanade dkk, 2006) : ZnC2O4.2H2O ZnC2O4 + 2H2O ZnC2O4 ZnCO3 + CO ZnCO3 ZnO + CO2
(2) (3) (4)
3.2 Analisa XRD Endapan Seng oksalat (ZnC2O4.2H2O) Pada penelitian ini, sebelum dihasilkan kristal ZnO, terlebih dahulu dihasilkan produk intermediet seng oksalat yang merupakan hasil kopresipitasi larutan seng asetat dengan asam oksalat. Adapun diffraktogram sinar-X dari seng oksalat ditampilkan pada gambar 1:
Jurnal Teknika Vol. 4 No. 2 September 2012
Gambar 1 Diffraktogram sinar-X oksalat
seng
Gambar 1 menunjukkan Pola XRD seng oksalat yang disiapkan dengan pelarut air. Pada pola XRD ini ditemukan puncak tertinggi di 2θ (o): 18,7 dengan intensitas relatif 100%. Data ini sesuai dengan yang dilaporkan oleh Kanade, dkk., (2006) bahwa puncak XRD seng oksalat yang menandakan pembentukan α-ZnC2O4.2H2O terletak di 2θ (o): 19,5 dengan intensitas relatif 100%. 3.3 Analisa XRD Kristal ZnO
31,80; 34,45; 36,28; 47,56 dan 56,6. Sedangkan puncak-puncak difraksi ZnO komersial muncul pada 2θ (o): 31,77; 34,42; 36,37; 47,54 dan 56,59. Puncak-puncak difraksi pada ZnO sintesis dan ZnO komersial ini sesuai dengan hasil yang dipublikasikan oleh Kanade dkk, (2006) untuk pola difraksi ZnO dengan tipe struktur heksagonal. Pada pola difraksi ZnO sintesis tidak ditemukan fase lain seperti ZnCO3, hal ini menunjukkan bahwa ZnC2O4 yang telah dikalsinasi suhu 400 o C telah terdekomposisi sempurna menjadi ZnO. Pada gambar 2 tampak bahwa ZnO komersial lebih kristalin dari pada ZnO sintesis, sebagaimana ditunjukkan dengan sinyal difraksi ZnO komersial lebih tinggi dari pada ZnO sintesis. Hasil ini diharapkan sebagai konsekuensi dari metode sintesis yang digunakan untuk membuat ZnO sintesis. Hasil ini sesuai dengan penelitian yang dilakukan oleh Alba-Rubio, dkk., (2010). Pada penelitian tersebut, adanya gas yang dilepaskan pada saat dekomposisi oksalat menyebabkan energi termal yang digunakan untuk pembentukan ZnO sintesis lebih sedikit sehingga mengarah pada derajat kristalinitas ZnO sintesis lebih rendah dari pada ZnO komersial. Sedangkan ukuran kristal ZnO sintesis dapat diperkirakan dengan menggunakan program MAUD. 3.4 Penghalusan Rietveld dan Estimasi Ukuran Kristal dengan Perangkat Lunak MAUD
Gambar
Gambar sintesis gambar difraksi
2 Diffraktogram sinar-X ZnO sintesis (a) dan ZnO komersial (b)
2 menunjukkan pola XRD ZnO (a) dan ZnO komersial (b). Pada 2 tampak bahwa puncak-puncak ZnO sintesis muncul pada 2θ (o):
Pada penelitian ini, untuk mengestimasi ukuran kristal ZnO digunakan perangkat lunak MAUD (Material Analysis Using Diffraction). Gambar 3 menunjukkan plot hasil penghalusan Rietvield data difraksi serbuk hasil kopresipitasi dengan jangkauan sudut 2θ (o): 20 – 70 untuk sampel ZnO sintesis. Pada gambar tersebut tampak bahwa tingkat kesesuaian antara data terhitung dan terukur cukup baik, yang ditunjukkan oleh kesesuaian antara model terhitung dengan model terukur. Fluktuasi selisih (difference
Jurnal Teknika Vol. 4 No. 2 September 2012
plot) yang ditunjukkan pada garis di bawah kedua model pada Gambar 3 juga kecil, menunjukkan bahwa proses penghalusan berhasil. Adapun keberhasilan penghalusannya ditunjukkan dengan parameter nilai sig yang didapatkan sebesar 1,56% dan nilai Rwp sebesar 15,68%. Sig merupakan salah satu figures-of-merit yang penting dalam analisis dengan metode Rietveld, yang menunjukkan bahwa penghalusan Rietvield dapat diterima menurut kriteria yang disyaratkan oleh Lutterotti (2006), yaitu sig < 2% dan Rwp < 20 %. Dengan demikian parameter-parameter yang diperhalus dapat diekstrak dan dapat dianalisis lebih lanjut.
pada permukaan material. Perbesaran dihasilkan dari perbandingan luas area sampel yang di-scan terhadap luas area layar monitor.
Pola difraksi terukur digambarkan dengan warna biru dan pola difraksi terhitung digambarkan dengan warna hitam. Kurva paling bawah adalah plot selisih antara pola difraksi terukur dengan pola difraksi terhitung.
Gambar 4 SEM ZnO sintesis perbesaran 10.000 x (atas) dan 20.000x (bawah)
Gambar
3
Hasil penghalusan dengan perangkat lunak MAUD sampel ZnO yang telah dikalsinasi suhu 400 oC.
Dari hasil data XRD yang kemudian diolah dengan perangkat lunak Maud didapatkan estimasi ukuran kristal ZnO sintesis sebesar 31 (2) nm (angka dalam kurung adalah estimasi standar deviasi dari digit terakhir yang signifikan). 3.5 Scanning Electron Microscopy (SEM) Fungsi utama SEM adalah mengetahui morfologi permukaan sampel padat. Pada SEM, gambar dibentuk oleh berkas elektron yang sangat halus yang difokuskan
Gambar 4 menunjukkan SEM dari sampel ZnO sintesis. Pada Gambar 4 dapat dilihat bahwa masing-masing sampel ditampilkan dengan 2 kali perbesaran yaitu 10.000 kali dan 20.000 kali. Tujuan dari perbesaran yang lebih kecil (perbesaran 10.000 kali) adalah untuk mengetahui bentuk morfologi sampel secara global. Jika morfologinya menunjukkan keseragaman maka dapat dilakukan peningkatan perbesaran (misal 20.000 kali) dengan men-scan berkas elektron terhadap luas permukaan sampel yang cukup sempit. Berdasarkan hal ini dapat diperoleh data-data morfologi yang dianggap dapat mewakili morfologi sampel secara keseluruhan. Pada Gambar 4 secara umum sampel ZnO sintesis tampak homogen sebagai partikel padat berbentuk bulat kecil. Hasil ini sesuai
Jurnal Teknika Vol. 4 No. 2 September 2012
dengan estimasi ukuran dengan menggunakan Maud bahwa estimasi ukuran kristal ZnO adalah 31 nm. 3.6 Spektroskopi Inframerah Karakterisasi dengan spektroskopi inframerah bertujuan untuk mengidentifikasi gugus fungsi yang terdapat dalam suatu senyawa. Gambar 6 menunjukkan spektra FTIR ZnO sintesis setelah kalsinasi pada bilangan gelombang antara 4000-400 cm-1. Pada ZnO sintesis diperoleh spektra dengan puncak-puncak pada bilangan -1 gelombang 3433, 1639, dan 486 cm , dimana pita pada bilangan gelombang 1639 cm-1 menunjukkan mode tekukan OH dari molekul air yang terabsorb pada permukaan ZnO. Puncak lebar yang terpusat pada 3433 cm-1 berhubungan dengan vibrasi regangan gugus OH dari H2O, menunjukkan keberadaan air yang terabsorb pada permukaan ZnO. Pita pada 486 cm-1 menunjukkan vibrasi ulur dari Zn-O (υZn−O) (Palomino, 2006).
telah terdekomposisi sempurna menjadi ZnO. Kristal nano ZnO yang dihasilkan memiliki ukuran 31 nm. Data SEM menunjukkan bahwa morfologi kristal nano ZnO tampak homogen sebagai partikel padat berbentuk bulat kecil. Data FTIR menunjukkan adanya vibrasi ulur Zn-O (υZn−O) pada bilangan gelombang 486 cm-1. 5. Daftar pustaka Alba-Rubio, A. C., Santamaria-Gonzalez, J., dan Josefa M., (2010), “Heterogeneous Transesterification Processes by Using CaO Supported On Seng Oxide as Basic Catalysts”, Catalysis Today, Vol 149, hal 281-287 Kanade K.G., Kale B.B., Aiyer R.C., dan Das B.K., (2006), “Effect Of Solvents On The Synthesis Of Nano-Size Seng Oxide And Its Properties”, Materials Research Bulletin, Vol. 41, hal. 590– 600. Lutteroti, L. MAUD: Material Analysis using Diffraction. 2006; http://www.ing.unitn.it/~maud. Palomino, A.G.P., (2006), “Room Temperature Synthesis and Characterization of Highly Monodisperse Transition Metal-Doped ZnO Nanocrystals”, Physics, University Of Puerto Rico, Physics, Puerto Rico.
Gambar 6 spektra FTIR ZnO sintesis 4. Kesimpulan Kristal nano ZnO telah berhasil disintesis dari peristiwa kopresipitasi dari prekursor dengan konsentrasi encer dari larutan seng asetat 0,1 M dan asam oksalat 0,15 M. Data XRD menunjukkan bahwa ZnC2O4 yang telah dikalsinasi suhu 400 oC
