SINTESIS DAN KARAKTERISASI NANOPARTIKEL ZnO SEBAGAI SUPPORT KATALIS Cicik Herlina Yulianti, Ratna Ediati dan Didik Prasetyoko* Kimia FMIPA Institut Teknologi Sepuluh November Surabaya Laboratorium Kimia Anorganik, Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Tekndiologi Sepuluh November, Surabaya *Email :
[email protected] Telp : 031-5943353 Abstrak Transesterifikasi minyak nabati dan alkohol menjadi biodiesel sering dilakukan dengan katalis homogen basa. Kelemahan proses ini antara lain adanya kesulitan untuk memisahkan produk reaksi. Katalis heterogen CaO yang diimpregkan pada support ZnO terbukti dapat mempermudah pemisahan produk dan katalis serta memberikan yield yang tinggi pada reaksi transesterifikasi minyak biji matahari (konversi >90%). Untuk meningkatkan unjuk kerja katalis, luas permukaan persatuan berat katalis diperbesar dengan memperkecil ukuran katalis. Penelitian ini bertujuan untuk mensintesis nanopartikel ZnO sebagai support katalis. Nanopartikel ZnO diperoleh dengan menyiapkan zinc oksalat dalam pelarut air menggunakan zinc asetat dan asam oksalat sebagai prekursor. Dalam penelitian ini, nanopartikel ZnO diperoleh melalui dekomposisi termal zinc oksalat pada 450 oC di udara selama 90 menit. Nanopartikel ZnO hasil sintesis dikarakterisasi dengan menggunakan XRD dan FT-IR. Hasil karakterisasi dengan XRD menunjukkan bahwa nanopartikel ZnO memiliki struktur kristal wurtzite heksagonal dan ukuran kristal ZnO dapat diperoleh sebesar 20,6 - 27 nm. Kata kunci : nanopartikel, sintesis, ZnO Abstract Transesterification of vegetable oil and alcohol producing biodiesel was much carried out using homogeneous basic catalyst. These process had disanvantages: difficulty separation the product and catalyst. The heterogen catalyst CaO supported on ZnO as transesterification catalyst has proven to be easily separate the product and catalyst and given high yield in transesterification of sun flower oil (conversion > 90%) . To improve the catalytic performance, the surface area per mass of catalyst must be increased by decreasing the size of particle. The aim of the research were to obtain ZnO nanoparticles as support catalyst. Zinc oxide nanoparticles for catalyst support was synthesized by prepared zinc oxalate in aqueous solvents using zinc acetate and oxalic acid as precursors. During this study, zinc oxide nanoparticles was obtained by thermal decomposition of zinc oxalate at 450 oC in air for 90 minute. The zinc oxide nanoparticles have been characterized by XRD and FT-IR. X-ray diffraction demonstrates that the zinc oxide nanoparticles have a hexagonal wurtzite crystal structure and the crystallite sizes were obtained to be 20,65-27 nm. Key words : nanoparticles, synthesis, ZnO PENDAHULUAN Biodiesel sangat potensial dikembangkan dalam rangka pengembangan bahan bakar alternatif yang dapat diperbaharui. Biodiesel memiliki kemanfaatan yang tinggi karena bisa digunakan secara langsung untuk mengganti minyak petrosolar pada mesin diesel. Cara memperoleh biodiesel bisa dengan reaksi esterifikasi dari free fatty acids (FFAs) dengan alkohol melalui katalis asam atau transesterifikasi dari trigliserida dengan alkohol melalui katalis basa.
1
Metode paling umum untuk memperoleh biodiesel adalah melalui proses transesterifikasi dengan menggunakan katalis homogen basa kuat seperti NaOH dan KOH. Akan tetapi, penggunaan katalis homogen akan menambah langkah proses dan mengalami kesulitan untuk memisahkan produk reaksi (Alonso dkk, 2008) Penggunaan katalis heterogen merupakan suatu alternatif karena katalis heterogen mudah dipisahkan dari campuran reaksi dengan filtrasi serta dapat digunakan kembali (direcovery) (Alonso dkk, 2008). Salah satu jenis katalis heterogen yang banyak digunakan dalam reaksi transesterifikasi adalah katalis berpendukung (bersupport). ZnO adalah suatu material yang di gunakan secara luas sebagai support katalis, karena memiliki struktur wurtzite yang stabil, dapat digunakan kembali, ramah lingkungan, memiliki temperatur leleh tinggi (975 o C) dan murah (Alba-Rubio dkk, 2010). impregnasi ZnO dengan CaO pada reaksi transesterifikasi minyak biji matahari memberikan hasil alkil ester yang sama dengan CaO yang dihasilkan dari dekomposisi CaCO3 pada suhu 700 oC (konversi > 90%), tapi keuntungan menggunakan katalis CaO yang dimpregkan pada ZnO adalah tidak melarutnya fase aktif CaO pada media reaksi karena adanya interaksi yang kuat antara sisi aktif dan support yang artinya kontribusi fase homogen dapat dihilangkan (Alba-Rubio dkk, 2009). Karakteristik ZnO sebagai pendukung katalis sangat tergantung pada ukuran partikel dan metode penyiapannya. Semakin besar luas permukaan per satuan masa katalis maka efektivitas katalis semakin baik. Memperbesar luas permukaan per satuan masa katalis dapat dilakukan dengan memperkecil ukuran padatan katalis misalnya dengan membuat support katalis berukuran nanopartikel. Pada penelitian sebelumnya, Yan S., dkk (2010), telah berhasil membuat ZnO modifikasi nanopartikel dengan metode hidrolisis urea untuk reaksi transesterifikasi. Kanade K.G., dkk (2006), telah berhasil membuat ZnO nano size dari precursor zinc asetat dengan asam oksalat dengan solven air, methanol, dan etilen glikol dengan hasil ukuran partikel berturut-turut 22-25 nm untuk pelarut air dan 14-17 nm untuk pelarut organik. ZnO telah diteliti sebagai salah satu support katalis yang baik untuk reaksi transesterifikasi. Untuk meningkatkan aktivitas dan effektivitas support katalis maka pada penelitian ini nanopartikel ZnO disintesis dengan metode Kanade K.G., dkk (2006) menggunakan precursor zinc asetat dan asam oksalat dengan pelarut air. Fase kristal zinc oksalat dan zinc oksida hasil sintesis ditentukan dengan diffraksi X-Ray (XRD) dengan mencocokkan posisi dan intensitas puncak XRD dengan data JCPDS no. 25-1029 untuk zinc oksalat dan JCPDS no. 80-0075 untuk zinc oksida. METODOLOGI Support nanopartikel ZnO disintesis dengan menggunakan metode yang dilakukan oleh Kanade K.G., dkk (2006), yaitu dengan membuat dua larutan asam oksalat dan zinc asetat sebagai prekursor dengan perbandingan molar 1 : 1. Zinc oksalat didapatkan dengan penambahan sedikit demi sedikit larutan asam oksalat ke dalam zinc asetat sambil melakukan pengadukan dengan kecepatan konstan sebesar 160 rpm selama 12 jam pada temperatur ruang. Endapan putih yang didapatkan kemudian disaring dan dicuci dengan air deionisasi dan aseton untuk menghilangkan pengotor, lalu dikeringkan pada 120 oC. ZnO diperoleh setelah kalsinasi di udara dari zinc oksalat pada 450 oC selama 90 menit (kecepatan pemanasan 2 oC per menit). ZnO yang telah dikalsinasi kemudian diambil dan dikarakterisasi. Karakterisasi partikel menggunakan diffraksi X-Ray (XRD) dan FT-IR. HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Analisa XRD dari Zinc oksalat (ZnC2O4.2H2O) Serbuk nanopartikel ZnO disiapkan dengan menggunakan zinc asetat dan asam oksalat dalam pelarut air. Skema reaksinya dapat ditunjukkan sebagai berikut:
2
Zn(CH3COO)2.2H2O + H2C2O4.2H2O ZnC2O4.2H2O + 2CH3COOH + 2H2O
Gambar 1 : diffraktogram X-ray dari zinc oksalat yang disiapkan dalam pelarut air. Pola diffraktogram X-ray di atas memiliki kesamaan dengan data yang dilaporkan untuk fase monoklinik dari zinc oksalat [JCPDS no. 25-1029]. Puncak karakteristiknya terletak di 2θ (o) 18.7 dengan menampilkan intensitas relatif 100% yang menandakan pembentukan ZnC2O4.2H2O . 2. Analisa XRD dari ZnO
3
ZnO komersial
ZnO sintesis
Gambar 2 : Diffraktogram X-ray dari ZnO sintesis dan ZnO komersial Pola XRD dari ZnO sintesis di atas menunjukkan puncak tinggi di 2θ (o): 31.80, 34.45, 36.28, 47.56 dan 56.61 yang dapat dikategorikan dalam struktur wurtzite dari kristal ZnO (fase hexagonal, space group P63mc) (JCPDS no. 80-0075). Pada gambar di atas dapat dilihat ZnO komersial lebih kristalin dari pada ZnO sintesis, sebagai mana ditunjukkan dengan sinyal diffraksinya yang lebih tinggi. Ukuran kristal dapat dihitung dari pola XRD dengan menggunakan rumus Scherrer untuk 3 puncak XRD tertinggi di 2θ (o): 31.80, 34.45, dan 36.28. Berdasarkan perhitungan tersebut dapat diperoleh ukuran partikel ZnO sintesis sebesar 20,6 – 27 nm dan untuk ZnO komersial sebesar 110-135 nm. Hasil ini seperti yang diharapkan sebagai konsekuensi metode sintesis yang digunakan untuk support ZnO, karena adanya gas-gas yang dihasilkan dari dekomposisi oksalat sehingga menghasilkan ukuran partikel yang lebih rendah yang mengarah pada derajat kristalinitas yang lebih rendah pula (Alba-Rubio dkk, 2010). 3. Analisa FT-IR dari support ZnO
4
3433,4
486,08
Gambar 3: Spektra FT-IR dari support ZnO Analisa FT-IR yang dilakukan bertujuan untuk mengkonfirmasi pembentukan support ZnO dan mengidentifikasi setiap species yang teradsorb pada permukaan kristal. Gambar 3 menunjukkan spektra FT-IR untuk support ZnO. Pita pada 486,08 cm-1 menunjukkan vibrasi streching dari Zn-O (υZn−O). Pita kuat lainnya teramati antara 1350 cm-1 hingga 1600 cm-1 menunjukkan spesies asetat yang teradsorb di dalam permukaan ZnO. Puncak lebar yang terpusat pada 3433,4 cm-1 berhubungan dengan gugus -OH dari H2O, menunjukkan keberadaan air yang terabsorb di atas permukaan ZnO (Adrian G. Parra Palomino, 2006). KESIMPULAN 1. Bedasarkan hasil analisa XRD dan FT-IR yang dilakukan dapat disimpulkan bahwa support nanopartikel ZnO telah berhasil disintesis dari dekomposisi thermal zinc oksalat yang disiapkan melalui zinc asetat dan asam oksalat sebagai prekursornya. 2. Perhitungan dengan menggunakan rumus Scherrer dapat ditentukan ukuran partikel ZnO sintesis adalah sebesar 20,6 - 27 nm. DAFTAR PUSTAKA Alba-Rubio, Ana C., Jose Santamaria-Gonzalez, Josefa M., (2010), “Heterogeneous Transesterification Processes by Using CaO Supported On Zinc Oxide as Basic Catalysts”, Catalysis Today, Vol 149, hal 281-287
5
Alonso, D.M, R. Mariscal, M. Lo´ pez G, and P. Maireles T, (2008), “Biodiesel Preparasion Using Li/CaO Catalysts: Activation Process and Homogeneous Contribution”, Catalysis Today, Vol. 30, hal. 1-5. Kanade K.G., Kale B.B., Aiyer R.C., Das B.K., (2006), “Effect Of Solvents On The Synthesis Of Nano-Size Zinc Oxide And Its Properties”, Materials Research Bulletin, Vol. 41, hal. 590– 600 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 Yan S., Mohan S., DiMaggio C., Kim M., Simon Ng K.Y., Salley S.O., “Long Term Activity Of Modified ZnO Nanoparticles For Transesterification”, Fuel, Vol. 89, hal. 2844–2852
6
