SINTESIS DAN KARAKTERISTIK PARTIKEL NANO Fe3O4 YANG BERASAL DARI PASIR BESI DAN Fe3O4 BAHAN KOMERSIAL (ALDRICH) Lia Kurnia Sholihah, NRP 1106 100 010 Dosen Pembimbing: Dr. Darminto, M.Sc & Malik Anjelh Baqiya, M.Si Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Sepuluh Nopember Diterima: 30 Juli 2010, Surabaya
Abstrak Fe3O4 berhasil dibuat dengan menggunakan metode kopresipitasi. Karakterisasi serbuk dengan menggunakan difraksi sinar-X dan dan software Maud menghasilkan ukuran kristal sebesar 5,5±1,3 nanometer. Karakterisasi dengan menggunakan VSM diperoleh nilai medan saturasi MS untuk ferit Fe3O4 dari pasir besi yang telah disintesis, Aldrich yang belum disintesis dan Aldrich yang telah disintesis berturut-turut sebesar 46,3 emu/gram, 100,4 emu/gram, 54,6 emu/gram dan medan koersifitas (HC) masing-masing sebesar 1,69x10-2 Tesla, 2,94x10-2 Tesla, 2,00x10-4 Tesla. Kata kunci : Kopresipitasi, Nano Fe3O4, XRD, VSM,
PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
metode sintesis kimia antara lain : kopresipitasi, sintesis hidrotermal, metode prekursor sitrat, metode keramik-gelas (glass ceramic) dan proses sol-gel (Costaa,A. C. F. M, 2003).
Pasir besi (Fe3O4) berukuran nano memiliki sifat ferimagnetik memiliki peluang aplikasi yang luas. pengaplikasian pasir besi (Fe3O4) yang berukuran partikel nano merupakan alternative yang diperlukan untuk memenuhi kebutuhan bahan baku industri di bidang elektronik yang dalam perkembangan dan kebutuhannya kian meningkat. Fe3O4 berukuran nano memiliki aplikasi pada bidang industri seperti; keramik, katalis, energy storage, magnetic data storage, ferofluida, maupun dalam diagnosis medis.
Dalam penelitian ini dikembangkan metode sederhana dalam fabrikasi partikel nano Fe3O4 yang berasal dari Aldrich dengan metode kopresipitasi, dengan menggunakan pasangan asam dan basa, yaitu HCl sebagai pelarut dan NH4OH sebagai pengendapnya dengan harapan akan menghasilkan partikel nano Fe3O4. Metode ini dilakukan pada suhu 70oC dengan peralatan yang sederhana.
Metode kimia basah pada pembuatan partikel nano Fe3O4 merupakan cara alternative sejak diketahuinya kekurangan dari metode keramik konvensional. Sintesis kimia basah dari tingginya reaktivitas serbuk ternyata merupakan cara sangat efektif untuk menurunkan temperature sintering dari ferit. Macam-macam
1.2 Perumusan Masalah Adapun permasalahan yang dihadapi dalam penelitian ini sebagai berikut : 1. Bagaimana mensintesis partikel nano dengan ukuran kristal 100 nm berbahan dasar Fe3O4 dari pabrik (Aldrich) dengan metode kopresipitasi.
2. Bagaimana membandingkan komposisi fasa, morfologi dan sifat kemagnetan Fe O 3
4
dari pabrik (Aldrich) dan bahan alam yang dihasilkan dari proses sintesis.
1.3 Batasan masalah Batasan masalah dalam penelitian ini adalah ditekankan pada kajian komposisi fasa, morfologi dan sifat kemagnetan nano Fe3O4 yang berasal dari Aldrich. Pada penelitian ini digunakan metode kopresipitasi dan analisa kadar fasa dengan menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) dan sifat kemagnetan dengan menggunakan VSM. 1.4 Tujuan Penelitian Adapun tujuan dilakukan penelitian ini adalah : 1. Memperoleh partikel nano Fe3O4 dengan ukuran butir 100 nm berbahan dasar Fe3O4 yang berasal dari pabrik (Aldrich) 2. Membandingkan komposisi fasa dan sifat kemagnetan Fe O dari bahan pabrik 3
4
(Aldrich) dan alam yang dihasilkan dari proses sintesis. 1.5 Sistematika Penulisan Sistematika penulisan ini terdiri dari lima bab. Bab I merupakan pendahuluan yang akan membahas latar belakang, tujuan penelitian, perumusan masalah, batasan masalah, sistematika penulisan, dan manfaat penelitian. Bab II membahas tentang tinjauan pustaka yang terkait dengan bahan pasir besi, struktur spinel, magnetit, Fe2O3, partikel nano Fe3O4, metode kopresipitasi, dan bahan komposit. Bab III memaparkan metode percobaan yang berisi preparasi bahan dan peralatan serta langkah percobaan yang dilakukan. Bab IV menampilkan hasil percobaan dan pembahasan. Dan Bab V sebagai penutup yang merupakan kesimpulan dan saran yang didapat dari hasil penelitian. 1.6 Manfaat penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah menumbuh kembangkan penguasaan dalam bidang nanomaterial terutama dalam proses sintesa dan mekanisme partikel nano. Dengan keberhasilan membuat bahan partikel nano yang memiliki ukuran butir 100 nm berbahan dasar Fe3O4, distribusi ukuran yang merata dan sifat kemagnetan akan memberi peluang yang lebih besar pada pengaplikasian teknologi dan segi ilmiah. 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pasir Besi Pasir merupakan bahan alam yang tersedia sangat melimpah di Indonesia. Pasir biasa dimanfaatkan untuk bahan bangunan sebagai campuran semen dalam pembuatan tembok sebagai pelapis batu bata. Pasir besi pada umumnya mempunyai komposisi utama besi oksida (Fe2O3 dan Fe2O3), silikon oksida (SiO2), serta senyawa-senyawa lain dengan kadar yang lebih rendah. Komposisi kandungan pasir dapat diketahui setelah dilakukan pengujian, misalnya dengan menggunakan XRD (X-Ray Difraction) atau XRF (X-Ray Flouresence), sehingga dapat digunakan dalam penelitian ini. Hal ini dapat menambah nilai jual pasir, misalnya dengan memperkecil ukuran partikelnya menjadi partikel nano. Pasir besi umumnya ditambang di areal sungai/dasar sungai atau tambang pasir (quarry) di pegunungan, tetapi hanya beberapa saja pegunungan di Indonesia yang banyak mengandung pasir besi. Transportasi di pegunungan juga sulit, karena medannya yang terjal dan berliku-liku. Hal ini yang menyebabkan penambang pasir besi lebih memilih di areal sungai dari pada di pegunungan, karena lebih mudah dijangkau (Anwar, 2007) Sifat oksida besi •
Besi (II) oksida (FeO) atau oksida besi juga dikenal sebagai wustite dalam bentuk mineral. Bubuk oksida hitam ini dapat menyebabkan ledakan seperti mudah terbakar.
•
•
Besi (III) oksida (Fe2O3) atau oksida besi juga dikenal sebagai bijih besi (bentuk alfa) atau maghemite (bentuk gamma) dalam bentuk mineral. Sebagai bahan kimia industri ini umumnya disebut rouge. Setelah dimurnikan, besi oksida digunakan sebagai lapisan dalam media audio dan komputer. Dalam lingkungan yang kering atau alkali, besi oksida itu dapat menyebabkan pengvasifan dan menghambat karat, namun juga merupakan komponen utama karat. Besi (II, III) oksida (Fe3O4) atau besi oksida besi juga dikenal sebagai magnetite atau magnet dalam bentuk mineral (RM Cornell, 2003).
2.2 Bahan Ferimagnetik Dalam senyawa ionik, seperti oksida, bentuk-bentuk lebih kompleks magnetik terjadi sebagai akibat dari struktur kristal. Bahan yang sangat bersifat magnetic disebut Ferimagnetik Gambar 2.1 menunjukkan representasi sederhana spin magnetik dalam oksida ferimagnetik.
Gambar 2.2. struktur spinel Fe3O4 Krista magnetik Fe3O4 dengan struktur spinel dapat dilihat dari Gambar 2.2 . Struktur tetrahedral: ion Fe dikelilingi oleh empat oksigen . Struktur oktahedral: ion Fe dikelilingi oleh enam ion Oksigen (Moskowitz,1991). Material ferimagnetik atau biasa disebut ferit adalah bahan magnetik yang mempunyai sifat khas yaitu keras, rapuh, tahan terhadap panas dan zat kimia, mempunyai tahanan jenis listrik yang tinggi, sehingga banyak digunakan dalam bidang elektronika. Ferit dapat termagnetisasi secara spontan pada temperature Currie dan bersifat paramagnetic untuk temperatur di atas temperature Currie (Chrismant, J. Rhicard, 1988) Dalam fasa ferimagnetik terbentuk domain magnetik dan terjadi hysteresis. Ferit merupakan bagian terpenting dari ferimagnetik. Ferit adalah gabungan ion-ion dan memiliki kemampuan magnetic berasal dari magnetic ion yang disebut kation. Berdasarkan struktur kristalnya, ferit digolongkan menjadi 2 kelompok:
Gambar 2.1. spin magnetik bahan ferimagnetik Struktur magnetik terdiri dari dua magnetik sublatis (disebut A dan B) yang dipisahkan oleh oksigen. pertukaran Interaksi dimediasi oleh anion oksigen. Ketika ini terjadi, interaksi tersebut disebut interaksi tidak langsung atau superexchange. (Moskowitz,1991)
1. Kubik Ferit yang mempunyai rumusan umum MO.Fe2O3, dengan M adalah ion logam divalent seperti Mg, Mn, Fe, Ni, Zn, Co dan Cu. Ferit-ferit ini memiliki struktur spinel dan sering disebut ferrospinel karena struktur kristalnya berhubungan erat pada spinel MgO.Al2O3, dengan struktur komplek dan umumnya magnetik lunak (soft magnetic). 2. Heksagonal
Magnetit mempunyai rumus kimia Fe3O4 dan mempunyai struktur spinel dengan sel unit kubik yang terdiri dari 32 ion oksigen, di mana celahcelahnya ditempati oleh ion Fe2+ dan Fe3+. Delapan ion Fe3+ dalam tiap sel berada paa bagian tetrahedral (A), karena berlokasi di tengan sebuah tetrahedron yang keempat sudutnya ditempati ion oksigen (Gambar 2.3a). sisanya delapan ion Fe3+ dan delapan ion Fe2+ berada pada bagian oktahedral (B), karena ion-ion oksigen disekitarnya menempati sudutsudut sebuah oktahedron (Gambar 2.3b) yang sudut-sudutnya ditempati oleh enam atom oksigen (Hook, J, R & Hall, H, E, 1991). Tiap-tiap unit sel berisi sejumlah ion, di mana secara kompleks sulit dibayangkan. Satu sel terbagi menjadi 8 oktan (kubus spinel), masing-masing berukuran a/2 (Gambar 2.3c), empat oktan yang berarsir memiliki ukuran isi yang sama, begitu pula dengan cara yang sama, tetrahedral di oktan terarsir dan octahedral di oktan tidak terarsir (Cullity, B. D. 1972). Bentuk heksagonal dari Fe3O4 dapat dilihat pada Gambar 2.4. Gambar 2.4. struktur heksagonal Fe3O4 (Lemire.C, 2004). (a). gambar sisi samping dan atas Fe3O4(1 1 1). (b) gambar STM Fe3O4(1 1 1) dari film (size 300 × 300 nm2) dengan ukuran atomik sebesar 3 × 3 nm2. 2.3
Gambar 2.3 struktur kubik ferit (cullity, B. D. 1972), (a) posisi ion logam dalam kristal tetrahedral (A), (b) posisi ion logam dalam octahedral (B), (c) gabungan tetrahedral dan octahedral, (d) kubik magnet.
Partikel Nano Fe3O4
Partikel nano magnetik memiliki sifat fisis dan kimia yang bervariasi dan dapat diaplikasikan dalam berbagai bidang. Salah satu partikel magnetik tersebut yang dapat dijadikan berukuran nanometer adalah besi oksida seperti Fe3O4 (magnetit). Lao et al., 2004, meneliti bahwa partikel nano ini dapat dimanfaatkan sebagai material untuk kegunaan sistem pengangkutan obat-obatan (Drug Delivery System = DDS), Magnetic Resonance Imaging
(MRI), dan terapi kanker. Agar dapat diaplikasikan dalam bebagai bidang tersebut, sangatlah penting untuk mempertimbangkan ukuran partikel, sifat magnetik, dan sifat permukaan dari partikel nano itu sendiri.
(a)
(b) Gambar 2.5 (a) Serbuk Fe3O4, (b) Struktur Fe3O4 Dalam beberapa tahun belakangan ini, para peneliti dapat mensintesis partikel nano Fe3O4 dengan metode-metode yang berbeda. Seperti metode sol gel yang dikembangkan oleh Xu et al., 2007. Lain lagi dengan dilakukan oleh Iida et al., 2007 yang memilih mensintesis partikel nano Fe3O4 dengan metode hidrolisis terkontrol sedangkan Hong et al., 2007 memilih metode kopresipitasi dalam air. Di antara sekian metode sintesis tersebut, metode kopresipitasi yang paling sederhana karena prosedurnya lebih mudah dilakukan dan memerlukan suhu reaksi yang rendah (< 100 oC). Metode kopresipitasi merupakan proses kimia yang membawa suatu zat terlarut ke bawah sehingga terbentuk endapan yang dikehendaki. Teknik ini sering dipakai untuk memisahkan analit dari pengotornya.
Untuk sintesis partikel nano Fe3O4 dengan metode kopresipitasi, perbandingan/rasio antara ion ferrous (Fe2+) dan ion ferric (Fe3+) dalam medium basa (alkali) sangat mempengaruhi hasil akhir sintesis. Efeknya meliputi rentang diameter ukuran partikel dan sifat magnetik yang dihasilkan. Telah dilaporkan bahwa valensi garam logam yang digunakan dalam sintesis memegang peranan penting dalam menentukan ukuran partikel. Dalam hal ini, ukuran partikel nano Fe3O4 dengan variasi prosentase molar ion ferrous terhadap jumlah total ion besinya dalam rentang ∼9 nm sampai ∼40 nm (Iida et al., 2007). Pada penelitian yang lain diungkapkan bahwa pH awal dan suhu larutan garam besi selama proses kopresipitasi sangat mempengaruhi pembentukan magnetit. Ukuran partikel rata-rata yang diperoleh dengan pH awal larutan 0,7; 1,5; 3; 4,7 berturut-turut adalah 6,4; 7,6; 9,9; dan 9,9 nm. Penentuan ukuran partikel ini penting karena disesuaikan dengan aplikasinya nanti. Misalnya, untuk mengontrol target seperti protein, gen, dan sel, diperlukan partikel berukuran diameter berturut-turut 5-50 nm, 2 nm dan panjang 10-100 nm (Gnanaprakash et al., 2007) Proses magnetisasi bahan ferimagnetik salah satunya dapat menggunakan medan dari luar (external). Gambar 2.4 mengilustrasikan proses magnetisasi sebagai akibat peningkatan medan luar. Dimulai dari daerah asal, magnetisasi M meningkat secara lambat pada permulaan, tetapi menjadi labih cepat seiring dengan meningkatnya medan, dan bahkan M menjadi jenuh (saturasi) pada titik A.
Gambar 2.6 Kurva Histeresis bahan ferromagnetik Jika sekarang medan dikurangi, kurva baru tidak kembali ke kurva asal OA, tetapi melalui garis AD seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.4. Bahkan bilamana medan dikurangi sampai nol, magnetisasi M diketahui sebagai “magnetisasi remanent”. Untuk menghilangkan magnetisasi ini diperlukan medan negative -Hc , medan H berubah secara periodic, sehingga bentuk kurvanya menjadi penuh seperti dalam Gambar 2.4 di atas. Hysteresis ini menyatakan hilangnya energy dalam sistem. Hilangnya energy ini sebanding dengan luas loop. (Darminto, 2002) Pada kurva histeresis ada yang disebut remanensi (Hr). remanensi adalah medan kebalikan, bila diterapkan dan kemudian dihapus, akan mengurangi remanensi saturasi ke nol. Nilai Histeresis suatu bahan tergantung pada ukuran butir, domain, stres, dan suhu. 2.4
Metode Kopresipitasi
Dalam penelitian ini, pembuatan Fe O berukuran nanometer menggunakan 3
4
metode kopresipitasi. Metode ini pertama kali dipublikasikan pada tahun 1925 oleh Welo dan Baudish, yang meneliti tentang transformasi fasa besi oksida dengan temperatur, akan tetapi yang paling banyak diambil oleh para peneliti kontemporer adalah metode yang dikembangkan oleh massart. Tujuan awal penggunaan metode
kopresipitasi ini adalah untuk mempelajari sifat magnetik dalam struktur domain tunggal, tetapi studi actual pada sintesis partikel nano magnetik difokuskan pada potensi aplikasi dan peningkatan kualitas dari nano partikel (misalnya mengenai monodispersi dan kristalinitasnya). Keserbagunaan dan kesederhanaan metode kopresipitasi menjadikan metode ini menjadi salah satu teknik yang lebih disukai untuk membuat partikel nano. Prosedur yang sama juga digunakan untuk sintesis tipe ferit yang lain, seperti MnFe2O4 dan CoFe2O4, dengan mengubah prekusor yang digunakan. Partikel nano yang dihasilkan dari metode kopresipitasi biasanya polidispersif, tetapi biasanya berbentuk siferis. Studi sistematis pada kopresipitasi untuk pembuatan partikel nano tidak terdokumentasi dengan baik. Kebanyakan studi mengenai metode kopresipitasi dan Fe3O4 partikel nano (ukuran kurang dari 20 nm) hanya difokuskan pada satu variabel atau dideskripsikan satu kondisi proses yang menghasilkan partikel dengan sifat-sifat tertentu (Liong, 2005). Dalam pembuatan ferit, cara-cara dan kondisi yang digunakan akan mempengaruhi sifat-sifat produk akhir yang diperoleh. Dalam metode basah garam-garam yang diperlukan sebagai bahan dasar dilarutkan bersama-sama dalam pelarut, misalnya asam. Larutan yang sudah diaduk sampai homogeny perlu ditambahkan larutan pengendap sedemikian rupa sehingga endapan yang didapat mempunyai homogenitas yang tinggi (Arisandi, 2007). Senyawa-senyawa karbonat dapat digunakan sebagai bahan pengendap. Biasanya digunakan pengendap NaOH hanya kerugiannya kation-kation Na dapat diabsorbsi oleh endapan hidroksida, sedangkan untuk pencucian untuk membebaskan endapan dari kation-kation ini sangat sulit dilakukan. Pengotoran seperti ini yang akan menurunkan mutu ferit yang dibuat. Penggunaan NH4OH yang mengotori endapan dapat dihilangkan dengan jalan memanaskan endapan pada suhu yang tinggi (Arisandi, 2007). Beberapa informasi yang dapat dikumpulkan dari survey tentang berbagai macam kondisi proses yang digunakan untuk mengontrol ukuran partikel Fe3O4 ditunjukkan pada Tabel 2.1. garam besi yang paling banyak
digunakan adalah FeCl2 dan FeCl3, dan agen presipitat pada umumnya adalah NaOH atau NH4OH, tetapi ada juga yang menggunakan tetrametil ammonium hidroksida (TMAOH). Temperature reaksi yang digunakan berkisar antara suhu ruang sampai 100oC dengan diameter partikel nano yang dihasilkan berkisar antara 2 nm sampai 51 nm (Liong, 2005). Sumber Fe2+
Sumber Fe3+
Presipitan
Suhu
FeCl2
FeCl3
NaOH
FeCl2
FeCl3
NH4OH
FeCl2 FeCl2
FeCl3 FeCl3
NH4OH NaOH
FeCl2 FeSO4
FeCl3
NaOH NH4OH
Tidak tertulis FeCl2
Tidak tertulis FeCl3
Suhu kamar & 80oC Suhu kamar 80oC Tidak tertuli s 88oC Tidak tertuli s 80oC
NH4OH
FeCl2
FeCl3
NH4OH
FeSO4
FeCl3
NaOH
FeCl2 FeCl2
FeCl3
NaOH NaOH NH4OH N(CH3)4OH
NaOH
Suhu kamar 3090oC dipana skan 70oC 25oC dan 45oC
Ukuran partikel (diameter) 6 nm & 12 nm 12 nm 3-15 nm 8,5 nm 7 nm 7,5 nm 5,5 nm & 12,5 nm 3-11 nm 8,4-51 nm 11,8 nm Not listed 2-12,5 nm
Tabel 2.1 hasil-hasil sintesis Fe3O4 dengan metode kopresipitasi (Liong, 2005).
3. 3.1 3.1.1
METODOLOGI PENELITIAN Peralatan dan Bahan Peralatan
Peralatan yang digunakan dalam eksperimen ini antara lain adalah gelas beker, gelas ukur, pipet, timbangan digital, ayakan, corong kecil, tissue, thermometer, kertas saring, magnet permanent, oven untuk untuk
pengeringan, furnace sebagai alat pemanas dan pengaduk magnetik (hot plate dan magnetik stirrer). Untuk karakterisasi fasa dipakai difraktometer sinar-X (XRD), TEM untuk mengamati morfologi ukuran parikelnya dan VSM untuk memperoleh kurva magnetisasi suatu bahan. 3.1.2 Bahan Bahan utama yang digunakan dalam sintesa Fe3O4 adalah pasir besi dari Aldrich, Larutan HCl 12,07 M dan NH4OH 6,49 M dipakai dalam sintesa dengan metode kopresipitasi. Aquades digunakan sebagai bahan pencuci dalam proses kopresipitasi 3.2 Prosedur Kerja 3.2.1 Sintesis Partikel Nano Fe3O4 dari Pasir Besi Alam Partikel nano Fe3O4disintesis dengan metode kopresipitasi. Pasir besi yang telah diekstrak diuji dengan XRD kemudian dilarutkan dalam HCl 12,07 M sebanyak 35 ml pada suhu ~ 70° C dan diaduk sekitar 30 menit dalam magnetic stirrer. Adapun persamaan reaksinya sebagai berikut: 3Fe3O4 (s) + 8HCl(l) 2FeCl3 (l) + FeCl2 (l) + 3Fe2O3(s) + 3H2O(l)+ H2(g ) (3.1) Setelah larutan terbentuk, dilakukan penyaringan dengan menggunakan kertas saring. NH4OH ditambahkan dalam larutan ini sambil di aduk dengan pengaduk magnetik dan dipanaskan dengan magnetik stirrer pada suhu ~ 70° C selama 30 menit. Adapun persamaan reaksinya sebagai berikut: 2FeCl3 (l) + FeCl2 (l) + H2O(l ) + 8NH4OH(l) Fe3O4(s)+ 8NH4Cl(l) + 5H2O(l) (3.2) Hasil reaksi yang dihasilkan kemudian dicuci berulang-ulang dengan aquades sampai bersih dari pengotornya kemudian disaring. Cara pencucian adalah dengan menempatkan hasil reaksi pada gelas ukuran besar kemudian diberi aquades sebanyak yang bisa ditampung gelas itu.
Magnet permanen ditempatkan dibawah gelas dengan tujuan bisa menarik Fe3O4 supaya mengendap lebih cepat dibandingkan Fe2O3. Bila sudah terjadi endapan didasar gelas air di dalam gelas dibuang dengan penuangan yang hati-hati agar endapan kental yang berwarna hitam ( Fe3O4) tidak ikut terbuang. Kemudian bahan material hasil endapan ini dikeringkan di dalam oven pada suhu 70° C sekitar 2 jam. Bahan Dasar ( Pasir besi alam )
Pasir Besi
Uji XRD diaduk dengan magnetikstirer pada 70 ºC
Pelarutan dengan HCl
Larutan Disaring dengan kertas saring, diambil larutannya
Larutan Hasil Penambahan dengan NH4OH
Larutan diaduk dengan pengaduk magnetik pada 70 ºC Endapan Hasil
Reaksi Dicuci berulang – ulang dengan aquades
Dioven pada suhu 70 º C , 2 jam
Serbuk Fe3O4 Karakterisasi XRD, TEM dan
Gambar 3.1. Skema kerja penelitian partikel nano Fe3O4 dari pasir besi alam 3.2.2 Sintesis Partikel Nano Fe3O4 dari Pabrik (Aldrich)
Partikel mikro Fe3O4 disintesis dengan metode kopresipitasi yang sebelumnya telah diuji dengan XRD kemudian dilarutkan dalam HCl pada suhu ~ 70° C dan diaduk sekitar 30 menit dalam magnetic stirrer. Adapun persamaan reaksinya sebagai berikut: Fe3O4 (s) + 8HCl(l) 4H2O(l )
2FeCl3 (l) + FeCl2 (l) +
Setelah larutan terbentuk, NH4OH ditambahkan dalam larutan ini sambil di aduk dengan pengaduk magnetik dan dipanaskan dengan magnetik stirrer pada suhu ~ 70° C selama 30 menit. Adapun persamaan reaksinya sebagai berikut: 2FeCl3 (l) + FeCl2 (l) + 4H2O(l ) + 8NH4OH(l) Fe3O4(s) + 8NH4Cl(l) + 8H2O(l) Hasil reaksi yang dihasilkan kemudian dicuci berulang-ulang dengan aquades sampai bersih dari pengotornya kemudian disaring. Cara pencucian adalah dengan menempatkan hasil reaksi pada gelas ukuran besar kemudian diberi aquades sebanyak yang bisa ditampung gelas itu. Magnet permanen ditempatkan dibawah gelas dengan tujuan bisa menarik Fe3O4 supaya mengendap lebih cepat dibandingkan Fe2O3. Bila sudah terjadi endapan didasar gelas air di dalam gelas dibuang dengan penuangan yang hati-hati agar endapan kental yang berwarna hitam (Fe3O4) tidak ikut terbuang. Kemudian bahan hasil endapan ini dikeringkan di dalam oven pada suhu 70°C sekitar 2 jam.
3.3
Bahan Dasar (Pasir besi Aldrich)
3.3.1
Uji XRD Larutan diaduk dengan pengaduk magnetik pada suhu 70 ºC
Pelarutan dengan HCl
Larutan Hasil Reaksi
Larutan Hasil
penyaringan Penambahan dengan NH4OH
Larutan diaduk dengan pengaduk magnetik pada 70 ºC Endapan Hasil Reaksi
Dikeringkan di oven pada suhu 70 ºC, 2 jam
Karakterisasi XRD
Karakterisasi dilakukan untuk mendapatkan pola difraksi sinar-X (XRD). Hasil pengukuran XRD dilakukan untuk menghitung distribusi fasa dan kandungan fasa dari sampel yang dihasilkan. Proses identifikasi fasa didasarkan pada pencocokan data atau dengan kata lain menggunakan metode searchmatch. 3.3.2
Disaring dengan kertas saring & diambil larutannya
Metode Analisis Data
Karakterisasi dengan VSM
Uji menggunakan VSM dilakukan untuk memperoleh kurva magnetisasi suatu bahan sebagai fungsi suhu maupun sebagai fungsi medan luar sehingga dapat ditentukan fasa magnetik bahan, suhu transisi magnetik dan konstanta anisotropik bahan.
4. ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN 4.1 Analisa Data Difraksi Sinar X
Dicuci berulang – ulang dengan aquades
Serbuk Fe3O4
Karakterisasi XRD, TEM dan VSM
Gambar 3.2. skema kerja penelitian partikel nano Fe3O4 dari pasir besi pabrik (Aldrich)
Bubuk pasir yang mengandung besi diekstrak menggunakan besi permanen untuk diambil biji Fe3O4 nya kemudian di uji dengan XRD untuk mengetahui fasa apa saja yang terkandung. Pengujian menggunakan XRD ini juga dilakukan pada Fe3O4 yang berasal dari Aldric, baik sebelum disintesis maupun sesudah disintesis. Lebarnya puncak dari masing-masing grafik sampel (gambar 4.1) menunjukkan banyaknya sinar-X yang terhambur pada bidang dhkl yang sama. Sehingga semakin tinggi puncak difraksi maka semakin banyak sinar-X yang terhambur pada bidang dhkl yang sama. Lebar dan tinggi grafik XRD mengidentifikasikan ukuran partikel dari suatu sampel. Hal ini terlihat dari XRD pada bahan Fe3O4 dari pasir besi yang belum disintesis mengalami pelebaran grafik setelah disintesiss. Begitu pula pada
Gambar 4.1. pola dirfaksi sinar x dari serbuk Fe3O4 sebelum disintesis dan sesudah, Fe3O4 dari Aldrich sebelum dan sesudah
Fe3O4 yang berasal dari Aldric yang belum disintesis memiliki FWHM yang lebih besar dari pada yang telah disintesis. Dengan demikian bahan yang telah disintesis dengan metode kopresipitasi memiliki sifat lebih nanokristalin dari pada yang belum disintesis.
Berdasarkan hasil pola difraksi sinar X pada gambar4.1 kemudian dilakukan analisa secara kualitatif yaitu dengan identifikasi fasa yang didasarkan pada pencocokan data posisiposisi puncak difraksi yang terukur dengan basis data (database). Fasa-fasa yang telah dikompilasi yaitu dalam bentuk CD PDF (Powder Difraction File). Setelah itu pencarian posisi puncak dan pencocokan pada fasa basis
data dilakukan dengan langkah mencari dan mencocokkan (search-mach) secara manual. Sehingga dapat diketahui kandungan fasa yang ada di dalamnya selanjutnya dilakukan analisa kuantitatif untuk menentukan prosentase Fraksi pada pasir besi dengan Volume Fe3O4 menggunakan metode hanawalt
Dari perhitungan yang dilakukan didapatkan bahwa prosentase Fraksi Volume dari Fe3O4 adalah sebesar 64.15%. Sedangkan pada serbuk Fe3O4 yang berasal dari Aldric tidak dilakukan perhitungan untuk menentukan prosentase Fraksi Volumenya karena sudah mendapat lisensi mengandung 100% Fe3O4 . Pasir besi yang telah memiliki fasa Fe3O4 dilarutkan dalam larutan HCl menghasilkan senyawa-senyawa menurut reaksi berikut: 3Fe3O4(s) + 8HCl(l) → 2FeCl3(l) + FeCl2(l) + 3Fe2O3(s) + 3H2O(l) + H2(g) (4.1) Dari hasil larutan hasil reaksi tersebut, terdapat ion-ion Fe2+ dan Fe3+ sekaligus yang menjadi dasar dari sintesis Fe3O4. Pembentukan partikel nano dengan cara kopresipitasi dari larutan ini dilakukan melalui pengendapan dengan larutan basa NH4OH dengan reaksi sebagai berikut: 2FeCl3(l) + FeCl2(l) + H2O(l) + 8NH4OH(l) → Fe3O4(s) + 8NH4Cl(l) + 5H2O(l) (4.2) Endapan (presipitat) berwarna hitam akan terbentuk dengan segera saat larutan hasil reaksi pertama dicampur dengan larutan basa. Reaksi pembentukan yang cepat ini yang menjadi penyebab partikel Fe3O4 berukuran nano.
Pengujian XRD digunakan sebagai karakterisasi pertama yang dilakukan untuk mengetahui fasa apa yang terkandung dalam sampel serbuk hasil sintesis dengan metode kopresipitasi. Hasil XRD ini memperlihatkan bahwa terdapat fasa Fe3O4 dan tidak ditemukan fasa lain. Data yang cocok pada saat searhmarch adalah JCPDS dari Fe3O4 (#19-0629). Semua puncak pola difraksi untuk sampel tersebut teridentifikasi sebagai fasa Fe3O4 berstruktur kubik dengan konstanta kisi a = 8,356 Å, yang mendekati dengan data ICSD No. 82237 (a = 8,3873 Å). Metode kopresipitai tersebut juga dilakukan pada serbuk Fe3O4 dari Aldrich disintesis dengan metode kopresipitasi. Serbuk Fe3O4 dilarutkan dalam HCl dengan magnetic stirrer. Adapun persamaan reaksinya sebagai berikut: Fe3O4 (s) + 8HCl(l) 2FeCl3 (l) + FeCl2 (l) + 4H2O(l ) (4.3) Pada sintesis Fe3O4 ini tidak terbentuk Fe2O3(s) seperti pada saat penyintesisan Fe3O4 dan pasir besi alam. Sehingg zat yang terbentuk adalah FeCl3 (l) dan FeCl2(l) dan air. Setelah larutan terbentuk, NH4OH ditambahkan dalam larutan ini sambil di aduk dengan pengaduk magnetik dan dipanaskan dengan magnetik stirrer pada suhu ~ 60° C selama 30 menit. Adapun persamaan reaksinya sebagai berikut: 2FeCl3 (l) + FeCl2 (l) + 4H2O(l ) + 8NH4OH(l) Fe3O4(s) + 8NH4Cl(l) + 8H2O(l) (4.4) Fe3O4 yang diperoleh dari hasil akhir tersebut berupa solid atau padatan yang kemudian akan diuji untuk mengetahui fasa yang terkandung di dalamnya dengan menggunakan XRD.
Hasil XRD dan searchmach ini memperlihatkan bahwa terdapat fasa Fe3O4 dan tidak ditemukan fasa lain. Data yang cocok pada saat searhmarch adalah JCPDS dari Fe3O4 (#190629) sama dengan hasil data yang digunakan pada Fe3O4 dari pasir besi. Pada saat sintesis bahan Fe3O4 yang berasal dari pasir besi maupun Aldrich, penambahan HCl dan NH4OH keduanya tidak sesuai dengan perhitungan stoikiometri. Pada saat sintesis Fe3O4 dari Aldric, pada reaksi yang pertama, penambahan HCl yang seharusnya 8,58 ml ditambah hingga menjadi 10 ml. Pada saat pencampuran dengan 8,58 ml HCl, Fe3O4 belum larut seluruhnya, sehingga perlu ditambah dengan HCl lagi hingga 10 ml. Sedangkan pada reaksi yang kedua penambahan NH4OH yang seharusnya 16 ml ditambah hingga menjadi 20 ml, penambahan ini dilakukan karena larutan hasil reaksi yang pertama belum mengendap seluruhnya apabila ditambah dengan 16 ml. Fe3O4 dari Aldrich yang disintesis sebesar 3 gram sedangkan yang dihasilkan adalah 2,867 gram, sehingga massa yang hilang sebesar 0,133 gram. Kehilangan massa ini seharusnya tidak terjadi apabila lingkungan saat percobaan sesuai dengan STP, serta saat pencucian terdapat partikel Fe3O4 yang ikut hilang bersama dengan air dikarenakan ukurannya yang sangat kecil hingga sulit sekali untuk diendapkan. Data hasil XRD juga digunakan untuk menentukan ukuran kristal masing-masing sampel dengan menggunakan software Maud. Hasil pengolahan Fe3O4 dari pasir besi alam setelah disintesis ukuran kristalnya 10,9 ± 0,3 nanometer yang sebelumnya berukuran 384,2 ± 0,2 nm. Sedangkan hasil olah data dengan Maud untuk sampel Fe3O4 yang berasal dari Aldrich memiliki ukuran kristal sebesar 77,2 ± 1,28 nanometer dan setelah disintesis dengan metode kopresipitasi ukuran kristalnya menjadi 5,5 ± 0,1 nanometer.
Tabel 4.1 Data yang diperoleh dari refine Software Maud Bahan
Parameter kisi
Pasir besi Pasir besi sintesis Aldrich
0,839±4x10-
Aldrich sintesis
4
Ukuran rata-rata (nm) 384,2 ± 0,2
Varian 1,55±1,2
8,377±3x10-
10,9 ± 3,5
1,9 ± 0,3
8,391±2x10-
77,2 ± 1,3
2,8 ± 0,015
5,5 ± 0,1
1,2 ± 0,1
4
4
8,383±7x104
keseragaman partikel dengan frekuensi terbanyak 0,05. Sedangkan Nilai varian menunjukkan jangkauan keseragaman ukuran dari sampel. Pada sampel Fe3O4 yang telah disintesis dari Aldrich memiliki varian 1,2 ± 0,1 (antara 1,1~1,3) lebih kecil dari pada sampel yang lain. Hal ini menunjukkan bahwa sampel Fe3O4 memiliki keseragaman ukuran yang tinggi (monodispersif) dibanding dengan sampel yang lain. Pada Fe3O4 dari pasir besi yang telah disintesis juga memiliki varian yang kecil pula 1,9 ±0,3 (antara 1,6~2,2), sehingga Fe3O4 yang dari pasir besi ini juga monodispersif. Sedangkan Fe3O4 dari Aldrich yang belum disintesis memiliki ukuran yang tidak seragam, terlihat dari grafiknya yang memiliki jangkauan dari 10 nm sampai dengan 85 nm dan masingmasing ukuran memiliki frekuensi yang besar. Hal tersebut menandakan bahwa dalam sampel Aldrich yang belum disintesis ukuran kristalnya tidak seragam atau polidispersif. Apabila semua ukuran kristal itu dirata-rata akan menghasilkan nilai sesuai dengan yang ada pada perhitungan dengan software Maud yaitu sebesar 77,2 ± 1,3 (antara 75,9~78,5) . 4.2 Analisa Data Hasil Uji Menggunakan VSM
Gambar 4.2. Grafik distribusi ukuran kristal Fe3O4 . Distribusi ukuran masingmasing partikel didapat dari hasil refinement dengan menggunakan Maud. Berdasarkan pada grafik 4.2 di atas pada sampel Aldric yang telah disintesis (warna biru) memiliki keseragaman ukuran lebh besar dari pada pasir besi yang telah disintesis. Ukuran partikel rata-rata Fe3O4 yang telah disintesis sebsesar 5,5381±1,2521 dengan frekuensi 0,3. Hal ini menunjukkan bahwa Fe3O4 yang telah disintesis dari Aldrich memiliki sifat lebih monodispersif dari pada Fe3O4 yang telah disintesis dari pasir besi, karena Fe3O4 yang disintesis dari pasir besi hanya memilki
Sifat kemagnetan dari serbuk ferit yang telah disintesis, dapat diketahui dengan menggunakan alat VSM (Vibrating sample magnetometer) di BATAN dan didapatkan kurva histeresis masing-masing bahan (Gambar 4.3 ) yang menghasilkan besaran medan magnetisasi remanen Mr, yaitu magnetisasi yang tersisa ketika medan luar H ditiadakan dan medan koersivitas Hc, yaitu besarnya medan yang dibutuhkan sama dengan nol (medan demagnetisasi). Berdasarkan Gambar 4.3 dan Tabel 4.2 menunjukkan bahwa nilai MS dan HC untuk ferit Fe3O4 yang berukuran kristal paling besar (Aldrich mikro) memiliki nilai yang paling
Pada kurva histerisis (gambar 4.3) terjadi Perbedaan nilai Momen magnetisasi maksimum anatara bahan Aldrich yang telah disintesis dengan pasir besi yang telah dsintesis. Hal ini dikarenakan pada bahan pasir besi yang telah disintesis memiliki banyak impuritas yang dimungkinkan masih tertinggal di dalamnya dan mensibtitusi ion Fe dalam Fe3O4 seperti Si, Ti, dan Vanadium dimana impuritas itu memiliki nilai Ms yang lebih kecil sehingga pada pasir
Luasnya loop kurva histeresis suatu bahan dapat menunjukkan besarnya energi termagnetisasinya, sehingga dari kurva histeresis tersebut diketahui bahwa energi untuk magnetisasi bahan Aldrich yang belum disintesis membutuhkan energi yang paling besar dibanding dengan yang lain. Hal ini dikarenakan ukuran kristal pada Aldrich yang belum disintesis lebih besar dari pada bahan Aldrich yang telah disintesis dan yang berasal dari pasir besi (Tabel 4.1). Ukuran kristal yang besar menyebabkan semakin banyaknya domain. Hal ini disebabkan karena menyearahkan banyak domain membutuhkan energi yang lebih besar dibandingkan apabila menyerahkan sedikit domain.
%'+
"*! ' *"*
%& '
Namun dalam pengukuran VSM tersebut nilai MS dan HC pada bahan Aldric nano lebih besar dari pada pasir besi. Ketaksesuaian hasil pengujian tersebut disebabkan karena dalam pembuatan sampel, sulit untuk mendapatkan nilai perbandingan molar yang sesuai dengan perhitungan dalam keadaan STP, baik dalam penimbangan serbuk awal maupun ketika mencampur HCl dan NH4OH. Hal ini berpengaruh pada kontrol pH. Pada kedua bahan yang disintesis kontrol pH tidak dilakukan. Besarnya pH berpengaruh terhadap ukuran partikel, dimana apabila pada saat sintesis pH yang dihasilkan sangat asam maka ukuran butir yang dihasilkan akan lebih kecil, pH dari masing-masing sampel sebaiknya dikontrol dengan teliti. Namun lamanya waktu mensintesis harus sangat diperhatikan karena apabila kondisi sampelnya sangat asam ketika ditambah dengan HCl maka apabila terlalu lama akan menyebabkan teroksidasi dan bahan yang dihasilkan tidak lagi Fe3O4.
besi yang telah disintesis terukur Ms yang lebih kecil dari pada Fe3O4 dari Aldrich yang telah disintesis yang memiliki kemurnian tinggi.
!"#$
tinggi dibanding dengan Aldric nano maupun yang berasal dari pasir besi. Perbedaan ukuran kristal inilah yang menyebabkan berbedanya nilai MS dan HC. Hal ini disebabkan karena semakin besar ukuran kristal, semakin banyak jumlah domain dalam kristal maka bahan menjadi sulit termagnetisasi. Menyearahkan sedikit domain lebih mudah dari pada menyearahkanbanyak domain. Sehingga semakin kecil ukuran kristal maka akan semakin kecil nilai MS dan HC.
" ()$
! *(
Gambar 4.3 Kurva histeresis sampel Fe3O4 dari pasir besi, Aldrich (Aldrich mikro) dan yang telah disintesis (Aldrich nano) Tabel 4.2. Besar medan saturasi Ms dan medan koersivitas Hc dari beberapa serbuk ferit
No 1 2 3
Sampel Pasir besi ukuran nano (10,9 ± 3,4 nanometer) Fe3O4 Aldrich (77,2 ± 12,8 nanometer) Fe3O4 Aldrich ukuran nano (5,5±1,3 nanometer)
MS(emu/gr) 46,3 100,4 54,6
Bahan Fe3O4 yang telah dihasilkan dari Fe3O4 Aldrich dan pasir besi keduanya memiliki ukuran partikel rata-rata yang tidak terlalu besar perbedaannya, yaitu sama-sama dibawah 10 nm dan nilai momen magnetik maksimum yang tidak jauh berbeda, perbedaan momen magnetik maksimumnya sebesar 1,67 x 10-2. Sehingga kita dapat memperhitungkan nilai ekonomis dari masing-masing bahan untuk menghasilkan Fe3O4 yang sama. Fe3O4 dalam ukuran nano dari pasir besi dan dari Aldrich sama baiknya dilihat dari sifat fisisnya (ukuran partikel dan sifat kemagnetannya), namun pasir besi memiliki nilai ekonomis yang lebih tinggi karena jauh lebih murah dari pada Fe3O4 dari Aldrich. Hal ini akan sangat menguntungkan bagi para peneliti di masa kini dan yang akan datang. 5. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 KESIMPULAN 1. Ukuran kristal Fe3O4 yang dihasilkan dari sinteseis Fe3O4 Aldrich adalah 5,5 ± 1,3 nanometer dan dari pasir alam sebesar 10,9 ± 3,5. Dari hasil analisis sifat magnet diperoleh nilai medan saturasi MS untuk ferit Fe3O4 dari pasir besi, Aldrich yang belum disintesis dan Aldrich yang telah disintesis berturut-turut sebesar 46,3 emu/gram, 100,4 emu/gram, 54,6 emu/gram dan medan koersifitas, HC sebesar 1,69x 10-2 Tesla, 2,94x10-2 Tesla, 2,00x10-2 Tesla. 5.1 SARAN
HC(tesla) 1,69 10-2 adanya kecermatan dalam proses 1. x Perlu sintesis untuk memperoleh hasil yang lebih -2 2,94 10 baik. 2. Sampel yang hendak diuji sebaiknya disimpan dalam wadah yang benar-benar -4 kedap udara dan langsung diuji setelah 2,00 10 disintesis (tidak menunggu waktu yang lama). 3. Perlu mengetahui perbandingan ukuran partikel dengan ukuran kristalnya. , Anwar,
Arisandi,
Muhammad. (2007). Sintesis dan Karakterisasi Ferofluida Berbahan Dasar Pasir Besi Peg-400 Sebagai Media Template. Tugas Akhir, Institut Teknologi Sepuluh Nopember: Surabaya Dhesi Mia (2007). Pengaruh Pemanasan dan Jenis Surfaktan Pada Sifat Megnetik Ferofluida Berbahan Dasar Pasir Besi. Tugas Akhir, Institut Teknologi Sepuluh Nopember: Surabaya
Chrismant, J. Rhicard (1988). Fundamental of solid state physics. John Willey & Sons, Canada, hal: 369-371 Costaa,A. C. F. M, dkk. (2003). Synthesis, Microstructure and Magnetic Properties Of Ni-Zn Ferrites. Journal of Magenetism and Magnetic Materials 256: 174-182 Cornell, RM, dkk (2003). The Iron Oxides: Structure, Properties, Reactions, Occurrences and Uses. Wiley VCH. http://en.wikipedia.org/wiki/Iron_o xide
Cullity, B. D.(1972). Introduction to magnetic materials. Addison-Wesley Series in metalurgi and materials, University of Noter Dame. Darminto,dkk (2002). Fisika Zat Padat II. Institut Teknologi Sepuluh Nopember: Surabaya Hook, J, R & Hall, H, E, 1991. Solid state physics. 2nd edition, John Willey & Sons: England/Chichester, hal: 241 Lemire, C. dkk (2004). The surface structure of Fe3O4(1 1 1) films as studied by CO adsorption. www.sciencedirect.com, Volume 572, Issue 1, hal 103-114 Liong,
Sylvia (2005). A Multifunctional Approach to Development, Fabrication, and Characterizations of Fe O Composite. Disertasi, 3
4
Gorgia Institut of Technologi. http://smartech.gatech.edu/bitstrea m/1853/7640/1/liong_silvia_20051 2_phd.pdf Moskowitz, Bruce M. (1991). Classes of Magnetic Materials. http://www.irm.umn.edu/hg2m/hg2 m_b/hg2m_b.html
