i
SINTESIS α-Fe2O3 MENGGUNAKAN METODE SOL-GEL
PANDU PURNOMO
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2013
ii
ABSTRAK PANDU PURNOMO. Sintesis α-Fe2O3 Menggunakan Metode Sol-Gel. Dibimbing oleh MOH. NUR INDRO M,Sc. Pada penelitian ini telah berhasil membuat serbuk α-Fe2O3 dengan ukuran partikel 202.64 nm. Sintesis menggunakan metode Sol-Gel dengan pelapisan SiO2 yang berasal dari Si(OC2H5)4 pada suhu 750 oC selama 5 jam. Karakterisasi XRD membuktikan sampel yang terbentuk adalah α-Fe2O3 (11 puncak) dan β-Fe2O3 (2 puncak) dengan ukuran kristal 20.69125 nm dan derajat kristalitas 44 %. Struktur kristal yang terbentuk α-Fe2O3 adalah rhombohedral dan β-Fe2O3 adalah heksagonal. Karakterisasi sifat optic memperlihatkan sampel menyerap cahaya dengan baik pada panjang gelombang kurang dari 480 nm. Energi bandgap dari pengukuran karakterisasi optik adalah 2.74 eV. Kata kunci: α-Fe2O3, annealing, energi bandgap, sol-gel, struktur kristal
ABSTRAC PANDU PURNOMO. Synthesis of α-Fe2O3 Using Sol-Gel Method. Guided by MOH. NUR INDRO M,Sc. In this reseach was succeeded make powder α-Fe2O3 with particle size 202.64 nm. Synthesis using Sol-Gel method with SiO2 coating derived from Si(OC2H5)4 at temperature of 750 oC for 5 hours. Characterization XRD prove that sample form is α-Fe2O3 (11 peaks) and β-Fe2O3 (2 peaks) with crystal size 20.69125 nm and crystallization 44 %. The cystal structure of α-Fe2O3 is rhombohedral and β-Fe2O3 is hexsagonal. Optic characterization show that the sample absorbing light at wavelength less than 480 nm. Bandgap energy of the optical characterization measurments is 2.74 eV. Keyword: α-Fe2O3, annealing, bandgap energy, sol-gel, crystal structure.
iii
SINTESIS α-Fe2O3 MENGGUNAKAN METODE SOL-GEL
PANDU PURNOMO
Skripsi Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2013
Judul :
Sintesis a-Fe203 menggunakan metode sol gel
Nama:
Pandu Purnomo
NRP :
G74080037
Disetujui oleh
Drs. M. Nur lndro, M.Sc
Pembimbing
Diketahui oleb
Tanggal Lulus:
0 5 SEP 2013
iv
Judul :
Sintesis α-Fe2O3 menggunakan metode sol gel
Nama :
Pandu Purnomo
NRP :
G74080037
Disetujui oleh
Drs. M. Nur Indro, M.Sc Pembimbing
Diketahui oleh
Dr. Akhiruddin Maddu, M.Si Ketua Departemen Fisika
Tanggal Lulus :
v
KATA PENGANTAR
Puji syukur saya panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan rahmat dan hidayahNya kepada saya sebagai penulis sehingga saya dapat menyelesaikan penelitian yang berjudul Sintesis dan Karakterisasi α-Fe2O3 menggunakan metode sol gel sebagai bahan fotokatalis. Skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat kelulusan untuk memperoleh gelar Sarjana Sains program sarjana di Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor. Penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada : 1. Orang tua saya yang senantiasa mendoakan saya dan umi tercinta yang senantiasa memberikan semangat. 2. Drs. M. Nur Indro, M.Sc dan Dra. Mujamilah, M.Sc sebagai dosen pembimbing yang selalu mendorong dan memotivasi saya untuk menyelesaikan usulan penelitian ini. 3. Rekan-rekan fisika angkatan 43, 44, dan 45. 4. Semua teman-teman civitas IPB yang selalu mendorong dan memberikan semangat serta semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu yang telah banyak membantu dan mendoakan saya. Akhir kata, semoga tulisan ini dapat memberikan manfaat untuk kita semua. Saya menyadari bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna, sehingga kritik dan saran yang membangun sangat penulis harapkan.
Bogor, Agustus 2013
Penulis
vi
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
vii
DAFTAR GAMBAR
vii
DAFTAR LAMPIRAN
vii
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Tujuan
1
Rumusan Masalah
1
Hipotesis
2
TINJAUAN PUSTAKA
2
Oksida Besi, Hematit (α-Fe2O3)
2
Metode Sol-Gel
2
Bandgap
3
X-ray diffraction (XRD)
3
METODE PENELITIAN
4
Tempat dan waktu penelitian
4
Bahan dan alat
4
Prosedur penelitian
4
HASIL DAN PEMBAHASAN
6
Serbuk α-Fe2O3
6
Hasil XRD
8
Hasil Sifat Optik
9
Hasil PSA
11
SIMPULAN DAN SARAN
11
Simpulan
11
Saran
12
DAFTAR PUSTAKA
12
vii
DAFTAR TABEL Tabel 4.1 Parameter kisi α-Fe2O3 (Rhombohedral)
9
Tabel 4.2 Parameter kisi β-Fe2O3 (Heksagonal)
9
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Struktur kristal rhombohedral
4
Gambar 2.2 Struktur kristal heksagonal
4
Gambar 3.1 Hubungan suhu dan waktu selama proses annealing 0
5
Gambar 4.1 Hasil akhir α-Fe2O3 setelah annealing 750 C
7
Gambar 4.2 Grafik XRD α-Fe2O3
8
Gambar 4.3 Hubungan Absorbansi dan panjang gelombang α-Fe2O3 5 jam
10
Gambar 4.4 Hubungan Reflektansi dan panjang gelombang α-Fe2O3 5 jam
10
Gambar 4.5 Bandgap α-Fe2O3 reflektansi
11
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1 Hasil Perhitungan paramaeter kisi α-Fe2O3
14
Lampiran 2 Perhitungan parameter kisi α-Fe2O3
15
Lampiran 3 Perhitungan parameter kisi β-Fe2O3
17
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang Nanopartikel oksida besi Fe2O3 memiliki potensi besar dalam aplikasi teknologi seperti biosensor, passive dan active targeting, optical power limiting agent, biogeochemical process asrecording media, biomedical application dan ferrofluid.1,2 Fe2O3 dapat dimanfaatkan juga sebagai fotokatalis, pemisah atau amobilitas enzim, transport obat, serapan gelombang mikro, pemisahan logam, MRI, dll.2,3 Hematite (α–Fe2O3) menjadi prototype yang dapat digunakan sebagai katalis dan fotokatalis untuk biodegradasi karena memiliki band gap rata-rata 2 eV, harganya murah, tahan tehadap korosi, ramah lingkungan (non-toxic), dan memiliki stabilitas kimia yang baik dalam air.4-14 Ada beberapa metode pembuatan nanopartikel, diantaranya dengan metode basah, proses mekanik, dan form-processes. Proses basah seperti metode kimia koloid, hidrotermal, sol-gel, presipitasi, sono kimia, dan emulsifikasi.15,16 Proses mekanik seperti grinding, milling, dan spray coating.16 Untuk membuat nanostructure α–Fe2O3 dapat digunakan teknik spray pyrolysis, sol-gel, template, dan hydrothermal.5 Pada penelitian ini, pembuatan α–Fe2O3 menggunakan metode sol-gel. Metode sol-gel dipilih karena memiliki beberapa keuntungan antara lain dapat diaplikasikan pada berbagai partikel atau bersifat serba guna, kehomogenan yang bagus dari campuran, ukuran partikel seragam, tidak menghasilkan gumpalangumpalan besar, prosesnya relative mudah, biaya murah, dan nanopartikelnya memiliki kristalitas tinggi.3 Pada penelitian ini dilakukan uji XRD, untuk identifikasi struktur kristal hematite, uji sifat optik untuk menghitung band gap, serta uji PSA untuk menghitung ukuran partikel α–Fe2O3. Tujuan Tujuan penelitian ini adalah untuk membuat serbuk α–Fe2O3 berukuran nano kemudian menguji sifat optiknya
Rumusan Masalah 1. 2.
Apakah dengan metode sol-gel dapat menghasilkan nanopartikel α–Fe2O3? Apakah suhu annealing 750 oC dapat meningkatkan penyerapan cahaya tampak?
2
Hipotesis Pembuatan serbuk α–Fe2O3 dari bahan FeCl3.6H2O menggunakan metode sol gel dan di annealing pada suhu 750 oC dapat menghasilkan ukuran kristal antara ± 20 nm.
TINJAUAN PUSTAKA
Oksida Besi, Hematit (α-Fe2O3) Bahan oksida besi tersedia di alam dalam jumlah yang sangat besar. Ada 4 fasa oksida besi yang dapat terbentuk meliputi fasa magnetite (Fe3O4), fasa maghemite (γ-Fe2O3), hematite (α-Fe2O3) dan wustite (FeO).3,17,18,19 Selain proses sintesis secara alami (natural), bahan ini juga secara terkontrol dapat disintesis di laboratorium.17 Perbedaan suhu kalsinasi akan menghasilkan berbagai bentuk fasa oksida besi,3 Fe3O4 dapat terbentuk pada suhu ruang, γ-Fe2O3 pada kalsinasi 200 oC, α-Fe2O3 pada kalsinasi 300 oC – 600 oC dan FeO pada kalsinasi diatas 570 oC.20 Hematite (α-Fe2O3) merupakan fasa oksida besi yang paling stabil dan termasuk dalam magnet ferrite. 4,5,13 Hematite mempunyai struktur heksagonal atau rhombohedral.5,12,13 Hematite memiliki sifat anti ferromagnetik pada suhu dibawa 260 K5,7 dan ferromagnetik lemah di atas 260 K.7 Hematite termasuk semikonduktor dengan bandgap rata-rata 2 eV, menyerap 40 % - 45 % energi cahaya matahari pada spektrum cahaya tampak antara 295 nm - 600 nm sehingga membuat α-Fe2O3 dapat diaplikasikan sebagai fotokatalis.4,6-12 Koefisien absorbansi α-Fe2O3 sebesar 104 cm-1 sehingga α-Fe2O3 dapat digunakan sebagai elektroda semikonduktor8. Hematite juga memiliki indeks bias yang tinggi 2.31, sehingga dapat menyerap panjang gelombang pendek dan dapat diaplikasikan untuk filter interferensi optik, terutama filter untuk gelombang panjang tertentu.14
Metode Sol-Gel Metode sol-gel dikenal sebagai salah satu metode sintesis nanopartikel yang cukup sederhana dan mudah. Metode ini merupakan salah satu “wet method” karena pada prosesnya melibatkan larutan sebagai medianya. Pada metode sol-gel, sesuai dengan namanya larutan mengalami perubahan fase menjadi sol (koloid yang mempunyai padatan tersuspensi dalam larutannya) dan kemudian menjadi gel (koloid tetapi mempunyai fraksi solid yang lebih besar daripada sol). Metode sol gel cocok untuk preparasi thin film dan material berbentuk powder. Tujuan preparasi ini agar suatu material keramik dapat memiliki fungsional khusus (elektrik, opik, magnetik, dll). Metode sol gel memiliki keuntungan antara lain:
3
Untuk partikel halus, mudah dalam kontrol komposisi (kehomogenan komposisi kimia baik), temperatur proses rendah, biaya murah. Bandgap Sifat optik material dapat diketahui dari lebar celah pita energinya (bandgap) menggunakan prinsip penyerapan cahaya. Prinsip ini sangat berguna dalam mempelajari dasar mekanisme optik induksi transisi dari material kristal dan non kristal. Bandgap α-Fe2O3 diperoleh dengan perhitungan reflektansi menggunakan hubungan [ln(Rmax-Rmin)/(R-Rmin)]2 dan energi foton yang datang di tunjukkan pada persamaan : = [(Rmax-Rmin)/(R-Rmin)] 2 (2.1) -1 keterangan: adalah koefisien absorbansi (cm ), R adalah nilai reflektansi (%), dan d adalah ketebalan film (cm). Jika bandgap antara 1 eV - 6 eV termasuk bahan semikonduktor. Jika bandgap-nya lebih dari 6 eV termasuk bahan isolator. X-ray diffraction (XRD) Struktur kristal dipelajari menggunakan metode x-ray diffraction (XRD). Orde panjang gelombang sinar-x hampir sama dengan jarak antar atom pada kristal, maka sinar-x dapat didifraksi oleh kristal. Difraksi sinar-x oleh atom-atom yang tersusun di dalam kristal akan menghasilkan pola yang berbeda bergantung pada konfigurasi atom-atom pembentuk kristal. Elektron yang dipancarkan dengan tegangan yang sangat tinggi menumbuk target Cu. Sebagian energi kinetik elektron yang menumbuk target berubah menjadi sinar-x.21 Syarat terjadinya difraksi harus memenuhi hukum difraksi Bragg, (2.2) adalah sudut difraksi dan adalah keterangan: d adalah jarak antar bidang, panjang gelombang (Cu = 1,50546 Å). Untuk mencari parameter kisi dapat digunakan metode Cohen. Metode ini sangat akurat karena kesalahan sistematis tereliminasi oleh pemilihan fungsi ekstrapolasi yang tepat dan kesalahan acak dikurangi dengan metode kuadrat terkecil. Struktur kristal α-Fe2O3 memiliki struktur rhombohedral dan heksagonal gambar 2.1 dan 2.2 masing-masing menunjukkan struktur kristal rhombohedral dan heksagonal.
4
Gambar 2.1 Struktur kristal rhombohedral.21
Gambar 2.2 Struktur kristal heksagonal.20
METODE PENELITIAN
Tempat dan waktu penelitian Penelitian dilakukan di Laboratorium Material dan Biofisika Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Petanian Bogor dari bulan Maret 2012 sampai dengan bulan Januari 2013.
Bahan dan alat Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah FeCl3.6H2O, NaOH, alkohol, aquades, deionized water, TEOS (Si(OC2H5)4), amoniak, dan HCL. Alat yang digunakan pada penelitian ini adalah gelas ukur, elemeyer, magnetic stirrer, pinset, beaker glass, bransonic 2510, neraca analitik, spatula, tabung reaksi, pipet, tissue, furnace Vulcan TM 3-130, Spectrophotometer UV-VIS ocean optic USB 1000, Shimadzu XRD-7000, dan PSA 114102.
Prosedur penelitian Pembuatan Fe2O3 Sumber Fe berasal dari FeCl3.6H2O 99 %. Sebanyak 3 gram FeCl3.6H2O diexstrak FeCl3. FeCl3 yang terbentuk kemudian di tambah dengan NaOH sedikit demi sedikit sambil stiring pada kecepatan 1200 rpm hingga terbentuk presipitat. Presipitat yang terbentuk dicuci menggunakan aquades murni untuk menghilangkan NaCl. Setelah dicuci dilakukan proses kalsinasi pada suhu 60 oC selama 2 jam. Proses ini dapat menghasilkan serbuk berwarna coklat hitam yaitu Fe2O317.
5
Penglapisan Fe2O3 dengan SiO2 Tujuan pelapisan ini agar Fe2O3 yang terbentuk menjadi stabil dari lingkungan dimana tidak terjadi oksidasi lebih lanjut dan mudah dalam aplikasinya. Proses pelapisan meliputi beberapa proses: 1. serbuk Fe2O3 dilarutkan dalam etanol 90 % dibantu dengan sonikasi dan stiring agar terbentuk larutan yang homogen dan ukuran partikel lebih kecil. 2.Setelah sonikasi selama 1 jam, TEOS (Si(OC2H5)4) sebagai sumber SiO2 dan amoniak 25 % ditambahkan hingga mencapai PH 10 kemudian dilanjutkan stiring selama 24 jam agar tercampur sempurna. 3. Proses selanjutnya yaitu aging, yaitu mendiamkan endapan yang terbentuk dalam waktu tertentu, aging yang dilakukan adalah 98 jam. 4. Setelah 98 jam akan terlihat endapan berwarna gelap, endapan kemudian dicuci dengan dionized water beberapa kali hingga bersih dari amoniak. Proses annealing Proses annealing dilakukan agar orientasi krsital α-Fe2O3 akan semakin teratur. Proses ini menggunakan Vulcan TM 3-130 pada suhu 750 oC selama 5 jam. Proses annealing dimulai pada suhu ruang hingga 750 oC dengan kenaikan 5 oC/menit. Setelah annealing dilakukan pendinginan hingga suhu ruang
Gambar 3.1 Hubungan suhu dan waktu selama proses annealing
6
Karakterisasi serbuk Fe2O3
Karakterisasi XRD Karakterisasi XRD digunakan untuk mengetahui susunan atom-atom dalam suatu kristalin sehingga akan diketahui struktur kristal, orientasi dan ukuran kristal3. Data dari karakterisasi kemudian diolah dengan bantuan Microsoft excel luntuk menentukan indeks Miller dari pola difraksi sinar-x, menghitung parameter kisi dan menghitung parameter kristal. Ukuran kristal dihitung menggunakan persamaan Debye-Scherrer. (3.1)
Dimana D adalah ukuran kristal (nm), λ adalah panjang gelombang Cu (0.154056 nm), β adalah FWHM (rad), dan θ adalah sudut difraksi Bragg (o). Karakterisasi Sifat Optik Karakterisasi sifat optik dilakukan untuk mempelajari tingkatan absorbansi dan reflektansi data yang diperoleh berupa kurva absorbansi dan reflektansi terhadap panjang gelombang. Data tersebut kemudian diolah untuk menentukan energi bandgap. Dari kurva hubungan reflektansi, absorbansi terhadap panjang gelombang dapat ditentukan bandgap. Pada kurva reflektansi band gap diperoleh dengan melakukan ekstrapolasi [ln(Rmax-Rmin)/(R-Rmin)]2 ke 0 dengan sumbu x adalah hv dan sumbu y adalah [ln(Rmax-Rmin)/(R-Rmin)]2. Karakterisasi PSA Karakterisasi PSA dilakukan untuk mengetahui sebaran ukuran partikel α-Fe2O3 yang terbentuk. Ukuran partikel ini digunakan sebagai acuan bila material ini akan diaplikasikan.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Serbuk α-Fe2O3 Hidrolisis FeCl3.6H2O berwarna kuning sebanyak 3 gram menghasilkan 1.8 gram FeCl3. Proses pemanasan 100 oC dilakukan untuk menghilangkan gugus –OH. Endapan FeCl3 berwarna hitam terbentuk di dasar bejana. Setelah dingin
7
pencampurkan FeCl3 dengan NaOH 5M sedikit demi sedikit sambil stiring menghasilkan presipitasi berwarna coklat kehitaman sebagai hasil reaksi FeCl3 dan NaOH membentuk Fe(OH)3, sedikit panas akan terasa dari bejana sebagai efek reaksi. Selain Fe(OH)3 terdapat NaCl sebagai hasil lainnya, NaCl yang terbentuk berada di atas larutan, sedang Fe(OH)3 mengendap di bawah, sehingga proses penghilangan NaCl cukup dengan pencucian larutan dengan aquades hingga bersih. Saat pencucian hendaknya dilakukan secara hati hati agar tidak ada sampel yang ikut hilang terbuang. FeCl3 . 6H2O → FeCl3 + 6H2O FeCl3 +3 NaOH → Fe(OH)3 + 3NaCl 2Fe(OH)3 → Fe2O3 + 3 H2O Proses selanjutnya yaitu pembentukan Fe2O3 dari Fe(OH)3 dengan bantuan kalsinasi pada suhu 60 oC selama 2 jam. Pada proses ini Fe(OH)3 bereaksi dengan Fe(OH)3 serta kehilangan H2O. faktor kelembaban serta suhu mempengaruhi proses pembentukan Fe2O3. Setelah 2 jam sebuk hitam diperoleh. Serbuk ini adalah seed Fe2O3 yang masih memungkinkan terjadi oksidasi lanjut dengan lingkungan sekitar. Peningkatan panas dapat merubah fasa Fe2O3 sedangkan kelembaban dapat memicu terjadinya oksidasi lebih lanjut. Bahan SiO2 digunakan sebagai bahan pelapis karena sifatnya SiO2 yang mudah diaplikasikan dan bersifat biocompatible. Selain itu pemilihan bahan SiO2 disebabkan perubahan sifat logam Fe menjadi oksida Fe2O3 yang awalnya bersifat vitreophobe menjadi vitreophilic yang memungkinkan ikatan antara logam dengan silica. Pelapisan dilakukan pada PH 10 sebagai katalis agar proses pelapisan berlangsung cepat. Hal ini akan berpengaruh waktu aging yang diberikan lebih singkat. Proses aging dimaksudkan agar pelapisan SiO2 pada permukaan merata dan memiliki ketebalan yang cukup. Setelah aging sampel dilakukan proses annealing untuk pembentukan fasa. Fe2O3 memiliki 4 bentuk fasa yang di pengaruhi oleh suhu, pada suhu annealing diatas 400 oC akan terbentuk fasa α-Fe2O3 (hematite). Proses annealing pada penelitian ini dilakukan pada suhu 750 oC selama 5 jam sehingga terbentuk serbuk α-Fe2O3 yang dibuat dengan metode sol-gel.
Gambar 4.1 Hasil akhir α-Fe2O3 setelah annealing 750 oC
8
Hasil XRD Serbuk α-Fe2O3– SiO2 dikarakterisasi dari sudut 2θ= 10o sampai 80o dengan step size 0.02o. Berdasarkan data hasil karakterisasi serbuk α-Fe2O3– SiO2 setelah proses annealing 750 oC selama 5 jam memiliki puncak α-Fe2O3, β-Fe2O3 (105) (226). Munculnya puncak β-Fe2O3 disebabkan suhu annealing yang melebihi suhu literature (400 oC).3 Gambar 4.1 menunjukkan pola XRD darri α-Fe2O3 beserta data standar JCPDS No. 33-0664. Dengan mengacu pada data standar ,struktur kristal α-Fe2O3 yang terbentuk adalah rhombohedral. Sedangkan struktur kristal β-Fe2O3 adalah hexagonal dan terbentuk amorf SiO2 Berdasarkan pola difraksi yang terbentuk, dapat diperoleh indeks Miller dengan mencocokkan data hasil karakterisasi XRD dengan data standar JCPDS. Dawny et al tellah mensintesis nanopartikel α-Fe2O3 menggunakan behan FeCl3 dengan metode hidrotermal pada suhu annealing 600 oC selama 2 jam, diperoleh 7 puncak difraksi α-Fe2O3 yang bersesuaian juga dengan data standar JCPDS No. 33-0664.4 α-Fe2O3 yang ditumbuhkan oleh Avila-Gracia et al dengan metode sol-gel deposition juga telah terbentuk pada suhu annealing 500 oC selama 2 jam.11 begitu pun dengan Wenting Dong et al15 dan Doruk22 yang mendapatkan α-Fe2O3 dengan metode sol-gel dan mikroemulsi pada suhu dan lama annealing masing-masing 500 oC dan 600 oC selama 6 jam. Parameter kisi diperoleh dengan menggunakan metode Cohen. Berdasarkan metode tersebut, parameter kisi a dan c dari α-Fe2O3 dihitung dari analisis pola difraksi sinar-x dan diperkirakan dari persamaan sistem heksagonal, (
)
(4.1)
Dimana d adalah jarak antar bidang dan h k l adalah indeks Miller.
110
Gambar 4.2 Grafik XRD α-Fe2O3
306
10 10
214 300 226
018
116
024 113
105
α-Fe2O3 β-Fe2O3
012
104
Nilai perhitungan parameter kisi a dan c untuk α-Fe2O3 yaitu a=4.9160 dan c=13.5858. Sedangkan nilai parameter kisi untuk β-Fe2O3 adalah a=5.9255 dan c=33.6505. Parameter kisi α-Fe2O3 dan β-Fe2O3dapat dilihat pada Tabel 4.1 dan Tabel 4.2.
9
Tabel 4.1 Parameter kisi α-Fe2O3 (Rhombohedral) a (Å)
Parameter Kisi 4.9160
Data JCPDS 5.035
c (Å)
13.5858
13.74
Tabel 4.2 Parameter kisi β-Fe2O3 (Heksagonal) a (Å)
Parameter Kisi 5.9255
Data JCPDS 5.92
c (Å)
33.6505
35.69
Berdasarkan pola difraksi dari α-Fe2O3 gambar 4.1, intensitas puncak (110) relatif lebih tinggi dari puncak yang lain. Hal tersebut menunjukkan α-Fe2O3 memiliki kristalitas lebih baik. Ketajaman dan intensitas puncak pada spektrum menunjukkan kualitas kristal berupa puncak tajam (sharp) dan meiliki derajat keteraturan yang tinggi. Sedangkan pada amorf , puncak-puncak yag dihasilkan sangat landai karena memiliki derajat keteraturan yang sangat rendah. Proses annealing dilakukan agar orientasi kristal α-Fe2O3 semakin teratur. Proses aneealing juga dapat mempengaruhi ukuran grain kristal. Ukuran kristal dihitung menggunakan persamaan Debye-Scherrer. Dari perhitungan Debye-Scherrer diperoleh ukuran kristal α-Fe2O3 untuk puncak (104) dan (110) masing masing sebesar 20.8971 nm dan 20.6922 nm. Benny et al3 telah mensintesis α-Fe2O3 dengan metode sol-gel pada suku kalsinasi 400 oC selama 3 jam, diperoleh ukuran kristal sebesar 5.4 nm. Perhitungan ukuran kristal berdasarkan puncak difraksi (012) pada α-Fe2O3 juga dilakukan oleh Mammah et al5 menggunakan metode ACG pada suhu 350 oC sebesar 17.4 nm. Sedangkan ukuran kristal α-Fe2O3 yang disintesis Dawny et al4 mengggunakan metode hidrotermal pada suhu annealing 600 oC selama 2 jam sebesar 12.76 nm. Semakin tinggi suhu annealing, semakin besar ukuran grain.15 Pertumbuhan grain terjadi karena peningkatan suhu memperbesar energy vibrasi termal, yang kemudian mempercepat difusi atom melintasi batas grain dari grain yang kecil menuju grain yang besar. Selain itu, faktor yang mempengaruhi pertumbuhan kristal adalah adanya pertumbuhan kristal lain (crystal growth), sehingga pertumbuhan kristal terhambat. Hal ini terlihat dari data XRD dimana tumbuhnya puncak β-Fe2O3 dan beberapa puncak α-Fe2O3 (polikristal). Selain mempengaruhi pertumbuhan kristal, suhu annealing dapat juga menyebabkan perubahan fasa. Perubahan fasa dari Fe2O3 dari suhu rendah ke tinggi mengikuti alur γ→δ→α. β memiliki puncak yang hampir sama dengan Fe3O4.
Hasil Sifat Optik Karakterisasi sifat optik dilakukan untuk mempelajari tingkat absorbi dan reflektansi α-Fe2O3 terhadap panjang gelombang 450 nm ~ 850 nm. Kurva absorbansi dan reflektansi ditunjukkan pada Gambar 4.3 dan 4.4. α-Fe2O3
10
memiliki absorbansi yang baik pada panjang gelombangdi bawah 500 nm dan di atas 900 nm seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4.3. Bandgap diperoleh dengan cara menarik garis seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.5 yaitu 2.7 eV. Besarnya nilai bandgap dipengaruhi oleh grand size. Menutut Yen huan12 bandgap meningkat seiring dengan menurunya grand size. Avila11 dengan metode spin on sol gel mendapatkan α-Fe2O3 dengan bandgap sebesar 2.2 eV pada suhu 400 oC dengan grand size 31 nm. Yen hua12 dengan metode magneton sputtering depotition memperoleh nilai energy bandgap 2.77 eV dengan grand size 17 nm. Perbedaan nilai bandgap dan grand size dipengaruhi oleh metode pembuatan α-Fe2O3 yang berbeda. 2.5 Absorbansi
2 1.5 1 0.5 0 400
500
600
700
800
900
1000
Panjang Gelombang (nm)
Gambar 4.3 Hubungan Absorbansi dan panjang gelombang α-Fe2O3 5 jam
Reflektansi
100 80 60 40 20 0 400
500
600
700
800
900
Panjang Gelombang (nm)
Gambar 4.4 Hubungan Reflektansi dan panjang gelombang α-Fe2O3 5 jam
1000
11
bandgap Gambar 4.5 Bandgap α-Fe2O3 reflektansi
Hasil PSA Dari hasil karakterisasi PSA diperoleh langsung ukuran partikel α-Fe2O3 denan ukuran 202.64 nm. Ukuran ini merupakan hasil kesimpulan dari perhitungan instrument dengan Pade-Laplace method, Statistical method, dan Cumulants method dengan parameter kurva Intensitas, volume, dan jumlah terhadap ukuran. Ukuran partikel berbeda dengan ukuran kristal, dimana ukuran partikel adalah gabungan dari beberapa kristal yang membentuk suatu kesatuan.
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Berdasarkan hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa, sintesis α-Fe2O3 menggunakan metode solgel telah berhasil dibuat. Pemberian lapisan SiO2 dari hidrolisis TEOS memberikan perlindungan α-Fe2O3 dari oksidasi lebih lanjut. Suhu annealing 750 oC selama 5 jam telah membentuk serbuk α-Fe2O3 dengan nilai bandgap 2.74 eV yang menunjukkan bahwa sampel masih tergolong bahan semikonduktor dan dapat diaplikasikan sebagai bahan fotokatalis yang berbentuk serbuk dengan penyerapan cahaya dengan baik kurang dari 480 nm. Suhu annealing yang tinggi telah memunculkan puncak β-Fe2O3 yang menyebabkan kristalitas α-Fe2O3 hanya sebesar 44 % dengan ukuran kristal
12
20.69125 nm. Struktur kristal α-Fe2O3 yang telah disesuaikan dengan data JCPDS menunjukkan struktur rhombohedral dengan parameter kisi yang mendekati data JCPDS (a=5.035, c=13.74), selain itu puncak β-Fe2O3 memiliki struktur heksagonal. Ukuran partikel yang diperoleh dari penelitian ini masih tergolong besar yaitu 202.64 nm. Ukuran ini adalah hasil dari perhitungan antara alat dan program PSA.
Saran Pada penelitian selanjutnya diharapkan suhu annealing tidak melebihi 750 oC untuk memperoleh ukuran kristal yang optimal. Proses milling bisa di terapkan untuk memperkecil ukuran partikel sebelum dilakukan proses pelapisan dengan TEOS. Ukuran kristal 20.69125 nm dan penyerapan cahaya dengan baik kurang dari 480 nm dapat diaplikasikan sebagai bahan fotokatalis.
DAFTAR PUSTAKA 1.
2. 3.
4.
5.
6.
7.
8.
Hasanzadeh J, Kalandaragh Y, Khodayari A. Preparation of α-Fe2O3 nanostructure via sample ultrasound-assisted method. Journal of optoelectronics and advanced material, 2012; 14, 473-477. Yuang Ming-liang. et al. Preparation and characterization of Fe/SiO2 core/shell nanocomposites. Trans, Nonferrous Met. Soc, 2009; 20, 632-636. Rio F, Jamarun N, Arief S. Sintesis, Pelapisan dan Stabilitas Senyawa Oksida Besi Oleh Silika Dan Aplikasinya Untuk Amobilitas Protein. 2012; PPs-Unand. Dawy M, Safaa K, Aziz. Synthesis, Characterization and Electrical Properties of α-Fe2O3 Nanoparticle. Journal of Basic and Applied Sciences, 2012; 6(4), 55-62. Mammah S L et al. Annealing Effect on the Solid State and Optical Properties of of α-Fe2O3 Thin Films Deposited Using the Aqueius Chemical Growth Method. Material Sciences and Aplication, 2012; 3, 793801. Shinde, S. S. et al. Physics Properties of Hematite of α-Fe2O3 thin films: application to photoelectrochemical solar cells. Journal of Semiconductors, 2011; 32, 1. Chirita M, Grozescu. Fe2O3 – Nanoparticle, Physical Properties and Their Photochemical and Photoelectrochemical Applications. Bull. Chem, 2009; 54, 68. Tembhurkar, Y. D. Structural and Optical Properties of Spray Pyrolytically Prepared Fe2O3 Thin Film. Bull. Mater. Sc., 1996; 19, 155-159.
13
9.
10. 11. 12. 13.
14.
15. 16.
17. 18.
19.
20.
21.
22.
Flavio L. et al. The Influence of the Film Thickness of Nanostructured αFe2O3 on Water Photooxidation. Physical Chemistry Chemical Physic., 2009; 11, 1215-1219. Qurashi A, Zhong Z, Wakas A. Synthesis and Photocatcalytic Properties of α-Fe2O3 Nanoellipsoids. Solid State Sciences, 2010; 12, 1516-1519. Avila G. et al. α-Fe2O3 Films Grown by the Spin-on Sol-gel Deposition Method. Rev. Mex. Fis, 2003; 49(3), 219-233. Yen-Huan C, Kuo-Jui T. Thickness Dependent on Photocatalytic Activity of Hematite Thin Films. International Journal of Photoenergy. 2012(980595). Yashita M. 2011. Analisis Stuktur Kristalin Hematite yang Disubstitusi Ion Manganes dan Ion Titanium. [skripsi]. Semarang: Departemen Fisika, Universitas Diponegoro. Jun P, Sobahan K.MA., Kwon H. Optical and Structural Properties of αFe2O3 Thin Films Prepared by Ion-beam Assisted Deposition. Surface and Coating Technology, 2009; 203, 2646-2650. Wenting D. et al. Preparation of α-Fe2O3 Nanoparticles by Sol-gel Process With Inorganic Iron Salt. Chemistry Letters. 2000(000034). Wardiyati S, Yusuf S, Handayani A. Sintesis Nano Partikel Oksida Besi dengan Metode Emulsi Menggunakan Surfaktan Cetyl Trimethyl Ammonium Bromide. Jurnal Sains Material Indonesia, 2007; 10, 151-155. Grace. et al. Sintesis γ-Fe2O3/ Fe3O4 dari Mill Scale Pabrik Baja dengan Metode Presipitasi. Jurnal Sains Material Indonesia, 2005; 7, 47-51. Grace. et al. Variasi Komposisi Fe(II)/Fe(III) Pada Proses Sintesis Spion dengan Metode Presipitasi. Jurnal Sains Material Indonesia, 2006; 8, 3134. Yang-su H, Seon-Mi, Dong-Kuk. Synthesis of Monodispresed and Spherical SiO2-coated Fe2O3 Nanoparticle. Bull. Korean Chem. So., 2000; 21, 11931197. Bruce D, Hancock, P. Note on the Temperature Stability of Wüstite in Surface Oxide Films on iron. British Corrosion Journal, 1969; 4(4), 221222. Yuli A. Pembuatan dan Karakterisasi Film LiTaO3 Terhadap Variasi Suhu dan Waktu Annealing. 2012. [Skripsi]. Bogor: Departemen Fisika, Institut Pertanian Bogor. Doruk O, Herbert G. Synthesis of Pure and Manganese, Nickel, and ZincDoped Ferrite Particle in Water-inOil Microemulsions. J. Am Ceram. Soc., 2001; 84(9), 1987-1995.
14
Lampiran 1. Hasil Perhitungan paramaeter kisi α-Fe2O3 peak h no
k
l
2Ѳ
Ѳ
α
α²
Γ
γ²
αγ
sin²2Ѳ
sin²Ѳ
δ
δ²
γδ
αδ
αsin²Ѳ
γsin²Ѳ
δsin²Ѳ
1
0
1
2
24.192 12.096 1
1
4
16
4
0.1678 0.0439 1.6777
2.8148
6.7109
1.6777
0.0439
0.1755
0.0736
2
1
0
4
33.192 16.596 1
1
16
256
16
0.2994 0.0815 2.9943
8.9657
47.9086
2.9943
0.0815
1.3040
0.2440
3
1
1
0
35.622 17.811 3
9
0
0
0
0.3389 0.0935 3.3893
11.4875
0.0000
10.1680
0.2804
0.0000
0.3168
4
1
1
3
40.878 20.439 3
9
9
81
27
0.4279 0.1218 4.2795
18.3139
38.5153
12.8384
0.3655
1.0965
0.5214
5
0
2
4
49.500 24.750 4
16
16
256
64
0.5778 0.1751 5.7778
33.3835
92.4455
23.1114
0.7004
2.8018
1.0118
6
1
1
6
54.198 27.099 3
9
36
1296
108 0.6573 0.2073 6.5734
43.2091
236.6411
19.7201
0.6219
7.4633
1.3627
7
0
1
8
57.384 28.692 1
1
64
4096
64
0.7090 0.2303 7.0901
50.2697
453.7673
7.0901
0.2303
14.7381
1.6327
8
2
1
4
62.622 31.311 7
49
16
256
112 0.7881 0.2698 7.8808
62.1066
126.0923
55.1654
1.8888
4.3172
2.1264
9
3
0
0
63.936 31.968 9
81
0
0
0.8065 0.2801 8.0650
65.0447
0.0000
72.5853
2.5205
0.0000
2.2587
10
1
0 10 72.000 36.000 1
1
100 10000 100 0.9041 0.3452 9.0413
81.7458
904.1337
9.0413
0.3452
34.5189
3.1210
11
3
0
81
36
91.7473
344.8252
86.2063
3.5761
14.3044
3.8060
78.192 39.096 9
258
14
Σ
6
1296
0
324 0.9578 0.3973 9.5785
17553 819
469.0885 2251.0399 300.5983 10.6545 80.7195 16.4751
15
Lampiran 2 Perhitungan parameter kisi α-Fe2O3 Mencari parameter kisi rhombohedral untuk puncak banyak Jarak antar bidang, d (
)
(1)
Menurut Bragg:
(2)
Penggabungan persamaan (1) dan (2) menghasilkan:
(
)
atau (
)
Untuk memperoleh nilai parameter kisi menggunakan hubungan,
( (
) )
( )
akan diperoleh bentuk Keterangan: (
)
Nilai C, B, dan A dapat diperoleh dari 3 persamaan :
16
[1] Nilai parameter kisi α-Fe2O3 10.6545 = 258.0000 C + 819.0000 B + 300.5983 A 80.7195 = 819.0000 C + 17553.0000 B + 2251.0399 A 16.4751 = 300.5983 C + 2251.0399 B + 469.0885 A Menjadi bentuk matriks A x = B [
] [ ]
Mencari determinan matriks A | |
|
|
Mencari determinan matriks A1 |
|
|
|
Mencari determinan matriks A2 |
|
|
|
Nilai C diperoleh dari | | | | Nilai B diperoleh dari | | | | Nilai parameter kisi a √
√
Nilai parameter kisi c √
[
]
17
Lampiran 3 Perhitungan parameter kisi β-Fe2O3 Mencari parameter kisi heksagonal untuk 2 puncak Jarak antar bidang, d (
)
(3)
Menurut Bragg:
(4)
Penggabungan persamaan (3) dan (4) menghasilkan:
(
)
atau (
)
Untuk memperoleh nilai parameter kisi menggunakan hubungan,
(
)
Untuk hkl (1 0 5) 2θ=21.762 akan diperoleh bentuk (
)
(5) Untuk hkl (2 2 6) 2θ=65.07 akan diperoleh bentuk (
)
18
(6) Eliminasi persamaan (5) dan (6)
Nilai parameter kisi a
Nilai parameter kisi c Subsitusi a ke persamaan 1
19
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Jakarta, tanggal 02 Maret 1991 dari pasangan Nono Priyatno dan Suwartiningsih. Penulis merupakan anak pertama dari dua bersaudara. Penulis menyelesaikan masa studi di SDN 1 Cilangkap selama enam tahun, kemudian melanjutkan studi di SMPN 2 Cibinong selama tiga tahun, dan melanjutkan studi di SMAN 1 Cibinong selama tiga tahun. Penulis kemudian melanjutkan pendidikan program sarjana strata satu di Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui Undangan Seleksi Masuk IPB. Selama mengikuti perkuliahan, penulis juga aktif dalam kegiatan kampus antara lain Koordinator Divisi Syiar, Informasi, dan Komunikasi Ikatan Keluarga Muslim TPB (IKMT), Divisi Public Relation Serambi Ruhiyah FMIPA (SERUMG), Koordinator Divisi Keilmuan Himpunan Mahasiswa Fisika (HIMAFI). Penulis juga pernah menjadi Asisten praktikum pada mata kuliah Fisika Dasar dan Biofisika Umum.
