SINTESIS HIDROTERMAL DAN KARAKTERISASI KRISTAL TITANIUM DIOKSIDA (TiO 2 )
MARLIA SUGIARTI
DEPARTEMEN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2012
ABSTRAK MARLIA SUGIARTI. Sintesis Hidrotermal dan Karakterisasi Kristal Titanium Dioksida (TiO 2 ). Dibimbing oleh SRI MULIJANI dan ARMI WULANAWATI. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari pengaruh suhu dan metode terhadap ukuran dan fase kristal titanium dioksida (TiO 2 ). Kristal TiO 2 disintesis melalui metode hidrotermal dengan mencampurkan TiO 2 (Rutil, Merck) dan NaOH pekat dalam tabung reaktor hidrotermal selama 48 jam, pada suhu 180 °C. Setelah proses hidrotermal, satu sampel tidak dikasinasi (a) dan sampel yang lain dikalsinasi selama 2 jam pada suhu 500 °C (a) dan 800 °C (c). Kristal TiO 2 yang dihasilkan dianalisis menggunakan XRD dan SEM. Pada perlakuan (a), belum terbentuk fase anatase maupun rutil dengan jelas, dihasilkan kristal dengan ukuran rerata 0,147 nm dan kristalinitas sebesar 37,84 %. Pada perlakuan (b) dihasilkan kristal fase anatase dengan ukuran rerata 34,507 nm dan kristalinitas sebesar 70,38 %. Kristal yang lebih homogen dihasilkan pada perlakuan (c) dengan ukuran rerata 45,168 nm dan kristalinitas sebesar 90,47 %. Kristal pada perlakuan (c) bertransformasi dari fase anatase menuju rutil.
ABSTRACT MARLIA SUGIARTI. Hydrothermal Synthesis and Characterization of Titanium dioxide (TiO 2 ) Crystal. Supervised by SRI MULIJANI and ARMI WULANAWATI. The aim of this research is studied about methode and temperature effect to phase and size of titanium dioxide (TiO 2 ) crystal. Titanium dioxide (TiO 2 ) crystal was synthesized by hydrothermal method with mixed of TiO 2 powder (Rutile, Merck) and strong of natrium hidroxide (NaOH) in hydrothermal container at 180 °C for 48 h. After synthesized, one sample made without calcination (a) and two samples other were calcinated at 500 °C (b) and 800 °C for 2 h (c). The morphologies of crystals were analyzed using X-ray diffraction and Scanning Electron Microscopy (SEM). Crystal without calcination (a) was obtained with avarage size crystal about 0,147 nm and cristalinity was resulted about 37,84 %, this crystal was amorphous thus hadn’t formed into anatase or rutil phase yet. In second treatment (b), crystal was obtained with average size about 34,507 nm, crystal was formed into anatase phase and it had crystalinity about 70,38 %. In third treatment (c), crystal was more homogen with average size about 45,168 nm and crystalinity was resulted about 90,47 %. Crystal (c) was becomes unstable and transformed from anatase into rutile phase.
SINTESIS HIDROTERMAL DAN KARAKTERISASI KRISTAL TITANIUM DIOKSIDA (TiO 2 )
MARLIA SUGIARTI
Skripsi Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2012
Judul Skripsi : Sintesis Hidrotermal dan Karakterisasi Kristal Titanium Dioksida (TiO 2 ) Nama : Marlia Sugiarti NIM : G44052015
Disetujui oleh Pembimbing I
Pembimbing II
Dr. Sri Mulijani, M.S. NIP. 196304011991032001
Armi Wulanawati, S.Si., M.Si. NIP. 196907252000032001
Diketahui oleh Ketua Departemen Kimia
Prof Dr Ir Tun Tedja Irawadi, MS NIP 19501227 197603 2 002
Tanggal lulus:
PRAKATA Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas rahmat dan pertolongan-Nya penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah dengan judul Sintesis hidrotermal dan karakterisasi kristal titanium dioksida (TiO 2 ). Shalawat dan salam semoga senantiasa tercurah pada Rasulullah SAW dan kita semua sebagai umatnya. Penulis mengucapkan terima kasih banyak kepada Ibu Dr. Sri Mulijani, M.S. dan Ibu Armi Wulanawati, S.Si., M.Si. selaku pembimbing yang senantiasa memberikan saran, motivasi dan bimbingannya kepada penulis. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Bapak Budi Arifin, S.Si., M.Si. yang telah memberikan motivasi dan arahan kepada penulis. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Ibu ‘Ai, Pak Yani, Pak Syawal, Pak Mail, Pak Mul, Pak Caca dan Teh Nurul atas bantuannya selama penelitian. Terima kasih yang tak terhingga penulis ucapkan kepada Ayah, Mamah, Anona, Teh Wiwi, Didit dan Eneng tercinta atas kesabaran, doa, kasih sayang dan dukungannya. Juga ucapan terima kasih kepada Dartiawati, Laras, Guslina, Ade, Syaeful Fahmi, Novi dan semua teman-teman kimia angkatan 41 sampai 45 atas bantuan, doa, motivasi dan saran yang diberikan kepada penulis. Semoga karya ilmiah ini dapat bermanfaat bagi perkembangan ilmu pengetahuan. Bogor, Juni 2012 Marlia Sugiarti
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Bogor pada tanggal 9 Maret 1987 dari pasangan Bapak M. Sibli Santibi dan Ibu Maryamah, S.Ag. Penulis merupakan anak ketiga dari lima bersaudara. Tahun 2005 penulis lulus dari SMAN 5 Bogor dan pada tahun yang sama lulus seleksi masuk IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI IPB). Semasa mengikuti perkuliahan penulis sangat aktif di berbagai organisasi intra dan inter kampus. Penulis pernah menjadi salah satu peraih beasiswa PPSDM dari IPB dan mendapatkan kesempatan untuk lolos skala IPB dan didanai DIKTI dalam ajang lomba karya tulis Program Kreativitas Mahasiswa di bidang Kewirausahaan (PKMK) bersama Anisa dan Paramitha pada tahun 2008. Penulis juga aktif mengajar privat IPA untuk murid SMP sejak tahun 2007 sampai 2009 dan mengajar privat Kimia TPB dan Kimia untuk murid SMA di bawah naungan bimbingan belajar Prima Exacta sejak tahun 2008 sampai 2010. Penulis melaksanakan Praktik Kerja Lapang di Balai Penelitian dan Pengembangan Hasil Hutan (BPPHH) dengan judul “Pemanfaatan Tempurung Biji Nyamplung Sebagai Bahan Baku Briket dan Arang Aktif” bersama Bapak Ir. Djeni Hendra, M.Si. Penulis sempat bekerja di sebuah Sekolah Taman Kanak-kanak Islam Terpadu Shalahuddin II pada tahun 2011 dan membuka tempat les privat sendiri di rumah untuk murid SMA IPA sampai April 2012 dan pada tahun yang sama penulis menjadi guru privat fisika untuk murid-murid di Sekolah Berwawasan Internasional (SBI) MADANIA dan penulis bekerja sebagai Guru IPA di HASMI Boarding School (HBS) sejak bulan Juli 2012 sampai sekarang.
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. vi DAFTAR LAMPIRAN ......................................................................................... vii PENDAHULUAN ...................................................................................................1 BAHAN DAN METODE Bahan dan alat ................................................................................................1 Sintesis kristal TiO 2 dengan metode hidrotermal ..........................................2 Kalsinasi kristal TiO 2 .....................................................................................2 Karakterisasi kristal TiO 2 ...............................................................................2 HASIL DAN PEMBAHASAN Karakterisasi dengan XRD ............................................................................2 Karakterisasi dengan SEM .............................................................................4 SIMPULAN DAN SARAN .....................................................................................5 DAFTAR PUSTAKA ..............................................................................................5 LAMPIRAN .............................................................................................................6
DAFTAR GAMBAR Halaman 1 Pola difraksi kristal TiO 2 tanpa kalsinasi..............................................................2 2 Pola difraksi kristal TiO 2 dengan kalsinasi selama 2 jam, 500 °C .......................3 3 Pola difraksi kristal TiO 2 dengan kalsinasi selama 2 jam, 800 °C .......................3 4 Perbandingan pola difraksi kristal TiO 2 pada ketiga perlakuan ...........................4 5 Mikrograf SEM kristal TiO 2 hasil sintesis tanpa kalsinasi (a), kalsinasi 2 jam, 500 °C (b), kalsinasi 2 jam, 800 °C (c) .................................................................4
DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1 Diagram alir penelitian........................................................................................7 2 Data JCPDS TiO 2 fase anatase dan rutil .............................................................8 3 Data karakteristik TiO 2 (Rutil, Merck) ...............................................................9 4 Data puncak dan intensitas relatif (I R ) kristal TiO 2 hasil sintesis.....................10 5 Pola difraksi kristal TiO 2 hasil sintesis dan pola difraksi standar .....................11 6 Data ukuran kristal TiO 2 hasil analisis XRD ....................................................12 7 Contoh perhitungan ukuran kristal pada bidang hkl .........................................15 8 Morfologi kristal TiO 2 bahan utama (Rutil, Merck) .........................................16
1
PENDAHULUAN Titanium dioksida (TiO 2 ) merupakan bahan kimia bersifat semikonduktor dan fotokatalis yang dapat disintesis melalui proses sulfat dari TiOSO 4 dan kalsinasi pada suhu 800-1000 °C menghasilkan TiO 2 anatase maupun melalui proses klorida dari distilasi TiCl 4 dan direaksikan dengan O 2 pada suhu 1000 sampai dengan 1400 °C menghasilkan TiO 2 rutil (Wilberg 2001). TiO 2 sering digunakan di berbagai industri diantaranya industri pemurnian air, sensor gas, pewarna atau cat, dan kosmetik (Yuan 2004). Aplikasi TiO 2 bergantung pada fase kristal, dimensi dan morfologi TiO 2 . Struktur TiO 2 telah banyak dimodifikasi menjadi ukuran nano. Istilah nanopartikel digunakan dalam ilmu bahan yang menunjukkan partikel dengan ukuran lebih kecil dari 100 nm. Nanopartikel diketahui memiliki berbagai keunggulan antara lain yaitu ketahanan partikelnya terhadap perubahan sifat kimia dan fisik lingkungan, kekerasan mekanik, ketahanan kejut termal, dan elastisitas yang tinggi (Kartohardjono 2009). Nanopartikel TiO 2 dapat dimodifikasi menjadi beberapa bentuk antara lain nanotube, nanoflakes, nanosheet, dan nanowire bergantung pada metode sintesis dan variasi suhu yang digunakan. Penelitian mengenai modifikasi nanopartikel TiO 2 dan aplikasinya sudah dikembangkan dengan berbagai metode, salah satunya metode sol-gel alumina berpori dan pelapisan titanium pada larutan tetrabutil amonium (TBA) hidroksida menghasilkan nanoflakes dan nanosheet TiO 2 dengan ukuran kristal sebesar 5 nm (Yuan 2004). TiO 2 memiliki tiga fase kristal, yaitu anatase, rutil, dan brukit. Metode sintesis TiO 2 dipilih berdasarkan aplikasi yang akan digunakan. Pada sintesis dengan suhu rendah biasanya dihasilkan kristal TiO 2 fase anatase. Anatase merupakan bentuk yang paling sering digunakan karena memiliki luas permukaan serbuk yang lebih besar serta ukuran partikel yang lebih kecil dibandingkan rutil. Fase anatase mulai muncul pada rentang suhu 400-650 °C dan cenderung bertransformasi menjadi rutil pada suhu 915 °C (Afrozi 2010). Fase rutil dipreparasi dengan kalsinasi anatase pada suhu tinggi. Fase rutil TiO 2 menunjukkan fotoaktivitas yang lebih rendah daripada fase anatase. Selain itu, bandgap energi anatase lebih besar daripada rutil sehingga memiliki aktivitas fotokatalitik yang tinggi (Afrozi 2010).
Namun, beberapa sumber melaporkan bahwa preparasi rutil pada suhu rendah telah berkembang dan menghasilkan fotoaktivitas cukup tinggi (Palmisano 2007). Sementara itu, fase brukit kristal sulit untuk dipreparasi sehingga biasanya hanya kristal pada fase rutil dan anatase yang umum digunakan pada untuk berbagai aplikasi industri. Kristal TiO 2 pada bentuk nanotube dan pada fase anatase diketahui memiliki luas permukaan dan efek listrik yang besar, serta efisiensi fotokatalis yang tinggi sehingga sesuai jika digunakan untuk aplikasi semikonduktor dan membran keramik (Zhang 2008). Pada penelitian ini dipelajari pengaruh metode hidrotermal dan suhu kalsinasi terhadap karakteristik kristal TiO 2 . Karakteristik tersebut meliputi ukuran dan fase kristal yang dihasilkan. Metode hidrotermal dipilih karena diketahui telah berhasil menyintesis kristal berukuran nano. Penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Retnantiti (2010) berhasil menyintesis BaTiO 3 dengan ukuran butiran kristal sebesar 100 nm menggunakan metode hidrotermal. Keuntungan lain metode hidrotermal adalah dapat dilakukan pada suhu rendah dan juga dapat menghasilkan produk kristal yang homogen, tidak membutuhkan waktu banyak dan menjaga kemurnian bahan karena sampel dimasukkan ke dalam teflon dan bejana baja (reaktor hidrotermal) yang tertutup rapat sehingga terjaga dari kontaminasi luar.
BAHAN DAN METODE Bahan dan Alat Bahan-bahan yang digunakan adalah serbuk TiO 2 (Sampel, Merck), NaOH 10 M, HCl pH 2, air destilata. Alat-alat yang digunakan adalah reaktor hidrotermal, teflon, corong Buchner, pengaduk magnetik, oven automatis, tanur, sentrifuse, indikator pH universal, alat-alat gelas, difraktometer sinar X (SHIMADZU XRD 7000) dan SEM (BRUKER ZEISS EVO 50). Metode Penelitian Sintesis kristal TiO 2 dengan hidrotermal (Zhang 2008)
metode
Sebanyak 2 g sampel TiO 2 dan NaOH 10 M 25 mL dimasukkan ke dalam teflon lalu teflon ditutup rapat dan dimasukkan ke dalam bejana yang terbuat dari baja (reaktor
2
Kalsinasi terhadap kristal TiO 2 Kristal TiO 2 yang terbentuk melalui proses hidrotermal kemudian dikalsinasi di dalam tanur pada variasi suhu 500 °C dan 800 °C selama masing-masing 2 jam. Setelah itu didiamkan hingga tanur mencapai suhu ruang lalu sampel dikeluarkan dari tanur dan dibiarkan mendingin sampai suhu ruang. Karakterisasi kristal TiO 2 Kristal TiO 2 hasil sintesis dengan metode hidrotermal pada suhu 180 °C tanpa kalsinasi dan kristal TiO 2 yang dikalsinasi dengan dua variasi suhu (500 °C dan 800 °C). Variasi suhu tersebut dipilih karena diketahui pada kedua suhu tersebut fase kristal TiO 2 bertransformasi (Yoshida et al 2005). Kristal TiO 2 kemudian dikarakterisasi dengan XRD dan SEM. Karakterisasi XRD dapat memberi informasi secara umum baik kuantitatif maupun kualitatif untuk mengetahui fasa yang terdapat dalam sampel, menentukan ukuran kristal dan kristalinitas. Kristal hasil sintesis dikarakterisasi menggunakan alat XRD. Untuk mengetahui morfologi kristal yaitu tampilan permukaan dan keseragaman bentuknya, kristal TiO 2 hasil sintesis dikarakterisasi dengan SEM. Diagram alir penelitian dapat dilihat pada Lampiran 1.
HASIL DAN PEMBAHASAN Karakterisasi dengan XRD Bahan utama yang digunakan adalah serbuk TiO 2 (Merck). Pola difraksi TiO 2 tersebut menunjukkan bahwa kristal TiO 2 memiliki fase rutil dengan ukuran rerata kristal pada bidang hkl sebesar 0.156 nm (Lampiran 2 dan 3). Pada proses awal, TiO 2 (Rutil, Merck) direaksikan dengan NaOH 10 M, selama proses hidrotermal 48 jam pada suhu 180 °C, ikatan Ti-O-Ti terurai dan ikatan Ti-OH dan Ti-O-Na terbentuk dengan adanya penambahan NaOH. Setelah proses hidrotermal, suspensi TiO 2 yang masih mengandung Na+ dimasukkan ke dalam larutan HCl pH 2 selama 24 jam dengan 3 kali ulangan untuk menghilangkan residu Na+ tersebut (Zhang 2008). Sampel dibedakan atas 3 perlakuan (tanpa kalsinasi, kalsinasi 2 jam 500 °C dan 800 °C). Ketiga perlakuan tersebut dilakukan untuk melihat pengaruh suhu terhadap perubahan fase dan ukuran kristal. Kristal TiO 2 hasil sintesis dikarakterisasi dengan XRD. Pola difraksi yang dihasilkan dicocokkan dengan data joint cristal powder difraction standard (JCPDS) (Lampiran 2). Pola difraksi kristal TiO 2 tanpa kalsinasi ditunjukkan pada Gambar 1. 60 Intensitas (arb.unit)
hidrotermal). Proses hidrotermal dilakukan di dalam oven yang telah dikalibrasi pada suhu 180 °C selama 48 jam. Hasil proses hidrotermal berupa suspensi berwarna putih terbentuk akibat reaksi antara NaOH dan TiO 2 . Setelah suspensi mencapai suhu ruang kemudian dicuci dengan air destilata dan disaring vacum setelah itu dikeringkan dalam suhu ruang kemudian dimasukkan ke dalam 500 mL HCl pH 2 dan distirer selama 24 jam dengan kecepatan 800 rpm (pada metode ini dilakukan pengulangan sebanyak tiga kali) untuk menghilangkan Na+ dan larutan menjadi netral (Yoshida et al 2005). Setelah itu dilakukan pemusingan atau sentrifugasi pada larutan dengan kecepatan 1500 rpm agar terpisah dengan cepat antara suspensi dan larutan HCl encer. Setelah didapatkan suspensi titanium dioksida, lalu dikeringkan dengan pemanasan selama 10 jam di dalam oven pada suhu 70 °C (Djaeni 2010). Setelah 10 jam maka terbentuklah kristal titanium dioksida tanpa residu ion Na +.
50 40 30 20 10 0 5
15
25
35
45
55
65
75
Sudut 2θ (°)
Gambar 1 Pola difraksi kristal TiO 2 kalsinasi.
tanpa
Pola difraksi kristal TiO 2 tanpa kalsinasi menunjukkan bahwa puncak-puncak yang tinggi terbentuk pada sudut sekitar 25°. Hanya ada satu puncak yang mirip dengan pola difraksi dan data JCPDS anatase (Lampiran 2), yaitu puncak pada sudut 25.20° dengan intensitas relatif (I R ) 95.83% sementara I R tertinggi 100 % dimiliki puncak dengan nilai sudut 24.66° (Lampiran 4). Kristal TiO 2 pada
3
𝛽 𝐶𝑜𝑠 𝜃
dengan L adalah ukuran kristal (nm) pada bidang hkl, λ adalah panjang gelombang sinarx (nm), 𝛽 adalah Full Width at Half Maximum (FWHM) dalam radian, dan θ adalah setengah sudut difraksi. Bidang yang lazim digunakan untuk menghitung ukuran kristal adalah bidang yang memiliki puncak yang cukup tinggi. Ukuran kristal berbanding terbalik dengan nilai FWHM. Semakin kecil nilai FWHM maka ukuran kristal semakin besar. Ukuran rerata kristal TiO 2 sebesar 0.147 nm (Lampiran 6). Pada perlakuan berikutnya, TiO 2 dikalsinasi pada variasi suhu 500 °C dan 800 °C. Perlakuan ini dimaksudkan untuk mengamati pengaruh suhu terhadap perubahan karakteristik kristal. Pola difraksi kristal TiO 2 hasil kalsinasi selama 2 jam pada suhu 500 °C ditunjukkan oleh Gambar 2.
Intensitas (arb.unit )
300 250 200 150 100 50 0 5
15
25
35
45
55
65
75
Sudut 2θ (°)
Gambar 2 Pola difraksi kristal TiO 2 , kalsinasi 2 jam, 500 °C. Fase anatase kristal TiO 2 mulai terbentuk pada suhu 500 °C. Hal ini dapat dilihat dengan adanya puncak-puncak yang sejajar dengan puncak standar anatase (Lampiran 5). Puncakpuncak tersebut memiliki nilai sudut yang mendekati JCPDS (Lampiran 2), yaitu 25.32°;
47.96°; 37.90°; 55.10°; 53.94°; 62.66° dan 75.12° (Lampiran 4). Puncak tertinggi terdapat pada sudut 25.32° dengan nilai I R 100%. Fase anatase merupakan fase yang diharapkan terbentuk karena pada fase ini kristal TiO 2 memiliki luas permukaan dan bandgap energi yang lebih besar (Afrozi 2010), serta ukuran kristal yang lebih kecil daripada fase rutil sehingga TiO 2 sering digunakan untuk aplikasi semikonduktor. Kristalinitas kristal TiO 2 dengan kalsinasi 2 jam pada suhu 500 °C sebesar 70.38%. Ukuran rerata kristal sebesar 34.507 nm (Lampiran 6). Berdasarkan hasil yang diperoleh dapat diketahui bahwa suhu mampu meningkatkan kristalinitas sehingga ukuran kristal menjadi lebih besar. Pola difraksi sampel TiO 2 yang dikalsinasi selama 2 jam pada suhu 800 °C dapat dilihat pada Gambar 3. 300 250 Intensitas (arb.unit)
perlakuan tanpa kalsinasi masih berbentuk amorf atau belum terbentuk fase kristal, tetapi kemunculan puncak pada rentang sudut 25° memperlihatkan bahwa kristal cenderung akan membentuk fase anatase pada suhu lebih tinggi. Hal ini menunjukkan bahwa metode hidrotermal selama 48 jam pada suhu 180 °C dapat mengubah kristal TiO 2 rutil menjadi amorf dan selanjutnya dapat berubah menjadi anatase dengan pemberian suhu lebih tinggi. Nilai kristalinitas TiO 2 tanpa kalsinasi masih rendah, yaitu sebesar 37.84%. Pengukuran ukuran kristal pada bidang hkl menggunakan formula Scherrer, dengan persamaan (Shinoda 2011): 0.9 𝜆 L (h,k,l) =
200 150 100 50 0 5
15
25
35
45
55
65
75
Sudut 2θ (°)
Gambar 3 Pola difraksi kristal TiO 2 , kalsinasi 2 jam, 800 °C. Pada pola difraksi kristal TiO 2 dengan kalsinasi 2 jam pada suhu 800 °C terdapat beberapa puncak yang nilai sudutnya mendekati JCPDS fase anatase (Lampiran 2), yaitu pada sudut 25.32°; 48.08°; 53.96°; 37.82°; 55.12°; 68.76°; 74.06° (Lampiran 4). Puncak tertinggi pada sudut 25.32° dengan I R 100%. Pada suhu 800 °C ini terjadi transformasi fase dari anatase menuju rutil. Hal ini diperlihatkan dengan munculnya puncak-puncak yang nilai sudutnya mendekati JCPDS fase rutil (Lampiran 2), yaitu pada sudut 27.42°; 36.90° dan 62.72° (Lampiran 4). Namun pada sudut-sudut ini nilai I R masih rendah dibandingkan dengan nilai I R fase anatase. Hal ini dikarenakan untuk membentuk fase rutil dibutuhkan suhu pemanasan yang lebih tinggi, yaitu sekitar 915 °C (Afrozi 2010). Pada sudut sekitar 11° dan 14° muncul puncak yang tidak sesuai dengan data JCPDS
4
yang diduga sebagai pengotor yang berasal dari teflon yang digunakan atau bisa juga merupakan serpihan dekomposisi dari ion titanat (Yoshida et al 2005). Perbandingan pola difraksi kristal TiO 2 hasil sintesis pada suhu 800 °C dan pola difraksi standar kristal TiO 2 fase anatase dan rutil dapat dilihat pada Lampiran 5. Contoh perhitungan I R dapat dilihat pada Lampiran 5. Pada sampel dengan kalsinasi 800 °C diperoleh nilai kristalinitas terbesar yaitu 90.47%. Hal ini dikarenakan pada suhu tinggi dihasilkan puncak X-ray yang lebih tajam dan sempit sehingga meningkatkan kristalinitas. Kenaikan suhu mengakibatkan meningkatnya energi getaran termal yang kemudian mempercepat difusi atom melalui batas butir, dari butiran kecil menuju butiran yang lebih besar (Shinoda 2011). Ukuran rerata kristal TiO 2 pada perlakuan kalsinasi 800 °C adalah sebesar 45.168 nm (Lampiran 6). Contoh perhitungan ukuran kristal dapat dilihat pada Lampiran 7. Perbandingan pola difraksi kristal TiO 2 hasil sintesis dengan tiga perlakuan (tanpa kalsinasi, kalsinasi 2 jam pada suhu 500 °C dan 800 °C) dapat dilihat pada Gambar 4.
Kristal pada sampel tanpa kalsinasi memiliki ukuran panjang dan lebar sebesar 565.7 nm dan 401.9 nm. Sementara itu untuk sampel dengan kalsinasi 500 °C (b) dilakukan pada perbesaran 10000x. Morfologi kristal nampak lebih baik, butiran yang nampak lebih besar. Satu butir kristal terukur dengan panjang dan lebar sebesar 446.6 nm dan 256.8 nm. Pada sampel dengan kalsinasi 800 °C (c) analisis SEM dilakukan pada perbesaran 5000x terlihat butiran lebih menyebar dan homogen. Ukuran panjang dan lebar kristal sebesar 379.6 nm dan 312.6 nm. Berdasarkan hasil analisis SEM dari ketiga sampel terlihat bahwa butiran kristal lebih homogen seiring bertambahnya suhu kalsinasi. Morfologi dari ketiga sampel hampir sama dengan morfologi TiO 2 (Rutil, Merck) yang digunakan sebagai bahan dasar, hanya ada beberapa yang berbentuk bulat-panjang pada kristal TiO 2 hasil sintesis hidrotermal. Morfologi kristal TiO 2 yang digunakan sebagai bahan awal dapat dilihat pada Lampiran 8.
a
b
Gambar 4 Perbandingan pola difraksi kristal TiO 2 hasil sintesis dengan tiga perlakuan: tanpa kalsinasi ( ), kalsinasi 2 jam pada suhu 500 °C ( ) dan 800 °C ( ) Karakterisasi dengan SEM
c
Analisis SEM bertujuan untuk melihat pengaruh pemanasan terhadap morfologi kristal. Hasil analisis sampel menggunakan SEM dapat dilihat dalam Gambar 5. Analisis sampel tanpa kalsinasi (a) dilakukan pada perbesaran 5000x. Hasil analisis sampel menunjukkan kristal mengalami penggumpalan hal ini dikarenakan TiO 2 bersifat menggumpal jika terkena udara. Penggumpalan juga disebabkan tidak adanya pengadukan saat proses hidrotermal dan tidak dilakukan proses kalsinasi pada sampel.
Gambar 4 Mikrograf SEM kristal TiO 2 hasil sintesis: tanpa kalsinasi, perbesaran 5000 x (a); kalsinasi 2 jam, 500°C, perbesaran 10000 x (b); kalsinasi 2 jam, 800°C, perbesaran 5000 x (c).
5
SIMPULAN DAN SARAN
(SEM). Presentasi Peneliti Muda Bidang Metalurgi. Tangerang: PTBN Batan.
Simpulan Kristal nanopartikel TiO 2 fase anatase dapat disintesis dari TiO 2 fase rutil dengan metode hidrotermal selama 48 jam pada suhu 180 °C dan kalsinasi pada suhu 500 °C. Fase transformasi dari anatase menuju rutil terjadi pada suhu 800 °C. Perubahan kristalinitas dan ukuran kristal TiO 2 pada bidang hkl sangat dipengaruhi oleh suhu kalsinasi. Semakin tinggi suhu yang diberikan maka kristalinitas dan ukuran kristal pada bidang hkl semakin besar. Berdasarkan hasil analisis SEM, ukuran butiran kristal TiO 2 secara berturut-turut sebesar, 565.7 nm dan 401.9 nm (kristal TiO 2, tanpa kalsinasi), 446.6 nm dan 256.8 nm (kalsinasi 2 jam, 500 °C), dan 379.6 nm dan 312.6 nm (kalsinasi 2 jam, 800 °C).
Shinoda. 2011. X-Ray Diffraction Crystallography: Introduction, Examples and Solved Problems. Department of Materials Science and Engineering. Kyoto University. Kyoto; 2011. Tilmant JB, Pommier C, Chhor K. 2000. Synthesis of supported TiO 2 membrane by using supercritical alcohol. Materials Chemistry and Physics 64: 156-165. Wilberg. 2001. Inorganic Munchen: Academic Press.
Chemistry.
Saran
Will George. Powder Difraction: The Rietveld Method and The Two Stage Methode Determine and Refine Crystal Structure from Powder Diffraction Data. Berlin: Springer-verlag Berlin Heidelberg. 2006.
Berdasarkan hasil penelitian, diperlukan optimasi suhu dan waktu saat proses hidrotermal dan optimasi suhu kalsinasi untuk menghasilkan puncak- puncak dan fase kristal TiO 2 yang sesuai dengan JCPDS.
Yoshida R, Suzuki Y, Yoshikawa S. 2005. Syntheses of TiO 2 (B) nanowires and TiO 2 anatase nanowires by hydrothermal and post-heat treatment. J Solid State Chem 178: 2179-2185.
DAFTAR PUSTAKA Afrozi. 2010. Pengembangan Sensor Analisis [skripsi]. Jakarta: Fakultas Teknik, Universitas Indonesia. Djaeni. 2010. Multistage Zeolite Drying to Enhance Energy Efficiency of Food Drying. Drying Technology 25 (6): 1053-1067. Kartohardjono. 2009. Pengaruh Ukuran Nano Terhadap Sifat Mekanik Partikel. Bandung: ITB Press. Palmisano. 2007. Optical Properties of TiO2 Suspensions: Influence of pH and Powder Concentration on Mean Particle Size. Ind. Eng. Chem. Res 46: 7620-7626. Retnantiti MD. 2010. Sintesis Hidrotermal dan Karakterisasi Barium Titanat (BaTiO 3 ) [skripsi]. Bogor: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Samosir N. 2005. Karakterisasi struktur mikro pelat elemen baker (PEB) U 3 Si 2 Al dengan menggunakan scanning electron microscope
Yuan. 2004. Titanium oxide nanotubes, nanofibers and nanowires. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 241: 173–183 [terhubung berkala]. http://www.elsevier.com/locate/collsurface [25 Mei 2004]. Zhang. 2008. TiO 2 nanowire membrane for concurrent filtration and photocatalytic oxidation of humic acid in water. Membran 313: 44–51 [terhubung berkala]. http:// sciencedirect. com/nanofiltration by TiO 2 membrane. [03 Januari 2008].
LAMPIRAN
Lampiran 1 Diagram alir penelitian 2 g serbuk TiO2 (Rutil, Merck)
NaOH 10 M (aq), 25 mL
Sintesis kristal TiO2 dengan metode hidrotermal pada suhu 180 °C selama 48 jam Pencucian dengan air destilata dan penyaringan dengan corong buchner Pencucian suspensi dengan larutan HCl pH 2, 500 mL (3x ulangan)
Sentrifugasi suspensi TiO2 dan larutan HCl pH 2
Pengeringan dengan pemanasan pada suhu 70 °C selama 10 jam
Kalsinasi selama 2 jam (500 °C, 800 °C)
Karakterisasi kristal TiO2
XRD (SHIMADZU XRD 7000)
SEM (BRUKER ZEISS EVO 50)
8
Lampiran 2 Data JCPDS TiO 2 Fase Anatase
Fase Rutil
9
Lampiran 3 Pola difraksi dan data kristal TiO 2 sampel (Rutil, Merck) berdasarkan analisis XRD
2θ (°)
β (°)
2θ (rad)
θ (rad)
cos θ
β (rad)
L (nm)
27.103
0.107
0.473
0.237
0.972
0.994
0.143
27.466
0.200
0.479
0.240
0.971
0.980
0.146
35.913
0.096
0.627
0.313
0.951
0.995
0.146
36.121
0.160
0.630
0.315
0.951
0.987
0.148
39.211
0.173
0.684
0.342
0.942
0.985
0.149
41.275
0.170
0.720
0.360
0.936
0.986
0.150
44.072
0.173
0.769
0.385
0.927
0.985
0.152
54.355
0.178
0.949
0.474
0.890
0.984
0.158
54.564
0.100
0.952
0.476
0.889
0.995
0.157
56.666
0.176
0.989
0.495
0.880
0.985
0.160
62.795
0.172
1.096
0.548
0.854
0.985
0.165
64.094
0.158
1.119
0.559
0.848
0.988
0.166
69.042
0.163
1.205
0.603
0.824
0.987
0.171
69.848
0.176
1.219
0.610
0.820
0.985
0.172
Rerata
0.156
10
Lampiran 4 Data puncak dan intensitas relatif (I R ) kristal TiO 2 hasil sintesis 2θ (°)
No
I R (%)
180 °C
500 °C
800 °C
180 °C
500 °C
1
24.66
25.32
2
25.22
3
37.96
4
800 °C
25.32
100
100
100
47.96
48.08
95.83
25.95
35.00
37.90
53.96
58.33
23.66
25.20
62.68
55.10
37.82
50.00
20.61
22.76
5
55.08
53.94
55.12
50.00
16.03
17.07
6
68.76
62.66
68.76
33.33
13.74
8,.3
7
75.24
75.12
74.06
29.17
12.98
5,.9
8
27.42
10.56
9
62.72
17.07
10
36.90
10.57
Contoh perhitungan intensitas relatif (I R ), kalsinasi 2 jam, 500 °C. IR
= =
x 100% x 100%
= 25.95% Keterangan: IR
= intensitas relatif
Ia
= intensitas puncak tertinggi
Ib
= intensitas puncak ke-n
11
Lampiran 5 Perbandingan pola difraksi kristal TiO 2 hasil analisis dan standar Kalsinasi 2 jam, 500 °C (biru) dan standar anatase (merah).
Kalsinasi 2 jam, 800 °C (biru), dan standar anatase (merah).
Kalsinasi 2 jam, 800 °C (biru), dan standar rutil (merah).
12
Lampiran 6 Data kristal TiO 2 hasil sintesis Tanpa kalsinasi (180 °C) 2θ (o)
β (o)
2θ (rad)
θ (rad)
cos θ
β (rad)
L (nm)
5.468
0.017
0.095
0.048
0.999
1.000
0.139
6.3812
0.090
0.111
0.056
0.998
0.996
0.139
6.9925
0.033
0.122
0.061
0.998
0.999
0.139
7.7259
0.027
0.135
0.067
0.998
1.000
0.139
8.3093
0.100
0.145
0.073
0.997
0.995
0.140
8.4974
0.040
0.148
0.074
0.997
0.999
0.139
9.7618
0.090
0.170
0.085
0.996
0.996
0.140
10.0498
0.050
0.175
0.088
0.996
0.999
0.139
11.8681
0.053
0.207
0.104
0.995
0.999
0.140
12.8558
0.050
0.224
0.112
0.994
0.999
0.140
13.501
0.045
0.236
0.118
0.993
0.999
0.140
15.4931
0.060
0.270
0.135
0.991
0.998
0.140
16.7655
0.030
0.293
0.146
0.989
1.000
0.140
18.6277
0.060
0.325
0.163
0.987
0.998
0.141
19.7913
0.070
0.345
0.173
0.985
0.998
0.141
20.7378
0.087
0.362
0.181
0.984
0.996
0.141
21.9899
0.017
0.384
0.192
0.982
1.000
0.141
22.9546
0.030
0.401
0.200
0.980
1.000
0.142
23.9577
0.060
0.418
0.209
0.978
0.998
0.142
24.8062
0.040
0.433
0.216
0.977
0.999
0.142
25.1067
0.102
0.438
0.219
0.976
0.995
0.143
25.5689
0.088
0.446
0.223
0.975
0.996
0.143
26.0252
0.058
0.454
0.227
0.974
0.998
0.143
26.2672
0.047
0.458
0.229
0.974
0.999
0.143
27.5703
0.077
0.481
0.241
0.971
0.997
0.143
28.4334
0.065
0.496
0.248
0.969
0.998
0.143
28.9435
0.033
0.505
0.253
0.968
0.999
0.143
29.6094
0.100
0.517
0.258
0.967
0.995
0.144
30.009
0.040
0.524
0.262
0.966
0.999
0.144
31.7437
0.053
0.554
0.277
0.962
0.999
0.144
32.4714
0.090
0.567
0.283
0.960
0.996
0.145
33.0492
0.107
0.577
0.288
0.959
0.994
0.145
34.5445
0.060
0.603
0.301
0.955
0.998
0.145
37.2957
0.033
0.651
0.325
0.948
0.999
0.146
38.1868
0.090
0.666
0.333
0.945
0.996
0.147
39.6208
0.060
0.692
0.346
0.941
0.998
0.148
47.4242
0.135
0.828
0.414
0.916
0.991
0.153
54.0691
0.110
0.944
0.472
0.891
0.994
0.157
60.687
0.070
1.059
0.530
0.863
0.998
0.161
66.3004
0.040
1.157
0.579
0.837
0.999
0.166
75.7031
0.070
1.321
0.661
0.790
0.998
0.176
76.4979
0.080
1.335
0.668
0.785
0.997
0.177
79.4772
0.040
1.387
0.694
0.769
0.999
0.180
79.671
0.060
1.392
0.696
0.767
0.998
0.181
Rerata
0.147
13
Lanjutan Lampiran 6 Kalsinasi 2 jam, 500 °C. 2θ (°)
β (°)
2θ (rad)
θ (rad)
cos θ
β (rad)
L (nm)
24.8661
0.240
0.434
0.217
0.977
0.004
32.321
25.3321
0.323
0.442
0.221
0.976
0.006
24.016
25.6848
0.200
0.448
0.224
0.975
0.003
38.723
37.0192
0.133
0.646
0.323
0.948
0.002
56.507
37.902
0.300
0.662
0.331
0.946
0.005
25.042
38.184
0.113
0.667
0.333
0.945
0.002
66.251
38.671
0.160
0.675
0.337
0.944
0.003
46.845
47.706
0.200
0.833
0.416
0.915
0.003
36.324
48.066
0.391
0.839
0.419
0.913
0.007
18.554
48.478
0.145
0.846
0.423
0.912
0.003
49.951
53.981
0.340
0.942
0.471
0.891
0.006
20.818
55.059
0.272
0.961
0.480
0.887
0.005
25.896
55.284
0.200
0.965
0.482
0.886
0.003
35.183
62.745
0.327
1.095
0.548
0.854
0.006
20.759
68.946
0.253
1.203
0.602
0.824
0.004
25.852
70.099
0.200
1.223
0.612
0.819
0.003
32.514
70.439
0.160
1.229
0.615
0.817
0.003
40.558
70.108
0.260
1.224
0.612
0.819
0.005
25.009
Rerata
34.507
14
Lanjutan Lampiran 6 Kalsinasi 2 jam, 800 °C. 2θ (°)
β (°)
2θ (rad)
θ (rad)
cos θ
β (rad)
L (nm)
9.052
0.120
0.158
0.079
0.997
0.002
66.401
11.656
0.120
0.203
0.102
0.995
0.002
66.538
11.925
0.260
0.208
0.104
0.995
0.005
30.717
14.172
0.230
0.247
0.124
0.992
0.004
34.802
21.353
0.200
0.373
0.186
0.983
0.003
40.416
23.958
0.260
0.418
0.209
0.978
0.005
31.231
24.567
0.307
0.429
0.214
0.977
0.005
26.515
25.336
0.377
0.442
0.221
0.976
0.007
21.613
27.472
0.220
0.479
0.240
0.971
0.004
37.169
28.366
0.170
0.495
0.248
0.970
0.003
48.194
28.641
0.080
0.500
0.250
0.969
0.001
102.475
29.799
0.320
0.520
0.260
0.966
0.006
25.686
30.498
0.260
0.532
0.266
0.965
0.005
31.666
32.047
0.100
0.559
0.280
0.961
0.002
82.643
33.056
0.400
0.577
0.288
0.959
0.007
20.714
33.411
0.330
0.583
0.292
0.958
0.006
25.131
36.103
0.060
0.630
0.315
0.951
0.001
139.241
36.963
0.260
0.645
0.323
0.948
0.005
32.212
37.845
0.387
0.661
0.330
0.946
0.007
21.715
38.596
0.310
0.674
0.337
0.944
0.005
27.149
41.299
0.140
0.721
0.360
0.936
0.002
60.633
43.379
0.260
0.757
0.379
0.929
0.005
32.879
44.628
0.080
0.779
0.389
0.925
0.001
107.328
48.062
0.432
0.839
0.419
0.913
0.008
20.132
48.566
0.310
0.848
0.424
0.912
0.005
28.110
52.705
0.200
0.920
0.460
0.896
0.003
44.322
53.969
0.350
0.942
0.471
0.891
0.006
25.468
54.509
0.090
0.951
0.476
0.889
0.002
99.280
55.139
0.310
0.962
0.481
0.886
0.005
28.906
56.113
0.220
0.979
0.490
0.882
0.004
40.914
57.983
0.120
1.012
0.506
0.875
0.002
75.677
60.242
0.280
1.051
0.526
0.865
0.005
32.798
67.150
0.180
1.172
0.586
0.833
0.003
52.966
67.490
0.100
1.178
0.589
0.832
0.002
95.527
68.880
0.280
1.202
0.601
0.825
0.005
34.398
70.089
0.180
1.223
0.612
0.819
0.003
53.901
70.419
0.240
1.229
0.615
0.817
0.004
40.508
75.098
0.280
1.311
0.655
0.793
0.005
35.782
Rerata
45.168
15
Lampiran 7 Contoh perhitungan ukuran kristal TiO 2 Ukuran satu butir kristal pada sampel dengan kalsinasi 2 jam 800 °C Data yang diketahui: λ = 0,15404 nm β (o) 0.377
2θ (o) 25.336
2θ (rad) 0.442
θ (rad) 0.221
cos θ 0.976
β (rad) 0.007
D(nm) 21.613
Ukuran kristal dihitung menggunakan formula Scherrer, dengan persamaan: L
(h,k,l)
=
=
0.9 𝜆
𝛽 𝐶𝑜𝑠 𝜃
0.9 . 0.15404 nm 0.007 . 0.976
= 21.613 nm Keterangan:
L = ukuran kristal (nm) pada bidang hkl λ = panjang gelombang sinar-x (nm) 𝛽 = Full Width at Half Maximum / FWHM (radian) θ = setengah sudut difraksi.
16 Lampiran 8 Morfologi kristal TiO 2 Merck pada perbesaran 10000 x
