SINTESIS MATERIAL FOTOKATALIS Zn (1-x) Li (x) O DENGAN TEKNIK PRESIPITASI MELALUI METODE KIMIA BASAH DAN KARAKTERISASINYA

SINTESIS MATERIAL FOTOKATALIS Zn(1-x)Li(x)O DENGAN TEKNIK PRESIPITASI MELALUI METODE KIMIA BASAH DAN KARAKTERISASINYA Farid Wijaya(a), Anne Zulfia Syahrial(a), Rosari Saleh(b) (a)

Departemen Metalurgi dan Material, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia

(b)

Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas

Indonesia

ABSTRAK Fotokatalis Li+-ZnO disintesis untuk kepentingan peningkatan efisiensi fotokatalisis dari semikonduktor ZnO. Serbuk fotokatalis yang disintesis dengan menggunakan teknik presipitasi ini dikarakterisasi melalui serangkaian pengujian, seperti pengujian X-Ray Diffraction (XRD), pengujian Ultraviolet-Visible (UV-Vis), dan pengujian Atomic Absorption digunakan untuk Spectrophotometry (AAS). Metil jingga sebagai media degradasi mengestimasi aktivitas fotokatalisis dari sampel-sampel dengan melakukan perhitungan pada presentase degradasi dari media tersebut. Hasil penelitian menunjukkan bahwa aktivitas fotokatalisis meningkat dengan penambahan konsentrasi doping. Selain itu, semakin besar konsentrasi doping, maka semakin kecil celah pita energi yang membuat semakin mudahnya eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Kata kunci : Fotokatalis, ZnO, doping lithium, celah pita energi, aktivitas fotokatalis

ABSTRACT +

Li -ZnO photocatalys were synthesized for the sake of improvement in photocatalytic efficiency from ZnO seiconductor. The photocatalyst powder synthesized by using precipitation mehod were characterized by several testing, such as X-Ray Diffraction (XRD) testing, Ultraviolet-Visible (UV-Vis) testinsg, and Atomic Absorption Spectrophotometry (AAS) testing. Methyl orange as degradation media was used to estimate the photocatalytic activity from samples by calculating the degradation percentage of those media. The result showed that photocatalytic activity increased with the higher doping concentration. In addition, higher concentration of doping, smaller band gap energy making electron easily exicitate. Keywords : Photocatalyst, ZnO, doping lithium, band gap energy, photocatalytic activity

1.

Pendahuluan Fotokatalis merupakan salah satu metode AOPs (Advanced Oxidation Processes).

Karakteristik AOPs adalah pembentukan radikal bebas yang sangat aktif, terutama radikal

Sintesis Material ..., Farid Wijaya, FT UI, 2013

hidroksil (OH˙) yang akan menguraikan zat kimia yang berbahaya menjadi CO2 dan H2O. Bahan yang dapat dijadikan fotokatalis merupakan semikonduktor yang mampu mengadsorp foton[1]. Terdapat beberapa kriteria yang diperlukan bahan semikonduktor sebagai material fotokatalis yang menurut Litter[2] adalah : 1. Bersifat fotoaktif 2. Mampu memanfaatkan cahaya tampak atau ultraviolet dekat 3. Bersifat inert secara biologis dan kimiawi 4. Bersifat fotostabil (stabil terhadap cahaya) 5. Murah dan mudah didapatkan 6. Tidak larut dalam reaksi

Gambar 1.1 Fotokatalis, (kiri) prinsip kerja fotokatalis, (kanan) proses fotokatalis [3-5].

Fenomena fotokatalisis (Gambar 1.1) diawali dengan fotoeksitasi, sebagai akibat adanya cahaya ultraviolet yang mengenai bahan semikonduktor memiliki energi yang lebih besar dari celah pita semikonduktornya, sehingga akan mentransfer elektron dari pita valensi ke pita konduksi sekaligus menghasilkan hole (h+) pada pita valensi. Sehingga proses fotoeksitasi akan menghasilkan elektron pada pita konduksi dan hole pada pita valensi[5]. Jika suatu semikonduktor dikenai cahaya dengan energi (hv) yang sesuai, maka elektron (e-) pada pita valensi akan berpindah menuju pita konduksi, dan meninggalkan lubang positif (hole/h+) pada pita valensi. Sebagian besar pasangan elektron-hole (e- dan h+) akan rekombinasi kembali, baik dipermukaan ataupun di dalam bulk partikel. Namun, sebagian lain dari pasangan e- danh h+ dapat bertahan sampai permukaan semikonduktor dan pada akhirnya h+ dapat menginisiasi reaksi oksidasi dan dilain pihak e- akan menginisiasi reaksi reduksi zat kimia yang ada disekitar permukaan semikonduktor[5]. Salah satu teknologi yang saat ini dikembangkan adalah proses fotokatalisis seperti fotokalisis seng oksida (ZnO). ZnO merupakan salah satu katalis jenis semikonduktor oksida


seperti halnya TiO2, Fe2O3, SnO2, WO3[6-7]. Seng oksida (ZnO) merupakan semikonduktor yang khas dengan celah pita energi langsung (direct band gap) sebesar 3.37eV dan energi ikatan eksiton (exciton binding energy) yang besar senilai 60 meV pada temperatur ruang[8]. Dengan energi ikatan eksiton yang besar menyebabkan tindakan penguat berdasarkan rekombinasi eksiton dan mungkin interaksi polariton / eksiton bahkan di atas suhu kamar. Karenanya ZnO merupakan salah satu kandidat material fotokatalis yang menjanjikan terutama untuk aplikasi di rentang sinar UV. ZnO terbentuk dari Zn dan O yang dikenal pula sebagai semikonduktor II-VI yang ionicity berada di perbatasan antara semikonduktor kovalen dan ion. ZnO memiliki beberapa struktur kristal yakni zinc blende, rocksalt (Rochelle salt) dan wurtzite dengan Fase kestabilan ZnO pada temperatur ruang dan tekanan normal berupa simetri wurtzite[9]. Formulasi persamaan reaksi kimia seng oksida berupa persamaan nonstoikiometri diakibatkan native point defects seperti interstisial seng (Zni) atau kekosongan oksigen (Vo) yang dihasilkan secara termal oleh variasi oksigen (atau seng), tekanan dan temperatur[10]. ZnO secara alami membentuk semikonduktor tipe-n dengan konduktivitas tinggi diakibatkan intersisi Zn dan kekosongan (vacancy) O. Pada suhu ruang, ZnO bersifat sebagai isulator daripada bersifat sebagai semikonduktor. ZnO semikonduktor tipe-p dapat dicapai dengan doping gabungan dari ion akseptor berlevel dangkal (shallow acceptor levels)[11]. Kesulitan pembentukan ZnO tipe-p disebabkan akseptor berlevel dalam (deep acceptor levels), efek kompensasi diri (self-compensating effect) dan kelarutan yang rendah dari akseptor ion pendoping (dopant)[11]. Tipe-p dapat dicapai dengan doping dengan menggunakan dopant tipe-p dari golongan IA (Li, Na, K) dan golongan VA (N, P, As) dimana secara teori dopant tipe-p dari golongan I lebih baik dari golongan V karena akseptor level dari golongan I lebih dangkal[12]. Lithium merupakan kandidat terbaik untuk dopant dari golongan IA karena memiliki panjang ikatan (bond length) 2.03 Å sedangkan ZnO : 1.93 Å dengan jari-jari ion lithium = 0.76 Å[13] sedangkan Zn2+ = 0.74 Å[14] sehingga terdapat perbedaan jari-jari kurang dari 10%. Walau demikian berdasarkan beberapa literatur lithium memiliki jari-jari ion 0.60 Å dan 0.68 Å[14]. Lithium memiliki level cacat energi (defect energy level) sebesar 0.09 eV, terhitung dangkal dan dapat memfasilitasi perubahan kondukstivitas tipe-n pada ZnO menjadi tipe-p atau semi-insulating dengan bertindak sebagai impuritas. Ion lithium dapat berperilaku sebagai donor dan sebagai akseptor pada ZnO[15]. Perilaku donor muncul ketika lithium menjadi pengotor intersisi sedangkan perilaku akseptor muncul ketika lithium mensubstitusi ion Zn2+ pada kisi[9.16].


2.

Metode Penelitian Penelitian ini dibagi atas beberapa tahapan yang terlihat pada diagram alur eksperimen

berikut ini, yaitu: (i). Formulasi, (ii) Penyiapan alat dan bahan, (iii). Proses pencampuran (mixing) reagen, (iv). Proses pengadukan (stirring), (v). Proses pengendapan (precipitation), (vi). Proses aging, (vii). Proses pengeringan (drying), (viii). Karakterisasi dan (ix). Pengujian aktivitas fotokatalisis sampel.

2.1. Sintesis Serbuk Fotokatalis Zn(1-x)Li(x)O Material Fotokatalis Zn(1-x)Li(x)O disintesis menggunakan metode kimiawi basah teknik presipitasi. Prekursor yang digunakan ZnSO4.7H2O dengan Li2SO4.H2O sebagai penyuplai ion lithum dan NaOH sebagai pelarut dan sumber alkalin (pembasa). Konsentrasi doping lithium digunakan 3%, 6%, 10% dan 20%. ZnSO4.7H2O dan Li2SO4.H2O dilarutkan dalam aquades, di-ultrasonic cleanser selama 2 jam dan dicampur larutan NaOH hingga pH = 13 menggunakan magnetic stirrer pada temperatur ruang selama 30 menit yang kemudian diendapkan dengan prinsip gravitasi dan sentrifugasi. Endapan kemudian di-ageing selama 24 jam pada temperatur ruang yang kemudian dikeringkan pada kondisi vakum. Sampel diproses vakum (0 mbar) sebanyak 4 kali yang diselingi proses fluxing gas argon sebanyak 3 kali. Pengeringan dilakukan pada 1000C selama 6 jam. Hasil berupa serbuk yang kemudian akan dikarakterisasi dengan X-Ray Diffraction (XRD), Ultraviolet-Visible (UV-Vis), dan Atomic Absorption Spectrophotometry (AAS). Metil jingga sebagai media degradasi digunakan untuk mengestimasi aktivitas fotokatalisis dari sampel-sampel dengan melakukan perhitungan pada presentase degradasi dari media tersebut.

Berikut adalah penyederhanaan simbol untuk memudahkan dalam penulisan, sebagaimana yang tertera pada Tabel 2.1 di bawah ini. Tabel 2.1 Pengkodean sampel

AAS Lithium

AAS Lithium

(ppm)

(% Ideal)

Sampel ZnO 3% Li (Zn0.97Li0,03O)

6369

0,0637%

M1


9449

0,0945%

M2


1405,9

0,1406%

M3


1419

0,142%

M4

Sampel (nominal)


Simbol

2.2. Karakterisasi 2.2.1. X-Ray Diffraction (XRD) Pengujian dilakukan menggunakan mesin Phillips PW 1710 X-ray Diffractometer, dengan radiasi monokromatik Cu Kα (λ = 1.54056 A). Data pengujian XRD memperlihatkan posisi 2θ dari tiap puncak yang terdeteksi oleh XRD yang menunjukkan senyawa penyusun material. Adapun ukuran kristalit dari sampel dapat diketahui dengan menggunakan : Persamaan Scherrer[17] :

Dv 

k Bhkl cos 

Persamaan Uniform Deformation Model (UDM)[17] :

Bhkl cos  

k  4 sin  Dv

Persamaan Uniform Stress Deformation Model (USDM)[17] :

Bhkl cos  

k 4 sin   Dv E hkl

Dimana D adalah ukuran diameter kristalit; k adalah konstanta proporsionalitas (=0.89); λ adalah panjang gelombang dari difraksi X-ray yang digunakan (λ = 1.54056 Å); Bhkl merupakan nilai broadening sampel yang sesungguhnya; dan θ adalah sudut Bragg yang terbaca oleh mesin XRD. Pada ukuran kristalit mengunakan persamaan schrrer, regangan tidak diperhitungkan. Pada persamaan UDM, deformasi kisi diperkirakan dengan bentuk modifikasi dari Williamson-Hall (W-H) dengan sifat isotropik kristal diperhitungkan. Sedangkan USDM memberikan gambaran tentang hubungan tegangan-regangan dan regangan sebagai fungsi kepadatan energi u dengan kristal dianggap anisotropik.

2.2.2. Ultraviolet-Visible (UV-Vis) Pengujian UV-Vis dilakukan dengan menggunakan mesin UV-Vis Spektrometer Shimadzu seri UV-2450. Pengujian dilakukan untuk mengetahui spektrum absorbansi sampel terhadap cahaya UV-Vis dalam mengestimasikan nilai celah pita dari fotokatalis variasi Li dalam ZnO menggunakan panjang gelombang antara 200-800 nm. Estimasi dilakukan menggunakan hubungan nilai (Fr)2 terhadap nilai hv, dimana nilai Fr merupakan persamaan Kubelka-Munk


(1  R) 2 2 ( fr )  ( )R 2R 2

Dengan (Fr)2 adalah hasil kalkulasi nilai reflektansi dan R adalah nilai reflektansi sampel yang kemudian di-plot ke grafik hubungan nilai (Fr)2 dengan nilai celah pita (hv). Nilai energi ekstrapolasi dari bagian grafik yang membentuk garis lurus menuju sumbu x (y=0).

2.3. Pengujian Aktivitas fotokatalisis Pengujian menggunakan mesin UV-Vis Spektrometer Shimadzu seri UV-2450. Bertujuan untuk mengetahui aktivitas fotokatalis dari sampel material Zn(1-x)Li(x)O dengan media degradasi metil jingga (MO). Pengujian dilakukan terhadap larutan MO ber-pH 7 yang telah diaduk homogen dengan rentang waktu penyinaran sinar UV : 0, 10, 20, 30, 45 dan 60 menit.

Keterangan Gambar 2.1 : 1.

Lampu Ultraviolet

2.

Magnetic Stirrer

3.

Wadah larutan sampel

4.

Larutan yang diuji

Gambar 2.1 Skema pengujian aktivitas fotokatalisis[27]

Konsentrasi dari larutan metil jingga pada setiap sampel hasil penyinaran UV tersebut dikontrol setiap interval waktu dengan cara mengukur absorbansi maksimum metil jingga. Adapun persamaan persentase degradasi fotokatalisis[18] dari metil jingga :

%P 

A0  At C  Ct x100%  0 x100% A0 C0

Dan persamaan kinetika[18] dari foto-dekomposisi metil jingga :

C  ln  0   k appt C  Dengan P adalah persentase degradasi fotokatalisis larutan; A0 adalah absorbansi dari larutan sebelum disinari UV; At adalah absorbansi dari larutan metil jingga setelah t jam; Kapp adalah kecepatan konstan (min-1), C0 adalah Konsentrasi awal; C adalah konsentrasi terdegradasi dan t adalah lama waktu penyinaran (min).


3.

Hasil Penelitian dan Pembahasan Grafik analisa hasil uji XRD yang ditunjukkan pada Gambar 3.1 mengilustrasikan hasil

standar pola XRD dari sampel Zn(1-x)Li(x)O. Gambar 3.1a menunjukkan pola sebagaimana referensi database ICDD (International Center for Diffraction Data) dengan COD ID : 9004180[19] dimana pola yang muncul adalah untuk struktur hexagonal wurtzite. Hal ini menunjukkan bahwa penambahan doping lithium pada penelitian ini tidak mengubah struktur wurtzite dari material dasar ZnO. Walau demikian terlihat pula bahwa pada M1 (2θ sekitar 580) dan M4 (2θ diantara 620 dan 660) terdapat pengotor yang tertinggal. Fungsi pola difraksi diilustrasikan lebih jelas pada Gambar 3.1b yang terlihat adanya fungsi penurunan intensitas puncak-puncak (2θ) dengan meningkatnya konsentrasi doping lithium. Penurunan intensitas terjadi secara bertahap dari M1 hingga M3 dan mengalami kenaikan pada M4 untuk bidang (100), (002) dan (101). Gambar 3.1b menunjukkan pula perubahan puncak pada bidang (100) terhadap puncak pada bidang (002) dimana pada M1 (3 wt.% Li) bidang (100) memiliki intensitas dibawah bidang (002) yang kemudian mengalami kenaikan seiring dengan kenaikan wt.% Li. Fungsi ini dapat diartikan secara terbalik dimana intensitas pada bidang (002) secara konstan mengalami penurunan hingga pada M4, intensitas bidang (002) lebih rendah dari bidang (001). Menurut Jeong et al[20] dalam penelitiannya terhadap ZnO thin film dengan 0.1-10 wt.% Li menggunakan metode magnetron sputtering, menunjukkan difraksi puncak (002) akan mengalami penurunan untuk intensitas dan kenaikan sudut (2θ) seiring dengan peningkatan wt.% Li. Demikian pula menurut Lin et al[21] menurut penelitiannya terhadap ZnO film dimana puncak (002) mengalami penurunan dengan meningkatnya kenaikan wt.% Li. Adapun konsentrasi lithium secara nominal dan hasil pengukuran AAS terdapat pada Tabel 2.1.

(a)

(b)

Gambar 3.1 (a) Grafik analisa XRD; (b) Puncak (2θ) bidang (100), (002) dan (101)


Adapun hubungan ukuran kristalit dari sampel Zn(1-x)Li(x)O dilustrasikan Gambar 3.2. Dari Gambar 3.2a terlihat nilai ukuran kristalit berdasarkan persamaan Schrrer, UDM dan USDM untuk setiap sampel dengan besar nilai sebagai berikut : M1 15,00; 23,99; 25,48 nm, M2 13,53; 15,14; 15,89 nm, M3 11,91; 12,46; 12,11 nm dan M4 12,40; 13,50; 14,18 nm. Hal ini menunjukkan bahwa ketiga metode perhitungan membentuk fungsi yang seragam. Ukuran kristalit dengan fungsi terendah - tertinggi berturut-turut dimiliki Schrrer, UDM dan USDM. Berdasarkan Gambar 3.2a terlihat bahwasannya terjadi penurunan ukuran kristalit terhadap peningkatan konsentrasi doping lithium, dari M1 hingga M3 mengalami penurunan secara bertahap dan mengalami kenaikan pada M4. Terjadi kenaikan ukuran kristalit pada M4 diperkirakan terjadi karena distorsi regangan pada kisi. Menurut Khan et al[14] dan Ganesh et al[20] berdasarkan penelitian yang telah mereka lakukan menyatakan bahwa ukuran kristal dari ZnO doping ion Li+ hampir independen terhadap konsentrasi doping, sehingga dapat dikatakan peningkatan konsentrasi doping hampir tidak memiliki pegaruh terhadap ukuran kristal yang didapat. Pengaruh ini dalam artian tidak membantuk fungsi tetap atau konstan. Dari Gambar 3.2b terlihat bahwa terdapat fungsi dominan dimana M1 memiliki ukuran kristalit paling besar disusul oleh M2, M4 dan M3. Terdapat ketidak-teraturan besar kristalit pada tiap bidang terlihat dari nilai broadening yang ditampilkan oleh pola difraksi, tidak membentuk fungsi konstan. Hal ini dapat dipengaruhi oleh banyaknya difusi ion lithium serta banyaknya intersisi Zn dan kekosongan (vacancy) O pada kisi ZnO. Terlihat pula bahwa dari hasil dari penelitian ini didapatkan ukuran kristalit dengan tingkat keteraturan yang cukup tinggi dan hampir membentuk fungsi tetap untuk setiap bidang dengan wt.% Li konstan.

(a)


(b)

Gambar 3.2 (a) Grafik pengaruh wt.% Li terhadap ukuran butir kristalit (b) Pengaruh ukuran kristalit pada bidang, Schrrer Zn(1-x)Li(x)O

Untuk mengetahui lebih jauh akan dibahas regangan dengan menggunakan regangan UDM dan USDM. Pada UDM, regangan diasumsikan beraturan (uniform) di semua arah kristalografi, dengan mempertimbangkan sifat isotropik dari kristalit, dimana semua sifat material independen terhadap sepanjang arah yang terukur. Sedangkan USDM memberikan gambaran tentang hubungan tegangan-regangan sebagai fungsi kepadatan energi u dengan kristal dianggap anisotropik. Hubungan regangan berdasarkan persamaan UDM dan USDM diilustrasikan pada Gambar 3.3. Pada Gambar 3.3a terlihat bahwa pengukuran regangan menggunakan UDM memiliki fungsi regangan yang lebih rendah dari USDM dengan nilai regangan untuk keduanya membentuk fungsi penurunan nilai secara bertahap dari M1 hingga M3 dan mengalami peningkatan pada M4. Hal ini menjelaskan fungsi dari ukuran kristalit yang ditunjukkan pada Gambar 3.2 sebelumnya dimana M1 hingga M3 mengalami fungsi penurunan dan mengalami peningkatan pada M4 dan diperkirakan terjadi karena distorsi regangan pada kisi. Pada Gambar 3.3b terlihat adanya fungsi yang sama untuk setiap sampel sebagaimana yang telah dijelaskan pada Gambar 3.2 dan yang secara bidang terlihat bahwa hubungan antar bidang membentuk fungsi seragam (uniform) dimana terlihat keteraturan pola regangan untuk setiap bidang mulai dari bidang (100), (002), (101) hingga bidang (201). Berdasarkan hukum Bragg, diduga tegangan yang terjadi bersifat kompress hal ini didasarkan hubungan yang terjadi antara regangan dan ukuran kristal berbanding lurus.

(a)

(b)

Gambar 3.3 Grafik strain berdasarkan (a) Persamaan UDM dan USDM (b) Persamaan USDM tiap bidang


Peningkatan konsentrasi doping lithium menyebabkan kenaikan nilai parameter a-axis dan c-axis. Hal ini terlihat dari Gambar 3.4 yang mengilustrasikan kenaikan parameter untuk setiap kenaikan konsentrasi doping lithium. Fenomena peningkatan ini diduga terjadi akibat ion lithium bertindak sebagai substitusi. engan radius ion Li+ = 0.76 Å[13] atau bernilai lebih besar dibandingkan nilai radius ion Zn2+ = 0.74 Å[14] dapat disimpulkan bahwa fenomena yang terjadi pada penelitian ini adalah substitusi ion lithium terhadap Zn yang menyebabkan terjadi kenaikan parameter kisi a-axis dan c-axis. Walau tidak menutup kemungkinan kenaikan nilai parameter a-axis dan c-axis diakibatkan adanya intersisi dan distorsi regangan jika didasarkan pada radius ion Li+ = 0.60 Å[14]. Namun lain halnya jika didasarkan pada radius ion Li+ = 0.68 Å[14], karena keadaan radius yang lebih kecil dengan perbedaan radius dibawah 10% maka yang terjadi adalah substitusi yang mana dari substitusi ini akan menyebabkan penurunan nilai parameter a-axis dan c-axis. Menurut Sayanee et al[16] kenaikan nilai parameter seiring kenaikan konsentrasi ion lithium yang diakibatkan semakin banyak substitusi yang terjadi sedangkan menurut Oral et al[16] kenaikan nilai parameter diakibatkan karena intersisi ion lithium pada kisi dengan keduanya berdasarkan radius ion Li+ = 0.60 Å[14]. Lain halnya menurut Jeong et al[20] dimana terjadi penurunan nilai parameter a-axis dan c-axis akibat terjadinya substitusi dengan didasarkan pada pada radius ion Li+ = 0.68 Å[14].

Gambar 3.4 Grafik parameter a-axis (kiri) dan c-axis (kanan) terhadap wt.% Li


(a)

(b)

Gambar 3.5 Grafik Hubungan (a) Celah pita energi dengan Persen efisiensi (b) Kinetika foto-dekomposisi dengan Laju konstan (Kapp); degradasi metil jingga, Zn(1-x)Li(x)O

Dari keempat sampel yang disajikan pada Gambar 3.5a. terlihat bahwa celah pita energi mengalami penurunan dengan semakin tinggi konsentrasi doping Li yang diberikan. Adapun besar celah pita energi untuk masing-masing sampel ialah : M1 3,2997 eV; M2 3,2909 eV; M3 3,2822 eV; dan M4 3,2469 eV. Menurut Sayanee et al[16] berdasarkan penelitiannya dalam sintesa serbuk Zn(1-x)Li(x)O dengan 0-15 wt.% Li yang dianil pada temperatur 6000C selama 2 jam menunjukkan pemberian konsentrasi ion Li+ akan menurunkan celah pita energi dari material Zn(1-x)Li(x)O terhadap material dasar ZnO. Semakin tinggi wt.% Li semakin rendah celah pita energi yang dimiiki material. Dan Khan et al[14] berdasarkan penelitiannya celah pita energi Zn(1-x)Li(x)O terhadap material dasar ZnO akan mengalami penurunan dan semakin tinggi wt.% Li akan menghasilkan celah pita energi yang semakin rendah sampai batas tertentu diakibatkan kelarutan Li pada ZnO yang terbatas yakni hingga 30 wt.% Li yang selanjutnya celah pita energi akan membentuk fungsi yang tidak dapat ditentukan. Dapat disimpulkan bahwa penurunan ini disebabkan ion Li berdifusi pada kisi ZnO yang menyebabkan celah pita energi menjadi lebih kecil karena ion Li+ pada kisi ZnO akan membentuk sub-celah pita energi baru (lihat Gambar 3.6). Terbentuknya sub-energi ini menurunkan jarak celah pita antara ikatan valensi dan ikatan konduksi. Dengan semakin menurunnya jarak celah pita tersebut maka energi yang dibutuhkan untuk terjadinya eksitasi elektron dari ikatan valensi menuju ikatan konduksi akan semakin menurun pula. Dengan demikian fotokatalis tersebut dapat digunakan untuk menyerap cahaya pada tingkat energi yang rendah seperti cahaya matahari.


Terdapat hubungan antara besar celah pita terhadap aktivitas fotokatalis dari material Zn(1-x)Li(x)O sebagaimana ilustrasikan pada Gambar 3.5a, dimana semakin rendah celah pita energi maka maka semakin tinggi tingkat persen efisiensi degradasi metil jingga. Hal ini dikarenakan semakin rendah tingkat energi foton minimal yang dibutuhkan untuk terjadinya eksitasi elektron. Sehingga pada pemberian energi berupa intensitas UV yang sama, pada material fotokatalis dengan celah psita energi yang lebih kecil akan terjadi reaksi fotokatalis berupa oksidasi dan reduksi pada permukaan material terjadi lebih mudah dan cepat. Dari Gambar terlihat bahwa dengan lama waktu penyinaran yang sama, sampel M4 memiliki persen degradasi tertinggi yang menunjukkan bahwa sampel M4 merupakan material dengan aktivitas fotokatalis terbaik dari semua sampel yang diujikan. Dilihat dari pergerakan grafik terlihat bahwa dengan semakin lama waktu penyinaran dilakukan maka akan didapat persen degradasi yang semakin tinggi. Pada Gambar 3.5b diperlihatkan hubungan dimana semakin lama waktu penyinaran dilakukan, semakin tinggi kinetika foto-dekomposisi metil jingga yang terjadi dengan laju konstan untuk M1, M2, M3 dan M4 adalah 0,000564; 0,000649; 0,000655; dan 0,0012 min-1. Sehingga terlihat jelas bahwa semakin tinggi konsentrasi doping lithium meningkatkan aktivitas fotokatalis. Doping lithium pada Zn(1-x)Li(x)O bertindak sebagai akseptor (acceptor). Keberadaan doping lithium dapat meningkatkan pembentukan hole dan elektron, Pembentukan elektron-hole ini akan berpengaruh terhadap pembentukan radikal OH yang berfungsi sebagai oksidator kuat untuk dapat mendegradasi metal jingga. Dengan adanya penambahan doping ini juga diketahui bahwa dapat menghambat rekombinasi hole dan elektron dengan cara menjebak elektron sehingga dapat meningkatkan efisiensi dari aktifitas fotokatalisis. Menurut Ganesh et al[20] dalam penelitiannya akan aktivitas fotokatalis material Zn(1x)Li(x)O

terhadap metil biru menyatakan bahwa semakin tinggi konsentrasi lithium akan

meningkatkan aktivitas fotokatalis dan semakin tinggi konsentrasi metil biru akan menurunkan aktivitas fotokatalis. Keterangan Gambar 3.6 : E1 adalah nilai celah pita energi sebelum dilakukan doping ion lithium. Sedangkan E2 adalah nilai celah pita energi setelah di-doping ion lithium. Terlihat nilai E2 lebih kecil dibandingkan nilai E1. Gambar 3.6 Diagram celah pita energi setelah di-doping lithium


4.

Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian dalam sintesis, karakterisasi dan pengujian aktivitas

fotokatalis dari material fotokatalis Zn(1-x)Li(x)O menggunakan teknik presipitasi metode kimiawi basah ini, dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : 

Material fotokatalis Zn(1-x)Li(x)O dapat disintesis dengan menggunakan teknik presipitasi metode kimia basah.



Material Zn(1-x)Li(x)O akan memiliki struktur wurtzite dengan perlakuan suhu ruang dan tekanan normal pada 0-20 wt.% Li dengan teknik presipitasi metode kimia basah.



Lithium mensubstitusi Zn pada kisi ZnO dan seiring peningkatan konsentrasi lithium (3, 6, 10, dan 20% Li) pada Zn(1-x)Li(x)O akan : 





Menurunkan ukuran kristalit dengan nilai spesifik sebagai berikut: - Schrrer

: 15,00; 13,53; 11,91; dan 12,40 nm

- UDM

: 23,99; 15,14; 12,46; dan 13,50 nm

- USDM

: 25,48; 15,89; 12,11; dan 14,18 nm

Meningkatkan nilai parameter kisi a dan c dengan nilai sebagai berikut: - Parameter a :

3,24891; 3,24962; 3,25015; dan 3,25893 Å

- Parameter c :

5,20843; 5,21089; 5,21153; dan 5,22348 Å

Menurunkan celah pita energi dengan nilai sebagai berikut: 3,2997; 3,2909; 3,2822; dan 3,2469 eV



Meningkatkan aktivitas fotokatalis dengan nilai dari laju konstan sebagai berikut: 0,000564; 0,000649; 0,000655 dan 0,0012 min-1.

5.

Kepustakaan

[1]

Jean-Marie Herrmann, Fundamentals and misconceptions in photocatalysis, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, Volume 216, Issues 2–3, 15 December 2010, Pages 85-93, ISSN 1010-6030, 10.1016/j.jphotochem.2010.05.015.

[2]

Litter, M. I. 1999. Review Heterogenous Photocatalysis Transition Metals Ion in Photocatalytic System, Applied Catalysis B : Environmental , 89-114.

[3]

National Centre for Catalysis, Synthetic Strategis in Chemistry, Research Indian Institute of Technology, Madras, India, 2008.

[4]

Division MCH Nano Solutions, What is photocatalyst?, Green Earth Nano Science Inc., Canadian

.

Waktu

akses

15.00

WIB

Senin

http://www.mchnanosolutions.com/whatis.html.


26

November

2012.

[5]

Widya, D. Hutomo., Sintesis dan Karakteristik Fotokatalis Mn2+–ZnO Berbasis Zeolit Alam, Universitas Indonesia, Depok, 2012. Page 5-6, 37-38.

[6]

Jean-Marie Herrmann, Heterogeneous photocatalysis: fundamentals and applications to the removal of various types of aqueous pollutants, Catalysis Today, Volume 53, Issue 1, 15 October 1999, Pg 115-129, ISSN 0920-5861, 10.1016/S0920-5861(99)00107-8.

[7]

Augustyn´ski J., Alexander B.D., and Solarska R., Metal Oxide Photoanodes for Water Splitting, Top Curr Chem (2011) 303: 1–38, Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

[8]

Rana, S. B., Singh, P., Sharma, A. K., Carbonari, A. W., Dogra, R., Synthesis and characterization of pure and doped ZnO nanoparticles, Journal of Optoelectronics and Advanced Material Vol. 12, No. 2, February 2010, p. 257 – 261

[9]

Hadis Morkoc; Ozgur, U., Zinc Oxide : Fundamentals, Materials, Material and Device Technology. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA : 2009. Page 1-3,12

[10] Hirschwald, Wolfgang. H., Zinc Oxide: An Outstanding Example of a Binary Compound Semiconductor, Acc. Chem. Res. 1985, 18, 228-234. [11] Chawla, S. Jayanthi, K., Kotnala, R. K., Room-temperature ferromagnetism in Li-doped p-type luminescent ZnO nanorods, Physical Review B 79, 125204, 2009 [12] Tsai, Shu-Yi; Hon, Min-Hsiung; and Lu, Yang-Ming, Local Electronic Structure of Lithium-Doped ZnO Films Investigated by X-ray Absorption Near-Edge Spectroscopy, The Journal of J. Phys. Chem. C 2011, 115, 10252–10255. [13] Kelly, Anthony., and Knowles , Kevin M., Crystallography and Crystal Defects : Appendix 7 : Crystal Structure Data, Second Edition, 2012 John Wiley & Sons, Ltd. Page 491-492 [14] Khan, M K R, Rahman, M M, Tanaka, I, Preparation, Structural and Electrical Properties of Zn1-XLiXO, The Nucleus, 39 (3-4) 2002 : 149-154. [15] Janotti, A., Walle, Chris G Van De, Fundamentals of zinc oxide as a semiconductor, IOP Publishing, Rep. Prog. Phys. 72 (2009) 126501 (29pp). [16] Sayanee Majumdar, P. Banerji, Effect of Li incorporation on the structural and optical properties of ZnO, Superlattices and Microstructures, Volume 45, Issue 6, June 2009, Pages 583-589, ISSN 0749-6036, 10.1016/j.spmi.2009.03.006. [17] Yogamalar R., Srinivasan R., Vinu A., ArigaK., Bose A. C., X-ray peak broadening analysis in ZnO nanoparticles. Solid State Communications 149 (2009) 1919-1923. [18] Fu, M., Li,Y., Wu S., Lu P., Liu J., Dong F., Sol–gel preparation and enhanced photocatalytic performance of Cu-doped ZnO nanoparticles. Applied Surface Science 258 (2011) 1587– 1591.


[19] Kihara, K.; Donnay, G. Anharmonic. Thermal vibrations in ZnO Model: 3-c, at T = 293 K The Canadian Mineralogist 23 (1985) 647-654. [20] Ganesh, Ibram; Sekhar, P. S. Chandra; Padmanabham, G.; Sundararajan, G., Influence of Li-doping on structural characteristics and photocatalytic activity of ZnO nanopowder formed in a novel solution pyro-hydrolysis route, Applied Surface Science vol. 259 October 15, 2012. p. 524-537. [21] Lin Yow-J., Wang Mu-S., Liu Chia-J., Huang Hsueh-J., Defects, stress and abnormal shift of the (0 0 2) diffraction peak for Li-doped ZnO films. Applied Surface Science 256 (2010) 7623–7627.


SINTESIS MATERIAL FOTOKATALIS Zn (1-x) Li (x) O DENGAN TEKNIK PRESIPITASI MELALUI METODE KIMIA BASAH DAN KARAKTERISASINYA

Recommend Documents