104
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIV HFI Jateng & DIY, Semarang 10 April 2010 hal. 104-109
SINTESIS PARTIKEL NANOCRYSTALLINE TiO2 UNTUK APLIKASI SEL SURYA MENGGUNAKAN METODE SONOKIMIA Gerald Ensang Timuda Pusat Penelitian Fisika, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia, Kompleks PUSPIPTEK Serpong. E-mail:
[email protected];
[email protected] Akhiruddin Maddu Departemen Fisika, Institut Pertanian Bogor. E-mail:
[email protected] Irmansyah Departemen Fisika, Institut Pertanian Bogor. E-mail:
[email protected] Bambang Widiyatmoko Pusat Penelitan Fisika, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia, Kompleks PUSPIPTEK Serpong. Email:
[email protected]
INTISARI Partikel nanocrystalline TiO2 merupakan komponen material yang penting pada sel surya tersensitisasi dye (dye-sensitized solar cell, DSSC). Bahan TiO2 yang umum digunakan adalah Degusa P25 yang memiliki ukuran kristal (apparent crystal size, ACS) 27,04 nm. Sebagai alternatif, dilakukan sintesis partikel nanocrystalline TiO2 dari TiCl4, asetil aseton dan air destilasi sebagai bahan prekursornya, menggunakan metode sonokimia. Gelombang ultrasonik dihasilkan oleh Cole-Palmer Ultrasonic Processor berdaya 130 W dengan frekuensi 20 kHz. Pemaparan gelombang ultrasonik dilakukan pada empat prekursor yang serupa dalam selang waktu yang berbeda yaitu ½, 1, 2 dan 4 jam. Sampel TiO2 yang dihasilkan berbentuk bubuk yang memiliki ukuran kristal berskala nanometer. Karakterisasi XRD menunjukkan ukuran kristal adalah 20,96; 18,65; 16,78 dan 20,96 nm masing-masing untuk sampel hasil pemaparan selama ½, 1, 2 dan 4 jam. Hasil ini menunjukkan bahwa waktu pemaparan mempengaruhi ukuran kristal dan terdapat waktu optimum untuk memperkecil ukuran kristal, setelah waktu optimum terlewati ukuran kristal membesar. Perhitungan parameter kisi dari sampel juga menunjukkan karakter yang serupa dengan karakter ukuran kristal. Pengamatan tentang fase kristal menunjukkan sampel memiliki fase anatase, yang sesuai untuk aplikasi DSSC. Karakterisasi morfologi dilakukan menggunakan SEM, dan memperlihatkan sampel memiliki struktur mesoporous serta mengalami penggumpalan. Kata kunci: nanocrystalline TiO2, metode sonokimia, XRD, SEM, dye-sensitized solar cell (DSSC)
I.
PENDAHULUAN
Titanium dioksida (TiO2) adalah semikonduktor tipe-n yang banyak digunakan pada berbagai jenis aplikasi. Antara lain sel surya (Pandey & Samaddar 2006; Gratzel 2003; Longo & De Paoli 2003), fotokatalis (Kolmakov & Moskovits 2004; Maddu dkk. 2006; Jitputti et al. 2008), sensor biologis dan kimia (Kolmakov & Moskovits 2004), produk kesehatan hingga pigmentasi cat (Gratzel 2003; Kong et al. 2007). Bahan semikonduktor ini memiliki sifat tidak beracun, biocompatible, tersedia secara luas, serta biaya pembuatannya relatif rendah (Gratzel 2003). Untuk aplikasi sebagai sel surya, material ini digunakan pada sel surya jenis baru yang dinamakan sel surya tersensitisasi dye (dye sensitized solar cell, DSSC). Pada jenis sel surya ini, penyerapan energi foton dari cahaya tampak dilakukan oleh bahan yang peka cahaya (dye) yang berfungsi sebagai sensitizer (pen-‘sensitisasi’). Dengan adanya sensitizer maka dimungkinkan terjadinya injeksi/transfer elektron ke material semikonduktor TiO2 walaupun energi foton yang diterima lebih kecil daripada bandgap semikonduktor TiO2 (peristiwa ini dinamakan sensitisasi). Untuk mendukung proses itu, maka material semikonduktor TiO2 harus mampu menjerap molekul dye sebanyak-banyaknya agar semakin banyak elektron yang bisa diterima. Untuk itu, TiO2 harus memenuhi beberapa kriteria antara lain ukuran partikel yang berada dalam skala nanometer. Hal ini perlu karena dengan ukuran partikel dalam skala nanometer, luas permukaan partikel secara keseluruhan menjadi lebih besar. Sehingga, dengan luasan yang lebih besar, dimungkinkan terjadinya penjerapan molekul dye yang lebih banyak. Selain itu partikel TiO2 juga diharapkan memiliki morfologi yang berpori (mesoporous), agar molekul dye tersebut bisa masuk ke sela-sela pori dan bisa terjerap ke setiap permukaan partikel TiO2. Fase kristal yang digunakan juga menjadi persyaratan untuk aplikasi sebagai sel surya. Kristal TiO2 di alam memiliki tiga jenis fase: Anatase, Rutile dan Brookite. Untuk aplikasi sel surya, fase yang umum digunakan adalah Anatase (Pandey & Samaddar 2006; Gratzel 2003; Longo & De Paoli 2003; Dumbrava et al. 2008). Namun, ada juga yang menggunakan fase campuran antara Anatase dan Rutile, sebagaimana yang dimiliki oleh bubuk TiO2 komersil Degusa P25 (Jitputti et al. 2008; Tomita et al. 2008). ISSN 0853 - 0823
Gerald Ensang Timuda, dkk / Sintesis Partikel Nanocrystalline TiO2 Untuk Aplikasi Sel Surya Menggunakan Metode Sonokimia
105
Penelitian yang diulas pada tulisan ini merupakan salah satu upaya untuk melakukan sintesis partikel nanocrystalline TiO2 yang secara khusus ditujukan untuk aplikasi sel surya (DSSC). Metode yang dipilih adalah metode sonokimia, karena metode ini relatif mudah diterapkan dan telah banyak digunakan untuk mensintesis suatu material berpori dari larutan prekursor (Mason & Lorimer 2002). II. METODE PENELITIAN Partikel nanocrystalline TiO2 disintesis melalui perlakuan sonikasi ke prekursor. Prekursor dibuat dengan meneteskan 2 ml TiCl4 ke dalam 2 ml asetil aseton lalu ditambahkan air destilasi sebanyak 40 ml. Setelah itu, larutan diputar dengan kelajuan 300 rpm selama 5 menit. Larutan dibagi dua yang kemudian dinamakan prekursor 1 dan prekursor 2. Percobaan diulang untuk mendapatkan prekursor 3. Prekursor-prekursor tersebut dipapar dengan gelombang ultrasonik di dalam ultrasonic bath berdaya 130 W dengan frekuensi 20 kHz dari alat Cole-Palmer Ultrasonic Processor, masing-masing selama ½, 1, 2 dan 4 jam. Setelah itu semua prekursor dikeringkan di atas pemanas pada suhu 80 0C selama +12 jam hingga terbentuk gumpalan berwarna putih kekuningan. Gumpalan ini kemudian digerus dengan mortar dan dipanaskan di dalam tanur pada suhu 500 0C selama 2 jam sehingga terbentuk bubuk berwarna putih. Bubuk putih ini kemudian dikarakterisasi menggunakan XRD dan SEM. III. HASIL DAN PEMBAHASAN Dihasilkan empat bubuk hasil sintesis dengan metode sonokimia yang diberi nama PUP0,5; PUP1, PUP2 dan PUP4 yang masing-masing untuk waktu sonikasi selama 0,5; 1, 2 dan 4 jam. Karakterisasi struktur kristal dilakukan dengan menggunakan XRD yang dilakukan pada keempat bubuk hasil sintesis dan juga pada bubuk komersil Degusa P25 sebagai pembanding. Kurva karakteristik XRD diperlihatkan pada Gambar 1. Dari Gambar 1 tersebut dapat diamati terdapatnya puncak-puncak yang bersesuaian untuk fase Anatase pada keempat bubuk yang dihasilkan, yaitu pada sudut 2θ di sekitar 250, 370, 480, 540, 550, 620, 680, 700 dan 750. Puncak-puncak tersebut bersesuaian dengan orientasi kristal pada (101), (004), (220), (105), (211), (204), (116), (220) dan (215). Puncak tertinggi dimiliki oleh orientasi bidang (101). Bubuk Degusa P25 juga memiliki puncak-puncak yang bersesuaian dengan puncak untuk fase anatase tersebut. Namun, pada bubuk Degusa P25, juga terdapat puncak yang bersesuaian dengan fase Rutile pada sudut 2θ di sekitar 270, 360, 410, 440 dan 560 (Pavasupree et al. 2008) yang bersesuaian dengan orientasi bidang pada (110), (101), (111), (210), dan (220) (Arami et al. 2007). Pengamatan fase Rutile pada bubuk hasil sintesis menunjukkan hanya sampel PUP0,5 saja yang memiliki kandungan fase rutile. Fase tersebut teramati pada puncak yang bersesuaian dengan orientasi bidang (110). Sedangkan ketiga bubuk yang lain, tidak terdeteksi adanya puncak yang bersesuaian dengan fase Rutile. Sampel PUP0,5 merupakan sampel dengan perlakuan waktu sonikasi terhadap prekursor paling pendek (hanya ½ jam). Sehingga, akumulasi energi yang diterima oleh prekursor paling sedikit dibandingkan sampel yang lain. Hal inilah kemungkinan besar yang menyebabkan munculnya kandungan fase rutile pada sampel. Hasil yang didapat ini bersesuaian dengan hasil yang kami peroleh pada penelitian sebelumnya dimana kami menggunakan gelombang ultrasonik dengan daya lebih kecil (21 W frekuensi 55 kHz). Pada penelitian tersebut didapat hasil bahwa perlakuan waktu sonikasi yang lebih lama mengakibatkan kandungan fase Rutile yang dihasilkan menjadi semakin kecil. Selain itu, kandungan fase Rutile dari semua sampel lebih besar dibandingkan sampel PUP0,5 (Timuda dkk. 2009). Hasil-hasil tersebut mengindikasikan adanya pengaruh akumulasi energi yang diberikan terhadap kandungan fase Rutile. Semakin besar akumulasi energi yang diterima berakibat semakin kecil kandungan fase Rutile.
ISSN 0853 – 0823
Gerald Ensang Timuda, dkk / Sintesis Partikel Nanocrystalline TiO2 Untuk Aplikasi Sel Surya Menggunakan Metode Sonokimia
A (215)
A (116) A (220)
A (204)
A (105) A (211)
A (220)
I (a.u.)
A (004)
A (101)
106
PUP4 PUP2 PUP1
R (110) R 10
20
30
R 40
PUP 0,5
R
R 50
P25 60
70
80
2-theta (deg)
Gambar 1. Kurva XRD dari Bubuk TiO2 hasil sintesis dan Degusa P25 Komposisi kandungan fase rutile terhadap anatase bisa ditentukan secara kuantitatif dengan menggunakan bobot rutile yang terkandung (WR) melalui persamaan (Yu et al. 2003):
WR =
AR , 0,886 AA + AR
(1)
dengan AR adalah jumlah luas daerah terintegrasi dari semua puncak rutile, sedangkan AA adalah jumlah luas daerah terintegrasi dari semua puncak anatase. Dengan menggunakan persamaan tersebut didapat hasil kandungan fase rutile pada bubuk komersil Degusa P25 adalah sebesar 7,75% dan untuk sampel PUP0,5 adalah sebesar 1,25%. Ukuran kristal (Apparent Crystal Size, ACS) dari sampel bisa dihitung secara kuantitatif menggunakan Metode Scheerer melalui persamaan (Han et al. 2004; Abdullah 2009):
ACS =
kλ , β cos θ
(2)
dengan k adalah konstanta sebesar 0,89; λ adalah panjang gelombang sumber sinar-X (dalam hal ini Cu kα sebesar 1,542 Å), dan β adalah setengah lebar puncak difraksi (dalam satuan radian). Nilai β yang digunakan dalam hal ini adalah nilai puncak maksimum yang dimiliki puncak anatase pada orientasi bidang (101). Dan, didapatkan hasil nilai ukuran kristal yang ditampilkan pada Gambar 2. Dari gambar tersebut dapat diamati bahwa ukuran kristal untuk semua sampel hasil sintesis lebih kecil dibandingkan ukuran kristal dari bubuk TiO2 komersil, Degusa P25. Hasil ini merupakan hasil yang positif karena diharapkan dengan ukuran kristal yang semakin kecil mampu menghasilkan ukuran partikel yang lebih kecil pula yang baik untuk diaplikasikan sebagai material sel surya. Dari gambar tersebut dapat pula diamati hubungan antara ukuran kristal terhadap waktu sonikasi pada prekursor. Pada gambar tersebut ditampilkan hasil ukuran kristal sampel secara berurutan yang merupakan produk perlakuan waktu sonikasi secara berurutan pula, dari kiri ke kanan selama ½, 1, 2 dan 4 jam. Dapat diamati bahwa semakin lama waktu sonikasi mengakibatkan ukuran kristal semakin mengecil. Hal ini berlaku kecuali untuk sampel PUP4 (waktu sonikasi 4 jam). Pada sampel tersebut ukuran kristal kembali membesar. Hasil ini mengindikasikan bahwa terdapat waktu optimum untuk memperkecil ukuran kristal, dimana setelah waktu optimum ini terlewati, maka ukuran kristal tidak bisa menjadi lebih kecil lagi tetapi justru kembali membesar. Hal ini dikarenakan pada metode sonokimia terdapat batasan energi yang bisa diberikan agar bisa memberikan dampak yang maksimal bagi terjadinya reaksi kimia (Mason & Lorimer 2002). Ketika batasan energi ini dilewati maka efektifitas reaksi kimia menjadi berkurang.
ISSN 0853 - 0823
Gerald Ensang Timuda, dkk / Sintesis Partikel Nanocrystalline TiO2 Untuk Aplikasi Sel Surya Menggunakan Metode Sonokimia
ACS (nm)
29 27
107
27,04
25 23 21 19
20,96
20,96 18,65
17 15
16,78 PUP 0,5
PUP 1
PUP 2
PUP 4
Nama Sampel
Gambar 2. Ukuran kristal (Apparent Crystal Size, ACS) pada sampel PUP0,5; PUP1, PUP2 dan PUP4. Garis putus-putus adalah nilai ukuran kristal Degusa P25 (sebesar 27,04 nm) Struktur kristal dari partikel TiO2 baik dalam fase Anatase maupun Rutile adalah tetragonal (Khanna et al., 2007; Arami et al., 2007). Nilai parameter kisi dari struktur tetragonal bisa dilakukan dengan metode analitik (Cullity, 1956). Hasil perhitungannya ditampilkan pada Tabel 1. Dari table tersebut dapat diamati bahwa parameter a dari sampel PUP0,5; PUP1 dan PUP2 berturut-turut semakin mengecil, sedangkan pada sampel PUP4 kembali membesar. Sementara parameter c pada sampel PUP1 memiliki nilai lebih kecil dibanding PUP0,5. Dan, pada sampel PUP2 kembali membesar dengan nilai pada PUP4 merupakan nilai terbesarnya. Hasil ini menunjukkan karakter yang sama dengan karakter ukuran kristal. Terdapat waktu optimum yang mempengaruhi parameter kisi. Tabel 1. Parameter kisi sampel hasil sintesis Sampel PUP 0,5* PUP 1 PUP 2 PUP 4
Parameter kisi a (Ǻ) c (Ǻ) 3,780 9,280 3,773 8,596 3,761 8,886 3,792 9,434
*) untuk fase anatase saja. Parameter kisi fase rutile dari sampel ini tidak diamati
Pengamatan morfologi partikel dilakukan dengan menggunakan SEM. Hasil citra SEM ditampilkan pada Gambar 3. Dari gambar tersebut dapat diamati bahwa secara umum partikel yang dihasilkan memiliki morfologi mesoporous (berpori) dan berada pada ukuran skala nanometer. Sifat berpori ini penting dalam aplikasi partikel TiO2 sebagai material sel surya tersensitasi dye (DSSC). Sifat berpori sekaligus ukuran partikel dalam skala nanometer (mesoporous nanoparticle) memberikan manfaat semakin banyaknya kemungkinan molekul dye yang bisa terjerap. Distribusi ukuran partikel tampak tidak seragam pada sampel PUP0,5 yang diakibatkan terjadinya penggumpalan. Dapat diamati terdapatnya bongkahan-bongkahan besar yang kemungkinan hasil penggumpalan, dan juga butiranbutiran kecil yang teramati secara bersamaan. Demikian pula yang terjadi pada sampel PUP2. Sampel PUP1 memiliki bentuk partikel bulat dengan distribusi yang hampir merata. Tidak terdapat banyak penggumpalan yang bisa mempengaruhi variasi ukuran partikel. Bisa dikatakan distribusi ukuran partikel paling baik dimiliki oleh sampel ini. Pada sampel PUP4, ukuran partikel yang teramati cukup bervariasi. Terdapat beberapa bongkahan hasil penggumpalan butiran-butiran kecil. Namun demikian, ukuran butiran partikel kecil dari sampel ini sangat kecil, jauh lebih kecil dibandingkan ukuran partikel yang teramati pada sampel PUP1. Ukuran butiran-butiran kecil ini hampir sama dengan butiran kecil yang teramati pada sampel PUP0,5. Penggumpalan yang terjadi pada sampel PUP4 tidak sebanyak yang tampak pada PUP0,5 maupun PUP2.
ISSN 0853 – 0823
108
Gerald Ensang Timuda, dkk / Sintesis Partikel Nanocrystalline TiO2 Untuk Aplikasi Sel Surya Menggunakan Metode Sonokimia
Gambar 3. Foto SEM dari sampel dengan perlakuan ultrasonic selama (a) 0,5 jam (sampel PUP0,5), (b) 1 jam (sampel PUP1), (c) 2 jam (sampel PUP2) dan (d) 4 jam (sampel PUP4). IV. KESIMPULAN DAN SARAN Metode sonokimia bisa diterapkan untuk menghasilkan partikel nanocrystalline TiO2 untuk aplikasi sel surya tersensitasi dye (DSSC) menggunakan TiCl4, asetil aseton dan air destilasi sebagai bahan prekursornya. Ukuran dan parameter kisi kristal TiO2 yang dihasilkan dipengaruhi oleh waktu sonikasi yang diberikan ke prekursor. Terdapat waktu optimum untuk memperkecil ukuran maupun parameter kisi kristal. Setelah waktu optimum ini terlewati maka ukuran dan parameter kisi kristal kembali membesar. Fase kristal yang dihasilkan dipengaruhi oleh waktu sonikasi pula. Fase campuran antara Anatase dan Rutile teramati pada sampel hasil perlakuan waktu sonikasi paling pendek. Ketika waktu sonikasi diperbesar, fase Rutile tidak teramati lagi. Morfologi partikel TiO2 yang dihasilkan dari metode sonokimia ini secara umum adalah mesoporous nanoparticle. Distribusi ukuran partikel kurang baik bagi sebagian besar sampel akibat terjadinya penggumpalan. Morfologi dan distribusi ukuran partikel terbaik dimiliki oleh sampel hasil perlakuan sonikasi selama 1 jam. V. UCAPAN TERIMA KASIH Penelitian ini didanai oleh Program Beasiswa Unggulan – Sekjen Dikti Depdiknas dan DIPA P2F. VI.
DAFTAR PUSTAKA
Abdullah M. 2009. Pengantar Nanosains. Penerbit ITB: Bandung Arami H, Mazloumi M, Khalifehzadeh R, Sadrnezhaad SK. 2007. Sonochemical preparation of TiO2 nanoparticles. Material Letters; 61: 4559 – 4561. Cullity BD. 1956. Elements of X-Ray Diffraction. Addison-Wesley Publishing Company Inc.: USA Dumbravă A, et al. 2008. Dye-sensitized solar cells based on nanocrystalline TiO2 and natural pigments. Journal of Optoelectronics and Advanced Materials; 10(11): 2996 – 3002. Grätzel M. 2003. Review dye-sensitized solar cells. Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews; 4: 145–153.
ISSN 0853 - 0823
Gerald Ensang Timuda, dkk / Sintesis Partikel Nanocrystalline TiO2 Untuk Aplikasi Sel Surya Menggunakan Metode Sonokimia
109
Han H, Zan L, Zhong J, Zhang L, Zhao X. 2004. The preparation of high-surface-area nanocrystalline TiO2 films using easy-reggregration particles in solution. Material Science and Engineering B; 110:227-232. Jitputti J, Pavasupree S, Suzuki Y, Yoshikawa S. 2008. Synthesis of TiO2 Nanotubes and Its Photocatalytic Activity for H2 Evolution. Japanese Journal of Applied Physics; 47(1): 751–756. Khanna PK, Singh N, Charan S. 2007. Synthesis of nano-particles of anatase-TiO2 and preparation of its optically transparent film in PVA. Materials Letters; 61: 4725–4730. Kolmakov A, Moskovits M. 2004. Chemical sensing and catalysis by one-dimensionalmetal-oxide nanostructures. Annu Rev Mater Res; 34: 151–80. Kong FT, Dai SY, Wang KJ. 2007. Review of Recent Progress in Dye-Sensitized Solar Cells. Hindawi Publishing Corporation Advances in OptoElectronics; 2007(Article ID 75384): 13 halaman Longo C, Paoli MA De. 2003. Dye-sensitized solar cells: a successful combination of materials. J Braz Chem Soc; 14(6): 889-901. Maddu A, Sudana AA, Mubarik NR, Dahlan K. 2006. Disinfeksi Escherichia coli dengan fotoelektrokatalisis pada lapisan TiO2. Jurnal Biofisika; 2: 65-73 Mason TJ, Lorimer JP. 2002. Applied Sonochemistry: Uses of Power Ultrasound in Chemistry and Processing. Wiley-VCH Verlag GmbH: Weinheim. Pandey A, Samaddar AB. 2006. Dye sensitized photo volataic devices: an answer to the daunting challenge of future energy crisis. Advances in Energy Research: 497-502. Timuda GE, Akhiruddin M, Irmansyah. 2009. Pengaruh waktu pemaparan gelombang ultrasonik terhadap komposisi fase, ukuran dan parameter kisi kristal dari nanopartikel TiO2 yang disintesis menggunakan metode sonokimia. Prosiding Seminar Nasional Sains 2009 Institut Pertanian Bogor. Tomita K, et al. 2008. Hydrothermal synthesis of TiO2 nano-particles using novel water-soluble titanium complexes. J Mater Sci; 43: 2217–2221. Yu J, et al. 2003. Effects of acidic and basic hydrolysis catalysts on the photocatalytic activity and microstructures of bimodal mesoporous titania. Journal of Catalysis; 217: 69–78
TANYA JAWAB Anonim ? Kira-kira lamanya waktu hdp ada pengaruhnya dalam lamanya pengadukan ? Gerald E. Timuda @ Diperkirakan tidak tetapi ada kecurigaan bahwa ada pengaruhnya dengan energi. Ketika diberikan ultrasonik akan terdapat gelembung yang terbentuk reaksi kimia. Ada energi optimium dan akan kembali bagi kesemula jika tidak ada proses pengadukan.
ISSN 0853 – 0823
