SINTESA DAN KARAKTERISASI SIFAT STRUKTUR NANO PARTIKEL Fe 3-X Mn X O 4 DENGAN METODE KOPRESIPASI

Transkripsi

1 Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIV HFI Jateng & DIY, Semarang 10 April hal SINTESA DAN KARAKTERISASI SIFAT STRUKTUR NANO PARTIKEL Fe 3-X Mn X DENGAN METODE KOPRESIPASI Abdulloh Fuad, Renik Wulansari, Ahmad Taufiq, Sunaryono Jurusan Fisika Universitas Negeri Malang, Jl. Semarang 5 Malang, afuad@fisika.um.ac.id INTISARI Partikel nano Fe 3-x Mn x (0 x 1) telah disintesa dengan metode kopresipitasi dari bahan alam pasir besi Fe 3. Keunggulan metode ini dapat dilakukan pada suhu rendah ( < 100 o C ), waktu relatif cepat, serta dengan peralatan yang sederhana. Penelitian ini bertujuan untuk mensintesis nano-partikel Fe 3-x Mn x, dan menguji sifat strukturnya. Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah pasir besi dari Tulungagung, HCl (PA 99.9%), NH 4 OH (PA 99.9%), MnCl 2.4H 2 O (PA 99.9%). Karakterisasi kandungan unsur-unsur bahan dilakukan dengan menggunakan XRF (Minipal-4). Sedangkan pengujian sifat struktur dilakukan dengan XRD (X Pert Pro). Hasil pengujian XRD selanjutnya diolah dengan bantuan software, Rietveld, GSAS, Convert dan EXPGUI untuk mendapatkan informasi parameter kisi, posisi atomik, jarak atom terdekat dan sudut antar atom. Hasil penelitian menunjukkan bahwa besarnya Parameter kisi a, b, dan c serta volume kisi partikel nano Fe 3-x Mn x (0 x 1) meningkat sesuai dengan kenaikan doping x. Hal ini terjadi karena jari-jari ion Mn 2+ (0.80A) lebih besar dibandingkan jarijari ion Fe 3+ (0.63A) mengakibatkan jarak antar atom semakin kecil, gaya tarik Fe 3+ semakin kuat, elektron Mn 2+ semakin mudah terlepas dari inti. Kata Kunci: Struktur Kristal, kopresipitasi, Partikel Nano I. PENDAHULUAN Mineral oksida besi magnetit (Fe 3 ) masih terus diteliti dan dikembangkan secara intensif hingga kini. Oksida besi dapat ditemukan secara mudah pada banyak material seperti mill scale dan pasir besi. Keberadaan pasir besi yang terdistribusi secara luas serta jumlahnya melimpah di Indonesia menjadi daya tarik secara ekonomi. Magnetite (Fe 3 ) memiliki berbagai macam aplikasi antara lain di bidang biomedis, absorbent, dan katalis. Bakar dkk (2007). Para peneliti juga mengembangkan pendopingan terhadap Fe 3. Hal ini diharapkan agar memperoleh bahan baru dengan sifat yang lebih baik dari sebelumnya. Dalam penelitian ini telah dikembangkan metode fabrikasi partikel nano Fe 3-x Mn x dengan metode kopresipitasi. Hal yang menarik dalam penelitian ini adalah penggunaan pasir alam dari Tulungagung sebagai bahan dasar magnetite Fe 3. Berangkat dari uraian di atas, maka peneliti tertarik untuk melakukan penelitian dengan judul Sintesa dan karakterisasi partikel Nano Fe 3-x Mn x dengan metode kopresipitasi. II. TINJAUAN PUSTAKA II.1. Pasir Besi Pasir besi adalah sumber daya alam yang sangat berlimpah di Indonesia, khususnya di Pulau Jawa. Salah satu kajian yang menarik dari pasir besi adalah penelitian struktur Kristal dan sifat kemagnetanya. Kandungan pasir besi pada pasir alam sangat potensial dan memiliki nilai ekonomis tinggi. Oleh karena itu perlu diteliti pemanfaatan lebih lanjut pasir besi pada bidang material science. Sampai saat ini pemanfaat pasir alam di Indonesia sangat terbatas sebagai bahan bangunan. Harganyapun sangat rendah Rp ,-/m 3. Jika diolah melalui pemisahan kadar Fe 3 nya, harganya bisa meningkat menjadi Rp ,- /kg. Pemanfaatan lain dalam material science adalah ferrofluida dan ferrogel. Dalam pembuatan ferrofluida, pasir besi diekstrak menggunakan bahan magnet. Pasir besi yang menempel pada magnet dihaluskan dan ekstral ulang menggunakan magnet. Selanjutnya proses ini diulang sekitar 3 kali. Akan diperoleh Fe 3 dengan kemurnian sekitar 80%. Langkah berikutnya adalah pembuatan Fe 3 dalam ukuran nanopartikel. Untuk memperoleh Fe 3 nanopartikel digunakan metode kopresipitasi. II.2. Oksida Besi Magnetite (Fe 3 ) Strukur Fe 3 dapat ditulis FeO. Fe 2 O 3 membentuk spinel invers dalam bentuk kubik. Sesuai ICSD dengan kode diketahui Fe 3 memiliki space group F d -3 m Z dengan no 227 dan panjang kisi yang sama yaitu a = b = c sebesar 8,396 Å dan sudut α = β = γ = 90 o. Secara detail struktur Fe 3 ditunjukkan pada Gambar 1.

2 140 Abdulloh Fuad, dkk / Sintesa Dan Karakterisasi Sifat Struktur Nano Partikel Fe 3-X Mn X Dengan Metode Gambar 1. Struktur spinel Fe 3 berdasarkan ICSD dengan kode Saat ini para peneliti telah memfokuskan penelitiannya tentang Fe 3. Penulis memfokuskan penelitiannya pada peningkatan sifat magnetnya. Oleh karena itu penulis melaporkan tentang hasil pendopingan Mn pada Fe 3. Pendopingan Mn pada Fe 3 dinyatakan dalam persamaan reaksi Fe 3- xmn x. Fokus dari penelitian ini adalah memperoleh bahan nanopartikel Fe 3-x Mn x. II.3. Besi-Mangan Oksida (Fe 3-x Mn x ) Oksida besi magnetit (Fe 3 ) merupakan struktur spinel dengan ion-ion logam bervalensi ganda. Menurut Wichkam (1969) komposisi dan distribusi muatan pada Fe 3-x Mn x dapat dijabarkan sebagai berikut. Mn 2+ x Fe 3+ 1-x [Fe 2+ 1-x Fe 3+ 1+x ] Oktahedral Tabel 1. Distribusi ion-ion Fe dan Mn serta sifat spinel Fe 3-x Mn x X Bahan Distribusi Spinel Sifat Spinel 0,0 Fe 3 Fe 3+ [ Fe 2+ Fe 3+ ] Invers 0,2 Fe 2,8 Mn 0,2 Mn 2+ 0,2 Fe 3+ 0,8 [ Fe 2+ 0,8 Fe 3+ 1,2 ] Campuran 0,4 Fe 2,6 Mn 0,4 Mn 2+ 0,4 Fe 3+ 0,6 [ Fe 2+ 0,6 Fe 3+ 1,4 ] Campuran 0,6 Fe 2,4 Mn 0,6 Mn 2+ 0,6 Fe 3+ 0,4 [ Fe 2+ 0,4 Fe 3+ 1,6 ] Campuran 0,8 Fe 2,2 Mn 0,8 Mn 2+ 0,8 Fe 3+ 0,2 [ Fe 2+ 0,2 Fe 3+ 1,8 ] Campuran 1,0 FeMn Mn 2+ [Fe 3+ 2 ] Normal III. METODE PENELITIAN Pada penelitian ini telah dilakukan sintesa bahan Fe 3-x Mn x dengan metode kopresipitasi. Metode ini menggunakan asam clorida sebagai asam kuat untuk melarutkan bahan dasar pasir besi. Pada reaksi ini dihasilkan larutan FeCl 3. Proses pendopingan Mn dilakukan dengan pencampuran MnCl 2.4H 2 O. Untuk mengendapkan larutan, digunakan NH 4 OH. Berdasarkan reaksi kimia, untuk pembuatan Fe 3-x Mn x dengan menggunakan metode kopresipitasi dapat dilakukan seperti persaman-persamaan reaksi berikut. Fe + 2HCl FeCl 2 + H 2 2Fe + 6HCl 2FeCl 3 + 3H 2 2FeCl 3 + FeCl 2 + xmncl 2.4H 2 O + 8NH 4 OH Fe 3-x Mn x + 8NH 4 Cl + 4H 2 O Pada Gambar 2 disajikan diagram alur proses pembuatan Fe 3-x Mn x.

3 Abdulloh Fuad, dkk / Sintesa Dan Karakterisasi Sifat Struktur Nano Partikel Fe 3-X Mn X Dengan Metode 141 HCL Pasir Pasir besi Diekstrak dengan magnet permanen Pencampuran Magnetic Stirrer pada suhu <100 0 C selama ± 40 menit Pendinginan Pencampuran MnCl 2.4H 2 O MnCl Larutan 2.4Hini 2 O dimasukkan dulu Penyaringan Cairan hasil saringan Pencampuran NH 4 OH Penyaringan Endapan hasil saringan Fe 3 x Mn x OVEN Pada suhu C Selama 1 jam Karakterisasi Karakterisasi Karakterisasi Karakterisasi Analisis Data dan Pembahasan Gambar 2. Diagram alur penelitian IV. HASIL DAN PEMBAHASAN IV.1. Hasil Uji XRF Setelah bahan telah berhasil disintesis diperoleh partikel nano Fe 3-x Mn x (0 x 1). Untuk mengetahui berapa persen unsur Fe dan Mn yang terdapat dalam partikel Fe 3-x Mn x (0 x 1) digunakan uji XRF. Sebagaimana pada tabel 2.

4 142 Abdulloh Fuad, dkk / Sintesa Dan Karakterisasi Sifat Struktur Nano Partikel Fe 3-X Mn X Dengan Metode Tabel 2. Hasil uji XRF ( X-Ray Flouresence) No urut Bahan Fe (%) Mn (%) 1 Fe Fe 2,8 Mn 0, Fe 2,4 Mn 0, Fe 2,2 Mn 0, Fe 2 Mn 0, Fe 2 Mn Dari hasil uji XRF di atas dapat dilihat bahwa pendopingan Mn dapat masuk pada Fe3O4, meskipus fraksi molarnya terdapat perbedaan dari persamaan reaksinya. IV.2. Hasil Uji XRD Analisis search match untuk semua sampel 0 x 1 menghasilkan pola difraksi yang sama dengan pola difraksi Fe 3 yang memiliki no PDF tanpa ada fasa yang lain. Hasil pengukuran kurva XRD dapat dilihat pada Gambar 3. Fe 2 Mn Fe 3 Fe 2.2 Mn 0.8 O4 Fe 2.4 Mn 0.6 Fe 2.6 Mn 0.4 Fe 2.2 Mn 0.8 Fe 2 Mn Fe 2.8 Mn 0.2 Fe 2.4 Mn 0.6 Intensity (a.u) Fe 2.6 Mn 0.4 Fe 2.8 Mn 0.2 Fe Theta (deg) Gambar 3. Kurva hasil pengukuran XRD (diukur di Lab. Sentral FMIPA UM) Dari Grafik XRD di atas dapat diketahui kualitas kristal dengan menghitung nilai FWHM. Kurva FWHM sebagai fungsi fraksi molar x, ditunjukkan pada Gambar Nilai FWHM ( o ) Variasi x Gambar 4. Hubungan variasi x terhadap Nilai FWHM Pada Fe 3-x Mn x

5 Abdulloh Fuad, dkk / Sintesa Dan Karakterisasi Sifat Struktur Nano Partikel Fe 3-X Mn X Dengan Metode 143 Berdasarkan Gambar 4 menunjukkan bahwa nilai FWHM untuk Fe 3 O adalah A. Nilai FWHM cenderung mengalami penurunan pada x=0.2 yaitu A. Selanjutnya mengalami peningkatan peningkatan berturut-turut untuk untuk variasi x semakin besar. Nilai FWHM terbesar pada x=1 yaitu A. Hal ini menunjukan bahwa pada x=0,2 terjadi pembentukan kristal dengan grain terbesar. IV.3. Data Hasil Penghalusan Dari hasil penghalusan data XRD diperoleh nilai parameter kisi dan volume kristal partikel nano Fe 3-x Mn x sebagai variasi fraksimolar x, ditunjukkan pada Tabel 3. Tabel 3. Parameter Kisi Fe 3-x Mn x Hasil Penghalusan Parameter Variasi x a=b=c (Å) V (Å 3 ) R p R wp χ D wd tabel 4. Jarak antar atom terdekat dari struktur Fe 3-x Mn x untuk berbagai variasi x, ditunjukkan pada Tabel 4. jarak atom terdekat dengan variasi x Jarak atom variasi x Terdekat ( o A) Fe3_O (1) Fe3_O (2) Fe2_O Mn_O Mn_Fe Mn_Fe Mn_Mn Berdasarkan Tabel 4 dapat dilihat bahwa jarak antar atom Fe3_O(1) dan Fe3_O(2) meningkat dengan bertambahnya nilai x. Perubahan fraksi mol x berpengaruh pada jarak atom Fe3_O(2) mengalami perubahan. Jarak atom Fe3_O(1) terdekat diperoleh pada x = 0 yaitu sebesar Å dan jarak paling jauh diperoleh pada x = 1 yaitu sebesar Å. Jarak atom Fe3_O(2) terdekat diperoleh pada x = 0 yaitu sebesar Å dan jarak paling jauh diperoleh pada x = 1 yaitu sebesar Å. Dalam penelitian ini sudut antar atom terdekat juga diteliti. Hasil perhitungan sudut antar atom terdekat ditunjukkan pada Tabel 5. Tabel 5. Sudut antar atom terdekat terhadap variasi x Sudut atom variasi x Terdekat ( o A) O_Fe3_O (1) O_Fe3_O (2) O_Fe3_O (3) O_Fe3_O (4) O_Fe2_O (1) O_Fe2_O (2)

6 144 Abdulloh Fuad, dkk / Sintesa Dan Karakterisasi Sifat Struktur Nano Partikel Fe 3-X Mn X Dengan Metode Sudut atom variasi x Terdekat ( o A) O_Fe2_O (3) O_Mn_O (1) O_Mn_O (2) O_Mn_O (3) Berdasarkan Tabel 5 dapat dilihat bahwa sudut antar atom untuk O_Fe3_O(1) dan O_Fe3_O(2) bernilai konstan. Sudut antar atom O_Fe3_O (1) diperoleh nilai sebesar A dan Sudut antar atom O_Fe3_O (2) diperoleh nilai sebesar A. IV.4. Ukuran Kristal Ukuran kristal suatu fasa dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Scherrer yaitu: L ave = B 0 kλ cosθ L merupakan ukuran kristal, k merupakan konstanta, Bo merupakan (Full Width Half Maximum, ave FWHM) dan θ merupakan sudut difraksi, dimana grafik ditunjukkan pada Gambar Ukuran Kristal (nm) Variasi x Gambar 5. Grafik ukuran kristal serbuk Fe3-xMnxO4 terhadap variasi x yang disentesis dengan metode kopresipitasi V. KESIMPULAN Berdasarkan analisis data dan pembahasan di atas dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Struktur kristal partikel nano Fe 3-x Mn x (0 x 1) adalah stuktur kubik yang sperik. 2. Ukuran kristal partikel nano Fe 3-x Mn x terendah dimiliki oleh x = 1 yaitu sekitar 3.87 nm dan terbesar oleh x = 0.2 yaitu sekitar 8.53 nm. 3. Parameter kisi dan Volume kisi partikel nano Fe 3-x Mn x (0 x 1) semakin meningkat yaitu naik secara linier seiring dengan kenaikan doping x. Hal ini terjadi karena jari-jari ion Mn 2+ (0.80 o A) lebih besar dibandingkan jari-jari ion Fe 3+ (0.63 o A) mengakibatkan jarak antar atom semakin kecil, gaya tarik Fe 3+ semakin kuat, elektron Mn 2+ semakin mudah terlepas dari inti. VI. DAFTAR PUSTAKA Bakar M. Abu, W.L. Tan, N.H.H. Abu Bakar Journal of Magnetism and Magnetic Materials 314 Vol 1-6. Callister, William J Material Science and Engineering. Addison-wesley publishing company, Inc.

7 Abdulloh Fuad, dkk / Sintesa Dan Karakterisasi Sifat Struktur Nano Partikel Fe 3-X Mn X Dengan Metode 145 Cullity B.D Introduction to Magnetic Material. USA. Addison Wesley. Gnanaprakash. G, S. Mahadevan, T. Jayakumar, P. Kalyanasundaram, J. Philip, B. Raj, Materials Chemistry and Physics 103 (2007) Gamos J.A., M.H. Sousa, F.A. Tourinho, J. Mestnik-Filho, R. Itri, J.Depeyrot Journal of Magnetism and Magnetic Materials Iida H, K. Takayanagi, T. Nakanishi, T. Osaka, Journal of Colloid and Interface Science 314 (2007) Li-Xia Yang, et.al Low Tempeature Synthesis Of Mn 3 Polyhedral Nanocrystals And Magnetic Study. Journal of Solid State Chemistry vol 179, Elsevier. Moskowitz, B, M Hitchhiker's Guide to Magnetism in enviromental magnetism Workshop. University of Minnesota. 5 8 June Munaji Pembuatan Ferogel Berbasis Partikel Nano Ferit Fe 3. Tugas Akhir. Jurusan Fisika Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Pratapa. S Analisis Rietveld. Jurusan Fisika ITS. Surabaya. Regina C.C. Costa, M.F.F. lelis, L.C.A. Oliveira, J.D. Fabris, J.D. Ardisson, R.R.V.A. Rios, C.N. Silva, R.M.Lago Journal of Hazardous Materials B129 Vol