SINTESIS DAN KARAKTERISASI KATALIS NANOPARTIKEL CaO

Transkripsi

1 Jurnal Teknika Volume 3 No. 2 Tahun SINTESIS DAN KARAKTERISASI KATALIS NANOPARTIKEL CaO Oleh : Cicik Herlina Yulianti, ST, M.Si *) *) Jurusan Teknik Elektro Universitas Islam Lamongan Abstrak Katalis CaO nanopartikel telah berhasil disintesis dengan metode kopresipitasi dari larutan kalsium asetat dan asam oksalat. Endapan dikarakterisasi menggunakan difraksi sinar-x, analisis pola difraksi dengan program Rietica dan Maud, serta karakterisasi dengan spektroskopi inframerah (FT-IR). Analisis XRD menunjukkan bahwa sampel hasil sintesis diketahui sebagai CaO dengan struktur kubik. Perkiraan komposisi fasa dengan program Rietica, menghasilkan CaO sintesis terdiri dari fasa CaO dan CaCO 3. Perkiraan ukuran partikel dengan program Maud, menghasilkan ukuran CaO sintesis sebesar 190 nm. Analisis FT-IR menunjukkan sampel CaO mudah terhidrasi dan terkarbonasi. Kata kunci : CaO, kopresipitasi, nanopartikel 1. Pendahuluan Salah satu sumber energi terbarukan yang akhir-akhir ini banyak mendapat perhatian peneliti adalah biodiesel. Biodiesel memiliki sifat sesuai dengan mesin diesel yaitu ramah lingkungan, dapat diperbaharui dan memiliki viskositas yang baik. Biodiesel dapat diperoleh dari reaksi esterifikasi dari asam lemak bebas dengan alkohol melalui katalis asam atau transesterifikasi dari trigliserida dengan alkohol melalui katalis basa (McNeff dkk, 2008). CaO adalah katalis yang lebih aktif dan telah lama diteliti untuk reaksi transestrifikasi karena harganya yang murah, memiliki kekuatan basa yang tinggi (H_= 26.5) (Liu dkk, 2008) serta sedikit larut dalam metanol dibandingkan dengan oksida atau hidroksida logam alkali tanah yang lain seperti SrO dan Ba(OH) 2 yang terlarut secara penuh dalam media reaksi (Granados dkk, 2007). Produktivitas katalis semakin baik bila luas permukaan per satuan masa katalis besar. Memperbesar luas permukaan per satuan masa katalis dapat dilakukan dengan memperkecil ukuran padatan katalis misalnya dengan membuat padatan katalis berukuran nanopartikel. Pada reaksi transesterifikasi penggunaan katalis dengan ukuran yang lebih kecil dapat meningkatkan jumlah metil ester yang dihasilkan. Cho, dkk (2009), melakukan penelitian transesterifikasi tributirat dengan metanol dengan katalis kalsium oksida yang dipersiapkan dari berbagai prekursor, pada penelitian ini disimpulkan bahwa kalsium oksida yang memiliki luas permukaan paling besar memiliki jumlah sisi basa yang paling besar pula sehingga dapat menghasilkan yield metil butirat yang paling tinggi (yield 52%). Katalis CaO telah diteliti sebagai salah satu katalisator yang baik untuk reaksi transesterifikasi. Untuk meningkatkan aktivitas dan produktivitas katalis maka luas permukaan per satuan masa katalis ditingkatkan dengan membuat katalis CaO dalam ukuran nano. 2. Metode Penelitian Katalis nanopartikel CaO disintesis berdasarkan metode kopresipitasi yang dilakukan oleh Kanade dkk (2006) yaitu dengan menyamakan konsentrasi prekursor yang digunakan. Pada penelitian yang dilakukan oleh Kanade dkk (2006), nanopartikel ZnO berhasil disintesis melalui dekomposisi termal seng oksalat menggunakan prekursor seng asetat dan asam oksalat. Sedangkan pada sintesis ini prekursor seng asetat diganti dengan kalsium asetat dan diendapkan dengan asam oksalat. a. Sintesis Katalis CaO Penyiapan katalis CaO dilakukan dengan membuat larutan Ca(CH 3 COO) 2.H 2 O 0,1 M dan H 2 C 2 O 4.2H 2 O 0.15 M dalam pelarut air

2 Jurnal Teknika Volume 3 No. 2 Tahun deionisasi. Endapan kalsium oksalat diperoleh dengan penambahan secara berlahan-lahan larutan encer H 2 C 2 O 4.2H 2 O 0,15 M dibawah pengadukan dengan kecepatan 160 rpm selama 12 jam pada temperatur kamar. Produk padat diperoleh dengan sentrifuse, diikuti pencucian dengan air deioniasi dan aceton serta dikeringkan dalam oven pada 120 o C selama satu malam. Sebelum digunakan sebagai katalis, padatan kering dikalsinasi dalam furnace pada temperatur 800 o C selama 6 jam. b. Karakterisasi Katalis CaO dikarakterisasi menggunakan teknik difraksi sinar-x (XRD) untuk identifikasi fase kristal dan kekristalan katalis dengan radiasi Cu K ( = Å) pada 40 kv dan 30 ma, 2θ 1,5 40 o dan kecepatan scan 0,02 o /detik. Dilanjutkan dengan analisis pola difraksi sinar-x (XRD) dengan menggunakan perangkat lunak Rietica dan Maud Spektrum inframerah direkam menggunakan spektrofotometer Fourier Transform Infrared (FTIR), dengan pemisahan spektrum 2 cm 1, pada suhu 20 o C. Spektrum direkam pada daerah cm Hasil dan Pembahasan a. Sintesis Katalis Nanopartikel CaO Pada awal sintesis larutan kalsium asetat 0,1 M ditambah dengan asam oksalat 0,15 M tetes demi tetes disertai dengan pengadukan dengan kecepatan 160 rpm pada suhu ruang. Penambahan asam oksalat ke dalam larutan kalsium asetat ini memungkinkan adanya pembentukan kalsium oksalat. Skema reaksi kopresipitasi yang terjadi dapat ditunjukkan sebagai berikut : Ca(CH3COO)2.H2O + H2C2O4.2H2O filtratnya dengan menggunakan sentrifuse. Endapan kemudian dicuci dengan aqua demineralisasi dan aseton. Selanjutnya, endapan dikeringkan dalam oven pada suhu 120 o C selama 12 jam untuk meghilangkan kandungan airnya dan membentuk padatan putih (Kanade dkk, 2006). Padatan putih yang telah dikeringkan kemudian dikalsinasi suhu 800 o C selama 6 jam untuk menghilangkan ion oksalatnya sehingga terbentuk struktur CaO. Proses dekomposisi yang terjadi pada padatan kalsium oksalat menjadi padatan kalsium oksida mengikuti reaksi sebagai berikut (West, 1984) : CaC 2 O 4.H 2 O CaC 2 O 4 + H 2 O (2) CaC 2 O 4 CaCO 3 + CO (3) CaCO 3 CaO + CO 2 (4) b. Karakterisasi Katalis Difraksi Sinar-X (XRD) Teknik XRD digunakan untuk mengetahui struktur dan fase kristal dari sampel CaO. Pola difraksi sinar-x pada Gambar 1 dimonitor pada 2θ = 20-70º. Pada CaO sintesis yang telah dikalsinasi suhu 800 o C, masih terdapat pola difraksi yang berhubungan dengan fase CaCO 3 yang muncul pada 2θ ( o ) = 29,4 bersamaan dengan keberadaan beberapa puncak CaO pada 2θ ( o ) = 32,2; 37,4; 53;9; 64,1 dan 67,4. Puncakpuncak ini sesuai dengan hasil yang dipublikasikan oleh Albuquerque dkk, (2009) untuk pola difraksi CaO dengan struktur kubik. CaC2O4.H2O + 2CH3COOH + 2H2O (1) Larutan hasil kopresipitasi ini dibiarkan tetap distirer dengan kecepatan 160 rpm selama 12 jam. Setelah 12 jam larutan hasil kopresipitasi dipisahkan endapan dengan

3 Jurnal Teknika Volume 3 No. 2 Tahun , (derajat) Gambar 1 Pola XRD dari CaO sintesis setelah kalsinasi pada suhu 800 o C. Penghalusan Rietveld Pola Difraksi dan Hasilnya 1). Penghalusan Rietveld dengan Perangkat Lunak Rietica Analisis yang pertama adalah penghalusan (refinement) menggunakan metode Rietveld dengan perangkat lunak Rietica. Tingkat keberhasilan pencocokan ini dapat diketahui dari ada tidaknya puncak difraksi terukur yang belum termodelkan. Berdasarkan identifikasi fasa yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa data terukur sampel CaO sintesis diperoleh 2 fase yang sesuai dengan puncakpuncak yang dimodelkan oleh data ICSD nomor untuk senyawa CaO dan puncak-puncak yang dimodelkan oleh data ICSD nomor untuk senyawa CaCO 3, sehingga dapat disimpulkan bahwa CaO sintesis terdiri dari 2 fasa yaitu CaO dan CaCO 3. Setelah diperoleh data ICSD untuk masing-masing sampel, langkah selanjutnya adalah memasukkan data-data kristalografi ke dalam program rietica. Kemudian dimasukkan data terukurnya dan mulai dilakukan penghalusan-penghalusan. Gambar 2 menunjukkan plot normal hasil penghalusan Rietvield data difraksi serbuk hasil kopresipitasi dengan jangkauan sudut 2θ (o): untuk sampel CaO sintesis. Pada gambar tersebut tampak bahwa tingkat kesesuaian antara data terhitung dan terukur cukup baik, yang ditunjukkan oleh kesesuaian antara model terhitung dengan model terukur. Fluktuasi selisih (difference plot) yang ditunjukkan pada garis di bawah kedua model pada Gambar 2 juga kecil, sehingga menunjukkan bahwa proses penghalusan berhasil. Adapun keberhasilan penghalusannya ditunjukkan dengan parameter nilai GoF sebesar 1.49% dan Rwp sebesar 18.80%. GoF merupakan salah satu figures-ofmerit yang penting dalam analisis dengan metode Rietveld (Kisi, 1994), yang menunjukkan bahwa penghalusan Rietvield dapat diterima menurut kriteria yang disyaratkan oleh Kisi, yaitu GoF < 4% dan R wp < 20%. Dengan demikian parameter-parameter yang diperhalus dapat diekstrak dan dapat dianalisis lebih lanjut. Pada gambar 2 pola difraksi terukur digambarkan dengan tanda (+) dan pola difraksi terhitung digambarkan dengan garis lurus. Kurva paling bawah adalah plot selisih antara pola difraksi terukur dengan pola difraksi terhitung. Gambar 2 Hasil penghalusan dengan perangkat lunak Rietica sampel CaO sintesis yang telah dikalsinasi suhu 800 o C. 2). Estimasi Komposisi Fasa (Fraksi Berat Relatif) Sampel dengan Perangkat Lunak Rietica. Perhitungan komposisi fasa dilakukan pada sampel CaO sintesis yang sudah dikalsinasi pada suhu 800 o C. Dari perangkat lunak rietica ini didapatkan estimasi komposisi fasa seperti ditunjukkan oleh Tabel 1

4 Jurnal Teknika Volume 3 No. 2 Tahun Tabel 1 Estimasi komposisi fasa dengan perangkat lunak rietica sampel CaO sintesis sesudah kalsinasi suhu 800 o C. digambarkan dengan warna hitam. Kurva paling bawah adalah plot selisih antara pola difraksi terukur dengan pola difraksi terhitung. Sampel Komposisi fasa (% berat) CaO CaCO 3 CaO sintesis 88,67 11,33 Dari Tabel 1 tampak bahwa sampel CaO sintesis memiliki komposisi fasa CaO sebesar 88,67%, meskipun masih terdapat sebagian kecil fasa CaCO 3. Hal ini menunjukkan bahwa pada suhu 800 o C sampel CaO sintesis tidak sepenuhnya terdekomposisi menjadi CaO karena adanya proses dekarbonasi CaO menjadi CaCO 3 kembali seperti yang diperkuat dengan data XRD pada Gambar 1. 3). Penghalusan Rietveld dengan Perangkat Lunak MAUD Pada penelitian ini, untuk mengestimasi ukuran kristal digunakan perangkat lunak MAUD (Material Analysis Using Diffraction). Gambar 3 menunjukkan plot hasil penghalusan Rietvield data difraksi serbuk hasil kopresipitasi dengan jangkauan sudut 2θ ( o ): untuk sampel CaO sintesis. Pada gambar tersebut tampak bahwa tingkat kesesuaian antara data terhitung dan terukur cukup baik, yang ditunjukkan oleh kesesuaian antara model terhitung dengan model terukur. Fluktuasi selisih (difference plot) yang ditunjukkan pada garis di bawah kedua model pada Gambar 3 juga kecil, sehingga menunjukkan bahwa proses penghalusan berhasil. Adapun keberhasilan penghalusannya ditunjukkan dengan parameter nilai sig yang didapatkan sebesar 1.21% dan nilai Rwp = 18.80%. Sig merupakan salah satu figures-of-merit yang penting dalam analisis dengan metode Rietveld, yang menunjukkan bahwa penghalusan Rietvield dapat diterima menurut kriteria yang disyaratkan oleh Lutterotti (2006), yaitu sig < 2% dan R wp < 20 %. Dengan demikian parameter-parameter yang diperhalus dapat diekstrak dan dapat dianalisis lebih lanjut. Pola difraksi terukur digambarkan dengan warna biru dan pola difraksi terhitung Gambar 3 Hasil penghalusan dengan perangkat lunak MAUD terhadap sampel CaO sintesis yang telah dikalsinasi suhu 800 o C. 4). Estimasi Ukuran Kristal dengan Perangkat Lunak MAUD Dari hasil data XRD yang kemudian diolah dengan perangkat lunak Maud didapatkan estimasi ukuran kristal seperti tampak pada Tabel 2. Tabel 2 Estimasi ukuran kristal dengan perangkat lunak MAUD, angka dalam kurung adalah estimasi standar deviasi dari digit terakhir yang signifikan. Sampel CaO sintesis Spektroskopi Inframerah Ukuran Kristal (nm) CaO CaCO (10) 30 (3) Karakterisasi dengan spektroskopi inframerah bertujuan untuk mengidentifikasi gugus fungsi yang terdapat dalam suatu senyawa. Gambar 4 menunjukkan spektra FTIR dari CaO sintesis setelah kalsinasi pada bilangan gelombang antara cm -1. Spektra FTIR dari sampel CaO sintesis menunjukkan puncak pada bilangan gelombang di daerah sekitar 3600 cm -1, antara

5 % Transmitansi Jurnal Teknika Volume 3 No. 2 Tahun cm -1, diatas cm -1, dibawah cm -1, di sekitar 875 cm -1, dan 400 cm -1. Pita dengan puncak tajam pada bilangan gelombang 3645 cm -1 merupakan vibrasi ulur gugus OH dari Ca(OH) 2. Puncak lebar yang terpusat pada 3433 cm -1 berhubungan dengan vibrasi ulur gugus -OH dari H 2 O, menunjukkan keberadaan air yang terabsorb di atas permukaan CaO. Pada spektra IR CaO sintesis ini juga terdeteksi pita pada 1647 cm -1 yang menunjukkan mode tekukan OH dari molekul air yang terabsorb secara fisik pada permukaan CaO. gugus karbonat (Granados dkk., 2007), sedangkan pita pada 405 cm 1 menunjukkan vibrasi uluran dari Ca-O (υca O). 4. Kesimpulan Katalis CaO nanopartikel telah berhasil disintesis dengan metode kopresipitasi dari larutan kalsium asetat 0,1 M dan diendapkan dengan asam oksalat 0,15 M. Katalis hasil sintesis dikarakterisasi dengan difraksi sinar-x, menghasilkan CaO sintesis dengan tipe kubik. Analisa perkiraan ukuran partikel dengan perangkat lunak maud, menghasilkan ukuran partikel katalis CaO sintesis sebesar 190 nm. Karakterisasi dengan spektroskopi inframerah menunjukkan bahwa katalis CaO mudah mengalami dehidrasi dan dekarbonasi Bilangan gelombang (cm -1 ) Gambar 4 Spektra FTIR CaO sintesis setelah kalsinasi. Pita dengan puncak kuat pada bilangan gelombang 1797 dan 1778 cm -1 dapat diartikan sebagai gugus karbonil (C=O) yang disebabkan oleh modus ulur karbonil. Pita ini merupakan puncak kuat yang dijumpai dalam daerah cm -1 (Fessenden, 1986). Pita pada bilangan gelombang 1523 dan 1411 cm -1 berhubungan dengan spesi bidentat dan monodentat dari karbonat. Hal ini sesuai dengan penelitian yang dilakukan oleh Granados dkk., (2007), bahwa pita pada bilangan gelombang 1479 dan 1419 cm -1 dapat diartikan sebagai vibrasi stretching simetri dan asimetri dari ikatan O-C-O dari karbonat monodentat pada permukaan CaO. Pita pada bilangan gelombang 875 dan 713 cm -1 merupakan vibrasi tekuk dari 5. Daftar Pustaka Albuquerque, Monica, C.G., Jimenez- Urbistondo, I., Santamaria-Gonzalez J., (2008), CaO Supported on Mesoporous Silicas as Basic Catalysts for Transesterification Reactions, Appl Catal A: Gen; Vol. 334, Hal Cho, Y. B., Seo, G., dan Chang, D. R., (2009), Transesterification of tributyrin with methanol over calcium oxide catalysts prepared from various precursors, Fuel Processing Technology, Vol. 90, hal Granados, M.L., Poves, M.D.Z., Alonso, D.M., Mariscal, R., Galisteo, F.C., Moreno- Tost, R., Santamaría, J., dan Fierro, J.L.G., (2007), Biodiesel from sunflower oil by using activated calcium oxide, Applied Catalysis B: Environmental, Vol. 73, hal Kanade K.G., Kale B.B., Aiyer R.C., dan Das B.K., (2006), Effect Of Solvents On The Synthesis Of Nano-Size Seng Oxide And Its Properties, Materials Research Bulletin, Vol. 41, hal Mc Neff, C.V. dan Mc Neff, L. (2008), A continuous system for biodiesel production, Applied Catalytic. A: General, Vol. 343, hal

6 Jurnal Teknika Volume 3 No. 2 Tahun Halaman ini sengaja dikosongkan