Sintesis Oksida Terner Mg-Nb-O

Transkripsi

1 Sintesis Oksida Terner Mg-Nb-O Yonathan Kandake, Aep Patah* Program Studi Kimia, Institut Teknologi Bandung ( ABSTRAK Oksida terner adalah oksida yang terdiri atas dua kation logam dan oksigen. Oksida terner fasa Mg 3 Nb 6 O 11 dapat dikembangkan sebagai katalis pada material penyimpan hidrogen, sedangkan fasa MgNb 2 O 6 dan Mg 4 Nb 2 O 9 banyak dikembangkan sebagai material dielektrik microwave. Metoda sol-gel digunakan untuk mensintesis oksida terner Mg-Nb-O yang diawali dengan pembentukan kompleks. Pembentukan kompleks dilakukan dengan mencampurkan 2 mmol Mg(NO 3 ) 2.6H 2 O dan 1,4 mmol asam 2,6-naftalendikarboksilat dengan 40 ml pelarut DMF dan CH 3 OH (50:50). Campuran dalam autoclave dipanaskan selama 24 jam pada suhu C. Sekitar 0,2 g NbCl 5 ditambahkan pada senyawa kompleks yang dihasilkan yang kemudian dikalsinasi pada suhu 200, 350, 500, 700 dan C. Senyawa kompleks dikarakterisasi menggunakan spektroskopi infra merah (FTIR) dan X-Ray Powder Diffraction (XRD). Perubahan fasa mulai teramati pada difraktogram XRD untuk suhu kalsinasi C. Oksida terner yang terindentifikasi adalah MgNb 2 O 6 (16,05% w/w), Mg 3 Nb 6 O 11 (52,22% w/w) dan Mg 4 Nb 2 O 9 (10,35% w/w), sedangkan sisanya adalah Nb 2 O 5 (6,37% w/w ), MgO(14,98% w/w). Kalsinasi pada suhu C menyebabkan MgO habis bereaksi menghasilkan MgNb 2 O 6 (50,37% w/w), Mg 3 Nb 6 O 11 (14,75% w/w) dan Nb 2 O 5 (34,88% w/w). Kalsinasi lebih lanjut pada suhu C hanya menghasilkan MgNb 2 O 6 (84,95% w/w) dan Mg 4 Nb 2 O 9 (15,05% w/w). Dapat disimpulkan, oksida terner Mg 3 Nb 6 O 11 terbentuk pada suhu kalsinasi sekitar 500 o C, sedangkan untuk oksida terner MgNb 2 O 6 dan Mg 4 Nb 2 O 9 secara optimal terbentuk pada suhu kalsinasi diatas C. Kata kunci : Oksida terner Mg-Nb-O, MgNb 2 O 6, Mg 3 Nb 6 O 11, Mg 4 Nb 2 O 9, sol-gel, material penyimpanan hidrogen. 1. Pendahuluan Ketergantungan dunia terhadap energy tak terbarukan yang semakin hari semakin meningkat dan polusi udara yang dihasilkan mendorong penelitian untuk menciptakan energi baru yang terbarukan dan ramah lingkungan. Hidrogen sebagai salah satu energy terbarukan yang menjanjikan dan tanpa emisi. Persoalan yang dihadapi dalam penggunaan gas hydrogen sebagai energy terbarukan teletak pada media penyimpanannya. Logam ringan seperti magnesium memiliki potensi besar dalam hal ini dalam bentuk MgH 2. Pada proses desorpsi hydrogen dalam MgH 2 dibutuhkan katalis yang memadai sehingga dapat meningkatkan proses desorpsi hydrogen [1]. Pada penelitian yang dilakukan terbentuk logam oksida terner yang memberikan nilai

2 desorpsi yang sangat baik. Senyawa ini adalah Mg-Nb-O yang berpeluang menjadi katalis yang membantu dalam proses desorpsi hydrogen. Telah dilaporkan beberapa oksida terner Mg-Nb-O antara lain MgNb 2 O 6, Mg 4 Nb 2 O 9, Mg 3 Nb 6 O 11, Mg 5 Nb 4 O 15 [3]. Diantara oksida terner Mg- Nb-O, Mg 3 Nb 6 O 11 aktif secara reversible pada proses sorpsi hydrogen[1,3]. Sintesis dengan menggunakan metode sol-gel dipilih untuk mendapatkan hasil yang murni dan murah dalam segi ekonomi. 2.Eksperimen pelarut DMF dan CH 3 OH (50:50). Campuran dalam autoclave dipanaskan selama 24 jam pada suhu C [2]. Setelah kompleks[mg 3 (ndc) 3 (dmf) 2 (CH 3 OH)(H 2 O)](d mf) tersebut dihasilkan, kemudian dicampurkan dengan NbCl 5 yang dilarutkan dalam dicloro methane.campuran kemudian dipanaskan dengan menggunakan hotplate sambil diaduk sampai seluruh pelarut menguap dan membentuk gel. Kemudian disimpan dalam desikator yang dialiri gas Nitrogen lalu dikasinasi dengan rentang suhu 200, 350, 500, 700 dan C. 2.1 Material Kompleks diperoleh dari hasil sintesis menggunakan garam Mg(NO 3 ) 2.6H 2 O dan asam 2,6- naftalendikarboksilat dalam pelarut DMF dan CH 3 OH (50:50), NbCl 5 diperoleh secara komersial (99% Sigma Aldrich ) dan pelarut DCM (99% Merck). 2.3 Karakterisasi Kompleks yang dihasilkan dikarakterisasi dengan menggunakan spektroskopi infra merah (IR), sebelumnya dilakukan pengukuran IR terhadap NDC saja untuk membandingkan hasil yang didapat sebagai referensi. 2.2 Metodologi Sintesis Oksida Terner Mg-Nb-O dilakukan dengan mensintesis senyawa kompleks terlebih dahulu dengan mencampurkan 2 mmol Mg(NO 3 ) 2.6H 2 O dan 1,4 mmol asam 2,6-naftalendikarboksilat dengan 40 ml

3 Oksida terner yang dihasilkan dengan variasi suhu 200,350,500,700,1000 o C dikarakterisasi dengan menggunakan difraksi sinar X. Hasil karakterisasi dengan menggunakan difraksi sinar-x (XRD) dibandingkan dengan database XRD untuk oksida terner dengan fasa MgNb 2 O 6, Mg 3 Nb 6 O 11, Mg 4 Nb 2 O 9., untuk mengetahui fasa fasa oksida yang terbentuk. 3. Hasil dan Pembahasan 3.1 Analisis spektroskopi IR Pada karakterisasi dengan menggunakan spektroskopi infra merah (IR) dalam gambar. 1 terlihat adanya pergeseran ke kanan puncak karbonil pada hasil pengukuran kompleks yang terbentuk. Terlihat adanya puncak pada bilangan gelombang 1557, diprediksi telah terjadi ikatan antara atom Mg dengan ndc yang ditandai dengan bergesernya puncak vibrasi C=O dimana puncak bilangan gelombang pada C=O memberikan signal kuat pada bilangan gelombang antara Analisi Difraksi Sinar-X (XRD) Pada gambar.2 dapat dilihat bahwa Hasil karakterisasi dengan menggunakan difraksi sinar-x (XRD) pada variasi suhu 200, 350, 500,700,dan 1000 o C menunjukkan tahap perubahan dimana oksida terner masih belum terbentuk pada suhu 200 dan 350 o C (amorf). Oksida terner mulai terbentuk pada suhu 500 o C dan sifatnya semakin kristalin pada suhu yang lebih tinggi yaitu pada suhu 700 dan 1000 o C. Hasil pengukuran pada berbagai variasi suhu menunjukkan adanya perbedaan fasa oksida terner yang terbentuk. Untuk itu dilakukan penentuan % komposisi dengan cara membandingkan integral luas area puncak tertinggi dari fasa yang didapatkan. Pada suhu 200 dan350 o C didapatkan hasil

4 amorf, dimana belum ditemukan fasa oksida terner, pada suhu C didapatkan hasil telah terbentuknya oksida terner Mg- Nb-O dengan fasa oksida terner MgNb 2 O 6 (16,05%), Mg 3 Nb 6 O 11 (52,22%)dan sisanya oksida Nb 2 O 5 (6,47%)dan MgO(14,98%) yang belum bereaksi menjadi oksida terner. Kenaikan suhu mempengaruhi hasil yang didapatkan dimana pada suhu C, hasil yang didapatkan menunjukkan bahwa oksida terner yang terbentuk lebih kristalin.pada kalsinasi suhu ini, terbentuk oksida terner Mg-Nb-O dengan fasa MgNb 2 O 6 (50,37%)dan Mg 3 Nb 6 O 11 (14,75%) dan masih adanya Nb 2 O 5 (34,88%)yang belum bereaksi. Fasa Mg 4 Nb 2 O 9 tidak terindentifikasi pada suhu kalsinasi 700 o C dimana Mg 4 Nb 2 O 9 dapat bereaksi kembali dengan Nb 2 O 5 pada suhu kalsinasi yang tinggi menghasilkan fasa MgNb 2 O 6. Sehingga diperoleh hasil % komposisi MgNb 2 O 6 yang meningkat (50,37%). Kemudain pada suhu kalsinasi 1000 o C didapatkan puncak oksida terner Mg-Nb-O yang teramati adalah fasa MgNb 2 O 6 dan Mg 4 Nb 2 O 9. Pada suhu kalsinasi ini didapatkan intensitas dan % komposisi dari fasa MgNb 2 O 6 yang sangat besar(84,95%) dan fasa Mg 4 Nb 2 O 9 (15,05%), hal ini dikarenakan pembentukan oksida terner Mg-Nb-O lebih mudah membentuk fasa MgNb 2 O 6. Oksida terner fasa Mg 4 Nb 2 O 9 dan Mg 3 Nb 6 O 11 lebih sulit terbentuk karena bentuk struktur kristalnya yang lebih..dibandingkan dengan bentuk struktur kristal MgNb 2 O 6. Pembentukan fasa oksida terner Mg 3 Nb 6 O 11 memerlukan keadaan khusus yaitu keadaan defisiensi oksigen, dimana fasa ini dapat kita dapatkan dengan mengatur jumlah oksigen pada saat kalsinasi. Pada pembentukan fasa ini terbentuk juga senyawa NbO yang akan berekasi menghasilkan fasa ini. Persamaan reaksi pembentukan oksida terner Mg-Nb-O adalah dengan bereaksinya prekursor kompleks Mg menghasilkan oksida Mg, dan Nbcl 5 mengahasilkan oksida niobium. 4.Kesimpulan Hasil dari sintesis yang dilakukan mulanya menggunakan metoda sol gel pada umumnya sulit dilakukan dikarenakan penanganan bahan yang sangat reaktif terhadap udara dan air. Oleh karena itu dibuat terlebih dahulu senyawa kompleks Mg(NDC) yang kemudian direaksikan dengan NbCl 5 dalam pelarut DCM untuk kemudian dikalsinasi menjadi oksida terner Mg-Nb-O. Hasil yang didapatkan oksida terner Mg-Nb- O berhasil antara lain MgNb 2 O 6 dan Mg 3 Nb 6 O 11, dengan persentase mayoritas MgNb 2 O 6 yang terbentuk. Suhu kalsinasi

5 pada sintesis oksida terner sangat berpengaruh dimana pada suhu tinggi, lebih banyak precursor yang bereaksi membentuk produk, sedangkan pada suhu rendah didapatkan produk dengan pengotor berupa niobium oksida dan magnesium oksida yang belum bereaksi membentuk oksida terner. Daftar Pustaka 1. Patah A, Takasaki A, Szmyd JS. Influence of multiple oxide (Cr 2 O 3 /Nb 2 O 5 ) addition on the sorption kinetics of MgH 2. Int J Hydrogen Energy 2009;34: Irena Senkovska, Julia Fritsch, Stefan Kaskel. New Polymorphs of Magnesium-Based Metal Organic Frameworks Mg3(ndc)3 (ndc = 2,6- Naphthalenedicarboxylate) Eur. J. Inorg. Chem. 2007, M.W. Rahman, S. Livraghi, F. Dolci, M. Baricco, E. Giamello. Hydrogen sorption properties of Ternary MgNbO phases synthesized by solidestate reaction.international journal of hydrogen Energy 2011; 36 : Y.C.Zhang,X. Zhou,Xiu Wang. Synthesis of MgNb2O6 nanocrystalline powders by an improved citrate sol-gel technique.j Sol-Gel Sci Technol (2009) 50: Te-Hua Fang, Yu-Jen Hsiao, Yee- Shin Chang, Liang-Wen Ji, Shao- Hui Kang. Luminescent and structural properties of MgNb 2 O 6 nanocrystals. Current Opinion in Solid State and Materials Science 12 (2008) Liang Li, Guanlin Feng, Dejun Wang, Hang Yang, Zhongmin Gao, Benxian Li, Dapeng Xu, Zhanhui Ding, Xiaoyang Liu. Optical floating zone method growth and photoluminescence property of MgNb 2 O 6. Journal of Alloys and Compounds 509 (2011) L Zhi, F.F., Liu, P., Xiao, M.C., Jian, L.M., Zhang, H.W. (2010), Lowtemperature synthesis of Mg4Nb2O9 nanopowders by highenergy ball-milling method. Journal of Alloys and Compounds, 493,441-44