Stefanus Haryo Nugroho Dosen Pembimbing : Diah Susanti, ST, MT, Ph.D Hariyati Purwaningsih, SSi, MSi

Transkripsi

1 Stefanus Haryo Nugroho Dosen Pembimbing : Diah Susanti, ST, MT, Ph.D Hariyati Purwaningsih, SSi, MSi Jurusan Teknik Material dan Metalurgi Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember 2011

2 PENGARUH KALSINASI TERHADAP PEMBENTUKAN NANOPARTIKEL TUNGSTEN TRIOKSIDA HASIL PROSES SOL-GEL

3 Latar Belakang Metode sol-gel sebagai metode sintesis nanopartikel yang sederhana, murah dan mudah. Aplikasi tungsten trioksida banyak digunakan untuk sensor gas, selain itu pembuatan kain fireproofing dan sebagai pigmen kuning pada keramik, selain itu digunakan untuk membuat tungstates untuk layar x-ray. Sumber:, File: TungstenOxideSmall.jpg. ( TungstenOxideSmall.jpg, diunduh tanggal 07 Desember 2010). Gambar 2.2 Tungsten Trioksida (WO 3 )

4 Batasan Masalah Temperatur saat holding pada kalsinasi dianggap konstan Pada proses pengadukan, temperatur dan kecepatan dianggap konstan Pengotor serbuk diabaikan

5 Tujuan Penelitian Mempelajari pembentukan nanopartikel tungsten trioksida yang diperoleh dari reaksi WCl 6 dengan alkohol menggunakan metode sol-gel Mempelajari pengaruh temperatur kalsinasi terhadap morfologi permukaan, ukuran partikel dan struktur kristal nanopartikel dari WO 3

6 Manfaat Penelitian Penelitian ini bermanfaat untuk menghasilkan nanopartikel tungsten trioksida dari reaksi WCl 6 dengan alkohol menggunakan metode sol-gel sehingga dapat digunakan untuk referensi pembuatan sensor gas dan penelitian lainnya.

7 Teknik Sol-gel Teknik sol-gel adalah teknik kimia basah untuk pembuatan bahan (biasanya logam oksida) mulai dari larutan kimia yang bereaksi untuk menghasilkan partikel koloid nanosized (atau sol) yang bertindak sebagai prekursor. Prekursor adalah logam alkoxides dan logam yang mengalami reaksi hidrolisis dan polycondensation. Hasilnya adalah sebuah sistem yang terdiri dari partikel padat (ukuran mulai dari 1 nm sampai 1 μm) yang tersebar dalam pelarut.

8 Teknik Sol-gel Beberapa keuntungan teknik sol-gel: Dalam aplikasi penginderaan, materi sensitif dapat dihasilkan dengan menambahkan beberapa unsur dalam matriks sol-gel selama sintesis, yang tidak berinteraksi secara kimia dengan lingkungannya.

9 Teknik Sol-gel pembentukan lapisan tipis yang sangat tinggi yaitu lapisan tipis, dalam kisaran nanometer. Metode Sol-gel sederhana, biaya yang sedikit, dan sintesa dalam temperatur relatif rendah.

10 Kalsinasi Proses kalsinasi adalah proses perlakuan panas yang diterapkan pada sebuah bahan yang bertujuan untuk dekomposisi termal, transisi fasa, dan penghapusan fraksi volatile. Proses kalsinasi terjadi pada temperatur di bawah titik lebur bahan.

11 Kalsinasi Proses ini juga berperan dalam proses penghilangan air, karbon dioksida atau gas lain. Kalsinasi adalah thermal treatment agar terjadi dekomposisi dan juga untuk mengeliminasi senyawa yang berikatan secara kimia (Husni, 2010).

12 Kalsinasi Semakin tinggi temperatur kalsinasi semakin besar ukuran partikel seperti terlihat dalam gambar 2.4. Hal ini disebabkan karena proses kalsinasi akan menyebabkan reaksi zat padat, pengkristalan dan terjadi peleburan sehingga ikatan akan terlepas. Kalsinasi dilakukan pada suatu bahan untuk memutus ikatan molekul antar senyawa pada bahan tersebut.

13 Kalsinasi Sumber: Wang, S.H., Chou, T.C., dan Liu, C.C., Nano-crystalline tungsten oxide NO 2 sensor. Sensors and Actuators B 94 (2003) Gambar 2.4 pengaruh proses kalsinasi terhadap morfologi permukaan dari thin film tungsten oxide dengan variasi temperatur (a) 350 o C; (b) 450 o C; (c) 550 o C dan (d) 650

14 Bahan Serbuk Tungsten (VI) Hexaklorida (>99,99%) Ethanol Ammonia hidroxida solution (NH 4 OH) Perak nitrat solution Surfactant (Triton X-100)

15 Alat Hot Plate Stirrer Alat Centrifuge Furnace Scaning electrone microscope (SEM) dan Transmission Electron Microscope (TEM) untuk mengetahui morfologi permukaan dan ukuran partikel X-Ray diffraction (XRD) untuk mengetahui strutur kristal

16 Alat Neraca Analit Micropipete Gelas ukur Crucible Erlenmeyer

17 Flow Chart Start Tungsten (VI) Chlorida dilarutkan dengan etanol dan NH 4 OH Melakukan pengadukan dalam temperatur es Ion chloride dihilangkan dengan Aquades Titrasi dengan perak nitrat Ion clmasih ada centrifuge untuk memisahkan endapan dari larutan Peptization endapan dengan NH4OH + 50µm surfactant Terbentuk Tungsten Oxide Gel A

18 A Tungsten Oxide Gel dikalsinasi dengan variasi temperatur 300 o C, 400 o C, 500 o C dan 600 o C Pengujian Identifikasi Fasa (X-ray Diffraction) Pengamatan Morfologi Permukaan (SEM) Pengamatan struktur mikro (TEM) Analisa data dan pembahasan Kesimpulan End

19 SEM (Scanning Electron Microscope) Scanning Electron Microscope adalah jenis mikroskop elektron yang menampilkan gambar permukaan sampel dengan memindai sinar elektron berenergi tinggi dalam pola raster scan. Elektron berinteraksi dengan atom-atom menghasilkan sinyal yang berisi informasi tentang topografi permukaan sampel, komposisi dan sifat-sifat lain seperti konduktivitas listrik.

20 SEM (Scanning Electron Microscope) Jenis sinyal yang dihasilkan oleh SEM termasuk elektron sekunder, backscaterred electron (BSE), karakteristik sinar-x, cahaya (cathodoluminescence) dan elektron Sumber:, Field emission scanning electron microscopes (FE-SEM) with EsB (in-column) ULTRA. ( diunduh tanggal 07 Desember 2010). Gambar 3.1Scanning Electron Microscope

21 X-ray Diffraction (XRD) X-ray Diffraction (XRD) biasa digunakan untuk mempelajari struktur Kristal dan komposisi kimia nanopartikel. Posisi puncak dalam pola difraksi sinar-x dapat digunakan untuk menentukan komposisi kimia dan fasa kristal nano partikel. sumber:,. Episode 530: X- ray diffraction. ( _diffraction/page_40431.html, diunduh tanggal 07 Desember 2010). Gambar 3.3 difraksi sinar-x dari Kristal

22 Transmission Electron Microscope (TEM) Transmission Electron Microscope (TEM) adalah sebuah mikroskop teknik dimana seberkas elektron ditembakan melalui spesimen ultra tipis. Sebuah gambar dibentuk dari interaksi elektron ditembakan melalui spesimen, gambar diperbesar dan difokuskan ke perangkat imaging, seperti layar neon, pada lapisan film fotografi, atau dideteksi oleh sensor seperti CCD kamera. Sumber:,. Transmission electron microscopy (TEM). ( diunduh tanggal 07 Desember 2010). Gambar 3.4 Transmission Electron Microscope (TEM)

23 Metode Penelitian Tungsten (VI) Hexaklorida (WCL 6 ) dicampur dengan etanol dan 0,5M NH 4 OH Larutan diaduk dalam temperatur es. Ion klorida dihapus menggunakan aquades sampai tidak ada endapan putih AgCl muncul ketika dititrasi dengan larutan 0,1M perak nitrat.

24 Metode Penelitian Endapan dipisahkan dari larutan yang tersisa menggunakan centrifuge. Endapan kemudian dipeptized oleh ammonia hidroksida, dan surfactant (Triton X-100) ditambahkan ke dalam larutan. Diperoleh tungsten trioksida sol.

25 Metode Penelitian Sol Tungten Trioksida di kalsinasi dengan variasi temperatur 300 o C, 400 o C, 500 o C dan 600 o C. Serbuk hasil kalsinasi kemudian di uji dengan pengujian Scanning Electron Microscope (SEM) dan Pengujian Transmission Electron Microscope (TEM). Fasa Kristal diperiksa oleh pengujian X- Ray Diffraction (XRD).

26 Proses Kalsinasi Proses kalsinasi dilakukan dalam furnace dengan variasi temperatur 300 o C, 400 o C, 500 o C dan 600 o C dengan waktu tahan selama 1 jam dan dilakukan pendinginan T atmosfir. o C t (holding) = 1 jam t (sekon) Gambar 3.5 grafik proses kalsinasi

27 Analisa XRD

28 Analisa XRD Dari pola XRD menunjukan puncak-puncak yang semakin tajam dan intensitas yang semakin tinggi dengan dengan kenaikan temperatur. Pada temperatur kalsinasi 300 o C dan 400 o C terlihat puncak dari pola XRD yang lebar dengan intensitas yang rendah yang menunjukan struktur menyerupai material yang bersifat amorphous.

29 Analisa XRD Hal ini disebabkan karena masih adanya kandungan air kimiawi (air kristal ) pada sampel tersebut. Dengan kenaikan temperatur, air kristal akan berkurang sehingga struktur material mendekati bentuk kristal seperti ditunjukan pada pola XRD untuk temperatur kalsinasi 500 o C dan 600 o C, puncak yang tajam dan intensitasnya yang tinggi.

30 Analisa XRD Ukuran kristal berbagai temperatur dihitung menggunakan rumus Scherrer D = Dimana: K adalah tetapan scherrer (biasanya 0.9) tinggi K λ B Cosө λ adalah panjang gelombang (Ǻ) B adalah sudut garis difraksi di setengah maksimum difraksi (FWHM) (rad) ө adalah sudut Bragg ( o )

31 Analisa XRD Struktur kristal diperiksa menggunakan program Match, yang mengindikasikan bahwa pada temperatur 300 o C dan 400 o C struktur kristalnya hexagonal (kartu JCPDS ) dan pada 500 o C dan 600 o C struktur kristalnya monoklinik (kartu JCPDS ).

32 Analisa XRD Temperatu r 300 o C o C o C o C λ(ǻ) B(rad) Ө( o ) Cos ө D (nm) Struktur mikro JCPDS Hexagonal Hexagonal Monoklinik Monoklinik Dari tabel diatas dapat kita simpulkan bahwa semakin tinggi temperatur semakin besar pula ukuran kristal serbuk WO 3.

33 Analisa XRD Abdullah dalam jurnalnya mengindikasikan hal yang sama seperti pada Tabel diatas. Abdullah menggunakan teknik Colloidal Gas Aphrons (CGAs) untuk mendapatkan nanopartikel WO 3 dengan temperatur kalsinasi 400 o C, 500 o C, 600 o C dan 700 o C dengan holding time selama 4 jam. (Abdullah, 2004) Temperatur 400 o C 500 o C 600 o C 700 o C Ukuran kristal (nm) 30 ± 5 50 ± ± ± 10

34 ANALISA SEM Morfologi permukaan dari serbuk tungsten trioksida dari hasil SEM (Zeiss EVO MA 10).

35 ANALISA SEM

36 ANALISA SEM

37 ANALISA SEM Temperatur 300 o C 400 o C 500 o C 600 o C Ukuran partikel (nm)

38 ANALISA SEM Dari Gambar dan Tabel diatas mengindikasikan bahwa partikel-partikel WO 3 cenderung membentuk agregat dengan partikel yang lain. Kecenderungan ini semakin berkurang dengan kenaikan temperatur. Pada Gambar hasil SEM dengan temperatur 300 o C terlihat bahwa partikel-partikel membentuk cluster yang masing-masing cluster terdiri dari 8-20 partikel.

39 ANALISA SEM Wang dalam jurnalnya yang memakai raw material WCl 6 dan proses sol-gel yang sama, namun hasil bentuk WO 3 dalam bentuk lapisan film tipis. Wang menyimpulkan bahwa semakin tinggi temperatur semakin besar ukuran partikel pada film tipis WO 3, sedangkan dalam penelitian ini menggunakan material serbuk. (Wang, 2003)

40 ANALISA TEM Morfologi permukaan dan ukuran partikel dari tungsten trioksida dengan resolusi yang lebih tinggi dibandingkan dari hasil SEM didapatkan dari pengujian TEM (JEOL JEM-1400)

41 ANALISA TEM

42 ANALISA TEM

43 ANALISA TEM Analisa TEM pada temperatur kalsinasi 600 o C menunjukan bahwa adanya agregasi dari unit-unit partikel seperti pada gambar perbesaran skala 10nm dan 20nm. Partikel Agregasi tersebut membentuk seperti partikel yang lebih besar dapat terlihat dalam gambar perbesaran skala 50 nm.

44 ANALISA TEM Agregasi ini disebabkan karena tungsten trioksida adalah material higroskopis, yang memiliki kemampuan menyerap molekul air yang baik. Hal inilah yang menyebabkan partikel-partikel tersebut berkumpul menjadi satu dan tidak homogen. Ukuran partikel dari serbuk tungsten trioksida dengan temperatur 600 o C adalah sekitar 4-20 nm, dan satu agregasi partikel sekitar nm.

45 Kesimpulan Tungsten trioksida (WO 3 ) nanopartikel telah dapat disintesa dengan menggunkan metode sol-gel dengan precursor WCl 6, ethanol dan NH 4 OH Berdasarkan hasil XRD diketahui pada temperatur kalsinasi 300 o C 400 o C struktur kristalnya hexagonal. Pada 500 o C dan 600 o C struktur kristalnya monoklinik. Ukuran kristal didapatkan dari rumus Scherer.

46 Kesimpulan Semakin besar temperatur kalsinasi semakin besar pula ukuran kristal. Pada temperatur kalsinasi 300 o C dan 400 o C terlihat puncak dari pola XRD yang lebar dengan intensitas yang rendah yang menunjukan struktur menyerupai material yang bersifat amorphous.

47 Kesimpulan Hal ini disebabkan karena masih adanya kandungan air kimiawi (air kristal ) pada sampel tersebut. Dengan kenaikan temperatur, air kristal akan berkurang sehingga struktur material mendekati bentuk kristal seperti ditunjukan pada pola XRD untuk temperatur kalsinasi 500 o C dan 600 o C, puncak yang tajam dan intensitasnya yang tinggi.

48 Kesimpulan Dari hasil foto SEM diketahui ukuran partikel pada temperatur kalsinasi 300 o C sekitar nm, pada temperatur kalsinasi 400 o C sekitar nm, pada temperatur kalsinasi 500 o C sekitar nm dan pada temperatur kalsinasi 600 o C sekitar nm.

49 Kesimpulan dan Saran partikel-partikel WO 3 cenderung membentuk agregat dengan partikel yang lain. Kecenderungan ini semakin berkurang dengan kenaikan temperatur. Pada hasil SEM dengan temperatur 300 o C terlihat bahwa partikel-partikel membentuk cluster yang masing-masing cluster terdiri dari 8-20 partikel.

50 Kesimpulan Dari hasil foto TEM menunjukan temperatur kalsinasi 600 o C menunjukan bahwa adanya agregasi dari unit-unit partikel seperti pada gambar dalam pembesaran 20 nm. Partikel Agregasi tersebut membentuk seperti partikel yang lebih besar dapat terlihat dalam gambar pada pembesaran 50 nm.

51 Kesimpulan Ukuran partikel dari serbuk tungsten trioksida dengan temperatur 600 o C adalah sekitar 4-20 nm, dan satu agregasi partikel sekitar nm.

52 Saran Melakukan analisa Direct Thermal Analysis untuk mengetahui nilai temperatur saat terjadi perubahan fasa dari hexagonal ke monoklinik. Melakukan analisa Thermal Gravimetri Analysis untuk mengetahui kandungan air kristal pada berbagai temperatur

53 Saran Melakukan analisa Fourier Transform Infrared Spectrophotometer untuk mengidentifikasi senyawa kimia yang terkandung dalam spesimen. Melakukan analisa High Resolution Transmission Electron Microscopy untuk mengetahui ukuran partikel, space lattice dan difraksi kristal.