SINTESA PARTIKEL NANOKOMPOSIT ZnO-SILIKA DENGAN MENGGUNAKAN METODE KOMBINASI SOL-GEL DAN FLAME SPRAY PYROLYSIS

Transkripsi

1 SINTESA PARTIKEL NANOKOMPOSIT -SILIKA DENGAN MENGGUNAKAN METODE KOMBINASI SOL-GEL DAN FLAME SPRAY PYROLYSIS Nama : Iva Maula ( ) Paulina Ruliawati ( ) Pembimbing : Prof. Dr. Ir Sugeng Winardi, M.Eng. Dr. Widiyastuti, ST.MT. 1. PENDAHULUAN Saat ini dunia telah mengalami krisis sumber energi. Untuk itu perlu dikembangkan suatu teknologi yang menciptakan sumber energi baru. Salah satunya adalah dengan cara pembuatan lampu hemat energi seperti LEDs (Light Emitting Diodes). LEDs banyak diaplikasikan untuk sumber pencahayaan karena konsumsi energinya kecil. Zink Oxide () setara dengan Galium Nitrite (GaN) untuk pengaplikasian LEDs (Hagura et al., 2011). Sphanel dan Anderson (1991) telah berhasil menghasilkan partikel dengan diameter dibawah 10 nm dengan menghidrolisis zinc acetat. Namun ukuran partikel ini kemudian mengalami pembesaran karena terjadinya reaksi kimia lebih lanjut maupun koagulasi. Untuk menghentikan pertumbuhan ukuran partikel ini salah satu caranya adalah dengan memperangkap partikel tersebut dalam matriks padatan. Matriks padatan yang digunakan harus transparan, terutama dalam daerah spectrum luminisens dan sebagai matriks padat dipilih silika karena material ini transparan pada daerah cahaya tampak sehingga tidak mengganggu luminisens. Silika merupakan bahan baku utama yang dapat diperoleh dari bahan sintesis seperti silika fumed, TEOS (Tetroethylorthosilicate) dan TMOS (Tetramethylorosilicate) (Deng et al., 2005). Bahan silika diatas sangat terbatas dan mahal sehingga untuk mengatasi hal tersebut diperlukan alternatif lain untuk mencari sumber silika dari bahan yang murah dan ramah lingkungan seperti waterglass (Balkis & Setyawan, 2010). Pembuatan koloid nanopartikel silika dari waterglass baik pada kondisi asam maupun basa telah dilakukan oleh Liu et al. (1993) dengan cara melewatkan melalui resin penukar kation dan anion dengan tujuan untuk menghilangkan impuritis dalam bentuk baik anion maupun kation. Pada penelitian sebelumnya (Lusi & Farida, 2010) telah mencoba membuat silika dari waterglass namun silika yang dihasilkan berbentuk gel ketika konsentrasi silika > 50% mol campuran. Bila yang diinginkan material dalam bentuk partikel maka terbentuknya gel harus dihindari karena dalam aplikasinya yang digunakan sebagai bahan lampu hemat energi adalah dalam bentuk partikel dengan ukuran dibawah 1 µm. Flame Spray Pyrolysis (FSP) mampu menghasilkan campuran partikel metal oxide berukuran nm dengan biaya rendah (Narayanan & Laine, 1997; Laine et al., 1999). Selain itu juga, FSP merupakan proses yang dapat menghasilkan partikel dalam jumlah banyak dan dapat dioperasikan secara continue 2. METODOLOGI Percobaan ini terbagi menjadi 4 tahap, yaitu pembuatan larutan ethanolic dengan metode sol-gel, pembuatan sol silika, pembuatan larutan precursor dan pembentukan partikel dengan menggunakan peralatan Flame Spray Pyrolysis.

2 2.1 Alat yang digunakan Gambar 3.1 Peralatan untuk proses pembuatan precursor Gambar 3.2 Peralatan Flame Spray Pyrolysis 2.2 Bahan yang Digunakan Bahan yang digunakan ini antara lain: Kristal Zn(CH3COO)2.2H2O p.a E.merck, D-6100 Darmstadt, F.R.Germany 99,5 % Larutan ethanol absolut Merck KGaA Darmstadt, Germany Kristal LiOH Merck KGaA Darmstadt, Germany 98% Waterglass Merck KGaA Darmstadt, Germany NaO 8 %, SiO2 27% Kristal KOH Merck KGBA Darmstadt, Germany 2.3. Kondisi Batas Kondisi operasi yang digunakan sebagai berikut:

3 1. Pelarutan Zn(CH3COO)2.2H2O dengan larutan ethanol yang disertai dengan pengadukan dan pemanasan 2. Destilasi larutan etanolik zinc acetate pada rentang suhu C 3. Larutan yang telah didistilasi kemudian ditambahkan LiOH.H2O pada suhu sekitar 0 C dan diikuti dengan pengadukan 4. Pelarutan waterglass dalam aquadest 60 oc 5. Temperatur pembakaran dengan mengatur laju alir oksigen 2,5 liter/menit, LPG 0,5 liter/menit, carrier gas dengan laju 2 liter/menit 6. Tekanan operasi 1 atm 2.4. Prosedur Penelitian untuk Pemodelan Persiapan Larutan ethanolic Persiapan larutan ethanolic dilakukan dengan cara melarutkan M Zn(CH3COO)2 2H2O ke dalam ethanol 200 ml. Zinc Acetate Dihydrate yang berbentuk kristal sulit melarut dalam ethanol sehingga proses pelarutan harus disertai dengan pemanasan. Pelarutan dilakukan langsung di dalam peralatan distilasi pada suhu + 57 oc. Setelah Zinc Acetate Dihydrate larut sempurna dalam ethanol, larutan tersebut kemudian didistilasi pada + 78 o C disertai pengadukan dengan magnetic stirring bar sampai didapatkan larutan yang tersisa dalam flask sekitar 80 ml. Selanjutnya melarutkan Lithium hidroxide, 4 M LiOH dimasukkan ke dalam ethanol 120 ml. Setelah kristal LiOH larut sempurna dalam ethanol kemudian kedua larutan dicampur. Pencampuran dilakukan menggunakan ultrasonic bath pada suhu + 0 oc selama 10 menit, dimaksudkan mempercepat pelepasan ion OH, sehingga reaksi langsung untuk membentuk yang stabil Pembuatan sol silika dari waterglass Pembuatan sol silika dilakukan dengan cara melarutkan waterglass dalam aquadest yang mempunyai suhu + 60 oc dan selanjutnya setelah temperatur turun menjadi + 30 oc larutan waterglass dilewatkan ke resin kation Pembuatan larutan precursor Larutan precursor yang dimaksud adalah campuran antara sol dan sol silika. Berikut ini adalah precursor dengan berbagai variasi mol dan SiO2 yang digunakan: tidak ada M sol SiO2 16,7 ml M sol SiO2 M sol SiO2 1 sol SiO2 yang M sol SiO2= 0% 100% M sol SiO2 25% M sol SiO2=50% 50% M sol SiO2 75% Gambar 3.3 Variasi %mol SiO2 dengan volume konstan M sol SiO2

4 M sol SiO2 M sol SiO2 M sol 16,7 ml M sol 25% 50% = M sol SiO2 M sol 1 75% 0% = SiO2 50% SiO2 100% Gambar 3.4 Variasi %mol dengan volume SiO2 konstan Pembentukan Partikel Untuk menghasilkan partikel komposit silika digunakan peralatan Flame Spray Pyrolysis. Berikut ini komponen peralatan Flame Spray Pyrolysis : 1. Flowmeter (KUFLOC RK 1200, Jepang) berfungsi sebagai pengukur laju aliran gas oksigen, gas pembawa serta fuel gas. 2. Ultrasonic nebulizer (OMRON NE-U17, Jepang) berfungsi sebagai penghasil droplet larutan yang akan di-spray menuju zona pembakaran. 3. Cyclone (homemade) berfungsi untuk memisahkan droplet yang berukuran relatif besar dari larutan precursor. 4. Burner (homemade) berfungsi sebagai sumber panas. Burner ini tersusun dari tiga tube konsentris dengan center tube sebagai tempat masuknya precursor sedangkan dua tube pada bagian tepi sebagai tempat masuknya fuel gas (LPG) dan udara bebas. 5. Electrostatic precipitator (homemade) berfungsi menangkap partikel yang dihasilkan pada proses flame. 6. Water Trap (homemade) berfungsi untuk menampung kondensat dan menangkap partikel yang masih lolos dari ESP. 7. Vacuum pump (Vacuum pump, TW-1,5D, 0,25 HP) berfungsi untuk menarik gas hasil proses flame 8. Air compressor (Hitachi, 0,75OU-8,5S, USA) untuk menghasilkan udara dengan tekanan yang lebih tinggi 2.5 Variabel Penelitian Variabel penelitian : 1. Konsentrasi silika dalam campuran sol

5 2. Konsentrasi dalam campuran sol 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Dalam pembuatan sol silika yang perlu diperhatikan adalah ph sol yang terbentuk. Sol silika dikatakan stabil saat ph 1-3 dan ph 7. Selanjutnya dalam penelitian ini untuk membuat sol silika yang stabil, sol silika yang terbentuk (ph 4) kemudian ditambahkan KOH M hingga sol silika (ph 7). Berikut ini adalah beberapa hasil analisa partikel silika: Hasil morfologi yang dihasilkan dari uji analisa Scanning Elektron Microscope (SEM) Gambar 4.1 SEM partikel silika (a) Flame spray pyrolysis (b) Spray pyrolysis Secara umum hasil SEM partikel silika yang dihasilkan dari kedua metode menunjukkan partikel berbentuk bulat (sphere). Dari gambar 4.2 terlihat terdapat partikel yang pecah. Hal ini karena pada temperatur tinggi dapat menyebabkan pecahnya partikel yang telah terbentuk. Selanjutnya untuk membandingkan kedua metode tersebut dari hasil yang didapat ini kemudian dihitung diameter rata-rata partikel (Dp) dengan cara sampling secara random sekitar 200 partikel dari foto SEM.

6 = 350 davd=av 370 nmnm Frekuensi [-] = 1,33 σ σ= 1, Diameter partikel [nm] Gambar 4.2 Distribusi ukuran partikel silika dengan metode spray pyrolysis Frekuensi [-] Hasil gambar 4.3 dan gambar 4.4 menunjukan perbedaan diameter partikel rata-rata silika yang dihasilkan dari metode spray pyrolysis dan metode flame spray pyrolysis. partikel dari metode spray pyrolysis berukuran 3,7 nm sedangkan diameter partikel rata-rata silika yang dihasilkan dari metode flame spray pyrolysis berukuran 3,5 nm Dp [nm] Gambar 4.3 Distribusi ukuran partikel silika dengan metode flame spray pyrolysis

7 Distribusi ukuran partikel dalam sol tidak bisa dihindari. Semakin kecil ukuran partikel menunjukkan kelarutannya lebih besar, dengan korelasi SD=SI.101/D dimana SD sebagai kelarutan partikel dengan diameter D dan SI kelarutan sebagian besar SiO2 (Liu et.al, 1993). Hasil uji kristalinitas dengan X-Ray Diffraction (XRD) : Intensity [a.u] Flame Spray Pyrolysis Spray Drying θ Gambar 4.4 XRD partikel Silika Gambar 4.4 menampilkan hasil analisa XRD untuk partikel silika yang dihasilkan dengan menggunakan flame spray pyrolysis dan spray drying. Hasil analisa menunjukkan morfologi dari silika murni adalah amorf. Karena tidak ada perbedaan antara kedua metode maka kami memilih menggunakan metode flame spray pyrolysis. Transmitance [a.u] Hasil uji spektra Fourier-transform IR (FTIR) : Wavenumber [1/cm]

8 Gambar 4.5 FTIR partikel Silika Berdasarkan gambar 4.5 penyerapan pada cm 1 untuk tekuk Si-O-Si, 964,34 cm-1 menunjukkan bahwa gugus silanol yang terkondensasi lebih lanjut ke Si-O-Si dan serapan kuat pada bilangan gelombang cm-1 untuk vibrasi asimetris Si-O-Si. 4.2 Pengaruh Konsentrasi Silika Terhadap Partikel -Silika Untuk mengoptimalkan jumlah silika dalam partikel nanokomposit -Silika maka fraksi mol silika dan mol dalam campuran sol dibuat bervariasi dari (a) 0% (b) 25% (c) 50% (d) 75%. Berikut ini merupakan komposisi campuran sol : Tabel 4.1 Fraksi mol /Silika dalam campuran sol Variabel mol Molar Volum mol (L) SiO2 Molar Volum SiO2 SiO2(L) SiO2 25% 0,005 0,05 0,0016 0,016 /SiO2 0,005 0,05 0,005 0,05 SiO2 75% 0,005 0,05 0, % 0,0016 0,016 0,005 0,05 75% 0, ,005 0,05 100% 0,005 0, SiO2100% ,005 0,05 50% Dari hasil campuran sol ini dibuat partikel nanokomposit -Silika dengan menggunakan metode Flame Spray Pyrolisis untuk mendapatkan tingkat kristalinitas yang baik. Dari hasil partikel yang didapat dilakukan analisa Scanning Elektron Microscope (SEM), X-Ray Diffraction (XRD) dan Fourier-transform IR (FTIR) Analisa Kristalinitas Partikel Nanokomposit -Silika dengan X-Ray Diffraction Hasil analisa XRD dapat dilihat dari gambar 4.7 dan 4.8 hasil yang diperoleh kemudian dibandingkan dengan Joint Committee on Powder Diffraction Standards (JCPDS). Gambar 4.7 dan 4.8 memperlihatkan profil XRD untuk partikel nanokomposit -Silika. Untuk membandingkan hasil analisa dalam penelitian ini digunakan JCPDS Dari hasil membandingkan antara JCPDS dengan data hasil XRD ditunjukkan bahwa partikel hasil

9 sintesis dalam penelitian ini adalah dengan struktur hexagonal dan adanya silika tidak mempengaruhi struktur kristal. Dari hasil analisa XRD dengan sudut pendek (10o-60o) dapat dilihat perbedaan ketajaman peak antara tanpa silika (SiO2 0%) dengan komposit Silika. Intensitas peak tertinggi (2 untuk variasi fraksi mol SiO2 ditemukan pada konsentrasi silika 0% didalam campuran. Sedangkan untuk variasi fraksi mol intensitas peak tertinggi ( 2 ditemukan pada konsentrasi 75% didalam campuran. Rendahnya konsentrasi silika dalam campuran sol menghasilkan peak difraksi dari silika amorf tidak terlihat jelas. Semakin rendahnya konsentrasi dalam campuran sol menyebabkan berkurangnya tinggi peak. Hal ini menunjukkan bahwa pertumbuhan ukuran partikel berhenti setelah diperangkap dengan silika. Distribusi ukuran partikel menyempit setelah sol diperangkap ke matrik silika (Dong et al., 2005). Selain mengetahui derajat kristal juga dapat diketahui ukuran kristal dari partikel yang dihasilkan. Dapat diamati bahwa ukuran kristal dari partikel tanpa silika lebih besar daripada ukuran partikel nanokomposit -Silika. Selain itu untuk partikel nanokomposit Silika juga diketahui jika semakin tinggi konsentrasi didalam campuran sol maka ukuran kristal yang dihasilkan semakin besar. Ini karena masih ada partikel yang teraglomerasi.

10 jcpds dc= 16,79 nm SiO2 75 % dc =18,19 nm SiO2 25 % Intensity [a.u] SiO2 50 % dc = 19,85 nm SiO2 0 % dc = 24,2 nm θ Gambar 4.6 Hasil analisa XRD partikel nanokomposit -Silika untuk variasi fraksi mol SiO2

11 jcpds dc = 21,82 nm 75 % dc = 18,19 nm Intensity [a.u] 50 % 25 % dc = 16, 79 nm 0 % θ Gambar 4.7 XRD partikel nanokomposit -Silika untuk variasi fraksi mol Analisa Sifat Spektofotometer Optikal Partikel Nanokomposit -Silika dengan UV-vis Analisa UV-vis Spektrofotometer menggunakan panjang gelombang nm untuk %transmitan dan absorbansi. Hasil dari analisa spektrofotometer UV-vis dapat dilihat dari gambar 4.8 untuk absorbansi dan gambar 4.9 untuk transmitansi.

12 3.0 25% SiO2 25% Absorbance [a.u] 2.5 /SiO2 50% 75% SiO2 75% λ [nm] Gambar 4.8 Absorbansi partikel nanokomposit -SiO % SiO2 25% Transmitance [%] 15 /SiO250% 75% SiO2 75% λ [nm] Gambar 4.9 Transmitansi partikel nanokomposit -Silika Gambar 4.8 memperlihatkan pengaruh penambahan konsentrasi silika dalam campuran sol terhadap nilai absorbansi. Dari gambar tersebut tidak ada perbedaan yang signifikan dari masingmasing penambahan konsentrasi silika. Ini membuktikan bahwa dengan penambahan silika pada

13 sol membuat partikel tidak bisa teraglomerasi lebih lanjut sehingga dihasilkan ukuran partikel yang lebih kecil. Pengukuran absorbansi memberikan informasi kualitatif tentang ukuran partikel rata-rata dan juga memberikan estimasi kualitatif lebar dari distribusi ukuran partikel (Marczak et al., 2010). Gambar 4.9 menunjukkan nilai %transmitan partikel nanokomposit -Silika untuk masing-masing campuran sol. Rendahnya nilai transmitan untuk 75% dalam campuran sol disebabkan oleh koagulasi nanopartikel dalam matrik silika Analisa dengan Spektra Fourier-transform IR Gambar 4.11 menunjukkan hasil FTIR partikel nanokomposit -Silika dengan variabel mol fraksi silika dalam campuran sol dan gambar 4.12 menunjukkan hasil FTIR partikel nanokomposit -Silika dengan variabel mol fraksi dalam campuran sol. Luas peak O H semakin menyempit dengan adanya penambahan jumlah silika dalam campuran karena adanya gugus silanol dalam partikel. Peak menunjukkan bahwa proses pembentukan reaksi dari Zn(OH)2 sudah selesai. Dapat diamati ada muncul peak baru setelah ditambah silika. Peak yang menunjukkan adanya penambahan silika untuk variabel fraksi mol silika dalam campuran ditunjukkan pada bilangan gelombang 1209,36 cm-1 (SiO2 25%) dan 1269,16 cm-1 (SiO2 75%) sedangkan dari gambar 4.12 untuk variabel fraksi mol adanya penambahan silika dalam campuran ditunjukkan pada bilangan gelombang 1269,16 cm-1. Berikut ini FTIR untuk nanokomposit -Silika :

14 SiO2 100% Si O-Zn 3000 C O -C C O -C O-H C-O C=O SiO2 0% Si O-Zn C O -C C-O C=O C-O C=O Transmittance [%] SiO2 25 % Si O-Zn C=O C-O O-H SiO2 50% O-H Transmittance [a.u] Si O-Zn C O -C SiO2 75% λ [cm ] Gambar 4.10 FTIR partikel nanokomposit -Silika untuk variabel fraksi mol SiO2

15 C O -C C=O C-O Si O-Zn C O -C C=O C-O Si O-Zn C O -C C O -C Si O-Zn C=O C-O Si O-Zn Transmittance [%] 25% C=O C-O O-H O-H 50% O-H Transmittance [a.u] O-H 75% 100% 0% λ [cm ] Gambar 4.11 FTIR partikel nanokomposit -Silika untuk variabel fraksi mol Tabel 4.2 FT-IR partikel nanokomposit -Silika Variabel Wavenumber(cm-1) Gugus fungsi SiO2 25% 553, , 36 Si O Zn 804,31 C O C 1583,55 ; 1400,32 C O; C O 3406,28 O H 553,57 -Si 50%

16 SiO2 75% 25% 75% 100% 1226,72 Si O Zn 800,45 C O C 1583,55 ; 1400,32 C O, C O 3402,43 O H 553, ,16 Si O Zn 761,88 C O C 1583,55 ; 1400,32 C O, C O 3400,5 O H 553, ,16 Si O Zn 796,60 C O C 1583,55 ; 1400,32 C O, C O 3400,5 O H 553, ,16 Si O Zn 806,24 C O C 1583,55 ; 1400,32 C O, C O 3400,5 O H 553,57 - Si O Zn 819,74 C O C 1583,55 ;1400,32 C O, C O 3400,5 O H

17 4.2.4 Analisa dengan Scanning Elektron Microscope Untuk semua variabel mol fraksi silika dan mol fraksi yang digunakan dalam penelitian ini dihasilkan partikel nanokomposit berbentuk bulat (sphere). Gambar 4.12 SEM partikel nanokomposit -Silika untuk variasi fraksi mol SiO2 Gambar 4.12 menununjukkan perbedaan morfologi nanopartikel sebelum dan sesudah penambahan silika dengan variasi fraksi mol SiO2 dan gambar 4.13 menununjukkan perbedaan morfologi nanokomposit -silika untuk variasi fraksi mol. Dapat diamati morfologi tanpa silika pada gambar 4.13 tidak berbentuk. Tingginya temperatur penguapan menyebabkan pecahnya partikel. Ada perbedaan waktu penguapan antara partikel tanpa silika dengan partikel yang sudah ditambah silika. Partikel tanpa silika waktu penguapannya lebih cepat dibandingkan dengan partikel yang sudah ditambah silika.

18 Gambar 4.13 SEM partikel nanokomposit -Silika untuk variasi fraksi mol SiO2 Kecepatan proses penguapan ini karena perbedaan solvent yang digunakan untuk pembuatan sol. Seperti yang sudah diketahui solvent yang digunakan untuk proses pembuatan sol adalah ethanol sedangkan solvent yang digunakan untuk pembuatan sol silika adalah aquadest. Adanya penambahan silika membuat konsentrasi didalam campuran berubah. Perubahan konsentrasi ini yang menyebabkan waktu penguapan partikel nanokomposit silika lebih lama daripada partikel tanpa silika. Korelasi waktu penguapan yang dipengaruhi dengan adanya penambahan silika ini juga dapat dijelaskan dengan kecepatan nebulizer ultrasonic untuk membentuk droplet. Semakin rendah konsentrasi silika yang ditambahkan kedalam sol maka waktu penguapan akan lebih cepat karena pada konsentrasi silika yang rendah nebulizer ultrasonic akan lebih cepat menghasilkan droplet. Adanya silika dapat mengurangi terjadinya agglomerasi antar partikel. Sebaliknya dengan adanya penambahan silika dalam campuran, menjadikan nanopartikel teraglomerasi dengan nanopartikel silika dan nanopartikel terdispersi dengan baik di antara nanopartikel silika Analisa dengan Spektrofluorometer PL pada gambar 4.15 dianalisa empat minggu setelah pembuatan sol dan dieksitasi pada panjang gelombang 500 nm. Analisa PL menunjukkan intensitas peak tertinggi untuk partikel adalah pada panjang gelombang 250 nm. Pada panjang gelombang ini partikel menghasilkan PL didaerah blue emmision.

19 PL intensity [a.u] λ [ nm] Gambar 4.14 PL partikel nanokomposit -Silika Dapat diamati intensitas peak partikel tanpa silika lebih rendah daripada intensitas peak partikel nanokomposit -silika. Ini membuktikan bila dengan tanpa adanya penambahan silika partikel tidak bisa stabil dan dikarenakan partikel tanpa silika sudah terdegradasi sehingga menyebabkan peak PLnya menurun. Dari beberapa campuran sol yang sudah dianalisa, intensitas peak tertinggi didapatkan untuk hasil campuran dengan konsentrasi silika 75% dalam campuran sol. Hal ini dapat dijelaskan dengan semakin tingginya konsentrasi silika didalam campuran sol maka akan semakin banyak yang teraglomerasi dengan silika sehingga tidak terjadi pergeseran warna PL.