PENGARUH SUHU KALSINASI DAN PENYINTERAN TERHADAP PEMBENTUKAN Ca 3 Co 2 O 6

Transkripsi

1 PENGARUH SUHU KALSINASI DAN PENYINTERAN TERHADAP PEMBENTUKAN Ca 3 Co 2 O 6 Septian Adi Chandra*, Sigit Dwi Yudanto Pusat Penelitian Metalurgi LIPI Gedung 470, Kawasan Puspiptek, Setu, Tangsel * sadichandra@gmail.com Abstrak Percobaan sintesis material Ca 3 Co 2 O 6 dilakukan menggunakan metode reaksi padatan. Bahan baku sintesis adalah serbuk CaCO 3 dan CoCO 3. Percobaan diawali dengan menimbang kedua bahan baku sesuai dengan perhitungan stoikiometri. Setelah penimbangan, kedua bahan dicampur dan digerus menggunakan four point planetary ball mill selama 20 jam. Hasil penggerusan kemudian dikalsinasi pada suhu 400 C dan 800 C. Hasil kalsinasi kemudian dibentuk pellet dengan tekanan 140 MPa dan disinter pada suhu 1000 C dan 1100 C yang ditahan selama 12 jam. Proses penyinteran dilakukan dengan kondisi atmosfir udara bebas dan didiamkan dalam tungku sampai suhu kamar. Persentase rata-rata penyusutan massa sampel hasil penyinteran adalah 25,84% untuk kalsinasi 400 C dan 11,67% untuk kalsinasi 800 C. Hasil difraksi sinar-x sampel-sampel hasil penyinteran menunjukkan sudah terbentuknya fasa Ca 3 Co 2 O 6, meskipun masih terdapat fasa-fasa yang lain. Sampel dengan kalsinasi 800 C yang disinter pada suhu 1000 C dan ditahan selama 12 jam menunjukkan mayoritas terbentuk fasa Ca 3 Co 2 O 6. Kata kunci: Sintesis, Reaksi padatan, Ca 3 Co 2 O 6, Kalsinasi, Fasa PENDAHULUAN Material Ca 3 Co 2 O 6 merupakan material yang dapat dimanfaatkan sebagai katoda solid-oxide fuel cell (SOFC) [1], termoelektrik [2] [4], dan pigmen untuk pelapisan [5]. Menurut Tao Wei, dkk, Senyawa Ca 3 Co 2 O 6 (CCO) sangat menarik karena mempunyai perilaku magnetik, listrik dan termoelektrik yang baik. Sedangkan menurut Kouta iwasaki, dkk, Ca 3 Co 2 O 6 mempunyai nilai hambat jenis 1,63x10 2-1,33x10-1 Ωcm pada suhu 127 ke 897 C, koefisien Seebeck dari 660 ke 140 μv/k seiring kenaikan suhu dari 77 ke 897 C dan faktor daya 1,6x10-5 W/(mK 2 ) pada suhu 877 C, sehingga material ini mempunyai potensi sebagai termoelektrik meskipun nilai figure of merit pada suhu mutlak (ZT) 0,15 pada suhu 800 C (material termoelektrik, ZT > 1) [6]. Jika dibandingkan dengan material Ca 3 Co 4 O 9 yang mempunyai nilai ZT ~0,87 [7] nilai ZT Ca 3 Co 2 O 6 sangat jauh, tetapi senyawa Ca 3 Co 2 O 6 lebih stabil dibandingkan Ca 3 Co 4 O 9 [8]. Fasa Ca 3 Co 4 O 9 stabil sampai suhu 926 C dan terurai menjadi Ca 3 Co 2 O 6, dimana stabil pada suhu1026 C [6], [9]. Sehingga beberapa penelitian dilakukan untuk meningkatkan performa material Ca 3 Co 2 O 6 dengan cara pendopingan unsur-unsur tertentu [2], [4], [6], [9]. LEMBAGA ILMU PENGETAHUAN INDONESIA 241

2 Gambar 1. Struktur kristal Ca 3 Co 2 O 6 [2,4] Ca 3 Co 2 O 6 mempunyai struktur kristal dengan sistem orthorombik dan grup ruang R-3c. parameter kisi kristal Ca 3 Co 2 O 6 adalah a = ~9,08Å, dan c = ~10,38 Å pada suhu kamar [2,4,10]. Berdasarkan sifat-sifat dan manfaat material Ca 3 Co 2 O 6 tersebut maka dilakukan percobaan sintesis material Ca 3 Co 2 O 6. Sintesis menggunakan metode reaksi padatan dengan bahan baku CaCO 3 dan CoCO 3 [11,12]. METODE PERCOBAAN Sintesis Ca 3 Co 2 O 6 menggunakan metode reaksi padatan. Bahan baku yang digunakan adalah serbuk CaCO 3 dan CoCO 3. Percobaan diawali dengan menimbang kedua bahan baku sesuai dengan perhitungan stoikiometri. Setelah penimbangan, kedua bahan dicampur dan digerus menggunakan four point planetary ball mill selama 24 jam. Hasil penggerusan kemudian dikalsinasi pada suhu 400 C dan 800 C. Hasil kalsinasi digerus kembali dan kemudian dibentuk pellet dengan tekanan 140 MPa dan disinter pada suhu 1000 C dan 1100 C yang ditahan selama 20 jam. Proses penyinteran dilakukan dengan kondisi atmosfir udara bebas dan didiamkan dalam tungku sampai suhu kamar. Diagram alir percobaan ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar 2. Diagram alir percobaan 242 LEMBAGA ILMU PENGETAHUAN INDONESIA

3 HASIL DAN PEMBAHASAN Untuk mengetahui pengaruh kalsinasi terhadap proses pembentukan maka dilakukan penimbangan campuran bahan sebelum dan sesudah penyinteran. Pada proses penyinteran sampel terjadi penyusutan massa. Penyusutan massa sampel ditunjukkan pada Tabel 1. Tabel 1. Penyusutan massa sampel hasil penyinteran No. Nama sampel Penyusutan massa (%) 1. Kalsinasi 400 C Sinter 1000 C 24,52 2. Kalsinasi 800 C Sinter 1000 C 11,54 3. Kalsinasi 400 C Sinter 1100 C 27,16 4. Kalsinasi 800 C Sinter 1100 C 11,80 Dari Tabel 1 terlihat bahwa seiring dengan kenaikan suhu kalsinasi dan penyinteran, penyusutan massa semakin besar. Hal ini dapat dihubungkan dengan reaksi pembentukan material dari bahan baku. Reaksi pembentukan material Ca 3 Co 2 O 6 dari bahan baku CaCO 3 dan CoCO 3 dituliskan pada persamaan 1. 3CaCO 3(s) + 2CoCO 3(s) + ½ O 2(g) Ca 3 Co 2 O 6(s) + 5CO 2(g) (1) Dari persamaan 1 terlihat bahwa reaksi pembentukan Ca 3 Co 2 O 6 disertai dengan pelepasan gas CO 2. Pelepasan gas CO 2 berasal dari reaksi dekomposisi CoCO 3 menjadi Co 3 O 4 [11], [13]. Reaksi dekomposisi CoCO 3 dituliskan pada persamaan 2. CoCO 3(s) + ½O 2(g) Co 3 O 4(s) + CO 2(g) (pada rentang suhu ºC) [13], [14] (2) Selain reaksi dekomposisi CoCO 3, pelepasan gas CO 2 terjadi karena reaksi dekomposisi CaCO 3 menjadi CaO. Reaksi dekomposisi CaCO 3 dituliskan pada persamaan 3. CaCO 3(s) CaO (s) + CO 2(g) (pada suhu >800 C) [15] (3) Menurut I. Halikia, dkk, reaksi dekomposisi CaCO 3 terjadi pada suhu diatas 800 C, sehingga terlihat bahwa penyusutan massa dengan suhu kalsinasi 800 C lebih besar dari suhu 400 C. Dengan proses kalsinasi ini diharapkan bahwa pembentukan Ca 3 Co 2 O 6 terjadi dari senyawa logam oksidanya. Sehingga dapat mengurangi pengotor karbon dalam senyawa yang terbentuk. Analisis difraksi sinar-x Sampel hasil penyinteran dikarakterisasi menggunakan difraktometer sinar-x untuk mengetahui fasa material yang terbentuk. Difraktometer sinar-x memakai cobalt dengan panjang gelombang, λ = 1,789 Å sebagai sumber radiasi. Pengukuran dilakukan pada rentang sudut 2 = Pola difraksi sinar-x sampel-sampel hasil penyinteran ditunjukkan pada Gambar 2. LEMBAGA ILMU PENGETAHUAN INDONESIA 243

4 Gambar 3. Pola difraksi sinar-x sampel, a). kalsinasi 400 C penyinteran 1000 C, b). kalsinasi 400 C penyinteran 1100 C, c). kalsinasi 800 C penyinteran 1000 C [11,12], dan d). kalsinasi 800 C penyinteran 1100 C [11] Berdasarkan pola difraksi sinar-x, terlihat bahwa pada sampel kalsinasi 400 C dan suhu penyinteran 1000 C sudah terlihat pembentukan fasa Ca 3 Co 2 O 6. Puncak-puncak yang merupakan puncak Ca 3 Co 2 O 6 adalah puncak pada sudut 2 = 22,74; 37,96; 39,94; 48,84; 49,6; 54,52; dan 56,3. Puncak-puncak tersebut sesuai dengan JCPDS No [16]. Meskipun puncak-puncak pola difraksi sudah menunjukkan pembentukan fasa Ca 3 Co 2 O 6, tetapi intensitas puncak masih terlihat kasar. Jika dibandingkan dengan pola difraksi sampel kalsinasi 800 C dan suhu penyinteran 1000 C, terlihat intensitas puncak-puncak pola difraksi fasa Ca 3 Co 2 O 6 terlihat sangat halus. Selain fasa Ca 3 Co 2 O 6, ternyata masih terdapat fasa-fasa lain yaitu, Co 3 O 4 [17] dan CoO [18]. Puncak-puncak yang memperlihatkan fasa Co 3 O 4 adalah puncak pada sudut 2 =43,06. Sedangkan puncak CoO pada sudut 2 =42,62. Masih terdapat fasa ikutan ini mungkin disebabkan oleh tidak ikut bereaksinya bahan baku CoCO 3 dengan CaCO 3. Sedangkan pola difraksi pada sampel kalsinasi 400 C dan 800 C dengan suhu penyinteran 1100 C terlihat bahwa fasa-fasa lain yang terbentuk selain Ca 3 Co 2 O 6 adalah Co 3 O 4, CoO, CaO dan beberapa puncak tidak diketahui fasanya. Hal ini terlihat pada intensitas pola difraksi yang semakin besar. KESIMPULAN Pembentukan material Ca 3 Co 2 O 6 dapat dilakukan menggunakan metode reaksi padatan. Meskipun fasa Ca 3 Co 2 O 6 sudah terbentuk, ternyata masih ada fasa-fasa lain yang terbentuk juga. Proses kalsinasi mempengaruhi pembentukan senyawa oksida. Untuk menghasilkan fasa Ca 3 Co 2 O 6 yang paling baik dilakukan dengan suhu kalsinasi 800 C dan penyinteran pada suhu 1000 C. DAFTAR PUSTAKA 1. T. Wei, Y.-H. Huang, R. Zeng, L.-X. Yuan, X.-L. Hu, W.-X. Zhang, L. Jiang, J.-Y. Yang, and Z.-L. Zhang, Evaluation of Ca 3 Co 2 O 6 as cathode material for highperformance solid-oxide fuel cell, Sci. Rep., vol. 3, pp. 1 6, K. Iwasaki, H. Yamane, S. Kubota, J. Takahashi, and M. Shimada, Power factors of Ca 3 Co 2 O 6 and Ca 3 Co 2 O 6 -based solid solutions, J. Alloy. Compd. 358, vol. 358, pp , LEMBAGA ILMU PENGETAHUAN INDONESIA

5 3. J. An and C.-W. Nan, Electronic structure and transport of Ca 3 Co 2 O 6 and Ca 3 CoNiO 6, Solid State Commun., vol. 129, no. 1, pp , K. Iwasaki, H. Yamane, J. Takahashi, S. Kubota, T. Nagasaki, Y. Arita, Y. Nishi, T. Matsui, and M. Shimada, Influences of Bi and Cu substitutions on the power factor of Ca 3 Co 2 O 6, J. Phys. Chem. Solids, vol. 66, no. 2 4, pp , O. A. Fouad, A. M. Hassan, H. A. El-Wahab, A. M. Eldin, A.-R. M. Naser, and O. A. G. Wahba, Synthesis, characterization and application of some nanosized mixed metal oxides as high heat resistant pigments: Ca 2 CuO 3, Ca 3 Co 2 O 6, adn NiSb 2 O 6, J. Alloys Compd., vol. 537, pp , M. Mikami and R. Funahashi, The effect of element substitution on high-temperature thermoelectric properties of Ca 3 Co 2 O 6 compounds, J. Solid State Chem., vol. 178, no. 5, pp , M. Shikano, R. Funahashi, and H. Ikuta, Synthesis of Ca 3 Co 4 O 9 and CuAlO 2 Ceramics of the Thermoelectric Application Using A Reaction- Sintering Process, J. Aust. Ceram. Soc, vol. 44, no. 1, pp , N. Van Nong and M. Ohtaki, Power factors of late rare earth-doped Ca 3 Co 2 O 6 oxides, Solid State Commun., vol. 139, no. 5, pp , D. Lu, G. Chen, J. Pei, X. Yang, and H. Xian, Effect of erbium substitution on thermoelectric properties of complex oxide Ca 3 Co 2 O 6 at high temperatures, J. Rare Earths, vol. 26, no. 2, pp , B. Raveau and M. Seikh, Cobalt Oxides: From Crystal Chemistry to Physics, vol S. D. Yudanto, Sintesis Ca3Co2O6 dan CaMnO3 dari Bahan Baku CaCO 3, CoCO 3 dan MnCO 3 Melalui Proses Reaksi Padatan, S. D. Yudanto and A. Imaduddin, Studi Arus Bolak-Balik Material Ca 3 Co 2 O 6, Maj. Metal., vol. 29, no. 2, pp , C.-H. Wu, Low Energy-Consumption Industrial Production of Ultra-Fine Spherical Cobalt Powders, Energy Conserv., S. D. Yudanto and S. A. Chandra, Preparasi, Sintesis dan Karkaterisasi Material Oksida Ca 3 Co 4 O 9, Maj. Metal., vol. 30, no. 1, pp , I. Halikia, L. Zoumpoulakis, E. Christodoulou, and D. Prattis, Kinetic study of the thermal decomposition of calcium carbonate by isothermal methods of analysis, Eur. J. Miner. Process. Environ. Prot., vol. 1, no. 2, pp , S. Kahatta, N. Chaiyo, C. Ruttanapun, W. Techitdheera, B. Boonchom, and N. Vittayakorn, Preparation and Thermoelectric Properties of Ca 3 Co 2 O 6 Ceramics by Microwave-Assisted Solution Combustion Method, 38th Congr. Sci. Technol. Thail., L. Xue, C. Zhang, H. He, and Y. Teraoka, Promotion effect of residual K on the decomposition of N 2 O over cobalt cerium mixed oxide catalyst, Catal. Today, vol. 126, no. 3 4, pp , M. Th. Makhlouf, B. M. Abu-Zied, and T. H. Mansoure, Direct Fabrication of Cobalt Oxide Nano-particles Employing Glycine as a Combustion Fuel, Phys. Chem., vol. 2, no. 6, pp , LEMBAGA ILMU PENGETAHUAN INDONESIA 245