BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Penggunaan TiO 2 sebagai fotokatalis diperkenalkan pertama kali oleh Fujishima dan Honda tahun 1972 mengenai pemecahan air menjadi oksigen dan hidrogen secara fotoelektrokimia menggunakan elektroda semikonduktor TiO 2 di bawah radiasi sinar UV (Hashimoto et al., 2005). Penelitian mengenai fotokatalis TiO 2 dikembangkan oleh Fujishima pada tahun 2001 untuk mengetahui efektivitas TiO 2 sebagai fotokatalis dalam upaya pengadaan energi alternatif terbarukan yaitu gas hidrogen melalui dekomposisi air. Perkembangan teknologi fotokatalis semakin meluas sampai pada aplikasi keseharian seperti material TiO 2 yang memiliki kemampuan self-cleaning. Selain itu, TiO 2 dapat mendegradasi limbah organik, zat warna dan digunakan sebagai disinfektan untuk peralatan medis (Nakata dan Fujhisima, 2012). Fotokatalis merupakan salah satu katalis yang bekerja apabila diberi cahaya dengan panjang gelombang tertentu. Fotokatalis pada umumnya adalah suatu semikonduktor yang memiliki pita valensi penuh dan pita konduksi kosong seperti TiO 2, Fe 2 O 3, ZnO, WO 3, SnO 2, CdS, ZnS, CuS, dan lain-lain. Apabila semikonduktor tersebut dikenai cahaya pada panjang gelombang tertentu, maka elektron akan tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi menghasilkan hole pada pita valensi. Proses tersebut terjadi pada tahap awal reaksi fotokatalis. Dari sekian banyak jenis semikonduktor, hingga saat ini TiO 2 menjadi pilihan terutama dalam bentuk kristal anatase sebagai fotokatalis. Secara komersial serbuk TiO 2 mudah didapat dan biaya pembuatannya relatif rendah (Gupta dan Manoj, 2011). Selain itu, serbuk TiO 2 sebagai fotokatalis memiliki keunggulan diantaranya memiliki aktivitas fotokatalis tinggi, non toksik, tahan terhadap korosi, tidak larut dalam air. TiO 2 juga memiliki kemampuan menyerap sinar yang tinggi yang ditandai dengan nilai energi celah pita (Eg) yang sesuai, yaitu sebesar 3,2 ev untuk struktur anatase (Castro et al., 2009). Berdasarkan keunggulan sifat dari TiO 2 tersebut maka TiO 2 merupakan fotokatalis yang paling efektif digunakan. 1
2 Penggunaan TiO 2 sebagai fotokatalis memiliki kelemahan yaitu kurang efektif jika diaplikasikan di lingkungan. TiO 2 hanya aktif bekerja dibawah radiasi sinar UV karena energi celah pita TiO 2 yang relatif lebar. Hal ini yang menjadi kendala dalam penggunaan sinar matahari berbasis TiO 2 karena sinar UV yang masuk ke bumi hanya berkisar 4-5% sedangkan 45% adalah sinar tampak (Segne et al., 2011). Beberapa pemikiran mengenai pengembangan fotokatalis TiO 2 dilakukan dengan menggeser serapan TiO 2 menuju daerah sinar tampak dengan cara mempersempit Eg. Oleh karena itu, beberapa penelitian terakhir ini berorientasi pada preparasi fungsional material semikonduktor TiO 2 yang efisien dan responsif terhadap sinar tampak. Modifikasi TiO 2 dengan metode berbeda telah dikembangkan untuk memperlebar aktivitas TiO 2 di daerah sinar tampak dengan mempersempit Eg dari TiO 2. Salah satu cara untuk mempersempit Eg dari TiO 2 dan menghasilkan TiO 2 yang responsif terhadap sinar tampak adalah modifikasi TiO 2 melalui penyisipan (doping) logam maupun nonlogam (Chen dan Mao, 2007). Sejauh ini modifikasi TiO 2 dilakukan dengan doping menggunakan logam transisi. Beberapa penelitian telah menunjukkan bahwa doping menggunakan logam transisi seperti Fe, Co, Ni, Au, Ag (Colmenares et al., 2006) dapat menurunkan nilai Eg dan meningkatkan aktivitas fotokatalitik di daerah sinar tampak. Dopan logam transisi ke TiO 2 dapat bertindak sebagai electron trapper yang dapat meningkatkan pemisahan pasangan elektron-hole sehingga meningkatkan efisiensi fotokatalitik TiO 2 (Nainani et al., 2012). Diantara beberapa logam transisi, kobalt merupakan salah satu logam transisi yang dapat digunakan sebagai dopan ke TiO 2. Logam Co dalam bentuk oksidanya juga merupakan semikonduktor dengan nilai Eg yang lebih kecil dari TiO 2 yaitu 2,4 ev. Harga Eg tersebut sesuai dengan energi pada daerah pada panjang gelombang sinar tampak. Diharapkan dengan adanya doping logam Co ke TiO 2 akan diperoleh nilai Eg yang lebih kecil. Beberapa literatur menyebutkan Co 2+ dan Co 3+ merupakan spesies yang aktif dan bisa digunakan sebagai dopan TiO 2. Keadaan valensi logam juga perlu dipertimbangkan. Iwasaki et al. (2000) menyatakan bahwa Co 2+ mampu memberikan pengaruh baik serta mempersempit
3 Eg dari TiO 2 dibandingkan Co 3+. Menurut Choi et al. (1994) memberikan kesimpulan bahwa Co 2+ lebih aktif dalam meningkatkan aktivitas fotokatalis dibandingkan Co 3+. Penelitian tersebut sejalan dengan Choi et al. (2010) yang telah terbukti bahwa doping TiO 2 menggunakan Co 2+ dapat meningkatkan aktivitas fotokatalitik dan menggeser serapan ke arah sinar tampak. Literatur tersebut menjadi dasar penggunaan Co 2+ sebagai dopan ke TiO 2 pada penelitian ini. Beberapa metode penelitian yang dilakukan terdahulu, metode penyisipan dilakukan dengan cara memodifikasi struktur TiO 2 komersial dengan menyisipkan atom Co dengan proses impregnasi. Metode impregnasi tersebut masih memiliki kelemahan yaitu dihasilkan material dengan sifat kristal yang kurang baik. Amadelli et al. (2008) telah mensintesis Co-doped TiO 2 (Co-TiO 2 ) yang berasal dari TiO 2 komersial (Deggussa, P-25) dan kobalt asetat menggunakan metode impregnasi. Dari hasil penelitian Amadelli et al. tersebut, material Co-TiO 2 yang dihasilkan memiliki sifat kristal yang kurang baik karena cacat kristal yang terbentuk sangat besar. Metode lain yang dapat digunakan untuk mengatasi kelemahan dari metode impregnasi dan dimungkinkan lebih baik adalah metode sol gel. Metode sol gel dipilih karena dapat mendistribusi dopan pada struktur TiO 2 secara merata dan homogen. Dengan metode sol gel diharapkan kemungkinan cacat kristal yang terbentuk lebih kecil dibandingkan menggunakan metode impregnasi karena proses penyisipan dopan pada struktur TiO 2 yang terbentuk dari awal. Hamadanian et al. (2010) melakukan sintesis Co-TiO 2 metode sol-gel dengan variasi penambahan dopan Co yaitu 0,05;0,1;0,5;1;2 dan 5% mol. Penelitian Hamadanian ini masih mengkaji variasi konsentrasi jumlah Co saja, sedangkan suhu kalsinasi dan ph larutan cobalt nitrat dibuat sama yaitu dikalsinasi pada suhu 500 o C selama 2 jam dan ph larutan pada kondisi asam (ph 1,5). Penelitian Hamadanian et al. (2010) ini membuka peluang penelitian lainnya untuk mempelajari pengaruh doping Co 2+ ke TiO 2 terutama kajian mengenai beberapa pengaruh dari parameter fisik. Secara umum parameter fisik seperti ph larutan garam prekursor, konsentrasi dopan, waktu reaksi, suhu dan banyaknya air
4 akan mempengaruhi karakter dan struktur hasil sintesis yang dihasilkan dari proses sol gel. Suhu kalsinasi merupakan salah satu parameter fisik yang penting dalam mengarahkan pembentukan struktur kristal pada sintesis TiO 2 menggunakan metode sol gel. Menurut Zang et al. (2009) suhu kalsinasi dapat mempengaruhi perubahan struktur, ukuran dan kristalinitas dari fotokatalis TiO 2. Aktivitas fotokatalis TiO 2 sangat ditentukan oleh struktur, ukuran dan kristanilitas TiO 2 yang terbentuk akibat oleh adanya pengaruh suhu kalsinasi (Ryu et al., 2004). Zhang et al. (2009) juga menyebutkan bahwa suhu kalsinasi yang semakin tinggi akan terjadi perubahan struktur kristal yaitu pada 600ºC kristal rutile mulai terbentuk sedangkan secara fotokatalitik, struktur anatase menunjukkan aktivitas yang lebih baik dari segi kereaktifan dibandingkan dengan struktur rutile. Oleh karena itu, pengetahuan mengenai suhu kalsinasi menjadi hal yang sangat penting untuk mendapatkan kristal dengan karakteristik yang tepat. Proses yang terjadi dalam sintesis TiO 2 menggunakan metode sol gel secara umum melalui tahap hidrolisis dan kondensasi. Kedua reaksi dapat berlangsung dengan laju yang sangat cepat atau lambat dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti jumlah air dan ph larutan. Menurut Ibrahim dan Sreekantan (2010) menyatakan bahwa ph larutan akan mempengaruhi mekanisme reaksi pembentukan kristal TiO 2 sehingga akan mempengaruhi struktur, ukuran dan kristanilitas TiO 2. Hasil penelitian Ibrahim dan Sreekantan (2010) tersebut menunjukkan bahwa keasaman larutan semakin rendah strukur kristal akan terarah pada pembentukan anatase sedangkan pada keasaman yang tinggi struktur terarah ke rutile. Kajian variasi ph larutan garam juga penting dikaji untuk menentukan karakter kristal Co-TiO 2 yang terbentuk. Pada penelitian sebelumnya, parameter fisik yang banyak dikaji adalah pengaruh konsentrasi dopan Co sedangkan pengaruh suhu kalsinasi dan ph larutan garam prekursor jarang dikaji. Berdasarkan alasan tersebut, dalam penelitian ini akan dikaji pengaruh variasi konsentrasi garam Co, ph larutan garam dan suhu kalsinasi terhadap karakter Co-TiO 2 yang disintesis menggunakan metode sol gel.
5 1.2 Tujuan Penelitian Berdasarkan latar belakang diatas maka tujuan dalam penelitian ini sebagai berikut: 1. Mempelajari pengaruh konsentrasi Co terhadap karakter Co-TiO 2 yang disintesis dengan metode sol gel. 2. Mempelajari pengaruh variasi suhu kalsinasi terhadap karakter Co-TiO 2 yang disintesis dengan metode sol gel. 3. Mempelajari pengaruh variasi ph terhadap karakter Co-TiO 2 yang disintesis dengan metode sol gel. 1.3 Manfaat Penelitian Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah dapat memberikan informasi mengenai sintesis Co-TiO 2 dengan metode sol gel. Selain itu, memberikan informasi mengenai pengaruh variasi konsentrasi dopan Co, suhu kalsinasi dan ph larutan garam prekursor pada proses tersebut. Manfaat lain dalam sintesis Co-TiO 2 yang dilakukan adalah dihasilkan material semikonduktor fotokatalis yang responsif terhadap sinar tampak sehingga diharapkan dapat diaplikasikan secara efektif dan efisien di dalam berbagai bidang di lingkungan.