SINTESIS SERBUK BARIUM HEKSAFERIT DENGAN METODE KOPRESIPITASI EL INDAHNIA KAMARIYAH 1109201715 JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2011
Latar Belakang Barium heksaferit (BaFe 12 O 19 atau BaO.6Fe 2 O 3 ) Magnet permanen Motor, Loudspeaker, Perekam magnetik, Material absorber (peredam Gel. EM) Material anti radar
Magnet permanen - Menghasilkan medan magnet -Kemagnetannya sulit dihilangkan Ferrite NdFeB SmCo AlNiCo Ferrit magnet Philips (1950an) FERROXDURE (FXD) Ferrit Type-M/Hexaferit BaFe 12 O 19 SrFe 12 O 19
Shanker RAM, 1988, Canada Polikristal BaFe 12 O 19 (µm) Reaksi larutan padat Sintering 1000-1400ºC Hsiang dkk, 2006, Taiwan Partikel BaFe 12 O 19 Kopresipitasi kalsinasi 600ºC, 2 jam. Lisjak dkk, 2007, Slovenia Partikel nano BaFe 12 O 19 Kopresipitasi kalsinasi 600ºC, 5 jam. Kalsinasi 700-800, 1 jam Dimri dkk, 2003, India Partikel BaFe 12 O 19 21 nm Metode prekursor sitrat Sintering 1100ºC, 3 jam. Barium heksaferit Li dkk, 2007, Cina Partikel BaFe 12 O 19 45 nm Metode Sol Gel Kalsinasi 950ºC, 3 jam. Qiu dkk, 2004, Cina Partikel BaFe 12 O 19 250, 100, 75 dan 50 nm High energy ball milling (HEBM) kalsinasi 850ºC, 1 jam. Qiu dkk, 2004, Cina Partikel BaFe 12 O 19 20-30 nm Gell self-propagating combustion (GSPC) technique and High energy ball milling (HEBM) process Kalsinasi 800 C digiling 20 jam, kalsinasi 600 C digiling 60 jam
Dari penelitian Lisjak, Hsiang dkk dapat disimpulkan bahwa pembentukan BaFe12O19 dengan metode kopresipitasi dapat tercapai melalui 2 mekanisme, yaitu : (i) Tidak langsung, melalui fasa peralihan (BaFe 2 O 4 ) (ii) Langsung dari fasa prekursornya (BaCO 3 ) Pada mekanisme kedua, pembentukan BaFe 12 O 19 membutuhkan temperatur yang lebih rendah dibandingkan mekanisme pertama. Maka dilakukan penelitian untuk mensintesis BaFe 12 O 19 berfasa tunggal dengan metode kopresipitasi pada variasi temperatur rendah berbahan dasar a. BaCO 3, FeCl 3 dan pasangan asam basa kuat HCl dan NH 4 OH b. BaCO 3, pasir besi (Fe 3 O 4 ) dan pasangan asam basa HNO 3 dan NH 4 OH Perumusan Masalah : Bagaimana penerapan metode kopresipitasi dalam proses sintesis partikel BaFe 12 O 19. Batasan masalah : Sintesis partikel BaFe 12 O 19 dengan metode kopresipitasi
Barium heksaferit (BaFe 12 O 19 atau BaO.6Fe 2 O 3 ) Dalam satu unit sel berisi 38 ion O 2-, 2 ion Ba 2+, dan 24 ion Fe 3+. Fe 3+ = 16 dan Fe 3+ = 8 Fe 3+ = 8 x 5 µb = 40 µb
Nano BaFe 12 O 19? BaFe 12 O 19 material keramik, bersifat magnetik Keramik grain Pengulangan unit cell Ukuran kristal berskala nano dapat berperilaku sebagai domain magnet tunggal sehingga sifat magnetiknya sangat berbeda dibandingkan dengan material bulknya. Misalnya koersifitas material semakin meningkat.
Dari penelitian yang pernah dilakukan oleh Lisjak dkk (2007), pembentukan BaM dengan metode kopresipitasi dapat tercapai melalui 2 mekanisme, yaitu : (i) langsung dari fase precursornya, (ii) tidak langsung, melalui BaFe 2 O 4 sebagai fase intermediate. Pada mekanisme pertama, pembentukan BaM membutuhkan temperatur yang lebih rendah karena energi aktivasi lebih rendah dibandingkan mekanisme kedua. BaCO 3 dibentuk dari prekursor selama proses preparasi dilakukan. Pembentukan BaFe 2 O 4 dan BaFe 12 O 19 dimulai dengan proses degradasi BaCO 3 pada temperatur 500 C. Jadi, pembentukan BaCO 3 dibutuhkan untuk membentuk BaFe 12 O 19 pada temperatur rendah. NaOH, H 2O, alkohol BaA + 12FeA Ba prec( a) + Fe prec( a) 2 3 Ba udara prec( amorf ) + CO BaCO 2 3 Fe prec 0 290 C, H ( ) 2 O amor α Fe2O3 Ba prec +, ( amorf ) Fe prec( amorf ) 500 C H 2 O BaFe12O19 ) BaCO 3 + α Fe 2 O 3 0 600 C, CO2 BaFe 12 O 19 + BaFe 2 O 4 α Fe 2 O 3 + BaFe 2 O 4 0 600 C BaFe 12 O 19
Metodologi
Reaksi yang terjadi pada pembentukan endapan BaFe 12 O 19 pada proses kopresipitasi adalah sebagai berikut : 1. Sintesis I dan II BaCO ( BaCl + H CO 3 s) + 2HCl( l) 12 FeCl3.6H 2O + 12H 2O 12FeCl3 + 84H 2O 2 2 3 BaCl 12 H O + CO 2 + FeCl3 + H 2CO3 + H 2O + HCl + 39NH 4OH BaFe12O19 + 39NH 4Cl + 22 Tabel 1. Komposisi Material Penyusun BaFe 12 O 19 pada Sintesis I dan Sintesis II No Sintesis BaCO 3 HCl 1 M FeCl 3 Aquades HCl 12,7 M NH 4 OH 6,5 M 1 Sintesis I 6,1 gr 60 ml 100 gr 13,4 ml 31 ml 185,2 ml 2 Sintesis II 6,1 gr 60 ml 100 gr 13,4 ml - 185,2 ml 2. Sintesis III 2 2 Tabel 2. Komposisi Material Penyusun BaFe 12 O 19 pada Sintesis III No Material Dasar Massa/Volume 1 α-fe 2 O 3 8,624 gr 2 BaCO 3 1,776 gr 3 Etanol 50 ml
SINTESIS IV BaCO 3 & HNO 3 1 M Fe 3 O 4 & HNO 3 14,7 M NH 4 OH 6,5 M - dibilas hingga ph 7 - dikeringkan di udara terbuka Prekursor - dipanaskan 700 C, 1 jam Tabel 3. Komposisi Material Penyusun BaFe 12 O 19 pada Sintesis IV Uji XRD No Material Dasar Massa/Volume 1 BaCO 3 dan HNO 3 1 M 5,328 gr dan 50 ml 2 Pasir Besi (Fe 3 O 4 ) dan HNO 3 14,7 M 25,1 gr dan 90,36 ml 3 NH 4 OH 6,5 M 157,8 ml
Pembahasan Sintesis I Gambar 1. Kurva DTA/TGA Serbuk Prekursor BaFe 12 O 19 Pemanasan 150 C selama 1 Jam.
(a) (b) (c) (d) Gambar 2. Pola Difraksi Serbuk Prekursor BaFe 12 O 19 (a) Pemanasan 200 C dan 300 C, (b) 600 C, 700 C dan 800 C, (c) Waktu pemanasan 1 jam, dan (d) Pemodelan Rietica Fasa Hematit (Blake,dkk.1966)
Hematit (a) Gambar 3. Plot Hasil Refinement pada Sampel Pemanasan 800 C dengan (a) Rietica dan (b) Maud (b)
Tabel 4. Nilai Hasil Refinement Fasa Hematit dengan Rietica dan Maud pada Sampel Sintesis I No Sampel Rietica χ2 (%) Rp (%) Rwp (%) Rexp (%) Maud Sig (%) Rp (%) Rwp (%) 1 600 C, 1 jam 1,49 15,96 22,62 18,51 1,30 18,57 24,04 18,46 2 600 C, 5 jam 1,27 14,38 23,18 20,53 1,29 19,95 26,74 20,72 3 700 C, 1 jam 1,17 14,19 23,82 21,98 1,17 17,48 25,87 22,08 4 700 C, 3 jam 1,15 13,52 22,66 21,15 1,11 15,42 23,58 21,32 5 800 C, 1 jam 1,14 14,59 23,96 22,41 1,22 20,04 27,65 22,66 Rexp (%)
(a) (b) Gambar 4 (a) Serbuk Hematit pada Pemanasan Sampel 700 C, (b) Serbuk Barium Heksaferit
Sintesis II Gambar 5. Pola Difraksi Serbuk Prekursor BaFe 12 O 19 pemanasan 150,200 C dan 250 C
Geothite (FeO(OH)) (a) Gambar 6. Plot Hasil Refinement pada Sampel Pemanasan 150 C selama 1 jam dengan (a) Rietica dan (b) Maud (b)
Tabel 5. Nilai Hasil Refinement Fasa Geothite dan Hematit dengan Rietica dan Maud pada Sampel Sintesis II No Sampel 1 150 C 1 jam 2 150 C 2 jam 3 200 C 1 jam 4 200 C 2 jam 5 250 C 1 jam 6 250 C 2 jam Rietica α- FeO(OH) χ 2 Fe 2 O 3 (%) Rp (%) Rwp (%) Maud α-fe 2 O 3 FeO(OH) Sig (%) - 100% 1,62 19,26 26,32-100% 1,18 18,51 25,82-100% 1,49 18,54 25,17 Rp (%) Rwp (%) - 100% 1,14 17,70 24,69-100% 1,59 19,36 26,41-100% 1,18 18,53 25,82-100% 1,50 18,08 25,03-100% 1,17 18,34 25,22 69,45% 2,13 79,90 2,27 30,55% 0,85 20,10% 0,69 1,61 20,64 26,73 46,05% 1,51 1,78 22,10 28,33 71,86% 1,60 53,95% 1,26 28,14% 0,98 1,22 20,64 26,82 1,20 20,32 26,59
Sintesis III (a) (b) Gambar 7. Pola Difraksi (a) Sampel BaCO 3 -Hematite pada Pemanasan 600 C, 700 C dan 800 C (b) Pemodelan Rietica Fasa Hematit dan BaFe 2 O 4
Dari pola difraksi data terukur sampel pemanasan 600 C, 700 C dan 800 C selama 1 jam, secara manual teridentifikasi telah terbentuk fasa hematit dan mulai terbentuk fasa BaFe 2 O 4. (a) Gambar 8. Plot Hasil Refinement pada Sampel Pemanasan 800 C selama 1 jam dengan (a) Rietica dan (b) Maud (b)
Sintesis IV 600 500 400 300 200 100 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 2θ (a) (b) Gambar 9. Pola Difraksi (a) Sampel BaCO 3 -Fe 3 O 4 pada Pemanasan 700 C (b) Pemodelan Rietica Fasa Hematit dan BaFe 12 O 19
Dari pola difraksi data terukur sampel pemanasan 700 C selama 1 jam, secara manual teridentifikasi telah terbentuk fasa hematit dan mulai terbentuk fasa BaFe 12 O 19. (a) Gambar 10. Plot Hasil Refinement pada Sampel Pemanasan 700 C selama 1 jam dengan (a) Rietica dan (b) Maud (b)
Kesimpulan : Sintesis I (BaCO 3, FeCl 3, HCl, NH 4 OH) Temperatur 200 C dan 300 C selama 1-3 jam akan terbentuk fasa hematit Temperatur 600 C, 700 C, dan 800 C selama 1 5 jam terbentuk fasa hematit Sintesis II (BaCO 3, FeCl 3, NH 4 OH) Temperatur 150 C - 200 C selama 1-2 jam terbentuk fasa geothite (FeO(OH)) Temperatur 250 C selama 1-2 jam terbentuk fasa geothite dan hematit Sintesis III (Fe 2 O 3 dan BaCO 3 ) Temperatur 600 C-800 C selama 1 jam terbentuk fasa hematit dan mulai terbentuk BaFe 2 O 4 Sintesis IV (BaCO 3 dan pasir besi (Fe 3 O 4 )) Temperatur 700 C selama 1 jam terbentuk fasa hematit dan mulai sedikit terbentuk BaFe 12 O 19
Kesimpulan Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan diperoleh kesimpulan sebagai berikut : 1. Pembentukan fasa BaFe 12 O 19 dengan metode kopresipitasi tergantung pada bahan dasar pembentuknya. Fasa tersebut mulai muncul meskipun dalam intensitas yang kecil pada bahan dasar BaCO 3, Fe 3 O 4, HNO 3 dan NH 4 OH pada pemanasan 700 C. 2. Peningkatan konsentrasi HCl menyebabkan transformasi fasa BaFe 12 O 19 membutuhkan temperatur yang lebih tinggi karena Fe-prec sulit terbentuk dan BaCO 3 akan terdegradasi kembali menjadi BaCl 2. 3. Munculnya fasa α-fe 2 O 3 sebagai fasa dominan dimungkinkan karena disebabkan oleh 2 faktor, yaitu : a. munculnya BaCl 2 kembali sebagai hasil degradasi BaCO 3 yang bereaksi dengan HCl, dan b. penambahan larutan NH 4 OH, yang menyebabkan keseimbangan transformasi fasa intermediate menjadi fasa BaFe 12 O 19 terganggu 4. Pemanasan α-fe 2 O 3 dengan BaCO 3 pada temperatur 600 C, 700 C dan 800 C selama 1 jam hanya bisa membentuk fasa α-fe 2 O 3 dan BaFe 2 O 4.
Pola Difraksi Sintesis I
Pola Difraksi Sintesis II
Pola Difraksi Sintesis III
Pola Difraksi Sintesis IV