BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Nanomaterial memiliki sifat unik yang sangat cocok untuk diaplikasikan dalam bidang industri. Sebuah material dapat dikatakan sebagai nanomaterial jika salah satu dimensi liniernya bernilai kurang dari 100 nm, dengan kata lain ukurannya berada di antara ukuran atom dan bulk-nya (Siegel, 1993). Nanomaterial yang memiliki tiga dimensi linier dengan ukuran kurang dari 100 nm, maka nanomaterial tersebut dikategorikan sebagai nanopartikel (Filipponi dan Sutherland, 2013). Nanopartikel ferit dengan struktur kubik spinel (spinel ferit) telah menjadi subjek penelitian terkait sifat optik, magnetik, dan listrik yang dimilikinya, jika dibandingkan dengan sifat partikel berukuran bulk (Gabal dkk., 2012). Sel terkecil dari kisi spinel memiliki simetri kubik yang mengandung 8 buah molekul dari MFe 2 O 4, dimana M adalah atom logam transisi. Beberapa contoh atom logam transisi diantaranya adalah Cd 2+, Cu 2+, Co 2+, Ni 2+, Zn 2+, dan Mn 2+. (Meng dkk., 2012). Sifat fisis nanopartikel spinel ferit secara prinsip dikontrol oleh komposisi, unsur dopant, metode sintesis, perlakuan panas, dan ukuran butir (Rahmouni dkk., 2015). Zn-ferit merupakan salah satu spinel ferit yang telah lama menjadi subjek penelitian karena memiliki permeabilitas magnetik tinggi, konduktivitas listrik tinggi (Goldman, 2006), kestabilan termal dan kimia. Selain itu, sifat kemagnetan Zn-ferit dapat dikontrol oleh ukuran partikelnya (Buschow, 2005). Partikel ZnFe 2 O 4 dengan ukuran bulk memiliki struktur spinel normal, dimana ion Zn 2+ yang tidak memiliki nilai momen magnetik berada pada site tetrahedral sehingga menimbulkan sifat antiferomagnetik di bawah suhu Neel (sekitar 10,5 K) dan paramagnetik pada suhu kamar (Koseoglu dkk., 2008). Sedangkan ZnFe 2 O 4 dengan ukuran nano dapat bersifat superparamagnetik pada suhu kamar (Shahraki dkk, 2012, Shahraki dan Ebrahimi, 2013). Pada penelitian-penelitian sebelumnya telah dibuktikan jika ukuran kristalit dan metode sintesis dapat mempengaruhi 1
sifat kemagnetan nanopartikel ZnFe 2 O 4 (Goldman, 2006). Contohnya, redistribusi kation Fe 3+ dan Zn 2+ pada site tetrahedral dan oktahedral dapat menimbulkan sifat kemagnetan ferimagnetik (Brusentov, dkk., 2001). Pada tahun 2015, Asmin telah melakukan penelitian mengenai pengaruh konsentrasi kopresipitan, suhu sintesis, dan durasi pengadukan terhadap struktur kristal dan sifat kemagnetan nanopartikel ZnFe 2 O 4. Metode sintesis yang digunakan oleh Asmin dalam proses fabrikasi nanopartikel ZnFe 2 O 4 adalah metode kopresipitasi. Melalui hasil penelitian tersebut diperoleh informasi bahwa ukuran partikel dan sifat magnetik nanopartikel dapat berubah seiring dengan perubahan konsentrasi NaOH (kopresipitan), suhu sintesis, dan durasi pengadukan. Muflihatun (2015) melakukan penelitian yang serupa dengan penelitian yang dilakukan oleh Asmin. Namun dalam penelitiannya, Muflihatun menggunakan material berupa NiFe 2 O 4 sebagai subjek penelitian. NiFe 2 O 4 merupakan spinel ferit dengan struktur spinel inverse. Pada ukuran bulk NiFe 2 O 4 menunjukkan sifat ferimagnetik di bawah suhu transisinya (Ehrhardt dkk., 2003) dan memiliki permeabilitas tinggi (Godbole dkk., 2013). Nanopartikel NiFe 2 O 4 dipilih karena menunjukkan perilaku superparamagnetik pada suhu kamar, yang mana sifat ini sangat penting untuk aplikasi terutama dalam bidang medis (Yelenich dalam Muflihatun, 2015). Hasil penelitian Muflihatun menunjukkan hasil yang serupa dengan penelitian milik Asmin, yaitu adanya perubahan ukuran partikel dan sifat kemagnetan. Selain variasi konsentrasi kopresipitan, durasi pengadukan, dan suhu sintesis, variasi komposisi juga dapat mempengaruhi sifat fisis nanopartikel spinel ferit. Pada tahun 2016, Indrayana melakukan penelitian menggunakan material spinel ferit ZnFe 2 O 4 yang dikombinasikan dengan MnFe 2 O 4. Melalui hasil penelitiannya, Indrayana melaporkan bahwa variasi konsentrasi Zn 2+ dapat mempengaruhi ukuran kristalit, struktur kristal, dan sifat magnetik nanopartikel Mn 1-x Zn x Fe 2 O 4 (x = 0,2 0,8). Spinel ferit Mn 1-x Zn x Fe 2 O 4 merupakan hasil perpaduan antara MnFe 2 O 4 dan ZnFe 2 O 4. 2
Penelitian yang telah dilakukan oleh Asmin, Mufli, dan Indrayana menghasilkan nanopartikel dengan sifat kemagnetan superparamagnetik dan feromagnetik yang baik. Berdasarkan hal tersebut maka pada penelitian ini akan dikaji mengenai pengaruh variasi konsentrasi Zn 2+ terhadap struktur kristal dan sifat kemagnetan nanopartikel spinel ferit. Nanopartikel spinel ferit yang dipilih sebagai subjek penelitian adalah nanopartikel ZnNiFe 2 O 4, yang mana merupakan kombinasi antara ZnFe 2 O 4 dan NiFe 2 O 4. Material ZnNiFe 2 O 4 tergolong sebagai spinel ferit magnetik lunak (soft magnetic) yang memiliki resistivitas listrik tinggi, permeabilitas magnetik tinggi, koersivitas rendah, kekerasan mekanik yang baik, dan kestabilan kimia (Thakur dkk., 2016). Nikel dan zinc masing-masing menempati site oktahedral dan tetrahedral, sehingga membuat NiFe 2 O 4 memiliki struktur inverse spinel dan ZnFe 2 O 4 memiliki struktur normal spinel. Perpaduan di antara keduanya membuat NiZnFe 2 O 4 memiliki struktur spinel campuran (mixed spinel) dengan grup ruang Fd3m (Chen dkk., 2011). Variasi komposisi pada spinel ferit ini membuat adanya redistribusi ion logam pada site tetrahedral dan oktahedral, yang mana dapat merubah sifat-sifat fisis pada NiZnFe 2 O 4 (Shahane dkk., 2010). Nanopartikel Zn x Ni 1-x Fe 2 O 4 adalah material yang dapat menunjukkan sifat kemagnetan ferimagnetik, antiferomagnetik, dan paramagnetik sesuai dengan jumlah kation yang berada pada site tetrahedral dan oktahedral (Zhu dan Chen, 2011). Jumlah kation pada site tetrahedral dan oktahedral berkaitan dengan redistribusi ion logam pada masing-masing site yang mana dapat dikontrol melalui variasi komposisi. Adanya variasi komposisi memiliki peran penting untuk mendapatkan sifat kemagnetan yang diinginkan. Sehingga, Zn x Ni 1-x Fe 2 O 4 dapat diaplikasikan sebagai divais non-resonan, sirkuit frekuensi radio, pita magnetik berkecepatan tinggi, dan elektronik magneto (Hamedoun dkk., 2010). Berbagai jenis metode sintesis telah berhasil digunakan dalam preparasi nanopartikel spinel ferit (Shahane dkk., 2010). Metode kimia basah seperti solgel, kopresipitasi, citrate-gel, mikro-emulsi, dan spray pyrolysis dapat menghasilkan partikel berukuran sub-mikro dengan homogenitas dan kontrol stoikiometri yang baik (Segal, 1999). Metode kopresipitasi memberikan lebih 3
banyak keuntungan dibandingkan dengan metode yang lain, yaitu terbebas dari kontaminasi, sederhana, tidak membutuhkan banyak biaya, komponen yang lebih homogen, dan kontrol ukuran partikel serbuk yang lebih baik (Amighian dkk., 2006). Pada tahun 2010, Shahane dkk. melakukan penelitian mengenai spinel ferit Ni x Zn 1-x Fe 2 O 4 (x = 0,1; 0,3; 0,5) dengan menggunakan metode kopresipitasi. Suhu sintesis yang digunakan dalam metode kopresipitasi adalah 80 0 C dengan prekursor berupa NiCl 2.6H 2 O, ZnCl 2, FeCl 3, dan ammonia 25% (sebagai kopresipitan). Metode karakterisasi material yang digunakan oleh Shahane dkk. untuk menganalisis struktur kristal dan sifat kemagnetan adalah X-Ray Diffractometer (XRD), Fourier Transform-Infra Red (FT-IR), dan Vibrating Sample Magnetometer (VSM). Penelitian yang dilakukan oleh Shahane dkk. menurut kami masih memiliki beberapa kekurangan dalam menganalisis struktur kristal dan sifat kemagnetan nanopartikel Ni x Zn 1-x Fe 2 O 4 yang diberi perlakuan variasi komposisi. Kekurangan-kekurangan yang terdapat dalam penelitian Shahane dkk. antara lain: 1. belum mengkaji tentang kerapatan kristal, 2. belum ada kajian mengenai morfologi sampel dan ukuran partikel menggunakan metode karakterisasi (TEM). Sehingga, tidak dapat mengkonfirmasi apakah nanopartikel yang dihasilkan berupa nanopartikel dengan kristal tunggal atau bukan. Karena, jika ukuran kristalit memiliki nilai yang mendekati ukuran partikel, maka nanopartikel yang terbentuk adalah nanopartikel dengan kristal tunggal (Siegel, 1993) 3. belum ada kajian mengenai cincin difraksi, sehingga tidak dapat mengkonfirmasi indeks Miller milik puncak-puncak difraksi yang terbentuk, 4. variasi komposisi yang dipilih belum dapat mengeksplorasi struktur kristal dan sifat kemagnetan ZnNiFe 2 O 4 pada saat keadaan Ni-rich (konsentrasi Ni 2+ lebih dominan dibandingkan Zn 2+ ). Berdasarkan pemaparan-pemaparan di atas, maka penelitian ini akan difokuskan untuk mengkaji pengaruh variasi konsentrasi Zn 2+ terhadap struktur kristal dan sifat kemagnetan pada Zn x Ni 1-x Fe 2 O 4 dengan nilai x = 0,2; 0,3;0,4; 0,5; 4
0,6; 0,7; dan 0,8. Metode sintesis yang digunakan dalam preparasi nanopartikel Zn x Ni 1-x Fe 2 O 4 adalah metode kimia kopresipitasi. Untuk mengkonfirmasi adanya pengaruh konsentrasi Zn 2+ terhadap struktur kristal dan sifat kemagnetan, maka metode karakterisasi yang digunakan adalah X-Ray Diffractometer (XRD), Fourier Transform-Infra Red (FT-IR), Transmission Electron Microscope (TEM), dan Vibrating Sample Magnetometer (VSM). 1.2. Rumusan Masalah Berdasarkan pada latar belakang yang telah dipaparkan di atas, maka rumusan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Bagaimana melakukan sintesis nanopartikel Zn x Ni 1-x Fe 2 O 4 dengan menggunakan metode kopresipitasi? 2. Bagaimanakah pengaruh konsentrasi Zn 2+ terhadap struktur kristal, ukuran kristalit, dan derajat kristalinitas nanopartikel Zn x Ni 1-x Fe 2 O 4? 3. Bagaimanakah pengaruh konsentrasi Zn 2+ terhadap sifat kemagnetan nanopartikel Zn x Ni 1-x Fe 2 O 4 serta korelasinya terhadap ukuran kristalit dan redistribusi ionnya? 1.3. Batasan Masalah Pembahasan dalam penelitian ini dibatasi pada pengkajian nanopartikel Zn x Ni 1-x Fe 2 O 4 yang dipreparasi dengan menngunakan metode sintesis kopresipitasi, serta pengaruh variasi konsentrasi Zn 2+ terhadap ukuran kristalit dan struktur kristal Zn x Ni 1-x Fe 2 O 4. Selain itu, akan dikaji mengenai sifat kemagnetan Zn x Ni 1-x Fe 2 O 4 pada konsentrasi Zn 2+ yang berbeda-beda serta korelasinya terhadap ukuran kristalit nanopartikel yang terbentuk. 1.4. Tujuan Penelitian Berdasarkan permasalahan yang dikaji, maka tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Mendapatkan nanopartikel Zn x Ni 1-x Fe 2 O 4 dengan menggunakan metode kopresipitasi dengan variasi x. 5
2. Mengukur dan mempelajari pengaruh konsentrasi Zn 2+ terhadap struktur kristal, ukuran kristalit, dan derajat kristalinitas nanopartikel Zn x Ni 1-x Fe 2 O 4 yang dihasilkan dari metode kopresipitasi. 3. Mengukur dan mempelajari pengaruh konsentrasi Zn 2+ terhadap sifat kemagnetan nanopartikel Zn x Ni 1-x Fe 2 O 4 serta korelasinya terhadap ukuran kristalit dan redistribusi ionnya. 1.5. Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat, antara lain: 1. Memberikan informasi mengenai metode yang efisien untuk digunakan dalam mensintesis nanopartikel Zn x Ni 1-x Fe 2 O 4 2. Memberikan informasi mengenai pengaruh komposisi terhadap sifat kemagnetan Zn x Ni 1-x Fe 2 O 4 yang dapat dimanfaatkan dalam aplikasinya di berbagai bidang 3. Dapat dijadikan sebagai referensi dalam penelitian selanjutnya, baik pengembangan maupun aplikasi yang menggunakan material Zn x Ni 1-x Fe 2 O 4. 1.6. Sistematika Penulisan Penulisan usulan tesis ini dibagi menjadi empat bab, yaitu: pendahuluan, tinjauan pustaka, dasar teori, dan metode penelitian. Bab I berisi pendahuluan memberikan penjelasan mengenai latar belakang dilakukannya penelitian mengenai pengaruh variasi konsentrasi Zn 2+ terhadap struktur kristal dan sifat kemagnetan nanopartikel Zn x Ni 1-x Fe 2 O 4, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan, manfaat, dan sistematika penulisan. Bab II berisi tinjauan pustaka yang menjelaskan mengenai penelitian sebelumnya yang berhubungan dengan sintesis ZnNiFe 2 O 4 dan pengaruh variasi komposisi terhadap sifat kemagnetan. Bab III berisi dasar teori mengenai struktur spinel ferit, sifat kemagnetan ferit, klasifikasi dan aplikasi ferit, magnetisasi dalam bahan, klasifikasi material magnetik, superparamagnetik dalam nanopartikel, domain magnet dan kurva 6
histerisis, anisotropi magnetik, metode kopresipitasi, dan metode karakterisasi material (XRD, FT-IR, TEM, dan VSM) Bab IV menjelaskan mengenai metode penelitian yang mencakup alat dan bahan yang digunakan dalam proses sintesis, alat karakterisasi, langkah-langkah kerja yang dilakukan selama penelitian, teknik pengolahan data, dan rencana waktu penelitian. 7