SINTESIS DAN KARAKTERISASI KOMPOSIT TiO2/NANOPARTIKEL KARBON (C-dot) DAN APLIKASINYA SEBAGAI FOTOKATALIS
UNTUK DEGRADASI PERKLOROETILENA
DEDRI SYAFEI
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
▸ Baca selengkapnya: contoh dot pariwisata
(2)(3)PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul “Sintesis dan Karakterisasi Komposit TiO2/Nanopartikel Karbon (C-dot) dan Aplikasinya Sebagai Fotokatalis
untuk Degradasi Perkloroetilena” adalah benar karya saya dari arahan komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun di perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, Juni 2016
Dedri Syafei
RINGKASAN
DEDRI SYAFEI. Sintesis dan Karakterisasi Komposit TiO2/Nanopartikel Karbon
(C-dot) dan Aplikasinya Sebagai Fotokatalis untuk Degradasi Perkloroetilena. Dibimbing oleh SRI SUGIARTI dan NOVIYAN DARMAWAN.
Komposit TiO2/C-dot disintesis dengan metoda sol-gel dan telah diselidiki
sebagai katalis untuk degradasi fotokatalitik senyawa pencemar perkloroetilena (PCE). Sifat fotoluminesens ditunjukkan dari analisis visual menggunakan lampu UV (365 nm),dan produk hasil sintesis dikarakterisasi menggunakan difraksi sinar-X (sinar-XRD), Fourier Transform Infrared (FTIR), spektrofotometer fluoresens,
Scanning Electron Mocroscope (SEM) dan spektrofotometer UV-Vis.
Hasil analisis XRD dan FTIR menunjukkan bahwa C-dot terikat secara fisik dalam TiO2. C-dot tidak kehilangan sifat fluoresensnya walaupun dikomposit
dengan TiO2. C-dot dapat menurunkan nilai energi celah pita optik TiO2 dalam
komposit TiO2/C-dot sehingga memperlebar jangkauan serapan TiO2 dan
meningkatkan aktivitas fotolatalitik TiO2. Degradasi PCE 0.1% (v/v) dalam fasa
cair telah diselidiki di bawah sinar matahari selama 2 jam. Efektivitas fotodegradasi ditentukan menggunakan kromatografi gas. Komposit TiO2/C-dot 2.5% (b/b)
berhasil mendegradasi PCE di bawah sinar matahari dan efektivitas fotodegradasi mencapai 89.45%.
SUMMARY
DEDRI SYAFEI. Synthesis and Characterization of TiO2/Carbon Nanoparticle
(C-dot) Composites and Their Application As Photocatalysts to Degrade of Perchloroethylene. Supervised by SRI SUGIARTI dan NOVIYAN DARMAWAN.
TiO2/C-dot composites were syntesised by the sol-gel method and
investigated as catalysts for photocatalytic degradation of pollutants perchloroethylene (PCE). The composites photoluminescence properties was shown by visual analysis using UV lamp sourch (365 nm) and the synthesis product was characterized by X-Ray diffraction (XRD),Fourier Transform Infrared (FTIR) to investigate, fluorescence spectrophotometer, Scanning Electron Mocroscope (SEM), and UV-Vis spectrophotometer.
According to analysis results, the C-dots were physically bound on TiO2 and
did not lose their fluorescence properties in the composites and they also reduced the band gap of TiO2 in the TiO2/C-dot composite, thereby was widening the TiO2
uptake range and increasing the TiO2 photocatalytic activity. Degradation of PCE
0.1% (v/v) in the aqueous phase was investigated under sunlight irradiation for 2 h. Photodegrade effectiveness of PCE was determined by GC. Composites of TiO2
/C-dot 2.5% (w/w) was succesfully to degrade PCE under sunlight irradiation and its photodegrade effectiveness was up to 89.45%.
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2016
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan IPB
SINTESIS DAN KARAKTERISASI KOMPOSIT TiO2/NANOPARTIKEL KARBON (C-dot) DAN APLIKASINYA SEBAGAI FOTOKATALIS
UNTUK DEGRADASI PERKLOROETILENA
DEDRI SYAFEI
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains
pada
Program Studi Kimia
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
Judul Tesis : Sintesis dan karakterisasi komposit TiO2/nanopartikel karbon
(C-dot) dan aplikasinya sebagai fotokatalis untuk degradasi perkloroetilena
Nama : Dedri Syafei
NIM : G451130261
Disetujui oleh:
Komisi Pembimbing
Diketahui oleh:
Tanggal Ujian: 27 Mei 2016 Tanggal Lulus:
Sri Sugiarti, SSi PhD Ketua
Dr rer nat Noviyan Darmawan, M.Sc Anggota
Ketua Program Studi Magister Kimia
Prof Dr Dyah Iswantini Pradono, MSc Agr
Dekan Sekolah Pascasarjana
PRAKATA
Segala puji bagi Allah subhanahu wa ta’ala atas rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyeleasikan tesis yang berjudul “Sintesis dan Karakterisasi Komposit TiO2/Nanopartikel Karbon (C-dot) dan Aplikasinya
Sebagai Fotokatalis untuk Degradasi Perkloroetilena”. Keberhasilan ini tidak dapat penulis raih sendiri tetapi dengan bantuan, bimbingan dan petunjuk dari berbagai pihak.
Penulis mengucapkan terima kasih kepada ketua komisi pembimbing Ibu Sri Sugiarti, Ph.D dan Bapak Dr rer nat Noviyan Darmawan, M.Sc sebagai anggota komisi pembimbing, yang telah memberikan bimbingan, arahan dan saran kepada penulis dalam menyempurnakan tesis ini. Terima kasih juga penulis ucapkan kepada Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi (DIKTI) atas kesempatan yang diberikan kepada penulis untuk melanjutkan pendidikan Magister melalui program beasiswa BPPDN. Terima kasih kepada kedua orang tua, kakak serta seluruh keluarga besar atas cinta, do’a, dan dukungannya. Tidak lupa ucapan terima kasih kepada seluruh staf Departemen Kimia IPB, dan rekan-rekan S1 dan S2 khususnya S2 Kimia 2013 atas bantuan dan kebersamaannya. Dan yang terakhir, penulis sampaikan terima kasih kepada semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu per satu yang telah membantu dalam penyusunan tesis ini.
Tiada gading yang tak retak, begitu pula penulisan tesis ini yang masih terdapat kekurangan. Oleh karena itu, penelitian selanjutnya diharapkan lebih baik dari penelitian ini. Penulis berharap semoga penelitian ini dapat bermanfaat dan memberikan kontribusi bagi yang membutuhkan.
Bogor, Juni 2016
DAFTAR ISI
Waktu dan Tempat Penelitian 3
Alat dan Bahan 3
Metode Penelitian 3
3 HASIL DAN PEMBAHASAN 5
Hasil Sintesis 5
Hasil Analisis Difraki Sinar-X 7
Hasil Analisis Gugus Fungsi 8
Spektrum Intensitas Fluoresens 9
Hasil Analisis Morfologi 10
Hasil Analisis Nilai Energi Celah (Band Gap) 10
DAFTAR GAMBAR
4 Analisis Gugus Fungsi dengan FTIR C-dot, TiO2, dan Komposit
TiO2/C-dot. 9
5 Hubungan antara Panjang Gelombang dengan Intensitas Fluoresens
C-dot, Komposit TiO2/C-dot, dan TiO2. 9
6 Morfologi permukaan (a) TiO2 dan (b) Komposit TiO2/C-dot. 10
7 Hasil Pengukuran UV-Vis terhadap C-dot, Komposit TiO2/C-dot, dan TiO2. 11
8 Energi Celah Pita Optik C-dot, Komposit TiO2/C-dot, dan TiO2. 11
9 Kromatogram (a) Blanko dan (b) Standar. 12
10 Aktivitas Fotokatalitik Komposit TiO2/C-dot. 13
DAFTAR LAMPIRAN
1 Bagan Alir Penelitian. 18
2 Perhitungan Rendemen Sintesis C-dot. 19
3 Data Hasil Analisis sinar-X menggunakan XRD. 20
4 Data Hasil Analisis Gugus Fungsi menggunakan FTIR. 24
5 Uji Fotokatalis dalam Sistem Suspensi. 26
6 Penentuan Energi Celah (Band Gap) 27
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Nanopartikel karbon berfluoresens merupakan karbon yang berukuran nano (< 10-9 m) yang memiliki sifat fotoluminesens. Adanya sifat fotoluminesens yang dihasilkan oleh nanopartikel karbon (C-dot) menjadikan C-dot menarik untuk diteliti lebih lanjut. Penelitian yang dilakukan oleh Li et al. (2010) menunjukkan bahwa C-dot dapat memancarkan fotoluminesens yang terang pada rentang panjang gelombang daerah cahaya tampak hingga inframerah dekat jika disinari dengan panjang gelombang eksitasi 240-580 nm. Kelebihan lain yang dimiliki oleh C-dot diantaranya kelarutan yang baik dalam air, bahan baku murah, tidak menggunakan logam berat, proses sintesis yang efisien, sensitivitas dan selektivitas yang tinggi pada analat target, toksisitas yang rendah, biokompatibel, serta fotostabilitas yang baik (Yang et al. 2013).
Pemanfaatan hasil sintesis C–dot ini telah digunakan sebagai fotokatalis dalam sistem kompleks dengan bahan lain karena sifat fotoluminesens yang dimiliki C-dot. Zhang et al. (2012) menyatakan bahwa C-dot bertindak sebagai penampung dan penjerap elektron pada Ag3PO4/C-dot serta dapat menyerap
gelombang cahaya yang lebih panjang (dieksitasi dengan panjang gelombang 700-1000 nm) kemudian memancarkan gelombang cahaya yang lebih pendek (300-650 nm). Penelitian yang telah dilakukan oleh Li et al. (2010) menunjukkan bahwa produk C–dot yang dikomposit dengan bahan lain dapat menghasilkan produk yang memiliki kemampuan fotokatalitik lebih baik jika dibandingkan dengan kemampuan masing-masing komponen penyusunnya.
Fotokatalitik merupakan suatu reaksi yang dipengaruhi oleh cahaya dan katalis secara bersama-sama yang dibagi menjadi 2 (dua) macam yaitu fotokatalitik homogen dan fotokatalitik heterogen. Proses fotokatalitik homogen dilakukan dengan bantuan zat pengoksidasi seperti hidrogen peroksida, sementara proses fotokatalitik heterogen dengan bantuan semikonduktor yang diiradiasi dengan sinar UV. Titanium dioksida (TiO2), seng oksida (ZnO), dan cadmium sulfida (CdS)
merupakan contoh semikonduktor yang dapat digunakan untuk proses fotokatalitik heterogen (Peratitus et al. 2004). Namun, Semikonduktor TiO2 merupakan katalis
yang banyak dipilih untuk proses fotokatalitik karena TiO2 bersifat inert secara
biologi dan kimia, stabil terhadap korosi akibat foton, stabil terhadap korosi akibat kimia, tidak beracun, dan harganya relatif murah. (Mills dan Le Hunte 1997).
Titaniun dioksida (TiO2) diketahui dapat mendegradasi limbah organik
menjadi senyawa-senyawa yang lebih ramah lingkungan, seperti H2O dan CO2
(Hagfeld dan Gratzel 1995). Namun, hanya <5% dari sinar matahari yang dapat dimanfaatkan oleh TiO2 untuk mengeksitasi elektronnya karena celah pitanya (band
gap) yang besar (Li et al. 2010). Pembentukan nanokomposit yang merupakan penggabungan antara dua komponen berbeda yang salah satu atau keduanya
berskala ≤ 10-9 m atau setara dengan ukuran atom atau molekul dapat meningkatkan
aktivitas fotokatalitik TiO2. Misalnya, penelitian yang telah dilakukan oleh
Elsalamony dan Mahmoud (2012) menunjukkan bahwa Ru/TiO2 bisa digunakan
Perkloroetilena (Perchloroethylene, PCE) merupakan salah satu senyawa organoklorin yang secara luas digunakan sebagai pelarut di berbagai bidang industri diantaranya dalam industri dry cleaning dan pembersihan minyak pada logam (Bukowski 2011). PCE mencemari tanah dan air karena bersifat racun, dan persisten di lingkungan (Yu dan Semprini, 2009). Paparan PCE menyebabkan kerusakan sistem organ seperti: saraf, paru-paru, hati, dan ginjal, detak jantung abnormal, koma, dan bahkan kematian. Selain itu sifatnya yang persisten di lingkungan membuat degradasinya membutuhkan waktu yang lama (Amir 2012). Oleh karena itu, diperlukan metode untuk mengurangi bahaya tersebut seperti deklorinasi, adsorpsi secara fisik, dan bioremediasi (Meshesha 2011).
Penelitian yang dilakukan oleh Li et al. (2010) menunjukkan bahwa karbon kuantum dot (CQDs) ditempelkan pada permukaan TiO2 dapat secara efektif
mendegradasi metil biru (MB) mendekati 100%. Dengan demikian, komposit TiO2/C-dot diharapkan juga memiliki kemampuan fotodegradasi tersebut karena
kemiripan sifat yang dimiliki C-dot dengan CQDs. C-dot dianalogikan dengan karbon quantum dot (CQDs) dan memiliki kemiripan struktur dengan grafit, salah satu jenis alotrof karbon (Qu et al. 2012). Pada penelitian ini C-dot disintesis dari asam sitrat yang berfungsi sebagai sumber karbon dan urea sebagai agen pasivasi, kemudian digabung dengan TiO2. pada penelitian ini diharapkan sifat fotokatalisis
TiO2 dapat meningkat jika dijadikan komposit TiO2/C-dot. Kemampuan degradasi
kompsit TiO2/C-dot akan diamati pada senyawa pencemar organik PCE.
Rumusan Masalah
Berdasarkan uraian pada latar belakang yang menjadi masalah dalam penelitian ini adalah sinar matahari yang dapat dimanfaatkan oleh TiO2 untuk
proses fotokatalitik hanya <5%. Dengan komposit TiO2/C-dot diharapkan dapat
memaksimalkan pemanfaatan sinar matahari dalam proses fotokatalitik untuk degradasi senyawa pencemar organik persisten PCE di bawah sinar tampak.
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk melakukan sintesis komposit TiO2/C-dot,
melakukan karakterisasi hasil sintesis serta melakukan uji fotokatalis terhadap senyawa pencemar organik persisten PCE dibawah sinar matahari.
Ruang Lingkup Pnelitian
Ruang lingkup penelitian ini terdiri atas tiga tahap. Tahap pertama adalah sintesis nanopartikel karbon (C-dot) dari asam sitrat-ragam kadar urea, sintesis TiO2 dan sintesis komposit TiO2/C-dot. Tahap kedua adalah tahap karakterisasi dari
2 METODOLOGI
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Februari 2015 sampai Februari 2016. Tahap sintesis dilaksanakan di Laboratorium Kimia Anorganik Departemen Kimia IPB. Tahap karakterisasi dilasanakan di Laboraturium Kimia PUSLITBANG Kehutanan Bogor, Laboraturium Pusat Studi Biofarmaka, Laboraturium Instrumen Departemen Fisika IPB, dan Pusat Laboraturium Forensik MABES POLRI. Tahap uji fotokatalis dan analisis kromatografi gas dilasanakan di Laboraturium Kimia Terpadu IPB.
Alat dan Bahan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah peralatan gelas,
microwave Sharp R-249IN 800 W, oven, sentrifusa Hermle Labnet Z206A, neraca analitik, lampu UV 365 nm, diffraksi sinar-X (Shimadzu XRD-7000), fourier transform infrared (FTIR, Bruker Tensor 3), spektrometer UV-Vis (Shimadzu 1700), spectrometer (Ocean Optics), scanning electron microscopy (SEM, Carl Zeiss EVO MA 10), dan Kromatografi Gas (GC, Shimadzu 17-A).
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah asam sitrat (Merck), urea (Merck), tetrabutil titanat (Sigma Aldrich), etanol (Merck), ammonia (Merc), n-heptana (BDH), perchloroethylene (BDH), dan air bebas ion.
Metode Penelitian
Sintesis Nanopartikel Karbon (C–dot)
Sintesis C-dot dilakukan dengan metode mikrogelombang (Qu et al. 2012). Sebanyak 0.5 gram asam sitrat dan ragam kadar urea (0%, 20%, 40%, 60% dan 80% (b/b)) dilarutkan dengan air bebas ion sebanyak 10 mL agar terbentuk larutan transparan. Larutan kemudian dipanaskan di dalam oven microwave 800 W selama 4 menit, larutan akan berubah warna dari larutan yang tidak berwarna menjadi cokelat dan akhirnya akan berubah menjadi padatan kluster yang berwarna cokelat gelap. Hal ini menunjukkan C-dot telah terbentuk. Padatan kemudian dipindahkan ke dalam oven dan dipanaskan selama 1 jam pada temperatur 60 °C untuk menghilangkan molekul residu. Dalam proses pemurnian C-dot, ditambahkan 10 mL air bebas ion, larutan C-dot kemudian dipurifikasi dengan sentrifusa (5000 rpm, 20 menit) untuk menghilangkan partikel aglomerasi C-dot. Larutan hasil sentrifus kemudian didekantasi. Larutan C–dot yang diperoleh kemudian dipekatkan pada
hot plate.
Sintesis komposit TiO2/C-dot dilakukan dengan metode sol-gel (Li et al.
air bebas ion, dan 5 mL ammonia 25% sambil diaduk. Campuran dibiarkan selama 12 jam lalu disentrifusa (5000 rpm, 15 menit) dan dikeringkan dalam oven pada suhu 80 oC selama 6 jam. Nanopartikel TiO2 disiapkan dengan memanaskannya
pada suhu 500 oC selama 1 jam. Tahap kedua, 0.1 g nanopartikel TiO
2 dan ragam
kadar C-dotdari asam sitrat-urea 80% (0%, 0.5%, 1%, 1.5%, 2%, 2.5% dan 100% (b/b)) ditambahkan 5 mL air bebas ion dengan pengadukan selama 10 menit dan dikeringkan dalam oven vakum 80 oC selama 12 jam. Setelah proses sintesis selesai
dilakukan pengamatan larutan C-dot di bawah sinar UV pada panjang gelombang 365 nm.
Karakterisasi
Hasil sintesis kemudian dikarakterisasi untuk mengetahui fase kristal TiO2
dan kristalinitas sampel, ikatan yang terjadi antara C-dot dan TiO2, mengamati sifat
fluoresens, morfologi serta ukuran hasil sintesis dan penentuan besar energi celahnya. Karakterisasi yang dilakukan di antaranya:
Analisis Difraksi Sinar-X
Untuk mengetahui fase kristal TiO2 dan kristalinitas sampel dilakukan
identifikasi menggunakan XRD yang dilaksanakan di laboraturium kimia PUSLITBANG Kehutanan Bogor. Sampel diletakkan pada plat kemudian dilakukan pemayaran dengan sudut difraksi 2θ antara 10-80o, lalu pemayaran 0.5o
per menit pada temperatur ruang dan menggunakan radiasi Cu Kα dan gelombang
monokromator nikel pada tegangan 40 kV dan arus 30 mA.
Analisis Gugus Fungsi dengan FTIR
Karakterisasi FTIR dilakukan untuk mengetahui gugus fungsi yang terdapat pada sampel yang dilaksanakan di Laboraturium Pusat Studi Biofarmaka. Pelet untuk analisis spektrum FTIR dibuat dengan cara menggerus 0.02 g sampel kemudian dengan 0.1 g KBr. Campuran yang telah homogen kemudian dipanaskan di dalam oven selama ±12 jam, sebelum diukur dengan menggunakan FTIR.
Pengukuran Intensitas Fluoresens
Pengukuran intensitas fluoresens dilaksanakan di laboraturium instrument Departemen Fisika IPB. Sebanyak 0.025 g sampel (C-dot, TiO2 dan komposit
TiO2/C-dot) dilarutkan dengan air bebas ion di dalam labu takar 25 mL, kemudian
diukur dengan spektrofotometer fluoresens. Spektrum emisi sampel diukur dengan laser pada panjang gelombang eksitasi 405 nm ± 10.
Analisis Morfologi
dengan logam emas pada keadaan vakum. Sampel diamati menggunakan SEM dengan tegangan 10 kV.
Analisa Nilai Energi Celah (Band Gap)
Penentuan energi celah dilakukan dengan metode Touc’s Plot berdasarkan
panjang gelombang terhadap transmisi spektrum absorpsi yang diukur dengan alat spektrofotometer UV-Vis di laboraturium instrument departemen Fisika IPB. Preparasi sampel dilakukan sebelum pengukuran, yaitu sampel (C-dot, TiO2 dan
komposit TiO2/C-dot) dibuat dalam bentuk lapis tipis pada permukaan kaca.
Kemudian sampel disinari oleh sumber cahaya.
Uji Fotokatalis
Sebanyak 0.1 g komposit TiO2/C-dot sebagai katalis ditambahkan dalam 25
mL larutan PCE 0.1% (v/v), kemudian disinari matahari selama 2 jam. Larutan hasil uji fotokatalis diekstraksi menggunakan n-heptana kemudiasn fase organik dari hasil ekstraksi dianalisis menggunakan kromatografi gas (GC) untuk mengetahui kadar PCE sisa dalam penetuan efektivitas fotodegradasi. Hal yang sama juga dilakukan terhadap TiO2 murni dan C-dot murni sebagai katalis.
Analisis Kromatografi Gas (GC)
Analisis PCE setelah uji fotokatalis dilakukan menggunakan alat kromatografi gas yang dilengkapi dengan detektor FID dan kolom BTEX. Kondisi suhu kolom mula-mula 80 oC, dinaikkan hingga mencapai suhu 200 oC dengan laju 10 oC/menit. Gas pembawa yang digunakan adalah nitrogen dengan laju alir 0.88 ml/min dan injektor dijaga pada suhu 200 oC.
3 HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Sintesis
C-dot telah berhasil disintesis dari asam sitrat dan urea dengan metode mikrogelombang.
Intensitas pendaran larutan C-dot dari berbagai ragam urea dapat dilihat dengan bantuan lampu UV 365 nm. C-dot dengan kadar urea 80% memiliki intensitas pendaran yang lebih tinggi dibandingkan dengan C-dot yang lainnya yaitu berpendar hijau (Gambar 1c). Peningkatan intensitas pendaran menunjukkan pengaruh urea sebagai agen pasivasi permukaan pada C-dot. Fotoluminesens yang kuat diperoleh akibat adanya kurungan kuantum dari perangkap energi emisi pada permukaan partikel. Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Sun et al. (2006) peristiwa fotoluminesen yang terjadi pada C-dot yang mengalami pasivasi pada permukaannya disebabkan oleh adanya perangkap energi permukaan yang menghasilkan kestabilan emisi. Oleh karena itu, C-dot dari asam sitrat dan urea 80% yang dikomposit dengan TiO2 dan diharapkan sifat fotokatalisis TiO2 dapat
meningkat dalam komposit TiO2/C-dot.
Gambar 1 (a) Serbuk C-dot, (b) Ragam kadar urea dalam C-dot (0%; 20%; 40%; 60%; 80%) di bawah lampu biasa (c) di bawah lampu UV 365 nm.
Pada penelitian ini TiO2 disintesis dari tetrabutil titanat. Sintesis dilakukan
dengan metode sol-gel yaitu proses pembentukan senyawa anorganik melalui reaksi kimia dalam larutan pada suhu rendah yang dalam prosesnya terjadi perubahan fasa dari suspensi koloid (sol) membentuk gel. Tahapan dalam metode sol-gel meliputi tahap hidrolisis, tahap kondensasi, tahap pematangan, dan tahap pengeringan (Ibrahim et al. 2010). Tahap hidrolisis merupakan tahap pembuatan sol koloid dari pelarutan senyawa prekursor (tetrabutil titanat) dengan alkohol (etanol) dan ammonia. Produk intermediet hasil reaksi hidrolisis mengalami pemanjangan membentuk ikatan logam-oksigen-logam sampai berupa gel yang disebut dengan tahap kondensasi. Tahap penuaan merupakan tahap pematangan gel hasil proses kondensasi melalui reaksi pembentukan jaringan gel yang lebih kuat, kaku, dan menyusut di dalam larutan. Tahap pengeringan yaitu tahap penguapan cairan yang tidak diinginkan pada hasil proses pematangan sehingga didapat sol-gel dengan kualitas struktur yang memiliki luas permukaan tinggi. Keberhasilan sintesis TiO2
difraktogram yang ada pada Joint Committee on Powder Diffraction Standards
(JCPDS).
Beragam kadar C-dot dari asam sitrat-urea 80% digunakan dalam sintesis komposit TiO2/C-dot. Perbedaan antara TiO2 dengan komposit TiO2/C-dot dapat
diamati seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Hasil sintesis menunjukkan bahwa komposit TiO2/C-dot berwarna lebih gelap dibandingkan dengan TiO2
akibat pengaruh dari warna C-dot (Gambar 2a). Hal ini menunjukkan keberadaan C-dot dalam komposit. Intensitas pendaran larutan komposit TiO2/C-dot dapat
dilihat dengan bantuan lampu UV 365 nm yang ditunjukkan pada Gambar 2c. Jadi, sifat fluoresens C-dot dalam komposit tetap ada walaupun mempengaruhi fotostabilitas larutan. Hal ini diduga terjadi karena pengaruh TiO2 dalam komposit
sehingga menurunkan transparansi larutan. Sifat fotostabilitas seperti sifat fotoluminesens yang bagus dihasilkan ketika C-dot terdispersi secara bebas dalam air dengan penampakan transparan (Li et al. 2010).
pada Gambar 3. Analisis difraksi sinar-X dilakukan untuk mengetahui fase kristal TiO2 hasil sintesis. Informasi ini diperoleh dengan cara membandingkan hasil
analisis difraksi sinar-X dengan difraktogram TiO2 yang telah ada di JCPDS.
JCPDS yang digunakan pada analisis ini adalah JCPDS - International Centre for Diffraction Data, PCPDFWIN v. 2.3, sehingga diketahui keberhasilan sintesisnya. Selain itu kristalinitas C-dot, komposit TiO2/C-dot dan TiO2 juga dapat diketahui.
Pola difraksi sinar-X C-dot menunjukkan puncak difraksi yang kuat muncul pada
sudut 2θ (intensitas) = 19.73o (77); 27.52o (79); dan 29.60o (98). Puncak tersebut
menunjukkan karbon yang tidak teratur dalam C-dot (Qu et al. 2012). Kristalinitas C-dot adalah sebesar 30.4564%. Pola difraksi sinar-X komposit TiO2/C-dot
menunjukkan puncak difraksi yang kuat muncul pada sudut 2θ (intensitas) = 25.19o (59); 37.77o (18); dan 47.96o (12). Kristalinitas komposit TiO2/C-dot adalah sebesar
78.2537%. Untuk TiO2, puncak difraksi yang kuat muncul pada sudut 2θ
(intensitas) = 25.36o (101); 37.95o (24); dan 48.10o (18). Kristalinitas TiO2 adalah
sebesar 84.2055%. Hasil match result yang telah dilakukan menunjukkan bahwa TiO2 telah berhasil disintesis dengan metoda sol-gel dan yang terbentuk adalah
sebagai fotokatalis yang sangat aktif dan berguna untuk pengolahan air dan pemurnian air. Menurut He dan Lin (2011), TiO2 fase anatase dengan kristalinitas
yang tinggi lebih disukai untuk fotokatalis karena kristalinitas yang tinggi memperkecil kemungkinan terjadinya rekombinasi antara elektron dengan hole.
Gambar 3 Difraksi sinar-X C-dot, TiO2 dan komposit TiO2/C-dot.
Berdasarkan difraktogram tersebut dapat dilihat pengaruh C-dot dalam komposit. Intensitas dan kristalititas komposit TiO2/C-dot lebih kecil dibandingkan
dengan TiO2. Penurunan ini terjadi akibat pengaruh C-dot dalam komposit. Namun
tidak terjadi perubahan yang signifikan pada pola difraksi sinar-X komposit jika dibandingkan dengan pola difraksi sinar-X TiO2. Semua puncak yang muncul pada
komposit sama dengan puncak TiO2. Jadi, tidak muncul puncak-puncak baru dalam
difraktogram komposit TiO2/C-dot.
Hasil Analisis Gugus Fungsi
Analisis gugus fungsi dianalisis menggunakan FTIR. Hasil analisis gugus fungsi ditunjukkan pada Gambar 4 (Lampiran 4). Hasil analisis gugus fungsi C-dot sesuai dengan penelitian yang dilakukan oleh Qu et al. (2012), pada pita serapan 1600-1770 cm-1 menunjukkan vibrasi C=O dan vibrasi CH2 pada pita serapan
1350-1460 cm-1. Pita serapan ini tidak muncul pada hasil analisis gugus fungsi komposit TiO2/C-dot. Hasil analisis gugus fungsi komposit TiO2/C-dot tidak memiliki
perbedaan yang signifikan dengan hasil analisis gugus fungsi TiO2 yaitu terdapat
pita serapan Ti-O-Ti pada daerah 608.77 cm-1. Ini sesuai dengan hasil penelitian Wan et al. (2012), pada daerah 400-800 cm-1 merupakan regangan Ti-O-Ti. Pita
serapan pada 1054.73 cm-1 disebabkan oleh vibrasi regangan O-O. Pita serapan pada 1631.95 cm-1 dan 3420.20 cm-1 disebabkan oleh vibrasi H-O-H (air) dan O-H (hidroksil) (Wan et al. 2012). Pita serapan O-H (hidroksil) muncul karena didominasi oleh air yang terserap pada permukaan TiO2. Jadi, tidak ada ikatan
kimia antara TiO2 dan C-dot karena tidak terbentuk pita serapan lain pada komposit
Gambar 4 Analisis gugus fungsi dengan FTIR C-dot, TiO2 dan komposit TiO2
/C-dot.
Spektrum Intensitas Fluoresens
Pengukuran intensitas fluoresens dilakukan dengan menggunakan spektrofotometer fluoresens untuk mengetahui emisi yang dihasilkan sampel. Sampel disinari laser dengan panjang gelombang eksitasi 405 nm ± 10 sehingga diperoleh spektrum seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5 Hubungan antara panjang gelombang dengan intensitas fluoresens C-dot, komposit TiO2/C-dot, dan TiO2.
gelombang yang lebih panjang (500-1000 nm) maka akan menghasilkan emisi pada panjang gelombang yang lebih pendek (325-425 nm) dan ini merupakan sifat C-dot sebagai upconverter energi. C-dot tidak kehilangan sifat fluoresensnya walaupun dikomposit dengan TiO2. Emisi yang dihasilkan komposit TiO2/C-dot memiliki
puncak serapan maksimum pada panjang gelombang 537.96 nm. Namun, sama dengan pengamatan yang dilakukan dibawah sinar lampu biasa, larutan TiO2 tidak
memiliki sifat fotoluminesens sehingga intensitas emisinya tidak terdeteksi.
Hasil Analisis Morfologi
Morfologi permukaan TiO2 dan komposit TiO2/C-dot hasil sintesis dianalisis
menggunakan SEM dengan perbesaran 10000×. Analisis ini juga memberikan informasi mengenai gambaran ukuran sampel. Hasil analisis morfologi permukaan ditunjukkan pada Gambar 6.
Gambar 6 Morfologi permukaan (a) TiO2 dan (b) Komposit TiO2/C-dot.
Hasil analisis morfologi komposit TiO2/C-dot tidak menunjukkan perbedaan
yang signifikan dengan hasil analisis morfologi TiO2. Keberadaan C-dot dalam
komposit TiO2/C-dot tidak dapat diamati menggunakan SEM. Berdasarkasn hasil penelitian Qu et al. (2012) yang menggunakan TEM, ukuran rata-rata diameter C-dot dari asam sitrat-urea sebesar 1-5 nm. Sebaran ukuran TiO2 hasil sintesis berkisar
antara 50-160 nm. Hasil ini lebih besar dari hasil sintesis yang dilakukan oleh Wan
et al. (2012), TiO2 murni hasil sintesis diperoleh dengan ukuran sekitar 20 nm.
Ukuran partikel dalam orde yang semakin kecil (nm) mengakibatkan permukaan tiap masa partikel semakin besar sehingga semakin banyak partikel yang berperan dalam aktivitas fotokatalitik.
Hasil Analisis Nilai Energi Celah (Band Gap)
Panjang gelombang terhadap transmisi spektrum absorpsi yang diukur dengan alat spektrofotometer UV-Vis dapat digunakan sebagai pengukuran awal untuk menentukan besaran energi celah pita optik (Ahda dan Mardianto, 2008). Gambar 7 menunjukkan hasil pengukuran UV-Vis terhadap C-dot, komposit TiO2/C-dot dan TiO2. Analisa spektrum transmisi (T) terhadap panjang gelombang
Gambar 7 Hasil pengukuran UV-Vis terhadap C-dot, komposit TiO2/C-dot dan
TiO2.
Gambar 8 Energi celah pita optik C-dot, komposit TiO2/C-dot dan TiO2.
Fungsi (αE)1/2 = B(E-E
g) yang dikembangkan dengan metode Touc’s Plot
memotong sumbu hν pada Eg, dimana B merupakan slope fungsi. Energi celah pita
optik (Eg) diperoleh dengan menarik ekstrapolasi pada daerah linear dari grafik
hubungan E = hν dan (αhν)1/2 hingga memotong sumbu energi (E) (Gambar 8),
dimana h merupakan konstanta Plank = 4.136x10-15 eV s dan ν merupakan ferkwensi UV-Vis yaitu kecepatan cahaya (c) = 2.998x108 m/s dibagi dengan
panjang gelombang (λ).
Dari perhitungan menggunakan pendekatan Touc’s Plot diketahui bahwa nilai energi celah piat optik dari C-dot sebesar 2.79 eV, komposit TiO2/C-dot
dapat menurunkan nilai energi celah TiO2 dalam komposit TiO2/C-dot walaupun
tidak terlalu signifikan sehingga memperlebar jangkauan serapan TiO2 dan
meningkatkan aktivitas fotolatalitik TiO2. Penurunan energi celah pita optik diduga
terjadi karena adanya unsur N dan C yang terdapat dalam C-dot. Komposisi C-dot terdiri dari C sebesar 41. 54%, H sebesar 4.41%, N sebesar 20.79% dan O sebesar 33.12% (Qu et al. 2012). Unsur N dan C diketahui dapat memperbaiki sifat optik TiO2 (Zaleska 2008).
Hasil Uji Fotokatalis
Kemampuan fotokatalitik komposit TiO2/C-dot diuji menggunakan 25 mL
PCE 0.1% (v/v) di bawah sinar matahari selama 2 jam dalam sistem suspensi. Penentuan kadar PCE dilakukan menggunakan kromatografi gas (GC). Analisis kualitatif dilakukan pada blanko yang berisi pelarut n-heptana terhadap standar yang bersisi senyawa PCE 0.1% (v/v). Hasil analisis GC terhadap blanko dan standar dapat dilihat pada Gambar 9. Adanya puncak yang berbeda antara blanko dan standar diidentifikasi sebagai PCE. Berdasarkan hasil tersebut diketahui bahwa pada standar terdapat puncak berbeda pada waktu retensi 9.462 menit yang menandakan PCE pada standar. Perubahan luas area kromatogram PCE yang terbentuk pada kromatogram digunakan sebagai data dalam penentuan efektivitas fotokatalitik komposit TiO2/C-dot (Lampiran 7).
Gambar 9 Kromatogram (a) blanko dan (b) standar.
Aktivitas fotokatalitik komposit ditunjukkan pada Gambar 10. Konsentrasi PCE menurun dengan bertambahnya kadar C-dot dalam komposit TiO2/C-dot jika
dibandingkan dengan TiO2 murni sebagai katalis. Ini membuktikan bahwa C-dot
berperan dalam peningkatan aktivitas fotokatalitik TiO2 di bawah sinar matahari.
PCE berhasil didegradasi dengan efektivitas keberhasilan mencapai 89.45% menggunakan komposit TiO2/C-dot 2.5% (g/g) sebagai katalis. Sedangkan pada
kondisi yang sama, TiO2 murni dan C-dot murni menunjukkan efektivitas degradasi
yang lebih rendah (54.52% dan 46.33%) terhadap PCE. Ming et al. (2012) melaporkan bahwa C-dot meniru aktivitas peroksidase dalam degradasi senyawa pencemar. Efektivitas kemampuan fotokatalitik C-dot didukung dengan sifat C-dot yang larut baik dalam air dan proton mudah didapat dari atom C dalam C-dot sehingga H2O dan H2O2 dengan mudah diubah menjadi radikal hidroksil (•OH)
air yang telah dilakukan oleh Garcia et al. (2010) yang menyatakan bahwa degradasi sonokimia tidak efektif dalam mengurangi senyawa toksik yang terdapat dalam air.
Gambar 10 Aktivitas fotokatalitik komposit TiO2/C-dot.
Pada penelitian ini, peran C-dot pada proses fotodegradasi PCE dalam komposit TiO2/C-dot dapat dilihat dari keberhasilan C-dot dalam memperkecil nilai
energi celah pita optik TiO2 sehingga proses fotokatalitik bisa bekerja dengan
panjang gelombang yang lebih panjang. Menurut Zhang et al. (2011), peran C-dot dalam aktivitas fotokatalitik adalah sebagai penampung dan perangkap elektron kemudian menghalangi rekombinasi pasangan elektron dengan hole. Radikal oksigen (•O2-) terbentuk akibat reaksi reduksi oksigen (O2) oleh elektron yang
terdapat pada permukaan C-dot kemudian •O2- bereaksi dengan air (H2O) sehingga
mengasilkan radikal hidroksil (•OH). C-dot juga dapat menyerap sinar pada panjang gelombang yang lebih panjang dan mengeluarkan energi pada panjang gelombang yang lebih pendek sebagai hasil dari upcoversion sifat fotoluminesensnya yang kemudian dapat mengeksitasi elektron TiO2 dari pita valensi ke pita konduksi
sehingga terbentuk hole (h+). Radikal hidroksil (•OH) terbentuk akibat interaksi
hole dengan air (H2O) atau dengan ion hidroksil (OH-). Radikal hidroksil sangat
reaktif menyerang molekul-molekul organik seperti PCE dan mendegradasinya senyawa yang lebih ramah lingkungan seperti CO2 dan H2O.
4 SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Sintesis komposit TiO2/C-dot dilakukan dengan metode sol-gel. C-dot terikat
dikomposit dengan TiO2 dan juga dapat menurunkan nilai energi celah TiO2 dalam
komposit TiO2/C-dot sehingga memperlebar jangkauan serapan TiO2 dan
meningkatkan aktivitas fotolatalitik TiO2. Komposit TiO2/C-dot 2.5% (b/b) berhasil
mendegradasi PCE (0.1 v/v) di bawah sinar matahari dengan efektivitas keberhasilan mencapai 89.45%.
Saran
Diperlukan penelitian lebih lanjut untuk mengetahui pengaruh C-dot terhadap aktivitas fotokatalitik komposit TiO2/C-dot jika C-dot ditambahkan
dengan kadar yang lebih besar. Diperlukan penelitian lebih lanjut untuk mengetahui pengaruh sifat fotoluminesens C-dot terhadap kativitas fotokatalitik komposit TiO2/C-dot. Serta diperlukan penelitian lebih lanjut untuk mengetahui pengaruh
DAFTAR PUSTAKA
Ahda S dan Mardiyanto. 2008. Karakterisasi lapis tipis silicon amorf terhidrogenasi untuk menentukan energi celah pita optik (Eg). Jurnal Sains Material
Indonesia. 260-264.
Amir AB. 2012. Enhancement of reductive dechlorination of tetrachloroethylene by iron reductants with cobalamin (III) [disertasi]. Daejeon (KR): Korea Advance Institute of Science and Technology.
Bukowski JA. 2011. Review of the epidemiologic literature on residential exposure to perchloroethylene. Critical Reviews in Toxicology. 41(9):771-782. Chaharmahali AR. 2012. The Effect of TiO2 Nanoparticles on the Surface
Chemistry, Structure and Fouling Performance of Polymeric Membranes. Thesis. Sydney: University of New South Wales.
Elsalamony RA, Mahmoud SA. 2012. Preparation of nanostructured ruthenium doped titania for the photocatalytic degradation of 2-chlorophenol under visible light. J. Arabjc (2012).doi:org/10.1016/j.arabjc.2012.06.008. Garcia JG, Saez Z, Esclapez MD, Bonete P, Walton DJ, Rehorek A, Louisnard O.
2010. Sonochemical degradation of perchloroethylene. Physics Procedia.
2010(3):981-986.
Hagfeldt A, Gratzel M. 1995. Light induced redox reactions in nanocrystalline systems. Chem. Rev. 95:49–68.
He D and Lin F. 2007. Preparation and photocatalytic activity of anatase TiO2
nanocrystallites with high thermal stability. Materials Letters, vol. 61, no. 16, pp. 3385–3387.
Hsu PC, Chang HT. 2012. Synthesis of high-quality carbon nanodots from hydrophilic compounds: role of functional groups. Chem Commun.
48:3984- 3986.doi:10.1039/c2cc30188a.
Ibrahim IAM, Zikry AAF, Sharaf MA. 2010. Preparation of Silica Nanoparticles: Stober Silica. Journal of American Science. Vol. 6 (11): 985-989.
Li H, He X, Kang Z, Huang H, Liu Y, Liu J, Lian S, Tsang CHA, Yang X, Lee ST. 2010. Water-soluble fluorescent carbon quantum dots and photocatalyst
design. Angew. Chem. Int. Ed.
2010(49):4430-4434.doi:10.1002/anie.200906154.
Meshesha B T. 2011. Hydrodechlorination of chlorinated organic waste over Pd support mixed oxide catalyst. [tesis]. Spain: Universitat Rovirai Virgili. Mills A, Le Hunte, S. 1997. An overvew of semiconductor photocatalyst. J.
Photochem. Photobiol. A: Chemistry, 108, 1-35.
Ming H, Ma Z, Liu Y, Pan K, Yu H, Wang F, Kang Z. 2012. Large scale electrochemical synthesis of high quality carbon nanodots and their photocatalytic property. Dalton Trans. 2012(41):9526-9531.
Pera-Titus M, Garcia-Molina V, Banos MA, Gimenez J, and Esplugas S. 2004. Degradation of chlorophenol by means of advance oxidation prosesses: a general revew. App. Cat. B: Environmental. 47:219-256.
Qu S, Wang X, Lu Q, Liu X, Wang L. 2012. A biocompatible fluorescent ink based on water-soluble luminescent carbon nanodots. Angew. Chem. 124:1– 5.doi:10.1002/ange.201206791.
Sun YP, Zhou B, Lin Y, Wang W, Fernando KAS, Pathak P, Meziani MJ, Harruff BA, Wang X, Wang H et al. 2006. Quantum-sized carbon dots for bright and colorful photoluminescence. J Am Chem Soc. 128(24):77567757. Wan M, Li W, Long Y, Tu Y. 2012. Electrochemical determination of tryptophan
based on Si-doped nano-TiO2 modified glassy carbon electrode. Anal.
Methods. 4:2860-2865.
Yang Z, Li Z, Xu M, Ma Y, Zhang J, Su Y, Gao F, Wei H, Zhang L. 2013. Controllable synthesis of fluorescent carbon dots and their detection application as nanoprobes. Nano-Micro Lett. 5(4):247-259.
Yu S and Semprini L. 2009. Enhanced reductive dechlorination of PCE DNAPL with TBOS as a slow-release electron donor. J. Hazard. Mater.
167(2009):97-104.
Zaleska A. 2008. Doped-TiO2: a review. Recent Patents on Engineering, 2, 157-164.
Zhang H, Huang H, Ming H, Li H, Zhang L, Liu Y, and Kang Z. 2012. Carbon
quantum dots/Ag3PO4 complex photocatalysts with enhanced
photocatalytic activity and stability under visible light. J. Mater. Chem.
2012(22):10501-10506.
Zhang H, Ming H, Lian S, Huang H, Li H, Zhang L, Liu Y, Kang Z, Shuit-Tong Lee. 2011. Fe2O3/carbon quantum dots complex photocatalysts and their
enhanced photocatalytic activity under visible light. Dalton Trans.
Lampiran 2 Perhitungan rendemen sintesis C-dot
Perhitungan rendemen sintesis C-dot sebelum pemurnian
Lampiran 3 Data hasil analisis sinar-X menggunakan XRD
Lanjutan lampiran 3
Lanjutan lampiran 3
Lanjutan lampiran 3
Lampiran 4 Data hasil analisis gugus fungsi menggunakan FTIR
Analisis gugus fungsi C-dot
Lanjutan lampiran 4
Lampiran 6 Penentuan energi celah (band gap)
a. Energi celah C-dot
b. Energi celah TiO2
c. Energi celah komposit TiO2/C-dot
Lampiran 7 Data hasil uji fotokatalis
TiO2
Contoh perhitungan komposit TiO2 0.1 g/C-dot 0.5%
