SINTESIS CARBON NANODOTS SULFUR (C DOTS SULFUR) DENGAN METODE MICROWAVE

(1)

i

SINTESIS CARBON NANODOTS SULFUR (C-DOTS

SULFUR) DENGAN METODE MICROWAVE

skripsi

disusun dalam rangka penyelesaian Studi Strata 1 untuk memperoleh gelar Sarjana Sains

Program Studi Fisika

oleh:

Handika Dany Rahmayanti 4211411047

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG

(2)

ii

PERSETUJUAN PEMBIMBING

Skripsi ini telah disetujui oleh pembimbing untuk diajukan ke sidang ujian skripsi Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Negeri Semarang.

Semarang, 23 Januari 2015

Pembimbing I Pembimbing II

Dr. Mahardika Prasetya Aji, M.Si Dr.Sulhadi,M.Si

(3)

iii

PERNYATAAN

Saya menyatakan bahwa yang tertulis dalam skripsi ini benar-benar hasil karya saya, bukan jiplakan dan karya tulis orang lain, baik sebagian atau seluruhnya. Pendapat atau temuan orang lain yang terdapat dalam skripsi ini dikutip atau dirujuk berdasarkan kode etik ilmiah.

Semarang, 23 Januari 2015

(4)

iv

PENGESAHAN

Skripsi yang berjudul

“Sintesis Carbon nanodots Sulfur (C-Dots Sulfur) dengan Metode Microwave“

disusun oleh

Nama : Handika Dany Rahmayanti NIM : 4211411047

telah dipertahankan dihadapan sidang panitia ujian skripsi FMIPA Unnes pada tanggal 28 Januari 2015

Panitia :

Ketua Sekretaris

Prof. Dr. Wiyanto, M.Si Dr. Khumaedi, M. Si.

NIP. 19631012 198803 1 001 NIP. 19630610 198901 1 002

Ketua Penguji

Dr. Masturi, M.Si

NIP. 19810307 200604 1 002

Anggota Penguji/ Anggota Penguji/

Pembimbing Utama Pembimbing Pendamping

Dr. Mahardika Prasetya Aji, M.Si Dr. Sulhadi, M.Si

(5)

v

MOTTO DAN PERSEMBAHAN

MOTTO

“Hai orang-orang yang beriman, jadikanlah sabar dan shalatmu sebagai penolongmu, sesungguhnya Allah beserta orang-orang yang sabar. (Al-Baqarah : 153)

Ever onward no retreat (Bung Karno)

PERSEMBAHAN

Bapak, Mama dan Adik-Adik Mbah Pariyem Keluarga Besarku Kru Fisika Material

The Lady Physics

(6)

vi

PRAKATA

Bismillahirrohmanirrohim,

Alhamdulillah, puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan hidayahNya sehingga skripsi ini dapat terselesaikan. Shalawat dan salam semoga selalu tercurah kepada Rasulullah Muhammad SAW beserta keluarga, sahabat dan orang-orang yang mengikuti risalah beliau hingga akhir zaman.

Alhamdulillah, setelah melalui perjuangan dengan berbagai kendala, akhirnya penulis diijinkanNya untuk menyelesaikan penyusunan skripsi yang berjudul “Sintesis Carbon nanodots_{Sulfur (C-Dots Sulfur) dengan Metode} Microwave”_{dengan tepat waktu. Skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat} untuk melengkapi kurikulum dan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu pada Jurusan Fisika Universitas Negeri Semarang.

Terselesaikannya skripsi ini tidak lepas dari bantuan berbagai pihak. Untuk itu penulis mengucapkan terima kasih kepada :

1. Dr. Mahardika Prasetya Aji, M.Si sebagai dosen pembimbing I yang telah membimbing dengan penuh kesabaran serta meluangkan waktu untuk selalu memberikan masukan, saran dan motivasi selama penyusunan skripsi ini.

(7)

vii

untuk selalu memberikan masukan,saran dan motivasi selama penyusunan skripsi.

3. Bapak dan Mama tercinta atas doa yang selalu dipanjatkan, semangat yang selalu diberikan, kesabaran yang selalu dicurahkan dan dukungan moril maupun materil yang tak henti-hentinya diberikan.

4. Adekku, Dimas dan Tiya yang selalu menemani dan mengganggu. 5. Mbah Pariyem di Surga yang selalu menjadi motivasiku

6. Keluarga Besarku yang selalu manyemangati dalam proses penyusunan skripsi ini.

7. “Kru Fisika Material” : Tyas, Gunawan, Alif, Habibi, Fatia, Rundi, Dhamar, Muji, Retno, Dek Susanto, Dek Dita, Dek Nisa, Mas Wawan, Mas Imam, Mbak sheila dan Mbak Mei. Terima kasih yang telah memberikan dukungan yang luar biasa serta tambahan pengetahuan dalam penelitian ini.

8. Semangatku, yang selalu sabar menjadi tempat berbagi suka dan duka yang selalu memberi bantuan selama proses penyusunan skripsi ini.

9. The Lady Physics : Uzi, Tyas, Azka, Kris, Astrid, Dewi, Noni dan Ima yang telah memberikan waktunya untuk mendengarkan keluh kesah, memberikan saran yang membangun untuk mendukung penyusunan skripsi ini.

(8)

viii

11.Asisten Laboratorium Fisika : Pak Mutaqin, Pak Wasi, Mbak Lia dan Pak Nurseto yang telah membantu selama proses penelitian skripsi ini.

12.Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang membantu menyelesaikan skripsi ini. Semoga amal dan budi baiknya mendapat balasan yang setimpal dari Allah SWT.

Penulis juga memohon maaf apabila dalam penyusunan skripsi ini ada beberapa kekurangan dan kesalahan, serta jauh dari sempurna, karena banyaknya keterbatasan yang dimiliki penulis. Sebagai akhir kata, penulis perharap semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi penulis sendiri dan bagi pembaca sekalian,dan juga penulis mengharapkan saran dan kritik demi menyempurnakan kajian ini.Semoga penelitian yang telah dilakukan dapat menjadikan sumbangsih bagi kemajuan dunia riset Indonesia . Amin.

Semarang, Januari 2015

(9)

ix

ABSTRAK

Handika Dany Rahmayanti. 2015. Sintesis Carbon nanodots Sulfur (C-Dots Sulfur) dengan metode Microwave. Jurusan Fisika. Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Universitas Negeri Semarang. Pembimbing I : Dr. Mahardika Prasetya Aji, M.Si., Pembimbing II : Dr. Sulhadi, M.Si

Kata kunci: C-dots, sulfur, microwave, absobansi, energi gap, FTIR

Sintesis C-Dots dengan metode microwave menggunakan bahan sulfur, urea dan

(10)

x

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL...i

PERSETUJUAN PEMBIMBING...ii

PENGESAHAN...iii

PERNYATAAN...iv

MOTTO DAN PERSEMBAHAN...v

PRAKATA...vi

ABSTRAK...ix

DAFTAR ISI...x

DAFTAR TABEL...xii

DAFTAR GAMBAR...xiii

DAFTAR LAMPIRAN...xv

BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... ...1

1.2 Permasalahan ... ...4

1.3 Pembatasan Masalah ... ...4

1.4 Tujuan Penelitian...5

1.5 Manfaat Penelitian ... ...5

1.6 Sistematika Penulisan Skripsi ... ...6

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1Carbon nanodots (CDots)...7

2.2 Energi Gap...13

2.3 Struktur C-Dots...16

(11)

xi

BAB III METODE PENELITIAN

3.1 Pelaksanaan Penelitian...22

3.2 Alat dan Bahan...22

3.3 Tahapan Penelitian...22

3.3.1 Penyiapan bahan...24

3.3.2 Homogenisasi...25

3.3.3 Microwave ... ...26

3.3.4 Pengujian dan karakterisasi C-Dots...27

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Sifat Fisis C-Dots...28

4.2 Sifat Luminisens C-Dots………....……….39

4.3 Struktur C-Dots………..……….43

BAB 5 PENUTUP 5.1 Simpulan...50

5.2 Saran...51

DAFTAR PUSTAKA...52

(12)

xii

DAFTAR TABEL

(13)

xiii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Spektrum absorbansi C-Dots dengan Variasi Sulfur…………..2

Gambar 2.1 Perkembangan C-Dots……….…8

Gambar 2.3 Metode sintesis top-down dan bottom up…………..…………..9

Gambar 2.3 Ilustrasi pembuatan C-Dots………10

Gambar 2.4 Hasil sintesis microwave………11

Gambar 2.5 Nilai energy gap C-Dots ditambah sulfur……….…..15

Gambar 2.6 Spektrum FTIR C-Dots……….…...17

Gambar 2.7 Proses luminisens……….…..18

Gambar 2.8 Hasil pengukuran PL………..20

Gambar 2.9 C-Dots………....….21

Gambar 3.1 Skema pembuatan C-Dots……….……..23

Gambar 3.2 Timbangan……….…..24

Gambar 4.1 Hasil sintesis C-Dots………..….29

Gambar 4.2 Hasil C-Dots………..…..30

Gambar 4.3 Spektrum Absorbansi C-Dots………...……31

(14)

xiv

Gambar 4.5 Energi C-Dots kondisi low………..…..35

Gambar 4.6 Energi gap C-Dots kondisi medium……….….…....36

Gambar 4.7 Energi gap C-Dots kondisi high………37

(15)

xv

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Spesifikasi Microwave………55

Lampiran 2 Pengukuran FTIR Kondisi Low………..56

Lampiran 3 Pengukuran FTIR Kondisi Medium..………..59

Lampiran 4 Pengukuran FTIR Kondisi High………..62

(16)

1

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1

Latar Belakang

Carbon nanodots (C-Dots) merupakan bahan karbon baru yang berukuran dibawah ~10 nm. Sejak ditemukannya nanopartikel C-Dots sebagai bahan baru dari karbon, kajian intensif mengenai C-Dots terus berkembang dengan cepat hingga saat ini. Ikatan rantai karbon sebagai sumber utama dalam pembuatan C-Dots menjadi fokus penelitian yang dikaji dan dikembangkan penerapannya dalam beberapa aplikasi. Banyak peneliti telah mengkaji berbagai sumber karbon seperti Zhai dkk (2012) menggunakan sumber karbon dari citric acid, Zhu dkk (2012) menggunakan sumber karbon dari susu kedelai dan Sahu dkk (2012) menggunakan sari jeruk. Kemajuan yang telah dicapai mengenai kajian yang meliputi sintesis, sifat dan aplikasi C-dots telah dipaparkan oleh para peneliti.

(17)

2

Gambar 1.1. Spektrum absorbansi C-Dotsdengan variasi sulfur.

Hasil analisis spektrum absorbansi didapatkan lebar celah pita energi gap (energi gap). Energi gap mengalami penurunan dengan meningkatnya massa sulfur. Sulfur berperan sebagai pengikat (cross linker) sehingga mempengaruhi sifat fisis dari C-Dots yang dihasilkan. Dari hasil ini menunjukan kajian awal mengenai fabrikasi C-Dots dengan memanfaatkan potensi bahan alam sulfur sebagai cross linker molekul karbon dari citric acid yang akan menjadi landasan kuat bagi pengembangan fabrikasi C-Dots.

(18)

3

hidroksil yang cepat akibat proses pemanasan menyebabkan C-Dots dari proses pemanasan sederhana ini selalu berupa gel sehingga hasilnya sulit dimanfaatkan untuk aplikasi. Kelemahan lain dari metode pemanasan sederhana adalah sintesis nanopartikel membutuhkan waktu yang sangat lama, beberapa jam hingga puluhan jam (Abdullah dkk,2008).

Beragam metode telah dikembangkan untuk mensintesis C-Dots. Metode dalam sintesis C-Dots secara umum diklasifikasikan kedalam dua cara, yaitu : metode top-down dan bottom-up (Baker dkk, 2010). Pada metode top-down

struktur-struktur karbon yang lebih besar dipecah menjadi C-dots, contohnya oksidasi elektrokima, arc-discharge dan teknik laser ablation. Metode bottom-up

dibagi lagi menjadi beberapa metode diantaranya metode pemanasan sederhana,

supported synthesis dan microwave. Adapun metode yang paling sederhana yang terus dikembangkan saat ini adalah metode pemanasan sederhana. Selain menggunakan metode pemanasan sederhana, metode yang sering digunakan dalam sintesis C-Dots adalah metode microwave.

(19)

4

penyusunan ulang sehingga hasilnya tidak banyak mengurangi kadar air dalam larutan dan tidak akan dihasilkan C-Dots berupa gel.

Kajian intensif mengenai efek penambahan unsur belerang (sulfur) dalam pembuatan C-Dots dengan sumber karbon dari citric acid dengan metode

microwave menjadi hal baru dalam perkembangan sintesis C-Dots. Hal ini menarik untuk diamati sehingga menjadi fokus kajian penitian kali ini. Ditinjau dari beberapa segi, penelitian ini memberikan informasi mengenai efek dari penggunaan daya microwave serta bagaimana peran sulfur terhadap karakteristik sifat fisis yang meliputi warna, absorbansi, energi gap serta struktur unit dari C-Dots. Secara umum, hasil dari penelitian ini tidak menutup kemungkinan dapat digunakan sebagai acuan untuk kajian aplikasi C-Dots.

1.2

Permasalahan

Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan diatas maka permasalahan yang menjadi fokus kajian penelitian ini adalah

:



Bagaimana karakteristik sifat fisis C-Dots yang ditambah sulfur dengan

menggunakan metode microwave?

1.3

Pembatasan Masalah

(20)

5

1. Pembuatan C-Dots dari bahan pencampuran citric acid dan urea dan ditambah sulfur dengan menggunakan metode microwave.

2. Pengujian C-Dots menggunakan spektrometer UV-VIS untuk mengetahui karakteristik sifat C-Dots.

3. Pengujian C-Dots menggunakan FTIR untuk mengetahui karakteristik struktur unit.

1.4

Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah mampu memahami dan mengetahui proses sintesis C-Dots yang ditambah dengan sulfur menggunakan metode

microwave serta mengetahui karakteristik sifat fisis dan struktur unit dari C-Dots yang ditambah dengan sulfur menggunakan metode microwave.

1.5

Manfaat Penelitian

Berdasarkan uraian latar belakang dan tujuan yang telah disebutkan diatas dapat diperoleh manfaat dalam penelitian ini antara lain adalah :

1. Memanfaatkan potensi bahan alam sulfur sebagai pengikat (cross linker) sehingga mempengaruhi sifat fisis dari C-Dots yang menjadi landasan kuat bagi pengembangan fabrikasi C-Dots

2. Mengetahui sifat optik dan struktur unit C-Dots sehingga dapat dijadikan acuan untuk kajian aplikasi C-Dots, salah satunya sebagai bahan dasar pigmen pengaman alami pada mata uang.

(21)

6

1.6

Sistematika Skripsi

Sistematika penulisan skripsi disusun dan dibagi menjadi tiga bagian untuk memudahkan pemahaman tentang struktur dan isi skripsi. Penulisan skripsi ini dibagi menjadi tiga bagian,yaitu bagian pendahuluan skripsi,bagian isi skripsi dan bagian akhir isi skripsi.

Bagian pendahuluan skripsi terdiri dari halaman judul, sari (abstrak), halaman pengesahan, motto dan persembahan, kata pengantar, daftar isi,daftar gambar, daftar tabel, dan daftar lampiran.

Bagian isi skripsi, terdiri dari lima bab yang tersusun dengan sistematika sebagai berikut :

 BAB 1. Pendahuluan, berisi latar belakang, permasalahan, pembatasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian dan sistematika penulisan skripsi.

 BAB 2. Landasan teori, berisi teori-teori pendukung penelitian

 BAB 3. Metode penelitian, berisi tempat pelaksanaan penelitian, alat dan bahan yang digunakan, serta langkah kerja yang dilakukan dalam penelitian.

 BAB 4. Hasil penelitian dan pembahasan, dalam bab ini dibahas tentang hasil-hasil penelitian yang telah dilakukan.

 BAB 5. Penutup yang berisi tentang kesimpulan hasil penelitian yang telah dilakukan serta saran-saran yang berkaitan dengan hasil penelitian.

(22)

7

BAB 2

LANDASAN TEORI

3.1

Carbon nanodots

(C-Dots)

Carbon nanodots (C-Dots) merupakan sebuah kelas nanomaterial karbon baru yang berukuran dibawah ~10 nm. Material tersebut pertama kali diperoleh selama pemurnian dari single-walled carbon nanotube melalui proses elektroforensis pada tahun 2004. Carbon nanodots (C-dots) memiliki berbagai keunggulan sifat seperti pancaran fotoluminisensi yang tinggi, tidak mudah larut dalam air, tidak beracun dan keberadaannya sangat melimpah di alam (Li dkk, 2012). Disamping itu, bahan dasar pembuatan material ini sangat melimpah dan murah.

(23)

8

Gambar 2.1 Perkembangan C-Dots Scriven dkk, (Uni S. Carolina) J. Am.

Chem, Soc. 2004, 126, 12736 (Xu dkk, 2004)

Suspensi Pendaran Tubular Pemurnian karbon karbon SWNTs

Fraksinasi elektroforesis pelepasan muatan jelaga

Liu dkk (Max-Planck-Institut) Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 4598 (Baker dkk, 2010

Mao dkk, (Univ Purdue) Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 6473 (Baker dkk, 2010)

Aliran air nanosphere pembawa SiO2

Pang dkk, (Univ Wuhan) Chem. Commun. 2008, 5116 (Baker dkk, 2010)

Sintesis nano karbon dengan cahaya lilin Elektrooksidasi grafit

2004 2005 2006 2007 2008 2009

C-Dots menggunakan ablasi laser

Sun, dkk, (Clemson Univ) J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 7756 (Sun dkk, 2006)

Giannelis dkk, (Univ Cornel) Chem. Master. 2008, 20, 4539 (Baker dkk, 2010)

Sintesis molekuler dengan oksidasi termal

Chi dkk, (Univ Fuzhou) J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 4564 (Baker, Penumbuhan karbon nanokristal secara ECL

(24)

9

Metode dalam sintesis C-dots secara umum diklasifikasikan kedalam dua cara, yaitu : metode top-down dan bottom-up (Baker dkk, 2010). Pada metode top-down dibagi menjadi beberapa metode diantaranya metode oksidasi elektrokimia, metode arc-discharge dan teknik laser ablation sedangkan metode bottom-up

dibagi lagi menjadi metode pemanasan sederhana, metode sintesis pendukung (supported synthesis) dan microwave.

Sintesis nanopartikel dengan cara memecah partikel berukuran besar menjadi partikel berukuran nanometerdisebut metode top-down. Metode dengan memulai dari atom-atom atau molekul-molekul yang membentuk partikel berukuran nanometer yang dikehendaki disebut metode bottom-up. Kedua metode sintesis nanopartikel ditunjukan pada Gambar 2.2 (Abdullah, 2008).

Gambar 2.2 Metode sintesis top-down dan bottom-up

bulk

Top-down : dipecah

nanopartikel

Bottom-up : digabung, assembli

(25)

10

Adapun metode yang paling sederhana yang terus dikembangkan saat ini adalah metode pemanasan sederhana seperti tampak pada Gambar 2.3. Para peneliti seperti Zhu dkk (2012) mampu memproduksi C-dots dengan bahan dasar susu kedelai serta Sahu dkk (2012) yang menyintesis C-dots dari bahan dasar jus jeruk melalui metode pemanasan sederhana.

Gambar 2.3 Illustrasi pembuatan C-Dotsdengan proses pemanasan sederhana dari (a). sari jeruk dan (b). susu kedelai

(26)

11

metode microwave telah diperkenalkan secara bertahap dan berperan penting dalam proses persiapan sampel dikarenakan pada proses ini menggunakan gelombang mikro yang dapat mempermudah dan mempercepat proses sintesis.

Dibandingkan dengan metode pemanasan sederhana, hasil dari metode

microwave lebih unggul, tidak banyak mengurangi kadar air dalam larutan karena prosesnya digetarkan (vibrasi) sedangkan dalam metode pemanasan sederhana hasilnya air menguap lebih cepat atau mengalami proses evaporasi yaitu proses hilangnya gugus hidroksil. Sampai saat ini, telah berhasil dilakukan berbagai penelitian yang mengkaji sintesis nanomaterial dengan metode microwave.

Gambar 2.4 Hasil sintesis menggunakan microwave selama 5-10 menit (Zhu dkk,2009)

Zhu dkk (2009) telah berhasil membuat nanomaterial C-Dots dengan mencampurkan PEG 200 dengan sakarida (glukosa, fruktosa) dalam air untuk membentuk larutan transparan kemudian dipanaskan dalam oven microwave 500 watt selama 2-10 menit. Untuk proses reaksi pembentukan C-Dots ditunjukan Gambar 2.4 yang memperlihatkan ikatan C-Dots yang berbentuk cairan dengan

5 menit 10 menit

(27)

12

waktu sintesis 5 menit dan 10 menit. Berbagai sintesis C-Dots menggunakan berbagai sumber karbon juga telah banyak diteliti (Stefanakis dkk, 2014), seperti yang ditunjukan Tabel 1.1.

Tabel 1.1 Sintesis C-Dots dengan berbagai sumber karbon menggunakan metode microwave

Sumber karbon

Daya microwave

(watt)

Waktu

(s) Referensi Karbohidrat (gliserol,

glikol, glukosa, sukrosa)

750 840 Wang dkk

(2011) Karbohidrat (gliserol) dan

4,7,10-trioxa

-1,13-tridecanediamine (TTDA)

700 - Liu dkk

(2011)

Poly(ethylene glycol)

(PEG 200)

900 600 Jaiswal dkk

(2012) Asam amino (histidine) dari

orthophosphoric

700 160 Jiang dkk

(2012) Asam citric(Citric acid )

dan urea

750 240-300 Qu dkk

(2012) a) L-Arginine

monohydrochloride

b) Citric acid monohydrate,

ethanolamine

800 60 Philippidis

(28)

13

3.2

Lebar Celah Pita Energi (Energi Gap)

Salah satu parameter yang diukur dalam karakteristik sifat C-Dots adalah besarnya lebar celah pita energi (energi gap). Energi gap berkaitan dengan sifat luminisens, eksitasi tahap pertama pada semikonduktor adalah pada elektron bawah pita konduksi dan hole pada pita valensi bagian atas (Subramanian, 2004).

Jika mendapat energi yang cukup misalnya dari foton atau panas, atku tumbukan oleh partikel lain, elektron yang semula berada di pita valensi dapat meloncat ke pita konduksi. Loncatan tersebut meninggalkan keadaan kosong di pita konduksi, yang dikenal dengan hole. Agar elektron dapat mencapai pita konduksi, energi yang diterima harus lebih besar dari energi gap. Umumnya, cahaya yang digunakan untuk mengeksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi adalah cahaya ultraviolet (Abdullah, 2007).

(29)

14

Kebergantungan energi gap nanopartikel terhadap ukuran partikel diturunkan pertama kali oleh Brus (Abdullah,2007). Dengan menggunakan pendekatan massa efektif, Brus mendapatkan persamaan seperti yang ditunjukan berikut ini :

kR e m m R h E R E h e g g 2 * * 2 2 2 8 . 1 1 1 2 ) ( ) ( _          

Pada persamaan diatas, suku kedua muncul akibat keterbatasan ruang gerak electron dan hole di dalam partikel (disebut confinement effect). Efek ini memperbesar jarak antara pita valensi dan pita konduksi. Suku ketiga muncul akibat adanya tarikan Coulomb antara elektron dan hole setelah elektron mengalami eksitasi. Karena ruang gerak elektron yang terbatas, maka jarak elektron dan hole tidak bisa jauh. Akibatnya, tarikan antara keduanya selalu ada yang berimbas pada pengurangan energi yang dimiliki elektron setelah mengalami eksitasi. Jika ukuran partikel sangat besar (bulk) maka elektron dan hole dapat berpisah sangat jauh sehingga tarikan antara keduanya dapat dianggap nol. Akibatnya tidak ada pengurangan energi yang dimiliki elektron setelah meloncat ke pita valensi (Abdullah, 2007).

(30)

15

[image:30.595.204.417.230.717.2]

Hasil pengukuran energi gap C-dots seperti yang diperoleh Rahmayanti dkk (2014) yang mengkaji efek penambahan unsur belerang (sulfur) dalam pembuatan C-Dotsdengan sumber karbon dari citric acid seperti yang ditunjukan pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Nilai energi gap C-Dots yang ditambah dengan sulfur

1.6 2.4 3.2

0 10 20 30 C o e fi c ie n t (  h /c )

2 (

a

.u

.)

Energy (eV) m = 0.5

1.2 1.8 2.4

0 10 20 30

m = 1

D

Energy (eV)

1.2 1.8 2.4

0 10 20 30 C o e fi c ie n t (  h /c )

2 (

a

.u

.)

Energy (eV)

m = 1.5

1.2 1.8 2.4

0 10 20

m = 2

D

Energy (eV)

1.0 1.5 2.0 2.5

0 10 20

m = 3

C o e fi c ie n t (  h /c )

2 (

a

.u

.)

Energy (eV)

m = 2.5

1.2 1.6 2.0

0 10 20

D

(31)

16

Energi gap C-Dots yang diperoleh yaitu pada rentang 1.8 eV hingga 2.4 eV. Energi gap mengalami penurunan dengan meningkatnya massa sulfur. Rentang nilai energi gap ini juga bersesuaian dengan hasil yang diperoleh Li dkk (2012) yang memperoleh energi gap C-Dots pada rentang 1,5-3,5 eV.

3.3

Struktur C-Dots

Penyelidikan gugus fungsi rantai karbon perlu dilakukan untuk mengkaji keberadaan C-Dots. Gugus fungsi C-Dots diperoleh dari pengukuran Fourier Transform Infra Red (FTIR). Hasil pengukuran ini menunjukan struktur gugus fungsi C-Dots. Hasil pengukuran FTIR dinyatakan dalam spektrum panjang gelombang dan intensitas. Hasil pengukuran FTIR dapat diidentifikasi gugus-gugus fungsi yang muncul. Disamping itu, pergeseran panjang gelombang atau penuruan intensitas akibat perlakukan dalam penelitian mengindikasikan adanya perubahan struktur.

(32)

17

(a)

[image:32.595.127.454.99.555.2]

(b)

Gambar 2.6. Spektrum FTIR C-Dots dengan sumber karbon : (a). Dextrin (Puvvada dkk, 2012), (b). Polysaccharide (Zhou dkk, 2013).

(33)

18

3.4

Luminisens

[image:33.595.225.436.422.630.2]

Emisi cahaya dari suatu proses selain radiasi benda hitam disebut sebagai luminisens. Luminisens merupakan suatu proses non-kesetimbangan dimana untuk dapat berlangsung harus menggunakan sumber eksitasi seperti lampu UV atau laser. Luminisens terjadi ketika elektron meloncat dari pita valensi menuju pita konduksi setelah dieksitasi oleh energi dari sumber eksitasi kemudian kembali lagi ke keadaan dasarnya karena tidak stabil. Luminisens terjadi ketika elektron pada material target kembali ke keadaan dasarnya setelah dieksitasi oleh energi dari sumber eksitasi dan kehilangan energi sebagai foton seperti diilustrasikan pada Gambar 2.7 (Kurnia, 2008).

Gambar 2.7 Proses Luminisens

(34)

19

Luminisens dapat disebabkan oleh beberapa faktor seperti reaksi kimia, energi listrik, pergerakan pada tingkat sub atomik, atau pergangan dalam Kristal. Berdasarkan sumber eksitasinya, dikenal beberapa jenis luminisens seperti fotoluminisens jika digunakan sumber eksitasi optis, sementara istilah elektroluminisens digunakan jika eksitasi terjadi akibat arus listrik. Jenis lainnya yakni jika terjadi akibat pemborbardiran material target yang dikenal dengan katodoluminisens (Xu, 2004).

Fotoluminisens (PL) adalah suatu metoda eksperimen yang paling banyak digunakan untuk mempelajari material khususnya yang memiliki celah energi yang melebar. PL terbagi atas dua kelompok utama yaitu luminisens intrinsik dan ekstrinsik. Pada luminisens intrinsic terbagi lagi menjadi tiga jenis luminisens, yaitu : 1). Luminisens dari pita-ke pita, 2). luminisens eksiton, 3). Luminisens silang (cross-luminiscence). Luminisens ekstrinsik pada umumnya dihasilkan akibat ketidakmurnian yang secara sengaja atau tidak sengaja tak terlibat. Jenis pengotor dalam material ini dikenal sebagai aktivator. Dalam tinjauan activator dikenal dua jenis luminisens ekstrinsik yaitu tipe terlokalisasi dan tidak terlokalisasi (Xu, 2004).

(35)

20

(a)

(b)

[image:35.595.147.474.99.684.2]

(c)

(36)

21

Luminisens C-Dots juga dapat dilihat secara sederhana setelah dieksitasi menggunakan sinar lampu UV, seperti yang ditunjukan oleh Gambar 2.9. Hasil yang diperoleh Faisal, dkk (2013) menunjukan citra luminisens C-Dots yang dibuat menggunakan sumber karbon ascorbic acid dan lisin setelah dieksitasi lampu UV yaitu memendarkan cahaya warna biru.

(a)

[image:36.595.208.423.277.662.2]

(b)

(37)

22

BAB 3

METODE PENELITIAN

3.1 Pelaksanaan Penelitian

Sintesis dan karakterisasi C-Dots dilakukan di laboratorium Fisika gedung D9

lantai 3. Pengujian karakteristik C-Dots dibatasi pada pada pengujian sifat sifat fisis

(warna, absorbansi dan energi gap) serta struktur unit C-Dots

3.2

Alat dan Bahan

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini meliputi citric acid, urea, sulfur dan

aquades. Sedangkan alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini antara lain gelas ukur,

cawan, timbangan digital, pengaduk magnet, mortar, cawan, microwave, spektrometer

UV-VIS dan FTIR

3.3

Tahapan Penelitian

Tahapan penelitian diperlukan sebagai bentuk langkah untuk mencapai tujuan

dan target yang diinginkan dalam penelitian. Pendekatan dan strategi yang digunakan

dalam tahapan penelitian ini adalah mengoptimalkan proses karbonisasi ( carbonization)

C-Dots yang ditambah sulfur dengan mengatur parameter proses berupa waktu pada

microwave. Paramater ini penting dikaji karena selama proses pemanasan (pada selang

waktu tertentu) akan diperoleh hasil berupa kajian intensif mengenai fabrikasi C-Dots

(38)

[image:38.595.190.532.121.633.2]

23

Gambar 1. Skema tahapan pembuatan C-Dots

Mulai

Menyiapkan alat dan bahan

Menghomogenisasi

Karakterisasi :  Absorbansi  Energi gap  Stuktur unit

 Menentukan komposisi bahan  Menimbang bahan sesuai

komposisi yang ditentukan

Penulisan laporan

(39)

24

3

.3.1 Penyiapan bahan

Langkah-langkah yang harus disiapkan sebelum sintesis adalah menyiapkan

bahan bahan yang akan digunakan pada pembuatan C-Dots. Bahan-bahan yang digunakan

adalah citric acid, urea, sulfur serta aquades. Kemudian bahan-bahan tersebut ditimbang

seperti pada Gambar 3.2 dengan komposisi citric acid dengan massa 2 gram, sulfur

dengan massa 2 gram dan urea dengan massa 4 gram, seperti yang ditunjukan Gambar 3.3

[image:39.595.189.441.321.481.2]

serta siapkan juga aquades ±60 ml.

Gambar 3.2 Timbangan

[image:39.595.196.441.528.695.2]

(40)

25

3.3.2. Homogenisasi

Pada penelian ini, pencampuran antara bahan dilakukan dengan menggunakan

pengaduk magnet (magnetic stirrer) sedangkan media untuk mencampurkannya

menggunakan air (aquades). Proses ini penting untuk dilakukan karena mencampurkan

material bahan baku C-Dots yang sudah diatur komposisinya sehingga dapat bercampur

hingga homogen. Homogenisasi dilakukan hingga suhu 70oC selama ± 15 menit hingga

seluruh bahan bercampur hingga homogen, seperti yang ditunjukan pada Gambar 3.4.

[image:40.595.195.432.350.570.2]

Proses pemanasan bertujuan sebagai katalis untuk mempercepat reaksi.

(41)

26

3.3.3. Microwave

Metode microwave merupakan proses yang digunakan untuk sintesis C-Dots.

Microwave yang digunakan untuk sintesis yaitu microwave Panasonic NN-SM322M,

seperti yang ditunjukan pada Gambar 3.5. Prinsip dasar dari microwave penggetaran

(vibrasi) yang menyebabkan rantai-rantai karbon mengalami penyusunan ulang akan

dihasilkan C-Dots. Keunggulan dari metode ini adalah sampel tidak mengalami degradasi

gugus hidroksil sehingga tidak banyak mengurangi kadar air dalam larutan. C-Dots

disintesis pada 3 kondisi yaitu low (70 W) , medium (230 W) dan high (450 W). Pada

masing-masing kondisi dibuat dengan variasi waktu yang berbeda-beda yaitu 5 menit, 15

[image:41.595.171.460.434.660.2]

menit, 25 menit, 35 menit, 45 menit dan 55 menit

(42)

27

3.3.4.Pengujian dan karakterisasi C-Dots

Pengujian dan karakterisasi C-Dots hasil sintesis dilakukan untuk mengetahui

sifat-sifat fisis yang meliputi warna dan spektrum absorbansinya menggunakan

spektrometer UV-Vis, seperti yang ditunjukan Gambar 3.6, untuk kemudian dapat

diperoleh nilai lebar celah pita energinya (energi gap), serta mengetahui struktur unitnya

menggunakan Fourier Transform Infra Red (FTIR) jenis Frontier FT-NIR/MIR

[image:42.595.177.447.321.490.2]

Spectrometers L1280034, seperti yang ditunjukan Gambar 3.7.

Gambar 3.6. Spektrometer UV-Vis

[image:42.595.186.446.562.707.2]

(43)

50

BAB V

PENUTUP

5.1 Simpulan

Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan dapat diambil beberapa

kesimpulan, yaitu sintesis C-Dots dengan metode microwave menggunakan bahan

sulfur, urea dan citric acid telah berhasil dibuat. C-Dots yang dihasilkan berbentuk cair,

hal ini sekaligus membuktikan bahwa sintesis dengan metode microwave mampu untuk

mengatasi kelemahan metode pemanasan sederhana yaitu tidak dihasilkan C-Dots yang

berupa gel sehingga lebih mudah dimanfaatkan untuk aplikasi.

Karakteristik sifat fisis C-Dots dan struktur unit C-Dots yang paling optimum yaitu

pada saat disintesis pada kondisi 450 watt dengan lama waktu pemanasan 35 menit.

Warna yang dihasilkan pada kondisi ini adalah coklat, sedangkan dari hasil pengukuran

spektrum absorbansinya melebar terletak pada panjang gelombang 582.02 nm. Dari hasil

pengukuran spektrum absorbansi didapatkan nilai energi gapnya kecil yaitu sebesar 1,7

eV. Struktur unit C-Dots yang disintesis pada kondisi 450 watt dengan lama waktu

pemanasan 35 menit menunjukan juga mengikat energi lebih banyak dibandingkan pada

kondisi 70 watt dan 230 watt yang disintesis dengan waktu yang sama yaitu 35 menit.

Spektrum FTIR dapat teramati bahwa transmitansi C-Dots tanpa sulfur pada

stretch C=C turun, nilainya rendah dibandingkan dengan transmitansi C-Dots yang

menggunakan sulfur. Hal ini terjadi mungkin karena C yang dulu mengabsorb menjadi

merefleksi dan tergantikan oleh SH. Peran sulfur disini jelas berfungsi untuk menambah

(44)

51

5.2 Saran

Mengacu pada hasil akhir karakterisasi dan pembahasan diatas, eksperimen ini

masih harus disempurnakan. Oleh karena itu untuk eksperimen selanjutnya disarankan

sebaiknya dilakukan karakterisasi dengan parameter-parameter yang lain sehingga dapat

dipastikan gugus fungsi dari C-Dots yang dihasilkan. Selain itu diperlukan juga

pengukuran menggunakan spektropotoluminiscence (PL) sehingga diperoleh panjang

(45)

52

DAFTAR PUSTAKA

Abdullah, M., Morimoto, T., Okuyama, K., (2003), Generating blue and red luminescence from ZnO/ply(ethylene glycol) nanocomposites prepared using an in-situ method, Advanced Functional Materials, 13(10), (800-804).

Abdulah, Mikrajuddin. 2007. Catatankuliah :Topik Khusus Fisika Material Elektronik Material Nanostruktur. Bandung : ITB

Abdullah M, dkk.2008. Review : Sintesis Nanomaterial. Jurnal Nanosains & Nanoteknologi, 1 (2) : 33-57 ISSN 1979-0880

Abdullah, M. dan Khairurrijal. 2010. Karakterisasi Nanomaterial : Teori Penerapan dan Pengolahan Data. Bandung : CV. Rezeki Putera.

Baker, S.N. dan Baker, G.A. 2010. Luminescent Carbon Nanodots : Emergent Nanolight, Angew. Chem. Int. 99: 6726-6744.

Faisal N., Wang, L., Zhu, L., Meng, X., dan Xiao, F. 2013. Ascorbic Acid Assisted Green Route for Synthesis of Water Dispersible Carbon Dots, Chem. Res. Chin. Univ. 2013, 29(3), 401-403.

Jacub, Jandri. 2011. Sintesis Nanopartikel ZnO dengan Teknik Presipitai : Pengaruh Temperatur Pencampuran Prekursor terhadap Pertumbuhan Nanokristalit Oksida Anorganik. Tesis Jakarta : Universitas Indonesia.

Jaiswal, A., Ghosh Siddhartha, S., danChattopadhyay, A., 2012, One step synthesis of C-Dots by Microwave mediated caramelization of poly(ethylene glycol),

(46)

53

Jingjing N., Hui, G., Litao W., Shuangyu, X., Yuhua. W. 2013. Facile synthesis and optical properties of nitrogen-doped carbon dots.Royal Society of Chemistry.DOI : 10.1039/c3nj01068f.

Kurniawan, Cepi. 2008. Studi Sifat Luminisens iNanopartikel CaxSr1 xTiO3:RE(RE=Pr3+, Eu3+ dan Tb3+) yang Dipreparasi dengan Metode Sonokimia. Tesis. Bandung : Institut Teknologi Bandung.

Li, H., Zhenhui K., Yang L., & Lee,s. 2012. Carbon nanodots : synthesis, properties and application, Journal of Materials Chenistry. DOI: 10.1039/c2jm34690g. Nasriah, Nasri. 2013. Sintesis Karbon Nanodots menggunakan Pemanasan

Microwave untuk Aplikasi Bioimaging. Skripsi. Bandung : Universitas Islam Sunan Gunung Djati.

Masyrukan, 2013, Karakterisasi Bahan Karet untuk Keperluan Gasket Kendaraan terhadap Pengaruh Kandungan Sulfur, Prosiding Simposium Nasional RAPI XII Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta ISSN 1412-9612. Philippidis, A., Stefanakis, D., Anglos, D., Ghanotakis, D. 2013. Microwave heating

(47)

54

Sahu, S., Birendra, B., Tapas K., Maiti & Mohapatra, S. 2012. Simple one-step synthesis of highly luminescent carbon dots from orange juice: application as excellent bio-imaging agents, Chem. Commun. 48 : 8835–8837.

Stefanakis, D., Anglos, D., Ghanotakis, D., Philippidis, A. 2014. Synthesis of fluorescent carbon dots by a microwave heating process: structural characterization and cell imaging applications, , J Nanoparts, 16:2646.

Zhai, X., Peng Z., Changjun L., Tao B., Li, W., Liming D., & Liu W. 2012. Highly luminescent carbon nanodots by microwave-assisted pyrolysis, Chem. Commun. 48 : 7955–7957.

Zhi, Y., Zhaohui, L., Minghan, X., Hao, W., Liying, Z. 2013. Controllable Synthesis of Flourescent Carbon Dots and Their Detection Application as Nanoprobes,

Nano-Micro Lett.5(4) : 247-259.

Zhou, L., Benzhao He & Jiachang H. 2013 Amphibious fluorescent carbon dots: one step green synthesis and application for light-emitting polymer nanocomposites, Chem. Commun. 49 : 8078-8080.

(48)

57

Lampiran 2. Data Pengukuran FTIR Kondisi Low

PerkinElmer Spectrum Version 10.03.06 Wednesday, December 31, 2014 5:04 PM

Report

Filename D:\Data FTIR\Spectra FTIR\SCN L4.sp

Analyst Administrator

Description A8 By Administrator Date Wednesday, December 31 2014

Sample Details

Creation Date 12/31/2014 5:02:52 PM

X-Axis Units cm-1

X-Axis start value 4000

X-Axis end value 450

Data interval -1

Number of points 3551

Y-Axis Units %T

Instrument

Instrument Model Frontier FT-IR Instrument Serial Number 96681

Software Revision CPU32 Main 00.09.9951 07-September-2011 11:49:41

Number of Scans 1

Resolution 4

QualityChecks

Water Vapor Caution

Carbon Dioxide Passed

Baseline Low Warning

Baseline High Passed

Baseline Slope Caution

Strong Bands Passed

Weak Bands Passed

High Noise Passed

Fringes Warning

Vignetting Passed

Blocked Beam Passed

Negative Bands Passed

Zero Transmission Passed

Stray Light Passed

Window Cutoff Passed

History

Who What When Parameters Comment

Administrator Created as New Dataset

12/31/2014 5:02:52 PM

A8 By Administrator Date Wednesday, December 31 2014 Administrator Atmospheric

Correction

(49)

58

Spectrum Graph

Name Description

___ SCN L4 A8 By Administrator Date Wednesday, December 31 2014

Peak Table Results

SpectrumName

SCN LOW

PeakName X Y

42 472.11 3.71

41 492.62 3.66

40 623.09 3.24

39 668.22 3.29

38 689.05 3.28

37 1207.5 4.32

36 1324.8 4.1

35 1424.28 4.05

34 1459.03 3.92

33 1475.18 3.97

32 1490.32 3.89

31 1504.55 3.91

30 1508.56 3.67

29 1537.93 3.63

28 1543.99 3.59

27 1559.95 3.48

26 1638.07 1.97

25 1647.9 2.17

24 1698.56 3.06

23 1705.1 3.12

22 1717.74 3.24

(50)

59

20 1772.47 3.6

19 1829.25 3.61

18 2374.3 2.99

17 2727.5 2.79

16 2927.5 2.79

15 3463.1 0.47

14 3631.04 0.78

13 3650.6 0.76

12 3673.43 0.96

11 3691.16 1.1

10 3713.03 1.25

9 3736.76 1.1

8 3752.54 1.13

7 3799.59 1.27

6 3819.21 1.21

5 3840.63 1.2

4 3855.68 1.21

3 3872.55 1.27

2 3903.23 1.31

(51)

60

Lampiran 3. Data Pengukuran FTIR Kondisi Medium

Report

Filename D:\Data FTIR\Spectra FTIR\SCN M5.sp

Description A3 By Administrator Date Wednesday, December 31 2014

Sample Details

X-Axis Units cm-1

Data interval -1

Y-Axis Units %T

Instrument

Number of Scans 1

Resolution 4

QualityChecks

Water Vapor Caution

Strong Bands Passed

Weak Bands Passed

High Noise Passed

Fringes Warning

Vignetting Passed

Blocked Beam Passed

Stray Light Caution

History

12/31/2014 3:41:34 PM

A3 By Administrator Date Wednesday, December 31 2014 Administrator Atmospheric

Correction

(52)

61

Spectrum Graph

___ SCN M5 A3 By Administrator Date Wednesday, December 31 2014

SpectrumName

SCN MEDIUM

PeakName X Y

40 471.53 5.32

39 573.22 5.15

38 676.38 5.31

37 1118.6 6.99

36 1300.28 6.5

35 1400.28 6.46

34 1458.03 6.45

33 1503.9 6.56

32 1537.39 6.35

31 1559.84 5.93

30 1637.9 3.87

29 1651.03 3.91

28 1699.45 5.21

27 1717.88 5.68

26 1733.91 5.88

25 2346.1 6.09

24 2701.5 5.26

23 2829 5.11

22 3453.8 1.28

21 3572.32 1.71

20 3655.49 2.46

(53)

62

18 3695.74 2.81

17 3716.22 2.95

16 3726.23 3.03

15 3743.21 3.03

14 3764.02 3.02

13 3773.9 2.96

12 3789.88 2.95

11 3800.92 3.11

10 3806.39 2.96

9 3820.62 3.11

8 3825.83 3.05

7 3845.87 3.07

6 3858.01 3.03

5 3868.9 3.09

4 3874.06 3.03

3 3885.11 2.98

2 3890.17 2.98

(54)

63

Lampiran 4. Data Pengukuran FTIR Kondisi High

Report

Filename D:\Data FTIR\Spectra FTIR\SCN H3.sp

Description J2 By Administrator Date Wednesday, December 31 2014

Sample Details

X-Axis Units cm-1

Data interval -1

Y-Axis Units %T

Instrument

Number of Scans 1

Resolution 4

QualityChecks

Water Vapor Passed

Strong Bands Passed

Weak Bands Passed

High Noise Caution

Fringes Warning

Vignetting Passed

Blocked Beam Passed

Stray Light Caution

History

12/31/2014 2:58:10 PM

J2 By Administrator Date Wednesday, December 31 2014 Administrator Atmospheric

Correction

(55)

64

Spectrum Graph

___ SCN H3 J2 By Administrator Date Wednesday, December 31 2014

SpectrumName

SCN HIGH

PeakName X Y

31 471.3 9.84

30 629.88 8.84

29 1091.4 7.84

28 1289.72 7.81

27 1508.38 7.77

26 1542.09 7.68

25 1559.92 7.59

24 1627.9 6.43

23 1705.35 7.28

22 2342.07 6.68

21 2371 6.82

20 2812.2 6.6

19 3450.2 3.55

18 3567.61 3.75

17 3616.41 4.04

16 3650.06 4.07

15 3673.47 4.31

(56)

65

13 3712.62 4.55

12 3736.77 4.38

11 3752.14 4.38

10 3782.13 4.74

9 3799.6 4.5

8 3819.24 4.47

7 3840.62 4.43

6 3851.07 4.47

5 3855.65 4.48

4 3872.8 4.5

3 3883.53 4.61

2 3904.71 4.56

(57)

66

[image:57.612.151.525.154.455.2]

Lampiran 5. Dokumentasi Penelitian

Gambar 5.1 Proses Pembuatan Sampel

[image:57.612.181.488.503.674.2]

(58)

[image:58.612.124.524.112.501.2]

67