MODIFIKASI PERMUKAAN TiO
2-KARBON MELALUI SATU
TAHAP SINTESIS DENGAN METODE ARC-DISCHARGE DALAM
MEDIA CAIR
Astrid Olivia Nandika
1,*, Teguh Endah Saraswati
2, dan
Candra Purnawan
21Jurusan Kimia, FMIPA, Universitas Sebelas Maret, Surakarta, Indonesia 2Jurusan Kimia, FMIPA, Universitas Sebelas Maret, Surakarta, Indonesia
e-mail:teguh@mipa.uns.ac.id;astridolivianandika@gmail.com;candra_pr@yahoo.com
ABSTRAK
Modifikasi permukaan fotokatalis nanopartikel TiO2-Karbon dengan arc-disharge dalam
media cair berhasil dilakukan. Proses fabrikasi dilakukan dengan satu tahapan metode arc-discharge menggunakan dua elektroda grafit dari baterai dry cell, dimana salah satu elektroda diisi dengan campuran bubuk karbon, TiO2, lem silika sebagai elektroda arc-discharge dalam
media cair yang terdiri dari 50% etanol dengan penambahan 10%, 50%, 75%, 99% asam asetat glasial. Metode arc-discharge dilakukan dengan mengalirkan tegangan sebesar 20-40 V dan arus sebesar 10-50 A. Pola difraktogram dari X-Ray Diffraction (XRD) menunjukkan proses fabrikasi nanopartikel TiO2-Karbon berhasil, hal ini ditandai dengan adanya puncak pada
25,32˚; 26,62˚; dan 36,02˚ yang merupakan puncak karakteristik utama dari TiO2, C grafit, dan
titanium karbida. Spektra FTIR menunjukkan adanya vibrasi ulur dari Ti-O pada serapan antara 450–550 cm-1;stretching C-H pada daerah 2900-2880 cm-1; stretching O-H dari molekul H
2O
yang terserap pada permukaan TiO2 pada daerah 3400–3700 cm-1; danstretching C=C yang
diasumsikan berasal dari karbon didaerah 1600 cm-1. Keberhasilan modifikasi permukaan
dengan metode ini juga ditunjukkan dari peningkatan dispersitas nanopartikel dalam air. Hal ini mengindikasikan bahwa gugus fungsional yang mengandung oksigen berhasil melekat pada permukaan nanopartikel. Secara keseluruhan, hasil yang diperoleh menyimpulkan nanopartikel yang disintesis dengan penambahan asam asetat memiliki sifat permukaan yang lebih baik dibandingkan tanpa penambahan asam asetat.
Kata Kunci : Asam Asetat, Arc-Discharge, fotokatalitik, TiO2, Karbon.
SEMINAR NASIONAL KIMIA DAN PENDIDIKAN KIMIA VII
“Penguatan Profesi Bidang Kimia dan Pendidikan Kimia
Melalui Riset dan Evaluasi”
Program Studi Pendidikan Kimia Jurusan P.MIPA FKIP UNS
Surakarta, 18 April 2015
MAKALAH
PENDAMPING
KIMIA FISIK DAN
PENDAHULUAN
Perkembangan industri tekstil di Indonesia terjadi dengan sangat pesat yaitu mencapai 0,85% per tahun, akibatnya terjadi peningkatan limbah industri tekstil sehingga secara langsung berdampak pada peningkatan limbah zat warna yaitu sekitar 10-15% [3]. Salah satu metode pengolahan limbah tekstil yang praktis serta efisien yaitu fotokatalisis dengan menggunakan TiO2 [6], Fe2O3, ZnO, WO3 [7].
Namun metode ini masih memiliki kekurangan, dimana masih menggunakan sumber sinar dari lampu UV. Penggunaan lampu UV di sebabkan energi celah pita dari TiO2 cukup besar (3,2 eV)
sehingga bila menggunakan sinar matahari kurang efisien karena hanya menggunakan ±5% dari spektrum sinar matahari (fraksi UV cahaya matahari) dan meningkatkan biaya operasi sistem fotokatalitik TiO2.
Pendekatan yang paling menjanjikan untuk penggunaan TiO2 pada daerah sinar
tampak adalah dengan memodifikasi fotokatalis TiO2 sehingga terjadi pergeseran penyerapan
spektrum sinar ke daerah sinar tampak. Akan tetapi TiO2 memiliki beberapa kelemahan,
diantaranya yaitu membentuk agregasi akibat proses katalitik, hal ini disebabkan karena partikel TiO2 kehilangan efektivitas luas
permukaannya dan TiO2 memiliki kemampuan
adsorpsi yang rendah untuk polutan dikarenakan sifatnya yang non-porous. Oleh sebab itu, untuk mengoptimalkan kinerja TiO2
diperlukanlah suatu media pendukung salah satunya adalah karbon [5]. Modifikasi dengan doping karbon akan mempersempit band gap yang membuat katalis aktif di bawah cahaya tampak. Menurut Sano (2002), Kelebihan dari
pembuatan nanopartikel TiO2-karbon dengan
menggunakan metode arc-discharge adalah mekanisme kerja yang lebih alami pada proses pemisahan antara nanomaterial dengan kontaminannya sehingga produk nanomaterial yang dihasilkan memiliki tingkat pemurnian yang cukup tinggi [4]. Berdasarkan penelitian Andhika (2014), didapatkan effisiensi fotokatalitik untuk mendegradasi metilen biru dengan menggunakan bantuan lampu merkuri dari nanopartikel TiO2-karbon adalah sebesar
43,01% [1, 2]. Hal ini dikarenakan proses dispersi yang kurang sempurna, dimana material tidak dapat bercampur secara alami dengan media cair dari limbah sehingga masih dibutuhkan proses pengadukan secara mekanik. Berdasarkan hal tersebut maka diperlukan penelitian lebih lanjut untuk memodifikasi permukaan dari nanomaterial tersebut
Oleh karena itu, kami mengusulkan penelitian untuk modifikasi permukaan ini dilakukan dengan penambahan asam asetat glasial (CH3COOH) sehingga diharapkan
terbentuk material nanokomposit yang pada permukaannya terdapat gugus –COOH, –C=O, dan –OH. Lebih lanjut, material termodifikasi ini diharapkan mampu terdispersi dengan sempurna dalam limbah cair dan sensitivitasnya melebar ke daerah sinar tampak. Karenanya, pada tahap pengaplikasiannya proses pengolahan limbah ini cukup dengan menggunakan sinar matahari. Hasil dari penelitian ini diharapkan, asam asetat glasial akan mampu memodifikasi, lebih lanjut meningkatkan aktivitas fotokatalitik dalam mendegrdasi zat warna metilen biru.
A. Bahan
Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah elektroda karbon yang didapatkan dari baterai, titanium dioksida A-100 98%, asam asetat 99%, etanol 70%, aseton 90% dan lem silika (Autosil Black Gasket RTV silicone) dan akuades.
B. Metode
1. Sintesis
Pada sintesis ini digunakan 2 macam elektroda grafit yang diperoleh dari baterai dry cell, dimana elektroda 1 dibuat runcing pada salah satu sisinya, sedangkan elektroda kedua dilubangi tengahnya dengan diameter 3 mm kemudian di isi dengan campuran TiO2 anatase,
bubuk karbon dan lem silika dengan perbandingan berat 1:3:1. Elektroda ini kemudian di panaskan pada suhu 120˚C selama 6 jam hingga elektroda tersebut menjadi keras. Media cair yang digunakan merupakan campuran antara etanol 50% dan penambahan asam asetat dengan konsentrasi tertentu. Konsentrasi asam asetat yang digunakan pada sintesis ini adalah 0%, 10%, 50%,75% dan 99% dalam 300 mL media cair. Pada proses fabrikasi, kedua elektroda dimasukkan dalam media cair dan diletakkan pada jarak tertentu, kemudian dialiri dengan tegangan sebesar 20-40 V dan arus sebesar 10-50 A. Pada proses fabrikasi ini dihasilkan nanopartikel yang mengendap. Nanopartikel TiO2-karbon yang
dihasilkan pada tahap ini,
selanjutnyadikumpulkan dan dikarakterisasi pada tahapan berikutnya.
2. Karakterisasi
Nanopartikel yang dikumpulkan pada proses fabrikasi selanjutnya dikarakterisasi
menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) Bruker D8 untuk menentukan kristalinitas dan struktur kristalnya, Fourier Transform Infra Red Spectrometer (FTIR) tipe FT-IR-8201 Pc digunakan untuk mengidentifikasi modifikasi permukaan pada material yang ditandai dengan adanya gugus fungsi yang mengandung oksigen, dan dilakukan uji dispersi menggunakan sonikasi dengan cara mendispersikan 3 mg nanopartikel kedalam 3 ml akuades selama 60 menit.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Preparasi dan modifikasi nanopartikel TiO2-C menggunakan metode arc-discharge
dalam media cair etanol dengan penambahan asam asetat telah berhasil dilakukan. Gambar 1 menunjukkankerangka alat untuk proses sintesis dan modifikasi nanopartikel TiO2-C dengan
menggunakan metode arc-discharge dalam media cair.
Gambar 1. Setting arc-discharge
Ketika tegangan sebesar 20-40 V dialiri dari katoda menuju ke anoda timbul percikan api diantara kedua elektroda tersebut, dimana elektroda grafit terevaporasi dan berinteraksi dengan TiO2, sehingga menghasilkan
nanopartikel TiO2-C. Pada proses ini dihasilkan
diatas permukaan media cair dan nanopartikel yang tenggelam didasar media cair.
Nanopartikel yang mengapung diatas permukaan ini masih bersifat hidrofobik dan memiliki energi permukaan yang lebih besar dibandingkan dengan nanopartikel yang tenggelam. Sebaliknya nanopartikel sedimen yang terbentuk didasar media cair bersifat hidrofilik karena telah termodifikasi oleh gugus karboksilat atau gugus yng mengandung oksigen. Oleh karena itu, dipilihlah nanopartikel yang tenggelam (sedimen) untuk dianalisa lebih lanjut. Hasil fabrikasi nanopartikel (sedimen) yang didapat kemudian dikeringkan pada suhu ruangan (25-27˚C) selama 24 jam ditunjukkan dalam Gambar 2.
Gambar 2. Penampang samping(a) dan Penampang atas(b).
Nanopartikel ini selanjutnya di karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) Bruker D8, Fourier Transform Infra Red Spectrometer (FTIR) tipe FT-IR-8201 serta dilakukan uji dispersi menggunakan sonikasi dengan cara mendispersikan 3 mg nanopartikel kedalam 3 ml akuades selama 60 menit.
Karakterisasi menggunakan XRD bertujuan untuk menentukan kristalinitas dan struktur kristalnya,dimana dapat terlihat pada Gambar 3 difraktogram yang dihasilkan antara pola TiO2 dan sampel TiO2-C memiliki
puncak-puncak yang sebanding.
Gambar 3. Perbandingan difraktogram: JCPDS 41-1487 Grafit (a), JCPDS 86-1157 TiO2
Anatase (b), JCPDS 72-2496 Titanium Karbida (c), TiO2-C Tanpa Asam asetat (d), TiO2-C
dalam asam asetat 10% (e), TiO2-C dalam asam
asetat 50% (f), TiO2-C dalam asam asetat 75%
(g), TiO2-C dalam asam asetat 99% (h).
Puncak 25,32˚ merupakan puncak khas dari TiO2 (JCPDS No. 86-1157), sedangkan puncak
yang berada pada 26,62˚ merupakan puncak khas dari C grafit (JCPDS No.25-0284) dan terdapat puncak baru pada 36,02˚ yang diperkirakan merupakan puncak dari titanium karbida (TiC) (JCPDS No.72-2496). Hal ini menandakan telah terbentuknya nanopartikel TiO2 termodifikasi dengan karbon (TiO2-C).
Karakterisasi FTIR digunakan untuk mengidentifikasi modifikasi permukaan pada material yang ditandai dengan adanya gugus fungsi yang mengandung oksigen. TiO2 memiliki
daerah serapan antara 450–550 cm-1 hal ini
menunjukkan adanya vibrasi ulur dari Ti-O, pada daerah 2900-2880 cm-1 merupakan stretching
C-H, pada daerah 3400–3700 cm-1 merupakan
stretching O-H dari molekul H2O yang terserap
pada permukaan TiO2. Kemudian adanya
serapan yang lemah didaerah 1600 cm-1
menunjukkan adanya stretching C=C yang diasumsikan berasal dari karbon. Hasil
karakterisasi menggunakan FTIR ini ditunjukkan pada Gambar 4. Serapan-serapan yang terdapat pada sampel ini menandai modifikasi permukaan TiO2-C telah berhasil dilakukan.
Gambar 4. Spektra grafit (a), TiO2 Anatase (b),
TiO2-C tanpa asam asetat (c),TiO2-C dalam
asam asetat 10% (d), TiO2-C dalam asam asetat
50% (e), TiO2-C dalam asam asetat 75% (f),
TiO2-C dalam asam asetat 99% (g).
Keberhasilan modifikasi permukaan nanopartikel ini akan meningkatkan daya dispersi material tersebut. Sedangkan Gambar 5 menunjukkan hasil dispersi dari nanopartikel yang telah berhasil di fabrikasi.
Gambar 5. Hasil dispersi nanopartikel TiO2-C
dalam akuades disonikasi selama: 30 menit (a), dan 60 menit (b).
Pada gambar 5 dapat terlihat bahwa material yang di sintesis dengan penambahan asam asetat pada media cairnya pengalami peningkatan dispersitas dalam air dibandingkan dengan tanpa penambahan asam asetat. Berdasarkan hasil dispersi ini dapat terlihat bahwa nanopartikel yang disintesis dengan penambahan 50% asam asetat memiliki tingkat dispersi yang paling baik dibandingkan dengan penambahan asam asetat dengan kadar 10%, 75%, dan 99%. Lebih lanjut material ini dapat digunakan untuk proses fotodegradasi limbah tekstil.
KESIMPULAN
Sintesis dan modifikasi permukaan TiO2-karbon dalam media cair telah berhasil
dilakukan melalui satu tahapan dengan metode arc-discharge. Sintesis ini dilakukan menggunakan media cair etanol dan asetat dengan konsentrasi berbeda. Kadar etanol yang digunakan dalam sintesis ini adalah 50% sedangkan asam asetat yang digunakan adalah 0%, 10%, 50%, 75%, dan 99%. Berdasarkan hasil analisis XRD dapat terlihat bahwa pola difraksi yang dihasilkan dari sampel memiliki
a
banyak kecocokkan dengan puncak-puncak khas milik TiO2, dankarbon. Demikian pula dari
hasil analisis FTIR dapat terlihat bahwa terdapat gugus fungsi yang mengandung oksigen, Hal ini mengindikasikan gugus fungsi tersebut telah berhasil menempel pada permukaan nanopartikel TiO2-karbon, sehingga nanopartikel
TiO2-karbon mengalami peningkatan daya
dispersi. Nanopartikel yang terprepasi dengan penambahan asam asetat 50% memiliki tingkat dispersi lebih baik dibandingkan dengan tanpa penambahan asam asetat maupun dengan penambahan asam asetat dengan konsentrasi 10%, 75% dan 99%.
UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terimakasih ditujukan kepada Program Fasilitasi Perguruan Tinggi Pendidikan Nasional Jawa Tengah dengan skim Hibah Penelitian Dosen Muda 2014 (No: 1269/UN27.11/PN/2014) yang telah mendukung sebagian dana panelitian yang digunakan dalam penelitian ini.
DAFTAR RUJUKAN
[1] Andhika, I.F., 2014, Fabrikasi Nanokomposit TiO2-Karbon Sebagai Material Fotokatalitik
Dengan Metode Arc-discharge Dalam Media Cair, Surakarta: FMIPA UNS, ALCHEMY, Vol 10, No. 2, 186-194.
[2] Andhika, I.F., 2014, Pembuatan Material Fotokatalitik TiO2 Termodifikasi Karbon
Menggunakan Limbah Batu Baterai Untuk Degradasi Zat Warna, Surakarta: FKIP UNS, Seminar Nasional Kimia Dan Pendidikan Kimia VI, ISBN: 979363174-0, 393-398.
[3]Christian H, Suwito E, A. Ferdian T,Setiadi T, Suhardi S H.,2007, Kemampuan Pengolahan Warna Limbah Tekstil oleh Berbagai Jenis Fungi dalam Suatu Bioreaktor, Surabaya : Seminar Nasional Fundamental Dan Aplikasi Teknik Kimia.
[4] Sano, N., Wang, H., Alexandrou, I., Chhowalla, M., dan Teo, K.B.K., 2002, Properties of Carbon Onions Produced by an ArcDischarge in Water, Journal of Applied Physics, Vol 92, No. 5, 2783-2788.
[5] Subramani, A.K., Byrappa, K., Anada, S., Ray, K.M.L., Ranganathaiah, C., dan Yoshimura, M., 2007, Photocatalytic Degradation of Indigo Carmine Dye Using TiO2 Impregnated Activated Carbon, Bulletin
of Materials Science, Vol. 31, No. 1, 37-41. [6] Sopyan, I., 1998, Fotokatalitik
Semikonduktor-Dasar Teori dan Penerapan, Majalah BPPT, No LXXXVII
[7] Tada, H., Hattori, A., Tokihisa, Y., Imai, K., Tohge, N., dan Ito, S., 2000, Anatase TiO Nanoparticles on Rutile TiO Nanorods: A Heterogeneous Nanostructure via Layer-by-Layer Assembly. The Journal of Physical Chemistry B Letters, Vol 104, 4585-45. TANYA JAWAB
PENANYA : Jadigia Ginting Pertanyaan :
a) Bond gap 3,2 ev. Ev tersebut apakah elektron valensi?
Jawaban :
a) Ya, ev yang dimaksud adalah elektron valensi karena setiap fase bond gapnya berbeda.
PENANYA : Nanik Dwi Nurhayati Pertanyaan :
a) Apakah pembuatan elektroda 1:3:1 hasilnya maksimal? Diperoleh dari mana
perbandingan itu?
b) Elektroda yang dihasilkan digunakan untuk apa?
Jawaban :
a) Diperoleh dari penelitian sebelumnya.
