LAPORAN KEMAJUAN PENELITIAN PASACASARJANA DANA ITS 2020

(1)

i

PENELITIAN PASACASARJANA

DANA ITS 2020

SINTESIS ZIF-8/TiO

2

SECARA INSITU DAN IMPREGNASI SEBAGAI

FOTOKATALIS PADA REAKSI FOTODEGRADASI ZAT WARNA

ANIONIK DAN KATIONIK

Tim Peneliti :

Ketua: Dr. Yuly Kusumawati S.Si., M.Si (Kimia/FSAD/ITS)

Anggota 1: Prof. Hamzah Fansuri (Kimia/FSAD/ITS)

2. Ratna Ediati, M.S., Ph.D. (Kimia/FSAD/ITS)

3. Dr. Afifah Rosyidah (Kimia/FSAD/ITS)

DIREKTORAT RISET DAN PENGABDIAN KEPADA MASYARAKAT

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

2020

(2)

i

Daftar Isi ... i

Daftar Tabel ... ii

Daftar Gambar ... iii

Daftar Lampiran ... iv

BAB I RINGKASAN ... 1

BAB II HASIL PENELITIAN... 2

2.1 Sintesis ZIF-8 ... 2

2.2 Sintesis ZIF-8 dengan Penambahan γ-Al2O3 ... 3

2.3 Karakterisasi Material ... 6 2.3.1 Karakterisasi XRD ... 6 2.3.2 Karakterisasi FTIR ... 9 2.3.3 Karakterisasi SEM-EDX ... 11 2.3.4 Karakterisasi TGA ... 14 2.3.5 Karakterisasi Adsorpsi-Desorpsi N2 ... 15

BAB III STATUS LUARAN... 18

BAB IV KENDALA PELAKSANAAN PENELITIAN ... 19

BAB V RENCANA TAHAPAN SELANJUTNYA... 20

BAB VI DAFTAR PUSTAKA ... 21

BAB VII LAMPIRAN ... 23

(3)

ii

Tabel 2.1 Notasi material hasil sintesis ... 4

Tabel 2.2 Massa material hasil sintesis ... 5

Tabel 2.3 Pola Difraktogram ZIF-8 Hasil Sintesis dan Referensi ... 8

Tabel 2.4 Derajat Kristalinitas ZIF-8 dan Al/ZIF-8 Hasil Sintesis ... 8

Tabel 2.5 Pita Serapan ZIF-8 dengan penambahan γ-Al2O3. ... 10

Tabel 2.6 Perbandingan presentase berat (% berat) unsur-unsur penyusun ZIF-8 dan Al(76)/ZIF-8 hasil sintesis ... 14

Tabel 2.7 Perbandingan karakteristik luas permukaan dan pori spesifik dari material hasil sintesis ... 17

(4)

iii

Gambar 2.1 Larutan Sintesis ZIF-8 A) Sebelum Solvotermal, B) Sesudah Solvotermal ... 2

Gambar 2.2 Reaksi Deprotonasi 2-Metil Imidazol ... 3

Gambar 2.3 Interaksi ligan terdeprotonasi dengan logam ... 3

Gambar 2.4 Larutan Sintesis ZIF-8 dengan Penambahan γ-Al2O3 A) Sebelum Solvotermal, B) Sesudah Solvotermal ... 4

Gambar 2.5 Hasil proses solvotermal pada sintesis ZIF-8 dan sintesis ZIF-8 dengan penambahan γ-Al2O3 ... 5

Gambar 2.6 Padatan kristal ZIF-8, Al(19)/ZIF-8, Al(38)/ZIF-8, Al(76)/ZIF-8 setelah pengeringan ... 5

Gambar 2.7 Pola difraktogram dari A) ZIF-8 hasil sintesis dan B) ZIF-8 referensi ... 6

Gambar 2.8 Difraktogram XRD γ-Al2O3 ... 7

Gambar 2.9 Difraktogram XRD ZIF-8 dan Al/ZIF-8 Standar ... 7

Gambar 2.10 Spektra FTIR A) Al(19)/ZIF-8, B) Al(38)/ZIF-8, C) Al(76)/ZIF-8, D) ZIF-8, dan E) γ-Al2O3 ... 9

Gambar 2.11 A) Morfologi permukaan dari ZIF-8 ... 11

Gambar 2.12 A) Hasil EDX ZIF-8, B) Mapping EDX ZIF-8 ... 13

Gambar 2.13 A) Hasil EDX Al(76)/ZIF-8, B) Mapping EDX Al(76)/ZIF-8 ... 13

Gambar 2.14 Perbandingan kurva termogram dari ZIF-8 dan Al(76)/ZIF-8 hasil sintesis... 15

(5)

iv Lampiran 1 Bukti published Jurnal IPTEK The Journal of Technology and Science ... 23

(6)

BAB I RINGKASAN

Pengembangan material baru yang berfungsi sebagai fotokatalis dalam mempercepat reaksi fotodegradasi zat warna anionik dan kationik terus dilakukan. Al2O3 merupakan oksida logam yang memiliki energi bandgap (Eg=3,05 eV) dan ZnO (Eg=3,17 eV), dimana kedua logam oksida tersebut merupakan bahan semikonduktor yang sangat baik jika digunakan sebagai fotokatalis zat warna anionik dan kationik. Namun aktivitas fotokatalis Al2O3 perlu ditingkatkan dengan material lain sebagai pendukungnya. Salah satu material pendukung adalah MOF (Metal Organik Framework), material berpori yang tersusun atas logam dan ligam organik. Zeolitic Imidazolate Frameworks (ZIF) ZIF-8 merupakan sub kelas MOF yang mengandung ion Zn2+ yang dapat bekerja secara sinergi dengan TiO2. sehingga dapat meningkatkan aktivitas fotokatalisnya. Selain itu, luas permukaan spesifik yang besar dan struktur pori yang teratur merupakan keuntungan penggunaan ZIF-8 sebagai material pendukung katalis. Peningkatan aktivitas fotokatalis ini juga memerlukan penyerapan sinar UV, sehingga dihasilkan elektron dan hole. ZIF-8/Al2O3 mempunyai kelebihan struktur berpori dan mempunyai luas permukaan yang besar jika dibandingkan dengan Al2O3 murni. Tujuan penelitian ini diharapkan reaksi fotodegradasi dapat lebih efektif dengan adanya material ZIF-8/ Al2O3 sebagai fotokatalis sehingga menghasilkan senyawa-senyawa yang ramah lingkungan dan tidak berbahaya. Pada penelitian ini akan dilakukan sintesis dan karakterisasi ZIF-8/Al2O3 serta efektivitasnya terhadap reaksi fotodegradasi terhadap zat warna anionik dan kationik. Sintesis ZIF-8 dengan penambahan γ-Al2O3 telah berhasil dilakukan dengan metode solvotermal pada suhu 120 o_{C selama 24 jam dalam pelarut N,N-Dimetilformamida (DMF). Variasi penambahan γ-Al}

2O3

dibuat 19, 38 dan 76 %w/w terhadap massa ZIF-8 dan padatan yang dihasilkan berturut-turut dinotasikan sebagai komposit Al(19)/ZIF-8, Al(38)/ZIF-8 dan Al(76)/ZIF-8. Hasil sintesis dikarakterisasi dengan instrumen XRD, FTIR, SEM-EDX, TGA, dan Adsorpsi-desorpsi N2. Difraktogram semua padatan hasil sintesis memiliki puncak-puncak karakteristik yang sama dengan ZIF-8 standar. Hasil analisis dengan SEM menunjukkan bahwa ZIF-8 hasil sintesis memiliki morfologi permukaan dodecahedral, akan tetapi penambahan γ-Al2O3 menyebabkan perubahan morfologi permukaan. Hasil EDX menunjukkan persebaran unsur C, N, Al, dan Zn yang merata pada komposit. Penambahan γ-Al2O3 menghasilkan komposit dengan stabilitas termal dan diameter pori lebih tinggi dibandingkan dengan ZIF-8, tetapi luas permukaan dan volume porinya lebih rendah. Penelitian Megister ini melibatkan sedikitnya 1 mahasiswa S3 serta merupakan penelitian pendukung unggulan yang mendukung roadmap penelitian Laboratorium Kimia Material dan Energi (sudah LBE), serta sesuai dengan roadmap penelitian Pusat Studi Sains Fundamental. Luaran dari penelitian berupa artikel-artikel ilmiah yang telah dipublikasi dalam IPTEK The Journal of Technology and Science, meluluskan 3 mahasiswa S1.

(7)

Ringkasan penelitian berisi latar belakang penelitian,tujuan dan tahapan metode penelitian, luaran yang ditargetkan, kata kunci

BAB II HASIL PENELITIAN

2.1 Sintesis ZIF-8

Pada penelitian ini digunakan metode solvotermal karena dapat menghasilkan padatan ZIF-8 dengan kestabilan termal yang lebih baik dibandingkan dengan metode hidrotermal [1]. Selain itu, metode solvotermal mampu untuk meningkatkan kelarutan reaktan ketika sintesis, dan juga menghasilkan material kristal yang berbentuk fasa metastabil dengan [2].

Pelarutan Zn(NO3)2.4H2O dalam DMF menghasilkan larutan yang jernih, mengindikasikan telah terbentuknya Zn2+_{dalam larutan. Pelarutan 2-MeIM dalam DMF juga} menghasilkan larutan jernih. Penggunaan DMF sebagai pelarut 2-MeIM bertujuan untuk deprotonasi 2-MeIM [3]. Pada saat larutan Zn(NO3)2 ditambahkan 2-MeIM dan diaduk 30 menit larutan tetap jernih yang mengindikasikan belum terjadi reaksi Akan tetapi setelah proses solvotermal terbentuk endapan putih. Terjadinya perubahan warna disebabkan karena terjadi deprotonasi 2-MeIm seperti yang ditampilkan pada Gambar 2.1. Proses solvotermal dilakukan dalam oven pada suhu 120 oC selama 24 jam. Hal ini dikarenakan DMF memiliki titik mendekati 120 oC sehingga dapat menghasilkan material dengan kristalinitas yang tinggi [4]. Selanjutnya campuran reaksi didiamkan 24 jam untuk berlangsungnya pertumbuhan kristal yang ditandai terbentuknya endapan putih. Kemudian endapan putih dicuci dengan metanol untuk menghilangkan menghilangkan sisa pelarut DMF yang berada didalam kerangka kristal ZIF-8. Setelah itu material yang didapatkan dipisahkan dari filtratnya dan dikeringkan dalam oven pada suhu 70 oC selama 2 jam. Hal ini bertujuan untuk menghilangan sisa metanol yang digunakan dalam pencucian padatan. Padatan yang didapatkan 1.073 gram berbentuk seperti pasir putih.

(8)

Reaksi yang terjadi antara ligan Meim dengan ion logam dapat berlangsung sebagai berikut:

• Reaksi deprotonasi 2-Metil imidazole

Gambar 2. 2 Reaksi Deprotonasi 2-Metil Imidazol • Interaksi antara ligan terprotonasi dengan ion logam

Gambar 2. 3 Interaksi ligan terdeprotonasi dengan logam

Material ZIF-8 yang dihasilkan terbentuk dari atom pusat Zn2+ yang berikatan dengan empat atom nitrogen dari MeIM dan terkoordinasi secara tetrahedral. Dalam cluster yang terbentuk, logam atom pusat Zn2+_{yang terhubung dengan atom nitrogen dari ligan MeIM kemudian} membentuk unit kristal seperti kubus [5].

2.2 Sintesis ZIF-8 dengan Penambahan γ-Al2O3

ZIF-8 merupakan salah satu material berpori yang memiliki kestabilan termal yang tinggi dan luas permukaan yang tinggi. Oleh sebab itu, material ZIF-8 berpotensi untuk dilakukan modifikasi untuk meningkatkan perfomansi kinerjanya. Salah satu modifikasi yang dilakukan yaitu

(9)

dengan penambahan γ-Al2O3. Material γ-Al2O3 yang ditambahkan pada penelitian ini merupakan salah satu padatan mesopori yang bersifat amorf. Pada penelitian ini material ZIF-8 dengan material ZIF-8 dengan penambahan γ-Al2O3 dinotasikan seperti pada Tebel. 2.1. Penotasian ini didasarkan pada padatan material ZIF-8 tanpa penambahan γ-Al2O3.

Tabel 2. 1 Notasi material hasil sintesis

Material Notasi

ZIF-8 murni ZIF-8

γ-Al2O3 (204 mg)/ZIF-8 Al(19)/ZIF-8 γ-Al2O3 (408 mg)/ZIF-8 Al(38)/ZIF-8 γ-Al2O3 (816 mg)/ZIF-8 Al(76)/ZIF-8

Metode sintesis ZIF-8 dan ZIF-8 dengan penambahan γ-Al2O3 dilakukan dengan metode yang sama. Namun pada sintesis ZIF-8 dengan penambahan γ-Al2O3 dilakukan dengan metode impregnasi basah. Penambahan γ-Al2O3 dalam larutan 2-MeIM menghasilkan larutan berwarna putih keruh. Hal ini menandakan bahwa γ-Al2O3 tidak dapat larut dalam DMF. Kemudian Zn(NO)3.4H2O juga dilarutkan dalam DMF ditempat yang terpisah menghasilkan larutan jernih yang mengindikasikan Zn(NO)3.4H2O telah terurai menjadi Zn2+ dalam air. Selanjutnya, kedua larutan dicampur dan menghasilkan warna putih keruh yang berasal dari γ-Al2O3 tidak dapat larut dalam DMF. Namun, setelah melalui proses solvotermal larutan berubah warna menjadi kekuningan yang ditunjukkan pada Gambar 2.4. Hal ini mengindikasikan terjadinya deprotonasi 2-MeIM. Setelah itu material yang didapatkan dipisahkan dari filtratnya dan dikeringkan dalam oven pada suhu 70 oC selama 2 jam. Hal ini bertujuan untuk menghilangan sisa metanol yang digunakan dalam pencucian padatan. Setelah dikeringkan didapatkan padatan kristal seperti pasir putih yang dapat dilihat pada Gambar 2.6.

Gambar 2. 4 Larutan Sintesis ZIF-8 dengan Penambahan γ-Al2O3 A) Sebelum Solvotermal, B) Sesudah Solvotermal

Semakin banyak γ-Al2O3 yang ditambahkan maka semakin banyak endapan putih yang terbentuk didasar botol duran, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.5. Setelah proses pencucian dan pengeringan, material yang dihasilkan ditunjukkan pada Gambar 2.6.

(10)

Gambar 2. 5 Hasil proses solvotermal pada sintesis ZIF-8 dan sintesis ZIF-8 dengan penambahan γ-Al2O3

Gambar 2. 6 Padatan kristal ZIF-8, Al(19)/ZIF-8, Al(38)/ZIF-8, Al(76)/ZIF-8 setelah pengeringan

Selanjutnya, padatan hasil sintesis ditimbang dengan neraca analitik dan hasilnya ditampilkan pada Tabel 2.2.

Tabel 2. 2 Massa material hasil sintesis

No. Sampel Massa (g)

1. ZIF-8 1,073

2. Al(19)/ZIF-8 1,2277

3. Al(38)/ZIF-8 1,3305

4. Al(76)/ZIF-8 0,9975

Material Al(76)/ZIF-8 memiliki massa kristal paling sedikit, yang mengindikasikan bahwa semakin banyak massa γ-Al2O3 yang ditambahkan dapat mengganggu proses nukleasi dan pertumbuhan

(11)

kristal ZIF-8. Selain itu, struktur γ-Al2O3 yang bersifat amorf juga dapat mengganggu pertumbuhan kristal.

2.3 Karakterisasi Material

2.3.1 Karakterisasi XRD

Karakakterisasi difraksi sinar-X (XRD) bertujuan untuk mengetahui puncak difraksi karakteristik pembentukan fasa kristal sekaligus mengidentifikasi kristanilitas dari 8 dan ZIF-8 dengan penambahan γ-Al2O3. Rentang sudut yang digunakan untuk menentukkan pola difraksi yaitu 2θ = 5 – 100o _{dengan pertimbangan bahwa puncak difraksi karakteristik γ-Al}

2O3 muncul pada sudut sekitar 2θ = 46 dan 67o_[6].

Difraktogram ZIF-8 hasil sintesis dibandingkan dengan difraktogram ZIF-8 pada penelitian sebelumnya [7], ditunjukkan pada Gambar 2.7. Puncak karakteristik utama dari ZIF-8 hasil sintesis muncul pada 2θ = 7,28, 10,33, 12,62, 16,38 dan 18,02o. Pola difraktogram ZIF-8 tersebut telah sesuai dengan pola difraktogram ZIF-8 dari penelitian Nguyen dkk (2012). Oleh karena itu dapat disimpulkan bahwa ZIF-8 telah berhasil disintesis.

2θ

Gambar 2. 7 Pola difraktogram dari A) ZIF-8 hasil sintesis dan B) ZIF-8 referensi

Gambar 2.8 merupakan difraktogram dari γ-Al2O3 yang ditambahkan pada ZIF-8, yang memiliki puncak karakteristik dari γ-Al2O3. Pola difraktogram γ-Al2O3 pada penelitian ini telah

(12)

sesuai dengan penelitian yang dilaporkan oleh Silva dkk., (2019) serta data standar JCPDS γ-Al2O3 no. 10.0425. Silva dkk., (2019) juga melaporkan bahwa material γ-Al2O3 bersifat amorf [6].

2θ (˚)

Gambar 2. 8 Difraktogram XRD γ-Al2O3

Difraktogram dari Al(19)/ZIF-8, dan Al(38)/ZIF-8 (Gambar 2.9) memiliki puncak karakteristik yang sama dengan ZIF-8 hasil sintesis. Namun pada material ZIF-8 dengan variasi penambahan masa γ-Al2O3 menyebabkan peningkatan puncak karakteristik pada γ-Al2O3 2θ=67o. Hal ini mengindikasikan bahwa γ-Al2O3 telah berhasil ditambahkan pada ZIF-8. Puncak difraktogram γ-Al2O3 yang dihasilkan sesuai dengan penelitian Silva dkk. (2019) [6]. Gambar 2.9 dapat dilihat bahwa semakin banyak penambahan massa γ-Al2O3 maka intesitas puncak difraktogram γ-Al2O3 pada 2θ=67o semakin meningkat.

(13)

Difraktogram pada Gambar 2.9 juga menunjukkan bahwa terjadi sedikit pergeseran puncak dan perubahan intensitas puncak yang berbeda-beda akibat penambahan γ-Al2O3, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2.3

Tabel 2. 3 Pola Difraktogram ZIF-8 Hasil Sintesis dan Referensi

Sampel Sudut 2θ Puncak 1 Puncak 2 Puncak 3 Puncak 4 Puncak 5 Puncak difraksi spesifik dari ZIF-8

Nguyen dkk., (2012) 7.30 o _10.38 o _12.74 o _16.48 o _17.99 o ZIF-8 7.26 o 10.41 o 12.66 o 16.41 o 17.95 o Al(19)/ZIF-8 7.23 o 10.26 o 12.71 o 16.44 o 17.89 o Al(38)/ZIF-8 7.29 o _10.24 o _12.65 o _16.39 o _17.93 o Al(76)/ZIF-8 7.29 o 10.39 o 12.68 o 16.51 o 17.99 o

Tabel 2.3 menunjukkan difraktogram dari ZIF-8, Al(19)/ZIF-8, Al(38)/ZIF-8, dan Al(76)/ZIF-8. Dari tabel tersebut dapat diketahui bahwa puncak difraktogram dari Al(19)/ZIF-8, Al(38)/8, dan Al(76)/8 terjadi pergeseran dibandingkan dengan puncak karakteristik ZIF-8, namun tidak signifikan. Hal tersebut disebabkan karena penambahan massa γ-Al2O3 sebesar 204, 408, dan 816 mg tidak mengakibatkan perubahan struktur kristal dan terbentuknya kristal baru dari ZIF-8 hasil sintesis [7].

Tabel 2. 4 Derajat Kristalinitas ZIF-8 dan Al/ZIF-8 Hasil Sintesis

Tabel 2.4 terlihat bahwa pengaruh penambahan massa γ-Al2O3 dapat mengakibatkan penurunan kristalinitas dari ZIF-8. Hal tersebut disebabkan karena fasa γ-Al2O3 bersifat amorf [8]. Difraktogram ZIF-8 hasil sintesis menunjukkan lebar puncak yang kecil dengan intensitas yang tinggi. Hal ini mengindikasikan bahwa ZIF-8 hasil sintesis mempunyai kristalinitas yang tinggi dan ukuran partikel yang besar. Hal tersebut sesuai dengan yang telah dilaporkan oleh Prasetyoko (2014), bahwa semakin kecil lebar puncak difraksi, maka semakin besar ukuran partikel kristalnya.

Sampel Sudut 2θ Derajat kristalinitas (%) Puncak 1 Puncak 2 Puncak 3 Derajat Kristalinitas ZIF-8

ZIF-8 10693.6 4647.2 9505.0 100

Al(19)/ZIF-8 13451.7 4804.0 6142.1 98.19523616 Al(38)/ZIF-8 20204.6 713.9 2597.7 94.64869671 Al(76)/ZIF-8 14542.7 1720.8 5636.4 88.14356166

(14)

2.3.2 Karakterisasi FTIR

Pada penelitian ini, spektrofotometer FTIR digunakan untuk mengidentifikasi adanya gugus fungsi yang terbentuk didalam kristal ZIF-8. Karakterisasi FTIR pada penelitian ini dilakukan pada rentang bilangan gelombang 400 cm-1 hingga 4000 cm-1. Puncak spektra FTIR yang dihasilkan dari masing-masing material variasi dibandingkan dengan puncak spektra dari material standar. Berikut adalah spektra dari material standar dan material variasi hasil sintesis yang ditunjukkan pada Gambar 2.10.

Hasil spektra FTIR yang ditunjukkan pada Gambar 2.10 merupakan spektra FTIR dari Al/ZIF-8 yang memiliki kemiripan puncak serapan yang dihasilkan oleh ZIF-8 yaitu terdapat 8 puncak serapan utama. Pada bilangan gelombang 420,5 cm-1 [1] dengan intensitas tinggi menunjukkan adanya vibrasi ulur Zn-N. Hal ini menandakan bahwa ikatan atom Zn dengan N dari ligan 2-Metil imidazole telah terbentuk [9]. Selain itu, pada bilangan gelombang 1583 cm-1 [5] terdapat pita serapan dengan intecnsitas lemah yang mengindikasikan adanya vibrasi tekuk dari C=N. Lemahnya pita serapan pada bilangan gelombang tersebut disebabkan oleh atom Zn telah berikatan dengan atom N dari ligan 2-MeIM sehigga menyebabkan jumlah ikatan C=N menjadi sedikit. Hal tersebut didukung dengan munculnya pita serapan pada bilangan gelombang 1145 cm -1 _{[4] dan 995 cm}-1_{[3] yang berturut-turut merupakan gugus ulur N aromatik dan vibrasi tekuk} C-N. Kemudian pada bilangan gelombang 1678 cm-1[6] terdapat vibrasi ulur C-C aromatic dari ligan 2-Metilimidazole [10]. Selanjutnya, pita serapan pada bilangan gelombang 759,98 cm-1 [2] dengan intensitas kuat merupakan ikatan C-H sp2 aromatik [11]. Pada bilangan gelombang sekitar 2929 cm -1_{[7] dan 3136 cm}-1_{[8] berturut-turut terdapat pita serapan dari ikatan C-H sp}3_{dan C-H sp}2_. Berdasarkan referensi sebelumnya, karakteristik pita serapan FTIR dari sampel hasil sintesis dapat mendukung hasil XRD yang menunjukkan bahwa ZIF-8 dan Al/ZIF-8 telah berhasil disintesis.

Gambar 2. 10 Spektra FTIR A) Al(19)/ZIF-8, B) Al(38)/ZIF-8, C) Al(76)/ZIF-8, D) ZIF-8, dan E) γ-Al2O3

(15)

Spektra FTIR pada ZIF-8 dan Al/ZIF-8 hasil sintesis dibandingkan seperti pada Gambar 2.10. Spektra FTIR 2-MeIm pada penelitian Surendar dkk (2010) menunjukkan bahwa pada bilangan gelombang 3180 cm-1 terdapat pita serapan dari vibrasi ikatan N-H dari ligan [12]. Namun, dapat dilihat bahwa pada bilangan gelombang yang sama pada spektra FTIR ZIF-8 dan Al/ZIF-8 hasil sintesis tidak terlihat adanya pita serapan vibrasi ikatan N-H dari ligan. Hal tersebut dikarenakan ligan 2-Metil imidazole mengalami deprotonasi kemudian berikatan dengan logam Zn [7].

Tabel 2. 5 Pita Serapan ZIF-8 dengan penambahan γ-Al2O3. No Bilangan Gelombang (cm

-1₎ _Keterangan

ZIF-8 (Firmani,2017) ZIF-8 Al(38)/ZIF-8

1. 420,5 420,49 420,49 Vibrasi ulur Zn-N 2. 758,05 758,04 758,04 Vibrasi tekuk C-H 3. 995,3 995,3 995,3 Vibrasi tekuk C-N 4. 1145,75 1145,75 1145,75 Vibrasi ulur C-N 5. 1581,19 1581,68 1581,68 Vibrasi tekuk C=N 6. 1679,88 1680,05 1680,05 Vibrasi ulur C=C 7. 2929,67 2929,96 2929,96 Vibrasi ulur CH sp3 8. 3134,11 3134,43 3134,43 Vibrasi ulur CH sp2 9. - - 825 Vibrasi Al-O-Al 10. - - 1642 Vibrasi OH tekuk 11. - - 3458 Vibrasi OH ulur

Tabel 2.5 merupakan perbandingan spektra FTIR hasil sintesis dengan penelitian sebelumnya. Zhang dkk., (2015) melaporkan bahwa γ-Al2O3 memiliki pita serapan pada 3458 cm-1 yang mengindikasikan adanya ikatan vibrasi ulur O-H. Selain itu pada bilangan gelombang 1642 cm-1 menunjukkan adanya pita serapan dari ikatan vibrasi tekuk O-H [13]. Namun pada spektra FTIR pada Gambar 2.10 pita serapan ikatan vibrasi tekuk O-H tidak terlihat. Hal ini dikarenakan persen transmitan dari ikatan vibrasi tekuk O-H relative sangat rendah jika dibandingkan dengan pita serapan khas dari ZIF-8. Oleh karena itu menyebabkan pita serapan ikatan vibrasi tekuk O-H tertutupi oleh pita serapan khas ZIF-8. Selanjutnya adanya karakteristik dari Al-O-Al ditunjukkan pada bilangan gelombang 825 cm-1_{. Ketiga pita serapan tersebut merupakan ciri khas dari spektra} FTIR dari γ-Al2O3. Pada Gambar 2.10 menunjukkan bahwa pengaruh penambahan massa γ-Al2O3 tidak menimbulkan pita serapan baru namun hanya mengalami pergeseran puncak yang tidak signifikan. Hal ini disebabkan karena dengan penambahan massa γ-Al2O3 mesopori tidak mengubah struktur kristal dari ZIF-8.

(16)

2.3.3 Karakterisasi SEM-EDX

Karakterisasi dengan Scanning Electron Microscope Energy Dispersive X-Ray (SEM-EDX) digunakan untuk mengetahui morfologi partikel dan persebaran unsur penyusun ZIF-8 dan Al/ZIF-8 dipermukaan. Morfologi SEM dari partikel ZIF-Al/ZIF-8 dan Al(76)/ZIF-Al/ZIF-8 hasil sintesis ditunjukkan pada Gambar 2.11.

Hasil morfologi SEM dari ZIF-8 dibandingkan dengan A(76)/ZIF-8 untuk melihat keteraturan morfologi yang terbentuk. Morfologi SEM dari ZIF-8 (Gambar 4.11 A) memiliki struktur dodekahedron rombik. Morfologi ZIF-8 yang terbentuk telah sesuai dengan penelitian sebelumnya [14]. Morfologi dodekahedron rombik pada ZIF-8 menunjukkan terbentuknya ikatan antara kation logam Zn2+ dengan ligan Meim secara tetrahedral membentuk cincin segi empat dari kluster ZnN4 [15]. Ligan MeIM berfungsi sebagai ligan jembatan yang menjembatani logam Zn. Morfologi SEM Al(76)/ZIF-8 dapat dilihat pada Gambar 4.11 B) yang menunjukkan tidak terbentuknya morfologi dari ZIF-8. Hal ini dikarenakan partikel ZIF-8 masuk kedalam pori γ-Al2O3 [14].

(17)

Gambar 2. 11 b) Morfologi permukaan dari Al(76)/ZIF-8

Penentuan kadar unsur penyusun ZIF-8 dan Al(76)/ZIF-8 dilakukan karakterisasi Energi Dispersive X-Ray (EDX). Secara umum unsur penyusun dari material ZIF-8 meliputi Zn, C, O, dan N. Sedangkan komponen unsur penyusun dari Al(76)/ZIF-8 berupa C, N, O, Al, dan Zn. Berikut hasil pemetaan unsur dan spektra EDX pada material ZIF-8 dan Al(76)/ZIF-8 yang ditunjukkan pada Gambar 2.12 dan 2.13.

(18)

Gambar 2. 12 A) Hasil EDX ZIF-8, B) Mapping EDX ZIF-8

(19)

Puncak EDX yang ditunjukkan pada Gambar 2.12 A) dan 2.13 A) digunakan untuk mengetahui persentase berat dari masing- masing unsur penyusun ZIF-8 dan Al(76)/ZIF-8. Presentase unsur penyusun ZIF-8 hasil sintesis ditunjukkan pada Tabel 2.6. Sedangkan mapping (pemetaan) masing-masing unsur penyusun ZIF-8 dan Al(76)/ZIF-8 ditunjukkan pada Gambar 2.12 B) dan 2.13 B). Gambar 2.13 B) menunjukkan bahwa mapping (pemetaan) unsur penyusun Al(76)/ZIF-8 yang terlihat terjadinya distribusi secara homogen dari Al dan Zn pada komposit Al(76)/ZIF-8. Hal ini mengindikasikan bahwa ZIF-8 terdispersi secara sempurna kedalam γ-Al2O3 [14].

Tabel 2. 6 Perbandingan presentase berat (% berat) unsur-unsur penyusun ZIF-8 dan Al(76)/ZIF-8 hasil sintesis

Sampel Unsur Presentase

(%) ZIF-8 Zn 8.9 C 43.9 N 35.7 O 11.4 Al(76)/ZIF-8 Zn 0.19 C 15.49 N 12.00 O 51.55 Al 20.77

Tabel 2.6 teramati bahwa kandungan Zn pada Al(76)/ZIF-8 lebih sedikit dibandingkan dengan kandungan Zn pada ZIF-8. Hal ini menandakan bahwa ZIF-8 telah berhasil masuk kedalam pori γ-Al2O3 [14]. Sehingga ketika ditembakkan elektron maka Zn yang terdeteksi sedikit.

2.3.4 Karakterisasi TGA

Karakterisasi dengan TGA digunakan untuk menentukan stabilitas termal dan pengurangan massa pada material hasil sintesis. Karakterisasi dilakukan dengan rentang suhu 30-900 oC dengan laju pemanasan 10 o_{C/menit. Hasil karakterisasi TGA diplot dalam kurva persen pengurangan} massa dari sampel terhadap kenaikan suhu (oC) yang ditunjukkan pada Gambar 2.14.

(20)

Suhu (˚C)

Gambar 2. 14 Perbandingan kurva termogram dari ZIF-8 dan Al(76)/ZIF-8 hasil sintesis

Gambar 2.14 menunjukkan kurva termogram dari 8 hasil sintesis. Termogram dari ZIF-8 menunjukkan terjadinya 2 tahap penurunan massa yang dinyatakan dalam persentase terhadap suhu yang digunakan dalam pengukuran. Tahap pertama yaitu pada rentang suhu 30-100 oC terjadi dekomposisi massa sebanyak 1,04 % (0,165 mg) yang menandakan terjadinya penghilangan air kristal dalam ZIF-8 [14]. Tahap kedua pada rentang suhu 352-720 oC terjadi dekomposisi massa yang sangat tajam sebanyak 93,57 % (8,949 mg). Hal ini menunjukkan terjadinya dekomposisi ligan organik 2-Metil imidazole. Selain itu juga mengindikasikan terjadinya kerusakan struktur kristal 8 kemudian berubah menjadi logam oksida ZnO [16]. Sehingga dapat disimpulkan bahwa ZIF-8 tidak stabil pada suhu diatas 352 oC. Pada suhu diatas 720 oC tidak terjadi dekomposisi ZnO. Hal tersbut menunjukkan bahwa ZIF-8 telah stabil pada suhu 720 oC.

Termogram Al(76)/ZIF-8 juga terlihat mengalami 2 tahap penurunan persen massa terhadap suhu yang digunakan untuk pengukuran. Tahap pertama terjadi penurunan persen massa sebanyak 1,13 % (0,121 mg) yang menunjukkan terjadinya dekomposisi massa air kristal dalam Al(76)/ZIF-8. Pada rentang suhu 30-100 oC. Kemudian tahap 2 terjadi pada suhu 473 oC. Yang menunjukkan bahwa terjadinya dekomposisi massa dari ligan organik 2-MeIM. Sebesar 49,55 % (6,18 mg). Selain itu juga mengindikasikan terjadinya kerusakan struktur kristal ZIF-8 kemudian berubah menjadi logam oksida ZnO [16]. Perbandingan kurva termogram dari dari ZIF-8 dan Al(76)/ZIF-8 hasil sintesis ditunjukkan pada Gambar 2.14. pada kurva termogram Al(76)/ZIF-8 terlihat memiliki suhu dekomposisi yang lebih tinggi. Selain itu pada Al(76)/ZIF-8 mengalami dekomposisi massa yang relative rendah dibanding ZIF-8. Oleh karena itu material Al(76)/ZIF-8 memiliki kestabilan termal yang lebih tinggi dari pada ZIF-8.

2.3.5 Karakterisasi Adsorpsi-Desorpsi N2

Analisis isotherm adsorpsi desorpsi N2 digunakan untuk mengetahui luas permukaan dan karakterisik spesifik pori pada material ZIF-8 dan Al/ZIF-8. Hasil isotherm adsorpsi desorpsi N2 menunjukkan mekanisme adsorpsi desorpsi N2 yang terjadi pada pada material ZIF-8 dan Al/ZIF-8

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 20 40 60 80 100

M

as

sa

(

%

)

Al(76)/ZIF-8 ZIF-8

(21)

secara kualitatif. Dalam karakterisasi adsorpsi desorpsi N2 maka hasil yang diperoleh adalah kurva isotherm yang merupakan plot dari jumlah gas N2 yang teradsorp dan terdesorp pada permukaan material dalam keadaan STP terhadap tekanan relative gas pada suhu konstan (P/Po). Kurva hasil analisa isotherm adsorpsi desorpsi N2 yang ditunjukkan pada Gambar 2.15.

Gambar 2. 15 Grafik adsorpsi-desorpsi N2 dari ZIF-8, Al(38)/ZIF-8, dan Al(76)/ZIF-8.

Berdasarkan IUPAC kurva adsorpsi desorpsi N2 ZIF-8 pada Gambar 2.15 merupakan kurva isotermal tipe I. Pada kurva tersebut ditunjukkan bahwa terdapat sejumlah gas N2 yang teradsorp pada tekanan yang relatif rendah (P/Po<0,3). Hal ini mengindikasikan bahwa ZIF-8 memiliki karakteristik pori yang berukuran mikropori [14]. Banyaknya gas N2 yang teradsorp pada rentang tekanan relatif (P/Po) 0,1-0,3 menunjukkan bahwa adsorbat telah membentuk monolayer pada permukaan ZIF-8 [5]. Pada saat tekanan mencapai 1 atm ZIF-8 tidak mampu kembali untuk mengadsorp gas N2 secara keseluruhan. Sehingga dapat disimpulkan bahwa tidak terjadi peningkatan kembali kapasitas adsorpsi gas N2 pada permukaan material ZIF-8. Sedangkan, pada material γ-Al2O3 menurut IUPAC memiliki kurva isothermal tipe IV yang ditandai dengan adanya loop histerisis yang merupakan ciri khas dari mesopori [17].

Hasil analisa adsorpsi desorpsi N2 pada Al(38)/ZIF-8 dan Al(76)/ZIF-8 menurut IUPAC memiliki kurva isothermal tipe I dan IV. Hal ini telah sesuai dengan penelitian yang dilaporkan oleh Zhang dkk (2015) [14]. Pada kurva isothermal dari Al(38)/ZIF-8 dan Al(76)/ZIF-8 terlihat adanya loop histerisis yang terjadi pada proses desorpsi gas N2. Loop histerisis yang terbentuk menandakan bahwa adanya pengisian adsorbat pada mesopori yang terbentuk karena kondensasi kapiler pada permukaan pori. Dengan terbentuknya kondensasi kapiler tersebut, maka adsorbat tidak akan lepas secara keseluruhan pada saat proses desorpsi layaknya isotermal tipe I. Namun, sebagian adsorbat yang masih menempel pada permukaan adsorben tersebut menyebabkan terbentuknya loop histerisis. Selain itu pada kurva isothermal tersebut juga terdapat banyaknya gas N2 yang teradsorp pada tekanan relatif (P/Po) antara 0.1-0.3. Hal ini menunjukkan adanya karakteristik pori berukuran mikropori yang dimiliki oleh ZIF-8. Kurva isothermal dari Al/ZIF-8 menunjukkan bahwa loop

(22)

histerisis yang terbentuk semakin sempit dengan menurunnya massa γ-Al2O3 yang ditambahkan. Sehingga hal ini dapat mengakibatkan mesopori semakin menurun.

Selain ukuran pori, luas permukaan merupakan salah satu parameter penting pada material berpori yang digunakan sebagai adsorben. Metode yang biasa digunakan untuk mengukur luas permukaan spesifik pada suatu material adalah BET (Brunauer-Emmet-Teller). Pengukuran luas permukaan spesifik didasarkan pada terjadinya adsorspi gas N2 secara sempurna pada lapisan monolayer. Hasil pengukuran luas permukaan spesifik dan ukuran pori pada material hasil sintesis yang ditunjukkan pada Tabel 2.7.

Tabel 2. 7 Perbandingan karakteristik luas permukaan dan pori spesifik dari material hasil sintesis

Sampel S BET

(m2/g)

Volume Pori (cc/g) Diameter pori rata-rata(nm) V mikro V meso V total ZIF-8 835,2 0,4289 0,0049 0,4504 1,078 Al(38)/ZIF-8 695,8 0,3555 0,0596 0,4188 1,204 Al(76)/ZIF-8 396,2 0,1976 0,1235 0,3046 1,538

Luas permukaan dan volume pori spesifik dari ZIF-8 dan Al(38)/ZIF-8 dan Al(76)/ZIF-8 ditunjukkan pada Tabel 2.7. Pada tabel tersebut terlihat bahwa luas permukaan pada material ZIF-8 mengalami penurunan seiring dengan meningkatnya γ-Al2O3 yang ditambahkan [14]. Volume mikropori antara ZIF-8 dan Al/ZIF terlihat mengalami penurunan sedangkan volume mesopori semakin meningkat. Hal ini dikarenakan ZIF-8 yang terbentuk akan mengisi mesopori dari γ-Al2O3 sehingga menyebabkan sebagian permukaan dari ZIF-8 akan tertutup. Selain itu kenaikan mesopori juga disebabkan oleh pembentukan mesopori γ-Al2O3 diluar pori ZIF-8. Sehingga dengan terjadinya penurunan volume mikropori sehingga menurunkan luas permukaan [8]. Kemudian Al(76)/ZIF-8 mengalami penurunan luas permukaan secara signifikan menjadi 396,2 m2/g.

(23)

BAB III STATUS LUARAN

Status luaran yang telah dicapai pada penelitian ini adalah

1. Jurnal IPTEK The Journal of Technology and Science, Published

Judul paper “Synthesis And Characterization Of Zeolitic Imidazolate Framework-8 (ZIF-8)/Al2O3 Composite”.

Penulis : Wulan Aulia ; Ahnaf Ahnaf; Mochammad Yusuf Irianto1; Ratna Ediati1 ; Rendy Muhamad Iqbal1 ; Rahadian Abdhul Rachman2 ; Ulva Tri Ita Martia

(24)

BAB IV KENDALA PELAKSANAAN PENELITIAN

Kendala yang dialami pada penelitian ini adalah terkait pelaksanaan karakterisasi material yang sulit dilakukan selama pandemic covid. Beberapa tempat karakterisasi tidak beroprasi secara normal yang mengakibatkan pelaksanaan penelitian tiidak sesuai dengan timeline yang telah direncanakan. Selain itu, peraturan baru terkait kegiatan laboratorium yang telah diterapan menyebabkan terganggunya peneli dalam proses pengambilan data penelitian.

(25)

BAB V RENCANA TAHAPAN SELANJUTNYA

Rencana yang akan dilakukan pada tahap selanjutnya adalah menguji kinerja material hasil sintesis sebagai fotokatalis zat warna anionik dan kationik. Selain itu menulis draf paper terkait sintesis komposit ZIF-8 sebagai adsorben zat warna. Draf paper nantinya akan disubmit pada jurnal Internasional terimdeks scopus.

(26)

BAB VI DAFTAR PUSTAKA

[1] B. Chen, Z. Yang, Y. Zhu, Y. Xia, Zeolitic imidazolate framework materials: Recent progress in synthesis and applications, J. Mater. Chem. A. 2 (2014) 16811–16831. https://doi.org/10.1039/c4ta02984d.

[2] Y. Pan, D. Heryadi, F. Zhou, L. Zhao, G. Lestari, H. Su, Z. Lai, Tuning the crystal morphology and size of zeolitic imidazolate framework-8 in aqueous solution by surfactants, CrystEngComm. 13 (2011) 6937–6940.

[3] A.F. Gross, E. Sherman, J.J. Vajo, Aqueous room temperature synthesis of cobalt and zinc sodalite zeolitic imidizolate frameworks, Dalt. Trans. 41 (2012) 5458. https://doi.org/10.1039/c2dt30174a.

[4] A. Phan, C.J. Doonan, F.J. Uribe-Romo, C.B. Knobler, M. O’keeffe, O.M. Yaghi, Synthesis, structure, and carbon dioxide capture properties of zeolitic imidazolate frameworks, Acc. Chem. Res. 43 (2010) 58–67.

[5] N.A.H.M. Nordin, A.F. Ismail, A. Mustafa, P.S. Goh, D. Rana, T. Matsuura, Aqueous room temperature synthesis of zeolitic imidazole framework 8 (ZIF-8) with various concentrations of triethylamine, RSC Adv. 4 (2014) 33292–33300. https://doi.org/10.1039/C4RA03593C. [6] C.T.P. da Silva, F.R. Veregue, M.P. Moisés, M.R. Guilherme, A.W. Rinaldi, Synthesis of

Al2O3-nanowhisker-based HKUST1 MOF composites, Mater. Chem. Phys. 232 (2019) 446–451. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2019.05.009.

[7] L.T.L. Nguyen, K.K.A. Le, N.T.S. Phan, A Zeolite Imidazolate Framework ZIF-8 Catalyst for Friedel-Crafts Acylation, Chinese J. Catal. 33 (2012) 688–696. https://doi.org/10.1016/S1872-2067(11)60368-9.

[8] L. Qin, Y. Zhou, D. Li, L. Zhang, Z. Zhao, Z. Zuhra, C. Mu, Highly Dispersed HKUST-1 on Milimeter-Sized Mesoporous γ-Al 2 O 3 Beads for Highly Effective Adsorptive Desulfurization, Ind. Eng. Chem. Res. 55 (2016) 7249–7258. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.6b01001.

[9] H. Kaur, G.C. Mohanta, V. Gupta, D. Kukkar, S. Tyagi, Synthesis and characterization of ZIF-8 nanoparticles for controlled release of 6-mercaptopurine drug, J. Drug Deliv. Sci. Technol. 41 (2017) 106–112. https://doi.org/10.1016/j.jddst.2017.07.004.

[10] Y. Wang, X. Dai, Y. Zhan, X. Ding, M. Wang, X. Wang, In situ growth of ZIF-8 nanoparticles on chitosan to form the hybrid nanocomposites for high-efficiency removal of Congo Red, Int. J. Biol. Macromol. 137 (2019) 77–86. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2019.06.195.

[11] K. Tan, S. Zuluaga, Q. Gong, P. Canepa, H. Wang, J. Li, Y.J. Chabal, T. Thonhauser, Water reaction mechanism in metal organic frameworks with coordinatively unsaturated metal ions: MOF-74, Chem. Mater. 26 (2014) 6886–6895. https://doi.org/10.1021/cm5038183.

[12] S.R. Venna, J.B. Jasinski, M.A. Carreon, Structural evolution of zeolitic imidazolate framework-8(ZIF-8), Am. Chem. Soc. 132 (2010) 18030–18033. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-024x.2016.05.001.

[13] D. Zhang, H. Shi, R. Zhang, Z. Zhang, N. Wang, J. Li, B. Yuan, H. Bai, J. Zhang, Quick synthesis of zeolitic imidazolate framework microflowers with enhanced supercapacitor and electrocatalytic performances, RSC Adv. 5 (2015) 58772–58776. https://doi.org/10.1039/C5RA08226A.

[14] X. Song, Q. Guan, Z. Cheng, W. Li, Eco-friendly controllable synthesis of highly dispersed ZIF-8 embedded in porous Al2O3 and its hydrogenation properties after encapsulating Pt nanoparticles, "Applied Catal. B, Environ. 277 (2018) 13–23. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2018.01.022.

[15] Y. Lee, M. Jang, H. Cho, H. Kwon, S. Kim, W. Ahn, ZIF-8: A comparison of synthesis methods, Chem. Eng. J. 271 (2015) 276–280. https://doi.org/10.1016/j.cej.2015.02.094.

(27)

[16] M. He, J. Yao, Q. Liu, K. Wang, F. Chen, H. Wang, Facile synthesis of zeolitic imidazolate framework-8 from a concentrated aqueous solution, Microporous Mesoporous Mater. 184 (2014) 55–60. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2013.10.003.

[17] M. Jian, B. Liu, R. Liu, J. Qu, H. Wang, X. Zhang, Water-based synthesis of zeolitic imidazolate framework-8 with high morphology level at room temperature, RSC Adv. 5 (2015) 48433–48441. https://doi.org/10.1039/c5ra04033g.

(28)