BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Fotokalisis adalah proses degradasi senyawa organik atau nonorganik menggunakan katalis dengan bantuan energi foton (Pang dkk., 2016). Fotokatalis sampai saat ini masih banyak dikembangkan sebagai suatu metode untuk berbagai aplikasi, contohnya remediasi lingkungan (environmental remidiation), konversi energi dan pemecahan molekul air (water splitting) untuk menghasilkan hidrogen dan oksigen (Paola dkk., 2012). Dalam perkembangan sistem fotokatalisis, sampai saat ini para peneliti masih berfokus pada pengembangan material fotokatalis dalam rangka meningkatkan efesiensi dan kinerja sistem sehingga dapat menggunakan cahaya tampak.
Nanopartikel TiO2 dan ZnO sampai saat ini masih digunakan sebagai material fotokatalis karena memiliki luas permukaan absorpsi yang besar serta untuk proses fotodegradasi senyawa organik maupun nonorganik dengan bantuan sinar UV (Pang dkk., 2016). Nanopartikel TiO2 dan ZnO memiliki kelemahan yaitu kemampuan mengabsorpsi foton pada daerah cahaya tampak sangat rendah dikarenakan keduanya memiliki nilai energi gap yang besar (Paola dkk., 2012). Nanopartikel TiO2 (anatase) memiliki energi gap sebesar 3,20 eV (Pang dkk., 2016), TiO2 (rutile) memiliki energi gap 3,02 eV, dan nanopartikel ZnO sebesar 3,20 eV (Feng dkk., 2014). Selain itu, pemisahan (recovery) nanopartikel TiO2 maupun ZnO dengan medium yang difotokatalisasi memerlukan proses sentrifugasi dan filtrasi yang tentunya tidak efesien terhadap waktu dan biaya (Feng dkk., 2014; Ghost dan Bhattacharryya, 2002). Oleh karena itu, perlu adanya desain material fotokatalis yang memiliki energi gap rendah sekaligus bersifat magnetik sehingga mudah untuk dipisahkan dengan medium.
Nanomaterial magnetik ferit berpotensi sebagai material fotokatalis. Pertama, nanomaterial magnetik ferit memiliki keunggulan sifat magnetik, seperti nilai permeabilitas magnetik tinggi, magnetisasi saturasi tinggi (1 – 2 Tesla), dan temperatur Curie tinggi (200 – 1400 K) (Xi dkk., 2006; Lan dkk., 2007; Mathew
dan Juang, 2007, Coey, 2009). Kedua, nanopartikel ferit memiliki struktur kristal yang unik, yaitu spinel (MFe2O4) dengan M menyatakan unsur-unsur logam bervalensi 2+, seperti Mn2+, Zn2+, Ni2+, Mg2+, Cu2+, Fe2+, dan Cu2+ (Karisov dkk., 2014). Struktur kristal nanopartikel berperan dalam menentukan sifat-sifat fisika material ferit. Ketiga, nanomaterial ferit memiliki energi gap yang rata-rata lebih kecil dari 3,0 eV (Casbeer dkk., 2012), seperti nanopartikel ZnFe2O4 dan MnFe2O4. Keduanya dilaporkan memiliki energi gap masing-masing sebesar 1,90 eV dan 2,10 eV (Demir dkk., 2014).
Efesiensi kinerja fotokatalisis dipengaruhi oleh parameter mikrostruktur, derajat kristalinitas dan energi gap material fotokatalis, dalam hal ini nanopartikel (Gumy dkk., 2008). Oleh karena itu, upaya optimalisasi faktor tersebut pada nanopartikel ferit terus dilakukan para peneliti dengan cara mengkontrol metode dan parameter sintesis, serta komposisi kimia nanopartikel. Proses mengkontrol komposisi kimia nanopartikel dapat dilakukan dengan pemilihan jenis unsur-unsur penyusun nanopartikel yang memiliki karakteristik fisika seperti diharapkan, misalnya ZnFe2O4 dan MnFe2O4.
Material bulk ZnFe2O4 memiliki struktur kristal kubik spinel normal dan group ruang Fd3m, bersifat antiferomagnetik di pada suhu 10,5 K, dan bersifat superparamagnetik pada temperatur kamar (Mozaffari dkk., 2010; Shahraki dkk., 2012; Niyaifar, 2014). Nanopartikel ZnFe2O4 telah teruji memiliki potensi sebagai fotokatalisator untuk fotodegradasi pewarna Rhodamine B (RB) dan Methylene Orange (MO). Nanopartikel ZnFe2O4 dilaporkan memiliki energi gap sebesar 1,7 – 2,1 eV (Habibi dan Habibi, 2013). Aktivitas fotokatalitiknya bergantung pada beberapa parameter, yaitu mikrostruktur, morfologi, stabilitas termal, dan energi gap nanopartikel (Li dkk., 2015).
Sementara itu, material bulk MnFe2O4 memiliki struktur kristal kubik spinel parsial invers dan group ruang Fd3m karena 80% kation Mn2+ terletak di sub ruang oktahedral dan 20% di sub ruang tetrahedral. Nanopartikel MnFe2O4 bersifat superparamagnetik pada temperatur kamar (Rafique dkk., 2013). Nanopartikel MnFe2O4 telah teruji memiliki aktivitas fotokatalitik yang tinggi untuk fotodegradasi pewarna MO (Zhang dan Wu, 2013). Aktivitas fotokatalitik
nanopartikel MnFe2O4 bergantung pada nilai energi gap. Semakin kecil nilai energi gap nanopartikel maka semakin tinggi aktivitas fotokatalitiknya (Zhang dan Wu, 2013). Selain itu, nanopartikel MnFe2O4 juga telah terbukti stabil untuk digunakan berulang (reusable) sebagai fotokatalisator, sehingga sangat efektif dan efesien dalam pemanfaatannya (Vignesh dkk., 2014).
Apabila nanopartikel ZnFe2O4 dipadu dengan MnFe2O4 maka dihasilkan nanopartikel Mn1-xZnxFe2O4. Kation Zn2+ bersifat diamagnetik. Penambahan kation Zn2+ dalam MnFe2O4 dapat melemahkan terjadinya kopling momen magnetik kation-kation di sub ruang tetrahedral dan oktahedral, sehingga dihasilkan nilai magnetisasi maksimum (Gabal dan Allah, 2004). Perubahan konsentrasi kation Zn2+ akan menghasilkan variasi distribusi kation dalam struktur kristal nanopartikel dan berdampak pada variasi struktur kristal, ukuran kristalit, parameter mikrostruktur, sifat magnetik, dan energi gap nanopartikel Mn 1-xZnxFe2O4 (Rath dkk., 2001; Mathew dan Juang, 2007).
Nanopartikel Mn1-xZnxFe2O4 bukanlah material yang baru. Nanopartikel ini merupakan kelompok material soft magnetic yang memiliki magnetisasi saturasi tinggi (19,55 – 51,01 emu/gram) dan susseptibilitas awal rendah (0,0014 – 0,062 emu/gram Oe) (Nalbandian dkk., 2008; Amirabadizadeh dkk., 2012; Ebrahimi dkk., 2014). Nanopartikel Mn1-xZnxFe2O4 memiliki struktur kristal kubik FCC tipe spinel campuran (Mathew dan Juang, 2007). Berdasarkan keunggulan sifat magnetiknya, Mn1-xZnxFe2O4 juga telah berhasil diaplikasikan sebagai media penyimpanan data, transformator, chip memori komputer, induktor, agen kontras citra MRI, agen obat untuk hipertermia, dan agen penyaluran obat (drug delivery agent).
Selain variasi konsentrasi Zn, pemilihan metode sintesis, perlakuan sintering, serta parameter sintesis seperti konsentrasi prekursor, konsentrasi kopresipitan, dan suhu sintesis juga mempengaruhi mikrostruktur, dejarat kristalinitas, dan sifat fisika yang dimiliki nanopartikel (Masrour dkk., 2011). Perlakuan sintering dapat memperbaiki mikrostruktur dan meningkatkan derajat kristalinitas nanopartikel karena dalam proses pemanasan terjadi pertumbuhan butir melalui mekanisme densifikasi dan koarsening. Proses pertumbuhan butir
akan menghasilkan nanopartikel yang memiliki kerapatan lebih tinggi, morfologi dan ukuran butir nanopartikel lebih seragam, serta kristalinitas lebih tinggi (Kang, 2005; Alam dkk., 2012).
Berkaitan dengan sintesis nanopartikel ferit, telah dikembangkan berbagai metode, seperti metode keramik, sol-gel, pembakaran (combustion), mikroemulsi, dan kopresipitasi (Corr dan Seshadri, 2013). Diantara metode tersebut, metode kopresipitasi memiliki beberapa keunggulan, yaitu waktu sintesis relatif cepat, suhu sintesis rendah, dapat menghasilkan nanopartikel berukuran kecil (10 – 50 nm), tidak wajib memerlukan perlakuan panas tambahan setelah proses sintesis karena dapat dijamin akan terbentuknya nanopartikel, dan biaya sintesis murah (Goldman, 2006).
Berdasarkan pertimbangan tersebut, penelitian ini difokuskan untuk mengeksplorasi profil mikrostruktur, sifat magnetik dan energi gap nanopartikel Mn1-xZnxFe2O4 dengan memberikan kontrol variasi konsentrasi Zn dan suhu sintering. Karakterisasi sampel nanopartikel Mn1-xZnxFe2O4 dilakukan dengan
X-ray difraktometer (XRD), Transmission electron microscope (TEM), Fourier transform infrared spectrophotometer (FTIR), UV-visible diffuse reflectance spectroscope (DR UV) dan Vibrating sample magnetometer (VSM).
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan paparan gagasan penelitian ini, maka masalah yang diteliti dapat dirumuskan sebagai berikut.
1. Bagaimana pengaruh konsentrasi Zn dan suhu sintering terhadap ukuran kristalit, mikrostruktur dan derajat kristalinitas nanopartikel Mn1-xZnxFe2O4? 2. Bagaimana pengaruh konsentrasi Zn dan suhu sintering terhadap sifat
magnetik dan energi gap nanopartikel Mn1-xZnxFe2O4 serta korelasinya dengan struktur kristal?
1.3 Batasan Masalah
Penelitian ini dibatasi pada beberapa fokus kajian sebagai berikut. (1) Mikrostruktur nanopartikel Mn1-xZnxFe2O4 didasarkan pada parameter: struktur kristal, ukuran kristalit, parameter kisi dan komposisi fasa ferit-nonferit dalam sampel nanopartikel. Derajat kristalinitas nanopartikel berdasarkan parameter:, pelebaran (broadening) puncak-puncak intensitas hasil difraksi, kerapatan kristal, dislokasi dan defek struktur kristal, distribusi ukuran butir dan morfologi nanopartikel, serta profil difraksi elektron berdasarkan citra TEM. (2) Energi gap nanopartikel Mn1-xZnxFe2O4 berdasarkan parameter profil spektrum reflektansi (%R) hasil karakterisasi UV-vis DR terhadap panjang gelombang foton. Estimasi nilai energi gap nanopartikel diperoleh dengan pendekatan Tauc’s Plot dan Kubelka-Munk. (3) Sifat kemagnetan nanopartikel Mn1-xZnxFe2O4 didasarkan pada parameter: koersivitas (Hc), magnetik saturasi spesifik (σs), magnetisasi
remanen spesifik (σr), dan profil kurva histerisis (hysteresis loop). Faktor-faktor
selain parameter sintesis dan suhu sintering dalam penelitian ini diasumsikan berlaku sama untuk semua sampel yang disintesis.
1.4 Tujuan Penelitian
Berdasarkan lingkup permasalahan yang dikaji, maka tujuan penelitian ini sebagai berikut.
1. Menganalisis pengaruh konsentrasi Zn dan suhu sintering terhadap ukuran kristalit, mikrostruktur dan derajat kristalinitas nanopartikel Mn1-xZnxFe2O4. 2. Menganalisis pengaruh konsentrasi Zn dan suhu sintering terhadap sifat
magnetik dan energi gap nanopartikel Mn1-xZnxFe2O4 serta korelasinya dengan struktur kristal.
Harapannya dalam penelitian ini dapat disintesis nanopartikel Mn1-xZnxFe2O4 yang memiliki ukuran kurang dari 30 nm, koersivitas rendah (Hc < 100 Oe), magnetisasi spesifik remanen rendah (σr < 1,0 emu/gram), dan energi gap optik rendah (Eg < 3,0 eV).
1.5 Manfaat Penelitian
Penelitian ini menyajikan informasi tentang pengaruh konsentrasi Zn dan suhu sintering terhadap mikrostruktur, sifat magnetik, dan energi gap nanopartikel Mn1-xZnxFe2O4. Dengan demikian, hasil penelitian ini diharapkan dapat menjadi referensi bagi peneliti berikutnya terkait pemilihan komposisi dan perlakuan suhu sintering yang tepat untuk proses optimasi sifat magnetik dan energi gap nanopartikel untuk tujuan aplikasi sebagai fotokatalisator.
1.6 Sistematika Penulisan
Tesis ini dibagi menjadi enam bab, yaitu pendahuluan, tinjauan pustaka, dasar teori, metode penelitian, hasil dan pembahasan, dan kesimpulan dan saran.
Bab I Pendahuluan memaparkan mengenai latar belakang dilakukan kajian mikrostruktur, sifat magnetik, dan energi gap nanopartikel Mn1-xZnxFe2O4, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan.
Bab II Tinjauan pustaka mendeskripsikan hasil-hasil penelitian relevan tentang mikrostruktur nanopartikel Mn1-xZnxFe2O4, profil sifat magnetik nanopartikel berdasarkan parameter konsentrasi prekursor dan suhu sintering, serta energi gap nanopartikel.
Bab III Landasan teori memaparkan teori fisika tentang struktur kristal nanopartikel Mn1-xZnxFe2O4, kemagnetan material, hysterisis loop, energi gap nanopartikel ferit, sintering, metode kopresipitasi, dan metode karakterisasi dan pengujian material (XRD, TEM, FTIR, UV-Vis DR, dan VSM).
Bab IV Metode penelitian memaparkan jenis alat dan bahan penelitian, prosedur penelitian, karakterisasi material dan metode analisis data,
BAB V Hasil dan pembahasan menyajikan paparan hasil penelitian dan pembahasannya berdasarkan fenomena dan konsep fisika yang relevan.
BAB VI Kesimpulan dan saran menyajikan kesimpulan hasil penelitian beserta saran-saran untuk optimasi penelitian selanjutnya.
Daftar pustaka mencantumkan sumber referensi ilmiah yang menjadi acuan penelitian. Lampiran menyajikan data pendukung penelitian serta dokumentasi pelaksanaan penelitian ini.
