i
PERBANDINGAN METODE SINTESIS HKUST-1(
HONG
KONG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY-1
)
SERTA PENGARUH PENGEMBANAN LOGAM Fe
NANOPARTIKEL
Disusun oleh:
JONI HARTONO
M0312031
SKRIPSI
Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains dalam bidang ilmu kimia
HALAMAN DEPAN
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET
iii
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ―PEBANDINGAN METODE SINTESIS HKUST-1 (
HONG KON
UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY-1
) SERTA
PENGARUH PENGEMBANAN LOGAM Fe NANOPARTIKEL
” adalah benar-benar hasil penelitian sendiri dan tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya pula tidak terdapat kerja atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.Surakarta, 2 Desember 2016
iv
PEBANDINGAN METODE SINTESIS HKUST-1 (HONG KONG
UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY-1) SERTA PENGARUH
PENGEMBANAN LOGAM Fe NANOPARTIKEL
JONI HARTONO
Program Studi Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret, Jl. Ir. Sutami 36A, Surakarta 57126
ABSTRAK
Telah dilakukan sintesis HKUST-1 (Hong Kong University of Science and Technology-1) dengan metode solvo/hidrotermal dan elektrokimia. Pada metode solvo/hidrotermal digunakan ligan benzen 1,3,5-trikarboksilat dan Cu(NO3)2.9H2O dalam pelarut campuran (EtOH:H2O (25 mL : 25 mL (v/v)) yang direaksikan selama 12 jam pada suhu 120 oC. Sementara itu, sintesis HKUST-1 secara elektrokimia digunakan lempengan tembaga sebagai elektroda (7 cm (p) x 1,5 cm (l) x 0,5 (t)) yang diberikan tegangan 15 V pada suhu ambien, selama 90 menit dalam pelarut campuran (EtOH:H2O (1:1 (v/v)) dengan elektrolit TBATFB (tetrabutyl ammonium tetrafluoroborate). HKUST-1 hasil sintesis kemudian digunakan sebagai material penyangga aktif dalam pengembanan logam Fe nanopartikel .
HKUST-1 hasil sintesis dari dua metode menunjukkan kesesuaian dengan pola difraksi standar CCDC nomor 112954 dengan adanya puncak tajam karakteristik HKUST-1 pada 2θ = 6,73o; 9,47o dan 11,65o. Hasil penghalusan (refinement) juga menunjukkan kesesuaian dengan standar, tetapi metode solvo/hidrotermal memiliki kemurnian yang lebih tinggi dengan tidak ditemukannya puncak pengotor dari CuO maupun Cu2O dan sisa ligan H3BTC. Hasil analisis menggunakan FTIR diperoleh pergeseran bilangan gelombang 1715 cm-1 pada ligan menjadi 1665 cm-1 pada HKUST-1. Hal ini mengindikasikan adanya deprotonasi gugus karboksilat saat berikatan membentuk kompleks dengan Cu(II). Rata-rata ukuran partikel HKUST-1 (hasil sintesis dengan metode solvo/hidrotermal) 10,28 ± 1,58 µm dan 4,5 ± 1,6 µm (hasil sintesis dengan metode elektrokimia). Termogram TGA dari HKUST-1 yang disintesis dengan dua metode memperlihatkan kestabilan termal hingga mencapai 300 oC. Keberhasilan pengembanan logam Fe nanopartikel diperlihatkan dengan munculnya puncak Fe0 pada 2θ= 45o tetapi dengan menggeser kisi kristal pada HKUST-1 sesuai hasil XRD Fe@HKUST-1. Logam Fe (5 dan 10% berat) telah behasil diiembankan pada HKUST-1 sesuai analisis SEM-EDX. Hail ini diperkuat dengan analisis TEM yang menunjukkan Fe0 terdistribusi merata pada permukaan dan pori HKUST-1.
Kata kunci: HKUST-1, solvo/hidrotermal, elektrokimia, Fe nanopartikel,
v
SYNTHETIC METHOD COMPARISON OF HKUST-1(HONG KONG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY-1) AND THE STUDY
OF Fe METAL NANOPARTICLES ENCAPSULATION INTO HKUST-1
JONI HARTONO
Department of Chemistry, Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Sebelas Maret University, Jl. Ir. Sutami 36A, Surakarta 57126
ABSTRACT
HKUST-1 (Hong Kong University of Science and Technology-1) has been synthesized through solvo/hydrothermal and electrochemical methods. In the solvo/hydrothermal conditon ligand benzene-1,3,5-tricarboxylic acid and Cu(NO3)2.9H2O were dissolved in the solvent mixture of (EtOH:H2O (1:1 (v/v)) and heated at a temperature of 120 °C for 12 hours. While in electrochemical synthesis of HKUST-1 two copper plates (with dimension (7 cm (w) x 1.5 cm (l) x 0.5 (t)) were used as electrode under applied voltage of 15 V at ambient temperature for 90 minutes in solvent mixture of (EtOH:H2O (1:1 (v/v)) with TBATFB (tetrabutyl ammonium tetrafluoroborate) employed as electrolyte. The obtained HKUST-1 was then used as host matrix for encapsulating Fe metal nanoparticle.
X-ray diffractogram of synthesized HKUST-1 shows conformity with the standard pattern (CCDC No 112954) in the presence of sharp peaks characteristics of the HKUST-1 ie 2θ = 6.73o; 9.47o and 11.65o. The refinement results show that HKUST-1 obtained from solvo/hydrothermal method has a higher purity indicated by the absence of peaks corresponding to CuO and Cu2O as impurities and the rest of unreacted ligand. FTIR spectra exhibits significant shift from 1715 cm-1 (the ligands) into 1665 cm-1 at HKUST-1 corresponds to the deprotonation of carboxylic acid groups. The average particle size of HKUST-1 further confirmed the successfull Fe metal particle (5 and 10 wt.%) distribution on the surface and pores of HKUST-1.
vi
MOTTO
Jangan pernah mempercayai sesuatu secara berlebih,dan jangan pernah
meremehkan sesuatu tersebut. Tapi itu tidak berlaku untuk TUHAN mu.
ALAH does not charge a soul except [with that within] its capacity. It will have
[the consequenceof] what [good] it has gained and it willbear [the consequence
of] what [evil] it has earned.
(Quran 2:286)
So be patient, Indeed the promise of ALLAH is truth.
(Quran 30:60)
No one saves us but ourselves. No one can and no one may. We ourselves must
walk the path
(Gautama Buddha)
Commit your works to the LORD and your plans will be established
vii
PERSEMBAHAN
Tulisan kecil dibanding dunia ini kupersembahkan untuk:
1.
TUHAN ku yang sangat menyayangiku, Allah SWT.
2.
Manusia terbaik di dunia, Rasulullah SAW.
3.
Ibu yang menanamkan displin untuk semua anaknya
4.
Ibu yang membesarkan dan mendoakan kebaikan anaknya
dengan semua kasih sayangnya
5.
Ibu yang memperjuangkan anaknya dengan segala
usahanya
6.
Alm Bapak,kelima kakak-kakakku dan adikku tercinta
7.
Laki-laki terhebat yang mau memperjuangkan darah daging
viii
KATA PENGANTAR
Puji Syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT., atas nikmat iman, sehat, kesempatan, serta ilmu pengetahuan yang telah diberikan kepada penulis sehingga skripsi ini dapat terselesaikan. Penelitian skripsi yang berjudul ―Pebandingan Metode Sintesis dan Uji Katalitik HKUST-1 serta Pengaruh Pengembanan Logam Fe Nanopartikel‖ ini tidak akan selesai tanpa bantuan dari berbagai pihak. Oleh sebab itu, penulis mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada:
1. Dr. rer. nat. Witri Wahyu Lestari M.Sc selaku Pembimbing 1 atas bimbingan, dorongan, arahan, ilmu dan nasehat yang sangat bermanfaat bagi penulis. 2. Dr. Triana Kusumaningsih, M. Si selaku Pembimbing 2 dan juga sebagai
Kepala Prodi Kimia FMIPA UNS atas bimbingan, dorongan, arahan, ilmu dan nasehat yang sangat bermanfaat bagi penulis.
3. Dr. Desi Suci Handayani, M.Si selaku Pembimbing Akademis
4. Dr. Khoirina Dwi Nugrahaningtyas, M. Si selaku Kepala Laboratorium Kimia FMIPA UNS.
5. Bapak dan Ibu dosen Prodi FMIPA UNS yang telah membagi ilmunya. 6. Ibuku tercinta Mudjiati, Bapakku tercinta Heryanto (Alm), Bapak Tiriku
terhebat Agus Triono,Kakak-kakakku tersayang Agus Hariono, Hari Pramono, Heru Prasetyo, Desi Maryati, dan Adikku Siti M. Rikha serta keluarga saya yang tidak pernah lelah memberikan kasih sayang dan dukungan.
7. Sahabat-sahabat terbaik yang pernah saya kenal (Nurma Kasa , Gesti Karina, Nikita Yamasita, Hidayatul, Maria Arvina, Rahmat J.E.S, Syaiful Ahmad, Rizky Mahdia Istha, Karina Tegarwati, Frilia dan Respati )
Penulis menyadari skripsi ini jauh dari kata sempurna, sehingga penulis mengharapkan kritik maupun saran yang membangun demi kesempurnaan skripsi ini. Penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi siapa saja dimasa yang akan datang.
Surakarta, 23 November 2016
ix
DAFTAR ISI
HALAMAN DEPAN ... i
HALAMAN PENGESAHAN ... ii
PERNYATAAN ... iii
HALAMAN ABSTRAK ... iv
HALAMAN ABSTRACT ... v
MOTTO ... vi
PERSEMBAHAN ... vii
KATA PENGANTAR ... viii
DAFTAR ISI ... ix
DAFTAR TABEL ... xii
DAFTAR GAMBAR ... xiii
DAFTAR LAMPIRAN ... xiv
DAFTAR SINGKATAN ... xv
BAB I PENDAHULUAN ... 1
A. Latar Belakang ... 1
B. Perumusan Masalah ... 3
1. Identifikasi Masalah ... 3
2. Batasan Masalah ... 5
1. Pengertian dan Aplikasi Metal-Organic Frameworks (MOFs) ... 8
2. Kajian Struktur HKUST-1 dan Aplikasinya sebagai Katalis ... 10
3. Sintesis HKUST-1 dengan Metode Solvo/hidrotermal ... 12
4. Sintesis HKUST-1 dengan Metode Elektrokimia ... 16
5. Enkapsulasi Logam Fe nanopartikel pada HKUST-1 ... 18
x
7. Karakteristik Material ... 21
7.1 X-Ray Difraction (XRD) ... 21
7.2 Scanning Electron Microscopy (SEM) ... 23
7.3 Thermal Gravimetry Analisyst (TGA) ... 24
7.4 Surface Area Analyzer (SAA) ... 26
7.5 Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) ... 28
B. KERANGKA PEMIKIRAN ... 30
C. HIPOTESA ... 33
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 34
A. METODE PENELITIAN ... 34
B. WAKTU DAN TEMPAT ... 34
C. ALAT DAN BAHAN ... 35
D. PROSEDUR PENELITIAN ... 36
1. Sintesis HKUST-1 ... 36
a. Metode Solvohidrotermal ... 36
b. Metode Elektrokimia ... 37
2. Proses Scalling-up dan Enkapsulasi Metal Fe nanopartikel dengan metode imprenasi basah ... 38
E. TEKNIK PENGUMPULAN DATA ... 38
F. TEKNIK ANALISA DAN PENYIMPULAN AKHIR ... 39
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 41
A. HKUST-1 DENGAN METODE SOLVO/HIDROTERMAL DAN METODE ELEKTROKIMIA ... 41
1. Hasil Sintesis HKUST-1 dengan Metode Solvo/hidrotermal dan Metode Elektrokimia ... 41
2. Karakterisasi ... 44
2.1 Karakterisasi dengan XRD ... 44
2.2 Karakterisasi dengan FTIR ... 48
2.3 Karakterisasi dengan SEM ... 49
2.4 Karakterisasi dengan TGA ... 51
xi
B. KARAKTERISASI Fe@HKUST-1 ... 55
1. Karakterisasi dengan XRD ... 55
2. Karakterisasi dengan TEM dan SEM-EDX ... 57
BAB V PENUTUP ... 60
A. KESIMPULAN ... 60
B. SARAN ... 60
DAFTAR PUSTAKA ... 61
xii
DAFTAR TABEL
TABEL 1. KARAKTERISTIK PORI DAN LUAS PERMUKAAN HKUST-1 .. 13
TABEL 2. POTENSI MOFs SEBAGAI KATIS ASAM-BASA (REDOKS) ... 20
TABEL 3. HASIL RENDEMEN SINTESIS HKUST-1 ... 42
TABEL 4. HASIL PENGHALUSAN HKUST-1 ... 47
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. Pembentukan MOFs secara self-assembly ... 9
Gambar 2. Contoh Struktur 3D MOFs ... 10
Gambar 3. Struktur HKUST-1 ... 11
Gambar4. Perubahan Bilangan Koordinasi Atom Pusat Ditandai dengan Perubahan Warna HKUST-1 ... 12
Gambar 5. Skema Reaksi SintesisHKUST-1 Metode Solvo/hidrotermal ... 16
Gambar 6. Tiga Kemungkinan Posisi Logam Teremban ... 19
Gambar 7. Ilustrasi Difraksi Sinar-X pada XRD ... 21
Gambar 8. Pola Difraksi X-Ray HKUST-1 ... 22
Gambar 9. Diagram Skematik Fungsi Dasar dan Cara Kerja SEM ... 23
Gambar 10. Hasil SEM lapisan HKUST-1 ... 24
Gambar 11. Kurva TGA/DT HKUST-1 ... 25
Gambar 12. Tipe Grafik Adsorpsi Isotherm ... 27
Gambar 13. Adsorpsi Isotherm HKUST-1 ... 28
Gambar 14. Spektra FTIR dari HKUST-1 ... 29
Gambar 15. Skema Sintesis HKUST-1 Solvo/hidrotermal ... 36
Gambar 16. Perbedaan Warna Kristal HKUST-1 ... 43
Gambar 17. Warna HKUST-1 Sebelum dan Sesudah Aktivasi ... 44
Gambar 18. Difraktogram HKUST-1 ... 45
Gambar 19. Spektra FTIR HKUST-1 ... 48
Gambar 20. Pencitraan SEM HKUST-1 ... 50
Gambar 21. Termogram HKUST-1 ... 51
Gambar 22. Grafik Hasil Karakterisasi HKUST-1 dengan SAA ... 53
Gambar 23. Difraktogram Fe@HKUST-1 ... 55
Gambar 24. Pencitraan Fe@HKUST-1 dengan TEM ... 57
Gambar 25. Pencitraan Fe@HKUST-1 variasi 5% dengan SEM-EDX ... 58
xiv
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Perhitungan rendemen HKUST-1 ... 73
Lampiran 2. Standart JCPDS dan CCDC HKUST-1; H3BTC; CuO dan Fe0 ... 74
Lampiran 3. Hasil Refinement HKUST-1 Metode Elektrokimia ... 76
Lampiran 4. Hasil Refinement HKUST-1 Metode Solvo/hidrotermal ... 77
Lampiran 5. Hasil Refinement Fe@HKUST-1 ... 77
Lampiran 6. Hasil Perhitungan SEM HKUST-1 Metode Solvo/hidrotermal dan Elektrokimia ... 78
Lampiran 7. Hasil Perhitungan Sebaran Ukuran Partikel HKUST-1 ... 79
Lampiran 8. Perhitungan nilai n pada dekomposisi hidrat HKUST-1 pada Solvo/hidrermal... 82
Lampiran 9. Perhitungan nilai n pada dekomposisi hidrat HKUST-1 pada Solvo/hidrermal... 83
xv
DAFTAR SINGKATAN
TMA : Three Methyl Acid
BET : Brunaeur-Emmett-Teller
CCDC : Cambridge Crystallographic Data Centre
DMF : N-N Dimethyl Formamide
EtOH : Etanol
FTIR : Fourier Transform Infra Red
H3BTC : 1,3,5 Benzene Tricarboxylate Acid
HKUST-1 : Hong Kong University of Science and
Technology-1
Fe@HKUST-1 : Logam Fe nanopartikel yang teremban dalam HKUST-1
ICSD : Inorganic Crystal Structure Database
JCPDS : Joint Comittee on Powder Diffraction Standarts
MeOH : Metanol
MIL-53(Ga) : Material of Institute Lavoisier-53(Ga) MIL-100(Al) : Material of Institute Lavoisier-100(Al) MIL-101(Cr) : Material of Institute Lavoisier-101(Cr)
MOFs : Metal-Organic Frameworks
MOF-5 : Metal-Organic Framework-5
MOF-48 : Metal-Organic Frameworks-48
SAA : Surface Area Analyzer
SEM-EDX : Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive X-Ray
TBATFB : Tetrabutylammoniumtetrafluoroborate
xvi
XRD : X-Ray Diffraction
