Sintesis Oksida Terner Mg-Nb-O
Yonathan Kandake, Aep Patah*Program Studi Kimia, Institut Teknologi Bandung (email: [email protected]) ABSTRAK
Oksida terner adalah oksida yang terdiri atas dua kation logam dan oksigen. Oksida terner fasa Mg3Nb6O11 dapat dikembangkan sebagai katalis pada material penyimpan hidrogen, sedangkan fasa
MgNb2O6 dan Mg4Nb2O9 banyak dikembangkan sebagai material dielektrik microwave. Metoda sol-gel
digunakan untuk mensintesis oksida terner Mg-Nb-O yang diawali dengan pembentukan kompleks [Mg3(ndc)3(dmf)2(CH3OH)(H2O)](dmf). Pembentukan kompleks dilakukan dengan mencampurkan 2
mmol Mg(NO3)2.6H2O dan 1,4 mmol asam 2,6-naftalendikarboksilat dengan 40 mL pelarut DMF dan
CH3OH (50:50). Campuran dalam autoclave dipanaskan selama 24 jam pada suhu 1100C. Sekitar 0,2 g
NbCl5 ditambahkan pada senyawa kompleks yang dihasilkan yang kemudian dikalsinasi pada suhu 200,
350, 500, 700 dan 10000C. Senyawa kompleks [Mg3(ndc)3(dmf)2(CH3OH)(H2O)](dmf) dikarakterisasi
menggunakan spektroskopi infra merah (FTIR) dan X-Ray Powder Diffraction (XRD). Perubahan fasa mulai teramati pada difraktogram XRD untuk suhu kalsinasi 5000C. Oksida terner yang terindentifikasi adalah MgNb2O6 (16,05% w/w), Mg3Nb6O11 (52,22% w/w) dan Mg4Nb2O9 (10,35% w/w), sedangkan
sisanya adalah Nb2O5(6,37% w/w ), MgO(14,98% w/w). Kalsinasi pada suhu 7000C menyebabkan MgO
habis bereaksi menghasilkan MgNb2O6 (50,37% w/w), Mg3Nb6O11 (14,75% w/w) dan Nb2O5 (34,88%
w/w). Kalsinasi lebih lanjut pada suhu 10000C hanya menghasilkan MgNb2O6 (84,95% w/w) dan
Mg4Nb2O9 (15,05% w/w). Dapat disimpulkan, oksida terner Mg3Nb6O11 terbentuk pada suhu kalsinasi
sekitar 500oC , sedangkan untuk oksida terner MgNb2O6 dan Mg4Nb2O9 secara optimal terbentuk pada
suhu kalsinasi diatas 7000C.
Kata kunci : Oksida terner Mg-Nb-O, MgNb2O6, Mg3Nb6O11, Mg4Nb2O9 ,sol-gel , material penyimpanan
hidrogen.
1. Pendahuluan
Ketergantungan dunia terhadap energy tak terbarukan yang semakin hari semakin meningkat dan polusi udara yang dihasilkan mendorong penelitian untuk menciptakan energi baru yang terbarukan dan ramah lingkungan. Hidrogen sebagai salah satu energy terbarukan yang menjanjikan dan tanpa emisi. Persoalan yang dihadapi dalam
penggunaan gas hydrogen sebagai energy terbarukan teletak pada media penyimpanannya. Logam ringan seperti magnesium memiliki potensi besar dalam hal ini dalam bentuk MgH2. Pada proses
desorpsi hydrogen dalam MgH2 dibutuhkan
katalis yang memadai sehingga dapat meningkatkan proses desorpsi hydrogen[1]. Pada penelitian yang dilakukan terbentuk logam oksida terner yang memberikan nilai
desorpsi yang sangat baik. Senyawa ini adalah Mg-Nb-O yang berpeluang menjadi katalis yang membantu dalam proses desorpsi hydrogen. Telah dilaporkan beberapa oksida terner Mg-Nb-O antara lain MgNb2O6, Mg4Nb2O9, Mg3Nb6O11 ,
Mg5Nb4O15 [3]. Diantara oksida terner
Mg-Nb-O , Mg3Nb6O11 aktif secara reversible
pada proses sorpsi hydrogen[1,3]. Sintesis dengan menggunakan metode sol-gel dipilih untuk mendapatkan hasil yang murni dan murah dalam segi ekonomi.
2.Eksperimen
2.1 Material Kompleks
[Mg3(ndc)3(dmf)2(CH3OH)(H2O)](dmf)
diperoleh dari hasil sintesis menggunakan garam Mg(NO3)2.6H2O dan asam
2,6-naftalendikarboksilat dalam pelarut DMF dan CH3OH (50:50) , NbCl5 diperoleh secara
komersial (99% Sigma Aldrich ) dan pelarut DCM (99% Merck).
2.2 Metodologi
Sintesis Oksida Terner Mg-Nb-O dilakukan dengan mensintesis senyawa kompleks [Mg3(ndc)3(dmf)2(CH3OH)(H2O)](dmf)
terlebih dahulu dengan
mencampurkan 2 mmol Mg(NO3)2.6H2O dan 1,4 mmol asam2,6-naftalendikarboksilat dengan 40 mL
pelarut DMF dan CH3OH (50:50). Campuran
dalam autoclave dipanaskan selama 24 jam pada suhu 1100C [2]. Setelah kompleks[Mg3(ndc)3(dmf)2(CH3OH)(H2O)](d
mf) tersebut dihasilkan, kemudian dicampurkan dengan NbCl5 yang dilarutkan
dalam dicloro methane .Campuran kemudian dipanaskan dengan menggunakan hotplate sambil diaduk sampai seluruh pelarut menguap dan membentuk gel. Kemudian disimpan dalam desikator yang dialiri gas Nitrogen lalu dikasinasi dengan rentang suhu 200, 350, 500, 700 dan 10000C.
2.3 Karakterisasi Kompleks
[Mg3(ndc)3(dmf)2(CH3OH)(H2O)](dmf)
yang dihasilkan dikarakterisasi dengan menggunakan spektroskopi infra merah (IR) , sebelumnya dilakukan pengukuran IR terhadap NDC saja untuk membandingkan hasil yang didapat sebagai referensi.
Oksida terner yang dihasilkan dengan variasi suhu 200,350,500,700,1000oC dikarakterisasi dengan menggunakan
difraksi sinar X.
Hasil
karakterisasi
dengan
menggunakan difraksi sinar-X (XRD)
dibandingkan dengan database XRD
untuk oksida terner dengan fasa
MgNb2O6, Mg3Nb6O11
,
Mg4Nb2O9., untuk
mengetahui fasa–fasa oksida yang
terbentuk.
3. Hasil dan Pembahasan 3.1 Analisis spektroskopi IR
Pada karakterisasi dengan menggunakan spektroskopi infra merah (IR) dalam gambar. 1 terlihat adanya pergeseran ke kanan puncak karbonil pada hasil
pengukuran kompleks
[Mg3(ndc)3(dmf)2(CH3OH)(H2O)](dmf) yang
terbentuk. Terlihat adanya puncak pada bilangan gelombang 1557, diprediksi telah terjadi ikatan antara atom Mg dengan ndc
yang ditandai dengan bergesernya puncak vibrasi C=O dimana puncak bilangan gelombang pada C=O memberikan signal kuat pada bilangan gelombang antara 1780-1650.
3.2 Analisi Difraksi Sinar-X (XRD)
Pada gambar.2 dapat dilihat bahwa
Hasil
karakterisasi
dengan
menggunakan
difraksi sinar-X (XRD) pada variasi suhu
200,
350,
500,700,dan
1000
oC
menunjukkan tahap perubahan dimana
oksida terner masih belum terbentuk
pada suhu 200 dan 350
oC (amorf).
Oksida terner mulai terbentuk pada
suhu 500
oC dan sifatnya semakin
kristalin pada suhu yang lebih tinggi
yaitu pada suhu 700 dan 1000
oC.
Hasil pengukuran pada berbagai variasi suhu menunjukkan adanya perbedaan fasa oksida terner yang terbentuk. Untuk itu dilakukan penentuan % komposisi dengan cara membandingkan integral luas area puncak tertinggi dari fasa yang didapatkan.
amorf, dimana belum ditemukan fasa oksida terner , pada suhu 5000C didapatkan hasil telah terbentuknya oksida terner Mg-Nb-O dengan fasa oksida terner MgNb2O6
(16,05%), Mg3Nb6O11 (52,22%)dan sisanya
oksida Nb2O5 (6,47%)dan MgO(14,98%)
yang belum bereaksi menjadi oksida terner. Kenaikan suhu mempengaruhi hasil yang didapatkan dimana pada suhu 7000C , hasil yang didapatkan menunjukkan bahwa oksida terner yang terbentuk lebih kristalin.Pada kalsinasi suhu ini , terbentuk oksida terner Mg-Nb-O dengan fasa MgNb2O6 (50,37%)dan Mg3Nb6O11 (14,75%)
dan masih adanya Nb2O5 (34,88%)yang
belum bereaksi. Fasa Mg4Nb2O9 tidak
terindentifikasi pada suhu kalsinasi 700oC dimana Mg4Nb2O9 dapat bereaksi kembali
dengan Nb2O5 pada suhu kalsinasi yang
tinggi menghasilkan fasa MgNb2O6. Sehingga
diperoleh hasil % komposisi MgNb2O6 yang
meningkat (50,37%).
Kemudain pada suhu kalsinasi 1000oC didapatkan puncak oksida terner Mg-Nb-O yang teramati adalah fasa MgNb2O6 dan
Mg4Nb2O9. Pada suhu kalsinasi ini
didapatkan intensitas dan % komposisi dari fasa MgNb2O6 yang sangat besar(84,95%)
dan fasa Mg4Nb2O9 (15,05%) , hal ini
dikarenakan pembentukan oksida terner Mg-Nb-O lebih mudah membentuk fasa MgNb2O6. Oksida terner fasa Mg4Nb2O9 dan
Mg3Nb6O11 lebih sulit terbentuk karena
bentuk struktur kristalnya yang lebih…..dibandingkan dengan bentuk struktur kristal MgNb2O6. Pembentukan fasa
oksida terner Mg3Nb6O11 memerlukan
keadaan khusus yaitu keadaan defisiensi oksigen, dimana fasa ini dapat kita dapatkan dengan mengatur jumlah oksigen pada saat kalsinasi. Pada pembentukan fasa ini terbentuk juga senyawa NbO yang akan berekasi menghasilkan fasa ini.
Persamaan reaksi pembentukan oksida terner Mg-Nb-O adalah dengan bereaksinya prekursor kompleks Mg menghasilkan oksida Mg, dan Nbcl5 mengahasilkan oksida
niobium.
4.Kesimpulan
Hasil dari sintesis yang dilakukan mulanya menggunakan metoda sol gel pada umumnya sulit dilakukan dikarenakan penanganan bahan yang sangat reaktif terhadap udara dan air. Oleh karena itu dibuat terlebih dahulu senyawa kompleks Mg(NDC) yang kemudian direaksikan dengan NbCl5 dalam pelarut DCM untuk
kemudian dikalsinasi menjadi oksida terner Mg-Nb-O.
Hasil yang didapatkan oksida terner Mg-Nb-O berhasil antara lain MgNb2O6 dan
Mg3Nb6O11, dengan persentase mayoritas
pada sintesis oksida terner sangat berpengaruh dimana pada suhu tinggi , lebih banyak precursor yang bereaksi membentuk produk, sedangkan pada suhu rendah didapatkan produk dengan pengotor berupa niobium oksida dan magnesium oksida yang belum bereaksi membentuk oksida terner.
Daftar Pustaka
1. Patah A, Takasaki A, Szmyd JS. Influence of multiple oxide (Cr2O3/Nb2O5) addition on the
sorption kinetics of MgH2. Int J
Hydrogen Energy 2009;34:3032-7. 2. Irena Senkovska, Julia Fritsch,
Stefan Kaskel. New Polymorphs of Magnesium-Based Metal–Organic Frameworks Mg3(ndc)3 (ndc = 2,6-Naphthalenedicarboxylate) Eur. J. Inorg. Chem. 2007, 5475–5479 3. M.W. Rahman , S. Livraghi , F. Dolci
, M. Baricco , E. Giamello. Hydrogen sorption properties of Ternary MgNbO phases synthesized by solidestate reaction.International journal of hydrogen Energy 2011; 36 : 7932-7936
4. Y.C.Zhang ,X. Zhou ,Xiu Wang. Synthesis of MgNb2O6 nanocrystalline powders by an
improved citrate sol-gel technique .J Sol-Gel Sci Technol (2009) 50:348–352
5. Te-Hua Fang , Yu-Jen Hsiao , Yee-Shin Chang , Liang-Wen Ji , Shao-Hui Kang. Luminescent and structural properties of MgNb2O6
nanocrystals. Current Opinion in Solid State and Materials Science 12 (2008) 51-54
6. Liang Li , Guanlin Feng, Dejun Wang, Hang Yang, Zhongmin Gao, Benxian Li, Dapeng Xu, Zhanhui Ding, Xiaoyang Liu. Optical floating zone method growth and photoluminescence property of MgNb2O6. Journal of Alloys and
Compounds 509 (2011) L263-266 7. Zhi, F.F., Liu, P., Xiao, M.C., Jian,
L.M., Zhang, H.W. (2010), Low-temperature synthesis of Mg4Nb2O9 nanopowders by high-energy ball-milling method. Journal of Alloys and Compounds, 493,441-44
