SKRIPSI FISIKA
APLIKASI KARBON DOTS (CDs) ORGANIK
SEBAGAI KATALISATOR DALAM PROSES FOTODEGRADASI METILEN BIRU DENGAN SINAR ULTRAVIOLET
ARINI QURRATA A’YUN H211 14 307
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS HASANUDDIN
MAKASSAR 2018
APLIKASI KARBON DOTS (CDs) ORGANIK
SEBAGAI KATALISATOR DALAM PROSES FOTODEGRADASI METILEN BIRU DENGAN SINAR ULTRAVIOLET
SKRIPSI
Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Sains Pada Program Studi Fisika Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Hasanuddin
ARINI QURRATA A’YUN H211 14 307
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS HASANUDDIN
MAKASSAR 2018
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi ini diajukan oleh
Nama : Arini Qurrata A‟yun
NIM : H211 14 307
Program Studi : Fisika
Judul Skripsi : Aplikasi karbon dots (CDs) organik sebagai katalisator dalam proses fotodegradasi metilen biru dengan sinar ultravioelet
Makassar, 28 Maret 2018
Disahkan oleh:
Pembimbing Utama Pembimbing Pertama
Prof. Dr. Dahlang Tahir, M.Si Dr. Isnaeni
NIP. 197509072000031006 NIP. 19780210.200012.1004
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi ini merupakan karya orisinil saya dan sepanjang Pengetahuan saya tidak memuat bahan yang pernah dipublikasi atau telah ditulis oleh orang lain dalam rangka tugas akhir untuk suatu gelar akademik di Universitas Hasanuddin atau di lembaga pendidikan tinggi lainnya di manapun;
kecuali bagian yang telah dikutip sesuai kaidah ilmiah yang berlaku. Saya juga menyatakan bahwa skripsi ini merupakan hasil kerja saya sendiri dan dalam batas tertentu oleh pihak pembimbing.
Penulis,
Arini Qurrata A‟yun
ABSTRAK
Karbon dots (CDs) merupakan nanopartikel karbon yang dapat disintesis dari berbagai sumber karbon. Tantangan sintesis CDs adalah memanfaatkan sumber karbon organik sebagai bahan bakunya. Dalam penelitian ini, sintesis CDs dari bahan organik berupa daun mangga (Mangifera indica), daun palem (Roystone regia), dan daun glodokan tiang (Polyalthia longifolia) telah berhasil dilakukan.
CDs yang dihasilkan berbentuk koloid disintesis menggunakan metode Buttom Up, radiasi microwave selama 30 menit. CDs yang dihasilkan bersifat semikonduktor, sehingga dapat diaplikasikan sebagai katalisator dalam dalam proses degradasi metilen biru ( ), efektifitas degradasi tertinggi terukur sebesar 57,85 %, dengan perbandingan 1:4, dibawah bantuan radiasi ultraviolet dari sinar matahari langsung selama 6 hari (4 jam/ hari).
Kata Kunci : CDs, Metilen Biru, Fotodegradasi
ABSTRACT
Carbon dots (CDs) are carbon nanoparticles that can be synthesized from various carbon sources. The challenge of synthesizing CDs are using organic carbon sources as their material sources. In this research, CDs had been synthesized from organic materials such as mango leaves (Mangifera indica), palm leaves (Roystone regia), and glodokan tiang leaves (Polyalthia longifolia) that have been successfully performed. CDs that were producted are colloids, that were synthesized using the Buttom Up method under microwave radiation for 30 minutes. The resulting of CDs are semiconductor, so they can be applied as catalysts in the degradation process of methylene blue ( ), the highest efficiency degradation is 57.85%, at a ratio of 1: 4, under ultraviolet radiation from sunlight for 6 day (4 hours / day).
Kata Kunci : CDs, Methylene Blue, Fotodegradation
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah rabbil „aalamiin, Puji dan Syukur penulis ucapkan atas kehadirat Allah SWT yang telah memberikan kemudahan, kekuatan, dan rahmat- NYA dalam penyusunan skripsi dengan judul “Aplikasi karbon dots (CDs) organik sebagai katalisator dalam proses fotodegradasi metilen biru dengan sinar UV (Ultravioelet)”. Skripsi ini menjadi salah satu syarat untuk meraih gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA), Universitas Hasanuddin. Penulis berharap, skripsi ini dapat menjadi salah satu kontribusi bagi perkembangan sains di Indonesia.
Penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada seluruh pihak yang telah berpartisipasi dalam penyelesaian skripsi tersebut. Secara khusus penulis ucapkan kepada:
1. Kedua orang tua tercinta, Bapak Ir. Agus Prayudi Adi dan Ibu Sihwati Tatura Rini, yang selalu mendukung, memberi kasih sayang, dan perhatian tak berhingga, hingga saat ini. Teruntuk adik-adik yang selalu menjadi motivasi penulis untuk melakukan yang terbaik. Terkhusus juga untuk seluruh keluarga tercinta.
2. Bapak Bannu, S.Si, M.Si selaku Penasehat Akademik yang telah membimbing, memberi nasehat dan arahan selama proses perkuliahan.
3. Bapak Prof. Dr. Dahlang Tahir, M.Si. selaku pembimbing utama penulis di Universitas Hasanuddin dan bapak Dr. Isnaeni selaku pembimbing pertama penulis di Pusat Penelitian Fisika, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia.
Terimakasih atas arahan, nasehat, motivasi, ilmu dan kesempatan yang diberikan kepada penulis untuk melakukan penelitian ini hingga selesai.
4. Ketua Departemen Fisika, Bapak Dr. H. Arifin, MT yang juga selaku dosen penguji, beserta seluruh staf di Departemen yang telah memudahkan seluruh proses administrasi.
5. Bapak Paulus Lobo Gareso, M.Sc, Ph.D., dan ibu Dr. Nurlaela Rauf, M.Sc., selaku dosen penguji yang telah banyak memberikan masukan dan saran untuk kesempurnaan skripsi ini.
6. Seluruh Dosen di Departemen Fisika, yang telah ikhlas dan bersabar memberikan ilmu yang sangat bermanfaat untuk penulis, semoga dapat bermanfaat dan menjadi bekal ilmu bagi penulis. Semoga ilmu yang didapatkan penulis dapat menjadi amal jariah bagi seluruh dosen Departemen Fisika, Universitas Hasanuddin.
7. Pegawai dan Staff FMIPA terimakasih atas bantuannya dalam proses pengurusan administrasi selama ini.
8. Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) yang telah memberikan ruang kepada kami untuk melakukan penelitian di Lab. Laser Pulsa, Pusat Penelitian Fisika (P2F) beserta seluruh staf di sana yang telah melancarkan proses administrasi dan penelitian ini.
9. Teman-teman dan kakak-kakak Halaqah Tarbiyah, yang selalu membersamai disetiap kondisi dan kesempatan.
10. Seluruh kakak-kakak Fisika dan Geofisika 2013, 2012, 2011 dan 2010, terkhusus kepada senior MPN (Mahasiswa Pemerhati Nobel) dan SC- Locus, yang selalu memotivasi dan membantu selama masa perkuliahan di Fisika Universitas Hasanuddin, semoga senantiasa dalam lindungannya.
11. Teman-teman Fisika 2014, terutama Nurul Mutmainnah Ramlan, Radha Hartina Putri, Nursyafarinah, dan Dina Junipuspita yang banyak campur tangan dalam keberhasilan penelitian ini. Teruntuk pula Zaky Mubarak, Chairil Anwar, dan Bayu Aditya Nugraha yang selalu bermurah hati membantu dalam pengurusan administrasi.
12. Teman-teman KKN DSM Poso, terkhusus untuk Syahril Ramadhan, Siti Hardianti, Mona Ayu Santi, Rosita Mukkun, David Reinhart, Fredyanto, Adnan Fauzan A. Husain, dan Novia.
13. Adik-adik Fisika 2015, terutama Maha and friends yang selalu membawa keceriaan ditengah-tengah tuntutan penyelesaian skripsi.
14. Dan semua pihak yang tidak dapat dituliskan namanya satu per satu, yang telah memberikan semangat,motivasi, dan saran agar segera menyelesaikan skripsi ini.
Demikian, penulis memohon maaf atas kekurangan dalam skripsi ini yang tak lepas dari ketidakmampuan penulis sendiri. Wassalamu’alaikum Warahmatullahi Wabarakatuh.
Makassar, 28 Maret 2018
Penulis
DAFTAR ISI
JUDUL……….
HALAMAN JUDUL………...
HALAMAN PENGESAHAN……….
PERNYATAAN………..
ABSTRAK………...
ABSTRACT……….
KATA PENGANTAR……….
DAFTAR ISI………
DAFTAR GAMBAR………...
DAFTAR TABEL………
DAFTAR LAMPIRAN………...
BAB I PENDAHULUAN………
I.1 Latar Belakang……….
I.2 Rumusan Masalah………
I.3 Tujuan Penelitian……….
BAB II TINJAUAN PUSTAKA………
II.1 Karbon Dots (CDs)……….
II.1.1 Struktur dan Sifat CDs……….
II.1.2 Metode Sintesis CDs………...
II.1.3 Karakteristik CDs………
II.2 CDs dalam Aplikasinya sebagai Katalisator………..
II.2.1 Faktor yang Mempengaruhi Aktifitas Fotokatalis……...
II.2.2 Mekanisme Fotodegradasi………...
II.2.3 Perhitungan Persentase Degradasi………...
II.3 Teknik Karakterisasi CDs………...
II.3.1 Spektrometer UV-Vis dan Fotolumnesensi……….
II.3.2 Spektrometer Forier Transform Infrared (FTIR)………
II.3.3 Transmission Electron Microscopy (TEM)……….
BAB III METODE PENELITIAN………
i ii iii iv v vi vii x xii xiv xv 1 1 3 3 4 4 4 5 6 10 11 12 12 13 14 15 16 17
III.1 Waktu dan Tempat Penelitian………...
III.2 Alat dan Bahan………..
III.2.1 Alat……….
III.2.2 Bahan………..
III.3 Prosedur Penelitian………
III.3.1 Preparasi Alat dan Bahan………...
III.3.2 Sintesis CDs………...
III.3.3 Preparasi CDs Sebagai Katalisator……….
III.3.4 Proses Fotodegradasi……….
III.3.5 Pengambilan Data dan Karakterisasi………..
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN………
IV.1 Sifat Optik CDs………
IV.1.1 Ukuran Partikel dan Struktur Permukaan CDs………..
IV.1.2 Spektrum Absorbansi dan Fluorsensi CDs………
IV.1.3 Band Gap CDs………...
IV.2 Spektrum Absorbansi Metilen Biru.……….
IV.3 CDs Sebagai Katalisator Metilen Biru…….………
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN………..
V.1 Kesimpulan Penelitian………
V.2 Saran Penelitian………..
DAFTAR PUSTAKA……….
LAMPIRAN……….
17 17 17 18 18 19 19 20 20 20 23 23 23 26 28 29 30 33 33 33 34 38
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1
Gambar 2.2 Gambar 2.3 Gambar 2.4 Gambar 3.1 Gambar 3.2 Gambar 3.3 Gambar 4.1
Gambar 4.2
Gambar 4.3
Gambar 4.4
Gambar 4.5 Gambar 4.6 Gambar 4.7
Gambar 4.8
Gambar 1.
Gambar 2.
Gambar 3.
Skema metode sintesis CDs (a) Metode Top Down (b) Metode Buttom Up………..
Ilustrasi skematik dari proses penembakan cahaya………….
Skema band gap...
Skema absorbansi dan emisi ………..
Bagan Penelitian……….
Bagan pengukuran intensitas absorbansi………....
Bagan pengukuran intensitas emisi……….
Larutan CDs (a) DMK (Daun Mangga Kering) (b) DMS (Daun Mangga Segar) (c) DPK (Daun Palem Kering) (d) DPS (Daun Palem Segar) (e) DGK (Daun Glodokan Tiang Kering) (f) DGS (Daun Glodokan Tiang Segar)……….
Data TEM (a) CDs DMK (b) CDs DMS (c) CDs DGK (d) CDs DGS……….
Data FTIR (a) CDs DGK (b) CDs DGS (c) CDs DMK (d) CDs DMS (e) CDs DPK (f) CDs DPS……….
Spektrum (a) absorbansi (b) emisi pengukuran menggunakan spektrometer UV-Vis………...
Spektrum absorbansi terhadap energi gap CDs………...
Spektrum absorbansi MB………
Persentase difusi (a) MB murni (b) MB+CDs DPS (c) MB+CDs DPK (d) MB+CDs DMS (e) MB+CDs DMK (f) MB+CDs DGS (e) MB+CDs DGK ………....
Persentase degradasi (a) MB+CDs DGK (b) MB+CDs DGS (c) MB+CDs DMK (d) MB+CDs DMS (e) MB+CDs DPK (f) MB+CDs DPS (g) MB murni……….
Seperangkat gelas beaker………
Neraca analitik………
Botol reagen………
5 7 9 14 18 21 21
23
24
25
27 29 29
30
32 38 38 38
Gambar 4.
Gambar 5.
Gambar 6.
Gambar 7.
Gambar 8.
Gambar 9.
Gambar 10.
Gambar 11.
Gambar 12.
Gambar 13.
Gambar 14.
Gambar 15.
Gambar 16.
Gambar 17.
Gambar 18.
Gambar 19.
Gambar 20.
Gambar 21.
Gambar 22.
Kertas saring………...
Pipet volum……….
Spatula……….
Microwave (LG MS2042D; 700 Watt)………...
Kuvet………...
Alumuniumfoil...
Sentrifuge……….
Blender……….
Spektrometer Uv-Vis (Ocean Optic MAYA Pro 2000)……...
Personal Computer (PC)……….
Laser UV………..
Aquades………
Metilen biru ( ….……..………..
Daun glodokan tiang (Polyalthia longifolia)…...………
Daun mangga (Mangifera indica)………...
Daun palem (Roystone regia)………..
Larutan sebelum penyinaran (a) MB murni (b) MB + CDs DPS (c) MB + CDs DPK (d) MB + CDs DMS (e) MB + CDs DMK (f) MB + CDs DGS (g) MB + CDs DGK………..
Larutan setelah penyinaran (a) MB murni (b) MB + CDs DPS (c) MB + CDs DPK (d) MB + CDs DMS (e) MB + CDs DMK (f) MB + CDs DGS (g) MB + CDs DGK………..
Data TEM (a) CDs DMK (b) CDs DMS (c) CDs DGK (d) CDs DGS……….
38 38 39 39 39 39 39 40 40 40 40 41 41 41 41 41
42
42
45
DAFTAR TABEL Tabel 2.1
Tabel 2.2 Tabel 4.1 Tabel 4.2 Tabel 1.
Tabel 2.
Tabel 3.
Tabel 4.
Tabel 5.
Tabel 6.
Tabel 7.
Tabel 8.
Tabel 9.
Semikonduktor sebagai fotokatalisator metilen biru………...
Daftar jenis-jenis ikatan berdasarkan panjang gelombang...….
Ukuran partikel CDs……….
Persentase degradasi metilen biru………
Spektrum absorbansi CDs………
Spektrum emisi CDs……….
Perhitugan band gap………
Perhitugan diameter CDs DGK………
Perhitugan diameter CDs DGS………
Perhitugan diameter CDs DMS………
Perhitugan diameter CDs DMK………
Persentase degradasi………
Persentase degradasi optimum………
13 16 24 31 43 43 44 46 46 47 47 48 48
DAFTAR LAMPIRAN
LAMPIRAN A………...
Alat dan Bahan………....
1. Alat………..
2. Bahan………..
LAMPIRAN B………...
CDs sebagai Katalisator………..
1. Metilen Biru Sebelum Penyinaran………..
2. Metilen Biru Setelah Penyinaran………...
LAMPIRAN C………...
Analisis Data………...
1. Karakteristik Optik CDs………...
2. Band Gap………...
3. Perhitungan Diameter CDS dari data Transmission Electron Microscopy (TEM)………...…...………
4. Degradasi………....
LAMPIRAN D………...
Kelengkapan Berkas…...………
38 38 38 41 42 42 42 42 43 43 43 44
45 48 49 49
BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang
Karbon merupakan material yang mudah didapatkan dari berbagai sumber kehidupan organik, sehingga penggunaan dan pengembangannya dibidang rekayasa material sangat populer. Beberapa jenis material karbon seperti grafit 3- dimensi, grafen 2-dimensi, grafen oksida, karbon nanotube 1-dimensi, hingga karbon berukuran nano material, menunjukkan berbagai sifat material yang unik dan aplikatif [1].
Salah satu jenis nano material berbasis karbon adalah karbon “kuantum”
dots atau karbon nano dots (CDs), didefinisikan sebagai material karbon berukuran nano partikel 0-dimensi [1]. Pertama kali ditemukan oleh Xu, dkk.
(2004) dari proses purification karbon nanotube [2, 3], yang kemudian mendorong penelitian mengenai ground braking pada tahun 2006, sehingga dapat digolongkan menjadi jenis material semikonduktor nano kristal berukuran antara 2 sampai 10 nm [1]. Karakteristiknya berupa ukuran kecil, metode produksi yang mudah, tidak beracun [4], dan memiliki sifat fluoresensi yang baik membuatnya menjadi jenis material nano yang berpotensi diaplikasikan dibidang kimia analitis, terutama lingkungan, sensor biologi dan pencitraan [3], agen pembawa obat dan gen, agen pengembangan bakteri, fotokatalisator [5], optoelekronik [4], dan lain sebagainya.
CDs dapat disintesis dengan metode Top Down atau Bottom Up. Metode Top Down mensintesis CDs dari potongan besar material grafit menjadi karbon berukuran nano, biasanya berasal dari material nonorganik. Teknik pemotongan dilakukan menggunakan metode ablasi laser, kimia atau oksidasi elektrokimia yang memerlukan asam kuat dalam prosesnya. Sedangkan metode Bottom Up mensintesis CDs dari bahan organik menggunakan molekul prekursor seperti asam, karbohidrat, biomaterial, polimer, silika, komposit, dll [6]. Teknik sintesis berupa hidrotermal [7-11] dan radiasi microwave [12-14].
Dalam penelitian ini, sintesis CDs menggunakan metode Bottom Up, dengan radiasi microwave. Berdasarkan penelitian sebelumnya, metode ini relatif cepat, sederhana dan ramah lingkungan. Tetapi, memiliki kekurangan yakni ketidakmampuannya dalam mengontrol ukuran CDs yang diproduksi [2]. Buah- buahan, serat alami, telur ayam [4], daun tembakau [10] dilaporkan pernah digunakan sebagai sumber CDs. Sintesis CDs menggunakan metode ini tidak memerlukan teknik oksidasi yang sulit dan asam kuat, dalam prosesnya cukup menggunakan larutan prekursor.
CDs selanjutnya diaplikasikan sebagai pengurai limbah karbon hidroksil metilen biru ( . Hal ini dipilih karena metode pengolahan limbah yang ada masih kurang efektif (metode adsorbsi dan lumpur aktif). Sehingga metode alternatif berupa penggunaan semikonduktor fotokatalis dan ultraviolet fotodegradasi dikembangkan, karena mampu melakukan mineralisasi total terhadap polutan organik, biaya murah, proses relatif cepat, tidak beracun, dan punya kemampuan penggunaan jangka panjang [15]. Aktifitas fotokatalis membersihkan kontaminan dengan cara memberikan energi tinggi pada katalisator sehingga elektron di pita valensi berpindah ke pita konduksi menyebabkan terbentuknya pasangan elektron-hole. Reaksi ini kemudian menghasikan radikal hidroksil ( dan ) yang berperan mengoksidasi kontaminan organik seperti metilen biru [17]. Metilen biru merupakan jenis material hidrokarbon, yang merupakan sumber pewarna thiazine yang biasa digunakan dalam industri tekstil, memiliki struktur molekul aromatik stabil, berukuran besar sehingga susah terurai dan bersifat tidak ramah lingkungan [17].
Penelitian dari Youfu Wang, dkk. (2014) menunjukkan bahwa penggunaan CDs sebagai katalisator dapat meningkatkan kemampuan fotokatalis dibawah radiasi sinar ultraviolet [18]. Dalam aplikasinya CDs biasanya dikombinasikan dengan material semikonduktor lain untuk meningkatkan kemampuan fotokatalis.
Seperti pada penelitian Guoping Chen, dkk. (2013) CDs dikombinasikan dengan [21]. Mohammad Gholinejad, dkk. (2016), CDs disintesis dari vanilin digunakan untuk memodifikasi sifat magnetik dan formasi dari nano partikel
paladium [19]. Fangfang Duo, dkk. (2016) CDs dikombinasikan dengan [20] dan Jie Zhang, dkk. (2017) CDs dikombinasikan dengan rodium [14].
Dalam penelitian ini CDs secara khusus dikondisikan sebagai katalisator tunggal tanpa penambahan bahan semikonduktor apapun. Hal ini bertujuan untuk mengetahui performa tunggal dari CDs dalam mendegradasi polutan karbon hidroksil metilen biru. Selanjutnya proses fotodegradasi menggunakan sinar ultraviolet yang dihasilkan oleh sinar matahari langsung. Penelitian ini mengedepankan pengguanan metode sederhana dan biaya produksi murah agar hasil yang didapatkan bukan hanya dapat dijadikan referensi berbasis laboratorium saja tetapi juga dapat diaplikasikan lebih luas oleh pelaku industri dan masyarakat umum.
I.2 Rumusan Masalah
Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah :
1. Bagaimana mensintesis CDs dari bahan organik dengan metode sederhana ? 2. Bagaimana potensi CDs sebagai katalisator tunggal dalam proses
mendegradasi metilen biru ?
3. Bagaimana CDs sebagai katalisator yang dapat digunakan oleh masyarakat umum dalam usaha mengurangi polutan zat pewarna tekstil ?
I.3 Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah :
1. Sintesis CDs dari sampah organik dengan menggunakan metode microwave.
2. Menganalisis karakteristik optik CDs sebagai katalisator.
3. Menganalisis potensi CDs sebagai katalisator tunggal material karbon hidroksil metilen biru dengan teknik radiasi sinar ultraviolet menggunakan sinar matahari langsung.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA II.1 Karbon Dots (CDs)
II.1.1 Struktur dan Sifat CDs
Karbon merupakan material yang umum ditemukan dari berbagai bahan alam, memiliki beragam jenis dan bentuk dengan sifatnya yang unik [14]. Karbon dots (CDs) merupakan material karbon berbasis nano material yang berdimensi-0, potensial dikembangkan sebagai salah satu material semikonduktor berbasis kuantum dots (QDs). Secara umum dikenal sebagai nano partikel kelas quasi- spherical, berbentuk bola dengan ukuran kurang dari 10 nm [10]. Secara umum terdiri dari amorf dan berinti nano kristal, sebagian besar strukturnya memiliki konfigurasi kabon sp2, beberapa pengecualian juga pernah dilaporkan berstruktur intan dengan konfigurasi karbon sp3 [1, 2]. Umumnya berikatan dengan oksigen atau nitrogen, dengan jenis ikatan post-modified [6].
Dalam klasifikasi material, CDs digolongkan dalam jenis material optik yang dapat berpendar (fluorescent carbon material) [1-4, 6-8, 11, 13].
Kedepannya, CDs berpotesi menjadi material logam alternatif berbasis kuantum dots, dikarenakan struktur dan komposisnya yang unik [3]. Secara alami CDs dilaporkan memiliki elektron yang berperan sebagai aseptor dan pendonor, sehingga CDs berpotensi diaplikasikan dalam bidang optronik, katalis, dan sensor [18]. Selain itu, dengan banyaknya kandungan karbon hidroksil pada permukaan sehingga memungkinkan terjadi interaksi dengan ion logam dan dapat menstabilkan nanoparikel logam [14]. Sebagai material semikonduktor, CDs berpotensi sebagai katalisator karena memiliki tingkat aktifitas fotokatalis yang baik [20]. Dalam penelitian ini khusus membahas berbagai potensi CDs sebagai katalisator.
II.1.2 Metode Sintesis CDs
Secara garis besar metode sintesis CDs dibagi menjadi dua, yaitu: metode Top Down dan Buttom Up. Skema metode sintesis dapat dilihat pada Gambar 2.1 [3, 6].
Gambar 2.1 Skema metode sintesis CDs (a) metode Top Down (b) metode Buttom Up [6]
1. Metode Top Down
Metode ini mensintesis CDs dengan cara memecah potongan-potongan material besar karbon menjadi berukuran nano. Sumber karbon yang digunakan jenis nonorganik. Pemotongan biasanya menggunakan asam kuat [18] dengan teknik sintesis seperti: arc discharge, ablasi laser, oksidasi kimia [6] dan karbonisasi elektrokimia [2]. Beberapa jenis karbon yang menggunakan teknik ini dalam proses sintesisnya yakni grafit, karbon nanotube, dan karbon aktif [6].
2 Metode Buttom Up
Metode ini mensintesis CDs yang berasal dari material organik [10] seperti:
garam sitrat, karbohidrat, bio-material, nanokomposist, dll [6]. Teknik yang digunakan dapat berupa ultrasonic [1], pembakaran [6], hidrotermal [8, 10], dan
radiasi microwave [13]. Radiasi microwave biasanya menghasilkan CDs dengan pendaran berwarna hijau. Molekul amina, terutama molekul amina primer, berperan ganda sebagai material n-dopping dan agen pasifikasi pada CDs [2].
Sedangkan, teknik hidrotermal menggunakan temperatur dan tekanan tinggi dalam prosesnya. Beberapa biomassa seperti telur, rumput, kulit buah [3], dan daun tembakau [10] pernah digunakan sebagai bahan dasar sintesis CDs dengan metode Buttom Up.
Dalam penelitian ini, penulis menggunakan metode Buttom Up berupa radiasi microwave. Metode Buttom Up dipilih karena tidak menggunakan asam kuat dalam proses sintesisnya [3], sehingga CDs yang dihasilkan lebih ramah lingkungan. Sedangkan, radiasi microwave dipilih karena memiliki keunggulan berupa biaya yang relatif murah serta teknik dan alat yang digunakan lebih sederhana dibandingkan dengan teknik pembakaran, ultrasonic maupun hidrotermal [2, 3, 12, 18].
II.1.3 Karakteristik CDs
1. Spektrum Absorbansi dan Fluoresensi
Spektrum absorbansi CDs terukur pada spektrum cahaya tampak. Terdapat beberapa jenis ikatan yang terukur pada daerah ini. Ikatan dapat berupa ikatan karbon, atau (n = karbon) [2, 18]. Biasanya terukur pada panjang gelombang 230 – 320 nm. Ikatan karbon akan terukur pada panjang gelombang 230 nm sedangkan ikatan transisi lainnya pada 300 nm [2].
Untuk sifat pendaran/ flouresensi, CDs apabila dibandingkan dengan material berpendar alami menunjukkan karakteristik pendaran yang tidak berkelap-kelip (fotostabilitas). Kemampuan fotostabilitas ini menunjukkan adanya molekul tunggal yang terjebak dalam kurun waktu yang lama [2].
Berdasarkaan penelitian Adelina Ryan Candra Dewi, dkk. (2016), spektrum absorbansi CDs terukur pada panjang gelombang 398 – 430 nm dan spektrum fluoresensi pada 360 – 550 nm [10]. Jie Zhang, dkk. (2016) juga menunjukkan, spektrum fluoresensi terukur pada 280 – 440 nm [14]. Guili He, dkk. (2017)
melaporkan dengan menggunakan metode radiasi microwave, Spektrum absorbansi CDs terukur pada 250 – 350 nm [12]. Hal serupa dilaporkan oleh Xiaofang Hou, dkk. (2017) bahwa, spektrum absorbansi CDs terukur pada 300 – 500 nm, dan fluorosensi pada 400 – 600 nm [5].
Gambar 2.2 Ilustrasi skematik dari proses penembakan cahaya [18].
2. Struktur Elektron
Kompleksitas dan efisiensi interaksi antara inti karbon, grup fungsional dan dopping heteroatom sangat mempengaruhi kemampuan elektrokimia dari CDs.
Luasan daerah permukaan akan mempengaruhi kemampuan transfer elektron.
Elektron tunggal, dapat menjadi tempat terbentuknya dinding kuantum antara kuantum dots dan lapisan permukaan. Sifat elektrokimia dari QDs dapat dianologikan seperti lapisan grafen oksida ketika membawa grup fungsional oksigen, grup ini bertanggung jawab menyebabkan terbentuknya ketidakteraturan pada ikatan konduktif karbon sp2, sehingga terjadi pelemahan transfer elektron.
Apabila oksigen berada pada tepian maka akan mengaktifasi kemampuan katalis dari CDs [2].
Sifat CDs yang berukuran kecil, dengan stabilitas dan konduktifitas tinggi membuatnya berpotensi diaplikasikan sebagai sumber elektro-katalis untuk mereduksi reagen. Selain itu dengan adanya penambahan unsur n pada CDs akan meningkatkan kemampuan reduksi tersebut [2].
CDs CDs
3. Mekanisme Pendaran/ Fluoresensi
CDs merupakan jenis material yang dapat berpendar. Penjelasan mengenai mekanisme pendaran ini tidak seragam. Secara umum diyakini sifat ini kemungkinan disebabkan oleh adanya efek kuantum, struktur permukaan, dan rekombinasi pasangan elektron-hole [3].
a) Efek Kuantum
Efek kuantum merupakan fenomena pergerakan terus-menerus elektron didekat level fermi menjadi energi diskrit ketika ukuran partikel berada pada skala nano. Hal ini menyebabkan nano material terutama yang berukuran dibawah 10 nm memiliki sifat yang berbeda dari material aslinya yang berukuran lebih besar [3].
Berdasarkan efek ini beberapa fenomena dilaporkan terjadi, yakni adanya penurunan besar band gap dikarenakan peningkatan ukuran partikel sehingga menyebabkan perubahan sifat absorbansi dan fluoresensi. CDs dengan rata-rata ukuran partike 2,6 nm menghasilkan spektrum warna biru, hijau, kuning, dan maksimal terukur pada panjang gelombang merah dengan adanya penambahan berat molekul [3].
b) Struktur Permukaan
Grup fungsional yang terdapat pada permukaan CDs merupakan faktor penting dalam peningkatan energi gap. Untuk meningkatkan kemampuan fluoresensi, perlu dilakukan proses pasifikasi permukaan.
Nitrogen sebagai molekul organik secara efektif dapat mempengaruhi proses pasifikasi dan meningkatkan efisiensi fluoresensi. Berdasarkan teori, permukaan CDs dengan ikatan dominan dapat menghasilkan spektrum warna merah dan terjadi band gap seiring dengan peningkatan jumlah ikatan [3].
Derajat oksidasi CDs juga mempengaruhi spektrum fluoresensi.
Derajat oksidasi yang rendah menunjukkan fluoresensi CDs terukur pada spektrum biru sedangkan derajat oksidasi tinggi pada spektrum hijau. [3].
c) Rekombinasi Pasangan Elektron-Hole
Rekombinasi/ peyusunan kembali pasangan elektron-hole secara teori digunakan untuk menjelaskan mekanisme fluoresensi dari heteroatom CDs.
Penambahan nitrogen dalam CDs dapat menyebaban terjadinya penyusunan kembali elektron-hole dan meningkatkan efisisensi fluoresensi. Hal ini dikarenakan nitrogen dapat menciptakan energi level baru pada permukaan CDs [3].
4. Band Gap
Band gap merupakan faktor utama dalam menentukan konduktifitas listrik material. Material dengan band gap besar digolongkan sebagai isolator, material dengan band gap kecil sebagai semikonduktor, sedangkan material dengan band gap yang sangat kecil atau mendekati nol sebagai konduktor [22].
Gambar 2.3 Skema band gap [22]
Terdapat beberapa metode dalam menentukan band gap. Salah satunya dengan karakterisasi optis yakni dengan menggunakan bantuan spektrometer UV- Vis untuk menentukan spektrum absorbansi [22]. Kemudian, besar energi gap dapat dihitung berdasarkan panjang gelombang pemotongan pada spektrum tersebut menggunakan metode Tauc Plot [23]. Hal ini dimungkinkan karena pada
CDs terjadi proses deeksitasi yang disertai dengan proses pemancaran gelombang elektromagnetik (transmisi radiatif). Pada keadaan ini, energi gelombang yang dihasilkan akan mendekati besar energi gap . Persamaan yang digunakan dalam menentukan enegi gap yaitu [10]:
Dimana, adalah konstanta plank, adalah kecepatan cahaya dan merupakan derajat absorbansi. Nayerah Soltani, dkk. (2012) melaporkan bahwa CDs memiliki direct band gap sehingga derajat absorbansi mendekati nol [25]. Sedangkan merupakan energi gap, dan adalah panjang gelombang pemotongan pada spektrum absorbansi CDs.
Nayereh Soltani, dkk. (2012) melaporkan Eg CDs terukur sebesar 2,64 eV dengan menggunakan metode Tauc Plot [25]. Hal serupa dilaporkan oleh Zoubeida Khefacha, dkk. (2016) bahwa Eg CDs sebesar 2,36 eV yang dihitung dengan menggunakan pemodelan matematis [24], dan Adelina Ryan Candra Dewi, dkk. (2016) menunjukkan Eg CDs sebesar 2,25 – 2,70 eV [10].
Berdasarkan penelitian diatas dapat disimpulkan bahwa CDs bersifat sebagai semikonduktor dengan besar Eg pada rentang 2 – 3 eV.
II.2 CDs dalam Aplikasinya sebagai Katalisator
Fotokatalis dapat didefinisikan sebagai suatu reaksi kimia yang memanfaatkan cahaya sebagai sumber pemberi energi, dalam usahanya untuk mendegradasi suatu reagen dengan menggunakan bantuan material (katalisator), biasanya berupa material semikonduktor [26]. Aktifitas fotokatalis akan meningkat seiring dengan banyaknya sinar ultraviolet yang diserap, sehingga dihasilkan hole dan elektron. Hole dan elektron inilah yang merupakan unsur utama dalam proses penguraian suatu reagen (fotodegradasi) [1]. Saat ini semikonduktor yang umum digunakan sebagai katalisator yaitu: (3,20 eV), (3,17 eV), dan (6,52 eV) [1].
II.2.1 Faktor yang Mempengaruhi Aktifitas Fotokatalis 1. Pengaruh pH
Parameter penting dalam proses ini ialah pH. pH memiliki peran dalam menghasilkan radikal hidroksil pada proses fotodegradasi [15]. Radikal hidroksil merupakan radikal dengan kereaktifitasan yang tinggi dalam mengoksidasi reagen. Sehingga, dengan adanya peningkatan jumlah radikal hidroksil maka akan semakin banyak zat warna yang terdegradasi [1].
Pada pH asam, permukaan fotokatalis bermuatan positif. Sedangkan pH basa, permukaan fotokatalis bermuatan negatif [25]. Berdasarkaan penelitian Ide Ayu Gede Widihati, dkk. (2011) pH optimum yang baik digunakan dalam proses ini adalah pH basa. Hal ini dikarenakan zat warna metilen biru (MB) bermuatan positif sehingga akan lebih mudah terabsorbansi pada permukaan dengan pH basa.
Tetapi, dengan penambahan pH basa yang berlebih akan menyebabkan terjadinya pergeseran kearah panjang gelombang yang lebih pendek. Hal ini dikarenakan terjadi perubahan struktur dan berkurangnya ikatan terkonjugasi pada larutan MB [15]. pH pada CDs dapat meyebabkan terbentuknya jebakan eksitasi dan modifikasi struktur permukaannya [2]. Hal serupa juga dilaporkan oleh Jun Yao, dkk. (2010) [27], Nayerah Soltani, dkk. (2012) dan Devi Indah Anwar, dkk.
(2014) [15].
2. Waktu Radiasi
Bertambahnya waktu radiasi dalam proses fotodegradasi akan meningkatkan jumlah MB yang terdegradasi. Hasil fotodegradasi adalah dan asam- asam mineral [1]. Ide Ayu Gede Widihati, dkk. (2011) melaporkan waktu optimum proses penyinaran selama 4 jam [15], hal serupa juga dilaporkan oleh Hind A. Jassim, dkk. (2016) [27].
3. Jumlah Katalisator
Peningkatan pemberian jumlah katalisator akan meningkatkan reaksi fotokatalis yang terjadi. Akan tetapi, penambahan katalisator yang berlebih justru
dapat menurunkan kembali aktifitas fotokatalis [1]. Hal ini juga dilaporkan oleh Dr. Salmin S. Al-Shamali (2013) [28].
II.2.2 Mekanisme Fotodegradasi
Fotokatalis merupakan proses ketika material semikoduktor menyerap energi cahaya lebih besar atau sebanding dengan energi gap-nya. Hal ini kemudian menyebabkan terjadinya proses eksitasi dari pita valensi menuju pita konduksi. Beberapa proses pemisahan muatan mempengaruhi formasi elektron- hole sehingga menyebabkan terbentuknya radikal bebas. Radikal bebas berupa ikatan hidroksil ( ) sangat efisien dalam mengoksidasi material organik dan mendegradasi polutan [25].
Secara umum, aktifitas fotokatalis pada material semikonduktor sangat dipengaruhi oleh struktur dan ukuran partikelnya. Kereaktifan semikonduktor berbentuk nano partikel lebih baik dari pada yang berbentuk potongan dengan ukuran lebih besar. Hal ini dikarenakan ukuran merubah densitas aktifitas daerah permukaan dengan cara memperluas daerah permukaan yang berekasi dengan reagen [25].
Kemampuan semikonduktor nano partikel dalam menghancurkan kontaminan organik dapat diaktifkan dengan menggunakan sinar ultraviolet, sehingga menghasilkan pasangan elektron-hole, proses ini dapat digambarkan dalam persamaan berikut [25]:
Sedangkan reaksi oksidatif dan reduksi digambarkan dalam persamaan [25]:
dan Pada proses degradasi unsur organik MB, radikal hidroksil berasal dari proses oksidasi , yang merupakan unsur pengoksidasi utama, yaitu [25]:
II.2.3 Perhitungan Persentase Degradasi
Untuk memperoleh intensitas degradasi larutan MB dapat dihitung menggunakan persamaan regresi linear, yaitu [16, 29, 30] :
Dimana, adalah intensitas absorbansi awal larutan sebelum proses radiasi dan adalah intensitas absorbansi larutan pada saat waktu ke-n . Pada Tabel 2.1 disajikan perbandingan efisiensi degradasi dari beberapa jenis semikonduktor.
Tabel 2.1 Semikonduktor sebagai fotokatalisator metilen biru No Katalisator Sumber Sinar
ultraviolet (UV)
Degradasi (%)
Sumber Pustaka
1
Lampu UV
30,22 [15]
2 95,00 [16]
3 99,50 [17]
4 63,00 [25]
5 30,00 [25]
6 92,30 [27]
7 100,00 [29]
8 75,10 [30]
9 60,00 – 7,00 [31]
10 Cahaya Matahari 90,00 [28]
II.3 Teknik Karakterisasi CDs
Dalam penelitian ini digunakan tiga jenis karakterisasi untuk mengetahui sifat CDs sebagai katalisator berupa kemampuan absorbansi, emisi, dan struktur permukaan menggunakan spektrometer UV-Vis, dan spektrometer Forier Transform Infrared (FTIR). Selain itu, dihitung pula ukuran partikel menggunakan bantuan Transmission Electron Microscopy (TEM).
II.3.1 Spektrometer UV-Vis dan Fotoluminesensi
Spektrometer fotoluminesi adalah spektrometer yang berfungsi untuk mendeteksi struktur elektronik dari suatu material. Spektrometer ini dapat menunjukkan intensitas emisi material pada panjang gelombang tertentu (400 nm – 1100 nm). Sedangkan, spektrometer UV-Vis (UV-Visible) merupakan spektrometer yang dapat mengukur kemampuan absorbansi material pada daerah ultraviolet (250 nm – 1100 nm). Intensitas absorbansi menunjukkan aktifitas transisi dari daerah eksitasi menuju ground state. Semakin besar intensitas absorbansi yang terukur maka semakin banyak elektron yang bergerak di daerah eksitasi dan semakin besar emisi yang akan terukur [32].
Gambar 2.4 Skema absorbansi dan emisi [32]
Energi emisi lebih rendah dibandingkan dengan energi absorbansi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.4. Panjang gelombang menunjukkan proses absorbansi, yaitu perpindahan elektron dari level getaran dasar menuju level getaran terdekat dengan cara menyerap energi. Setelah proses ini, elektron pada akan kembali ke level dengan cara pelepasan energi. Pelepasan energi
Absorbansi Emisi
𝜆 𝜆
𝜆 𝜆
𝜆
𝜆 𝜆
𝜆
ini kemudian diterjemahkan sebagai pendaran/ fluoresensi [32]. Pada MB spektrum absorbansi terukur pada panjang gelombang 500 – 700 nm [25].
Sehingga tidak akan terjadi overlap dengan spektrum absorbansi CDs yang terukur pada panjang gelombang yang lebih rendah.
II.3.2 Spektrometer Forier Transform Infrared (FTIR)
Jika sinar inframerah melewati suatu senyawa organik, maka akan ada sejumlah frekuensi yang diabsorbansikan dan ada yang diteruskan maupun ditransmisikan. Serapan cahaya ini tergantung pada struktur elektronik dari senyawa tersebut. Setiap jenis ikatan dalam senyawa organik memilik frekuensi yang berbeda-beda. Hal ini berhubungan dengan kemampuan suatu senyawa menyerap energi dari sinar inframerah yang diberikan. Terdapat dua jenis getaran yang dapat dikarakterisasi yaitu getaran ulur (streatching vibration) dan getaran tekuk (bending vibration). Energi ulur suatu ikatan dilaporkan lebih besar dibandingkan dengan energi tekuk, sehingga serapan ulur suatu ikatan muncul pada frekuensi lebih tinggi dibandingkan dengan serapan tekuk. Besar getaran ikatan dapat dihitung menggunakan hukum Hooke, yaitu [32]:
[
] Dimana merupakan frekuensi spasial kecepatan cahaya, gaya ikatan, dan massa atom.
Ikatan-ikatan berbeda seperti dan , mempunyai frekuensi berbeda [33]. Maka, dalam penelitian ini digunakan spektrometer FTIR untuk mengkarakterisasis ikatan yang dikandung CDs. Berikut daftar ikatan kimia CDs, dapat dilihat pada Tabel 2.2 :
Tabel 2.2 Daftar jenis-jenis ikatan berdasarkan panjang gelombang Jenis Ikatan
Sumber
Pustaka
1655 1117 3449 2960
1655 atau 3449
1404 [4]
- - -
2900
~ 2700
3500
~ 3100
- [5]
640 atau 1615
1126 3200 2924 - - [11]
- - 3354 - 3168 - [12]
1700
~ 1725
1100
~ 1400
2700
~ 3300
3000 - - [33]
II.3.3 Transmission Electron Microscopy (TEM)
Untuk mengetahui ukuran partikel CDs digunakan Transmission Electron Microscopy (TEM). Berdasarkan penelitian sebelumnya, CDs terlihat berbentuk bola dengan ukuran antara 1 – 10 nm. Pernah pula dilaporkan partikel CDs terukur lebih besar dari 10 nm [14], hal ini kemungkinan disebabkan adanya penumpukan CDs pada satu titik [5, 7, 11-14]. Kristal CDs berbentuk kubus yang terbagi lagi menjadi karbon nano partikel dengan atau tanpa kisi kristal. Jarak antara layer CDs adalah 0,32 – 0,34 nm, dengan bentuk 002 [2, 9].
BAB III
METODE PENELITIAN III.1 Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Laser Pico, Pusat Penelitian Fisika (P2F), Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI), Serpong, Tangerang Selatan. Penelitian ini dimulai pada bulan November 2017 sampai dengan Januari 2018.
III.2 Alat dan Bahan III.2.1 Alat
Alat-alat yang digunakan pada penelitian ini ialah : a. Seperangkat gelas beaker
b. Neraca analitik c. Botol reagen d. Spatula e. Keras saring f. Pipet volum g. Sentrifuge
h. Microwave (LG MS2042D; 700 Watt) i. Blender
j. Kuvet
k. Spektrometer UV-Vis (Ocean Optic MAYA Pro 2000) l. Alumuniumfoil
m. Laser Ultraviolet (UV) n. Personal Computer (PC)
III.2.2 Bahan
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini ialah : a. Aquades
b. Metilen biru ( c. Daun mangga (Mangifera indica) d. Daun palem (Roystone regia)
e. Daun glodokan tiang (Polyalthia longifolia) III.3 Prosedur Penelitian
Dalam penelitian ini prosedur penelitian dapat dilihat pada Gambar 3.1.
Gambar 3.1 Bagan penelitian
III.3.1 Preparasi Alat dan Bahan
Sintesis CDs yang dilakukan dalam penelitian ini menggunakan metode sintesis Buttom Up, radiasi microwave. CDs disintesis dari daun mangga, daun palem, dan daun glodokan tiang. Dimana setiap jenis daun divarisikan dalam dua keadaan yaitu keadaan segar (dipetik langsung dari pohonnya) dan keadaan kering (telah melalui proses penjemuran selama 7 hari). Masing-masing sumber CDs digunakan sebanyak 3 gram.
Larutan prekursor dibuat dengan menggunakan ke-6 variasi bahan dasar tersebut. Daun yang telah dibersihkan dan dipotong-potong kecil kemudian ditimbang (3 gram) dan dilarutkan ke dalam 100 ml aquades dalam gelas beaker.
Proses pencampuran dilakukan menggunakan blender hingga larutan tercampur rata.
III.3.2 Sintesis CDs
Proses radiasi microwave larutan prekusor dilakukan selama 30 menit.
Setelah proses radiasi berakhir, dihasilkan CDs dalam bentuk bubuk. Bubuk CDs kemudian dihomogenisasi dengan cara melarutkannya ke dalam aquades sebanyak 100 ml. Proses pencampuran dilakukan secara manual dengan cara mengaduknya menggunakan spatula.
Setelah tercampur, larutan CDs dipisahkan dari material padatan menggunakan kertas saring dan sentrifuge dengan kecepatan 3000 rmp selama 10 menit. Didapatkan 6 jenis CDs yaitu, CDs DMS (Daun Mangga Segar), CDs DGS (Daun Glodokan Tiang Segar), CDs DPS (Daun Palem Segar), CDs DMK (Daun Mangga Kering), CDs DGK (Daun Glodokan Tiang Kering), dan CDs DPK (Daun Palem Kering). Larutan yang telah bersih kemudian disimpan dalam botol reagen untuk selanjutnya dapat digunakan sebagai katalisator metilen biru.
Sebelum digunakan sebagai katalisator, larutan CDs telah dilakukan karakterisasi berupa pengukuran intensitas absorbansi, emisi, FTIR, dan TEM.
Hal ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh dari struktur dan sifat CDs dalam apikasinya sebagai semikonduktor fotokatalis.
III.3.3 Preparasi CDs Sebagai Katalisator
Metilen biru yang digunakan dalam penelitian ini memiliki tingkat kemurnian 2,04 %. Enam jenis CDs disiapkan sebagai katalisator. Menyiapkan 7 buah botol reagen yang telah diisi metilen biru sebanyak 4 ml. Kemudian, menambahkan 1 ml CDs pada tiap botol reagen yang telah disiapkan. 1 botol reagen disiapkan sebagai sampel referensi, sampel referansi menggunakan 1 ml aquades dengan 4 ml metilen biru.
III.3.4 Proses Fotodegradasi
Proses fotodegradasi dilakukan selama 4 jam perhari dari pukul 08.30 – 12.30 WIB. Dilakukan dalam kurun waktu 10 hari, menggunakan sumber cahaya ultraviolet dari sinar matahari langsung, pada suhu ruang.
III.3.5 Pengambilan Data dan Karakterisasi 1. Pengukuran Intensitas Absorbansi
Pengambilan data dilakukan sebelum dan setelah proses fotodegradasi menggunakan spektrometer UV-Vis (Ocean Optic MAYA Pro 2000) dengan cara mengukur intensitas absorbasi dari ke-7 sampel setiap hari selama 10 hari.
Pegukuran pertama pada sampel dilakukan sebelum dilakukan proses penyinaran untuk mendapatkan data referensi. Pengukuran intensitas absorbansi sampel dilakukan tiap selesai penjemuran.
Adapun bagan pengukuran absorbansi dapat dilihat pada Gambar 3.2.
Langkah-langkah yang dilakukan yaitu :
a) Melakukan persiapan awal untuk pengukuran intensitas absorbansi dan menyiapkan larutan yang akan dikarakterisasi.
b) Memasukkan 3 ml larutan ke dalam kuvet, dan menempatkannya pada dudukan kuvet.
c) Menyalakan lampu halogen dan membuka software Ocean Optics di komputer.
d) Data spektrum yang diperoleh diolah menggunakan aplikasi OriginPro8.
Gambar 3.2 Bagan pengukuran intensitas absorbansi 2. Pengukuran Intensitas Emisi
Pengambilan data emisi dilakukan sebelum dan setelah proses fotodegradasi menggunakan spektrometer UV-Vis (Ocean Optic MAYA Pro 2000) dengan bantuan laser ultraviolet, dengan cara mengukur intensitas emisi dari ke-7 sampel setiap hari selama 10 hari.
Adapun bagan pengukuran intensitas emisi dapat dilihat pada Gambar 3.3.
Langkah-langkah yang dilakukan yaitu :
a) Melakukan persiapan awal untuk pengukuran intensitas emisi dan menyiapkan larutan yang akan dikarakterisasi.
b) Memasukkan 3 ml larutan ke dalam kuvet, dan menempatkannya pada dudukan kuvet.
c) Menyalakan laser ultraviolet dan membuka software Ocean Optics di komputer.
d) Data spektrum yang diperoleh diolah menggunakan aplikasi OriginPro8.
Gambar 3.3 Bagan pengukuran intensitas emisi
3. Karakterisasi Ikatan Karbon CDs Menggunakan Fourier Transform InfraRed (FTIR).
Pada karakterisasi ini, ke enam jenis CDs diuji untuk mengetahui ikatan karbon yang dikandung. Proses preparasi sampel untuk pengujian FTIR, yaitu:
a) Menyiapkan CDs DMK, CDs DMS, CDs DGK, CDs DPK, CDs DPS, dan CDs DGS dalam bentuk padatan berupa bubuk.
b) Mengkarakterisasi sampel menggunakan FTIR.
4. Karakterisasi Ukuran CDs Menggunakan Transmisi Electron Microscopy (TEM).
Untuk pengujian ini empat jenis CDs dari enam jenis diuji untuk mengetahui ukuran partikelnya. CDs yang diuji ialah CDs DMK, CDs DMS, CDs DGK, dan CDs DGS. Proses preparasi sampel untuk pengujian TEM, yaitu :
a) Menyiapkan CDs DMK, CDs DMS, CDs DGK, dan CDs DGS murni dalam bentuk larutan sebanyak 1 ml.
b) Mengkarakterisasi sampel menggunakan TEM.
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN IV.1 Sifat Optik CDs
Sintesis CDs menggunakan metode radiasi microwave dengan bahan dasar sampah organik berhasil dilakukan. Sintesis ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik CDs, dan potensinya sebagai katalisastor dalam mendegradasi polutan organik metilen biru (MB). Karakteristik berupa spektrum absorbansi, emisi, ukuran partikel, struktur permukaan, band gap dan efisiensi degradasi berhasil didapatkan. Sifat fisis warna CDs menunjukkan warna coklat menuju kuning hingga putih jernih yang ditunjukkan pada Gambar 4.1.
Gambar 4.1 Larutan CDs (a) DMK (Daun Mangga Kering) (b) DMS (Daun Mangga Segar) (c) DPK (Daun Palem Kering) (d) DPS (Daun Palem Segar) (e)
DGK (Daun Glodokan Tiang Kering) (f) DGS (Daun Glodokan Tiang Segar) IV.1.1 Ukuran Partikel dan Struktur Permukaan CDs
Ukuran partikel CDs ditunjukkan pada Gambar 4.2 dari data tersebut dapat dilihat bahan CDs berbentuk bola dengan ukuran partikel ditunjukkan pada Tabel 4.1. CDs DMS memiliki rata-rata diameter partikel paling besar (31,30 nm), sedangkan rata-rata diameter terkecil ditunjukkan oleh CDs DMK (2,38 nm).
Berdasarkan efek kuantum, akan terjadi penurunan besar band gap dikarenakan peningkatan ukuran partikel [3].
Berdasarkan penelitian sebelumnya partikel CDs berbentuk bola dengan ukuran beragam bergantung pada teknik sintesis dan jenis prekursor yang
digunakan [5, 7, 11, 13]. Pada penelitian Yujin Choy, dkk. (2016) menggunakan radiasi microwave menunjukkan ukuran partikel CDs pada rentang 5 – 10 nm [13], hal serupa dilaporkan oleh Guili He, dkk. (2017) ukuran partikel CDs pada rentang 1 – 4 nm [12].
Gambar 4.2 Data TEM (a) CDs DMK (b) CDs DMS (c) CDs DGK (d) CDs DGS
Tabel 4.1 Ukuran partikel CDs No Jenis Ukuran Partikel
(nm)
Diameter Rata-Rata (nm)
1 CDs DMS 16,40 – 39,70 31,30
2 CDs DGS 6,13 – 17,20 11,00
3 CDs DGK 3,92 – 15,00 9,15
4 CDs DMK 1,37 – 3,56 2,38
Gambar 4.3 Data FTIR (a) CDs DGK (b) CDs DGS (c) CDs DMK (d) CDs DMS (e) CDs DPK (f) CDs DPS
Spektrometer FTIR digunakan dalam menentukan ikatan grup fungsional pada CDs. Berdasarkan Gambar 4.3, spektrum FTIR menunjukkan puncak terukur pada 614, 1068, 1449, 1640, 2855, dan 2927 . Puncak 3383 menunjukkan terdapat ikatan O – H [4, 11, 22, 33] dan N – H [4] yang muncul dalam bentuk getaran ulur [4], selain itu adanya ikatan O – H ini mengindikasikan CDs masih mengandung molekul air [11]. Enam puncak lainnya mengindikasikan jenis ikatan karbon yang terbentuk, yakni: 2927 dan 2855 mengindikasi ikatan C – H [4, 5, 11, 33], 1640 menunjukkan ikatan C = O
[4, 11, 33] dan dapat pula berupa ikatan N – H [4], 1449 ikatan C – N [4], dan 1068 ikatan C – O [4, 11, 33] yang kesemuanya dalam bentuk getaran ulur [4, 11], sedangkan 614 mengindikasi ikatan C = O [4, 11, 33] dalam getaran tekuk [11].
Hasil ini mengindikasikan peran ikatan karbon, nitrogen, hidrogen, dan oksigen dalam mempengaruhi struktur permukaan CDs. Banyaknya ikatan nitrogen dan hidrogen yang terbentuk dapat mempengaruhi besar band gap [3].
Hal ini dikarenakan nitrogen dapat menciptakan level energi baru pada permukaan CDs [3].
Pada Gambar 4.3 (c) dapat dilihat terjadi anomali spektrum pada CDs DMK, hal ini disebabkan pada saat pengambilan data sampel CDs DMK spektormeter FTIR yang digunakan terjadi down sementara. Tetapi data tersebut masih dapat mengindikasikan bahwa CDs DMK mengandung ikatan grup fungsional, walaupun puncaknya bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih kecil.
IV.1.2 Spektrum Absorbansi dan Fluoresensi CDs
Sifat absorbansi CDs diukur menggunakan spektrometer UV-Vis (Ocean Opics MAYA 2000 Pro). Spektrum absorbansi CDs ditunjukkan pada Gambar 4.4 (a). Pada gambar dapat dilihat bahwa CDs DPS, DPK, DMS, DMK, DGS, dan DGK berturut-turut menunjukan spektrum absorbansi pada rentang panjang gelombang 298 – 348 nm, 297 – 362 nm, 299 – 369 nm, 299 – 398 nm, 297 – 322 nm, dan 298 – 339 nm dengan intensitas absorbansi tertinggi terukur pada CDs DMK. Hal ini menunjukkan CDs memiliki absorbansi pada daerah ultraviolet dan sesuai dengan penelitian sebelumnya yang menunjukkan bahwa spektrum absorbansi CDs terukur pada panjang gelombang 260 – 550 nm [1, 10, 25, 34].
Spektrum absorbansi pada daerah ultraviolet berhubungan dengan adanya senyawa terkonjugasi pada struktur CDs dan daerah tersebut juga menunjukkan adanya mekanisme transisi elektronik di dalam orbital π aromatik [10] dapat berupa ikatan transisi , transisi atau lain sebagainya [11, 18]. Spektrum absorbansi CDs juga menunjukkan adanya
pergeseran daerah panjang gelombang maksimal, hal ini disebabkan karena adanya perbedaan struktur permukaan CDs. Sedangkan perbedaan intensitas absorbansi maksimal terukur menunjukkan banyaknya CDs yang terbentuk.
Gambar 4.4 Spektrum (a) absorbansi (b) emisi pengukuran menggunakan spektrometer UV-Vis
Spektrum emisi CDs dapat dilihat pada Gambar 4.4 (b), saat disinari dengan laser ultraviolet, CDs terlihat berpendar. Pendaran terjadi karena adanya pembangkitan elektron yang mendapatkan energi dari sinar ultraviolet. Energi ini
akan menyebabkan terjadinya fenomena eksitasi berupa loncatan elektron dari pita valensi ke pita konduksi pada keadaan tertentu elektron selanjutnya akan kembali mengisi kekosongan yang semula ditinggalkan, hal inilah yang menyebabkan pelepasan energi berupa pemancaran cahaya gelombang elektromagnetik [18].
Pada Gambar 4.4 (b) dapat dilihat spektrum emisi yang dihasilkan CDs berada pada panjang gelombang 450 – 650 nm pada spektrum warna hijau-kuning, dengan intensitas emisi tertinggi terukur berturut-turut pada CDs DMK, DPK, DPS, DGK, DGS, dan DMS. Hal ini terjadi karena adanya perbedaan ukuran dari nano partikel (efek kuantum), dimana semakin kecil ukuran partikel maka intensitas emisi akan semakin besar. Selain itu, besar pemancaran energi oleh permukaan CDs dapat diasosiasikan sebagai derajat oksidasi yang berkaitan dengan ikatan OH pada permukaan CDs [18].
Selain sifat fluoresensi CDs, spektrum emisi juga menunjukkan adanya dua puncak lain yang terukur pada CDs. Kedua puncak ini merupakan unsur klorofil yang masih terdapat pada sampel CDs. Klorofil terukur pada panjang gelombang 650 – 700 nm dan 719 – 738 nm, dengan intensitas tertinggi terukur pada panjang gelombang 675,61 nm dan 728,41 nm.
IV.1.3 Band Gap CDs
Besarnya energi gap dapat diperoleh dari panjang gelombang pemotongan spektrum absorbansi CDs,grafik spektru absorbansi berdasarkan besar energy gap ditunjukkan pada Gambar 4.5. Dengan menggunakan metode Tauc Plot seperti pada persamaan (1). Didapatkan band gap CDs DPS sebesar 3,03 eV, DPK 2,90 eV, DMS 2,98 eV, DMK 2,75 eV, DGS 3,18 eV, dan DGK sebesar 3,02 eV.
Hasil ini menunjukkan besar band gap yang terukur lebih besar dibandingkan penelitian sebelumnya yang menunjukkan energi gap CDs sebasar 2,40 eV [25], penelitian serupa juga menunjukkan besar energi gap yang terukur dari CDs daun tembakau kering berkisar antar 2,25 eV – 2,70 eV [10].
Gambar 4.5 Spektrum absorbansi terhadap enegi gap CDs IV.2 Spektrum Absorbansi Metilen Biru
Spektrum absorbansi dan emisi MB diukur menggunakan spektrometer UV-Vis (Ocean Opics MAYA 2000 Pro), ditunjukkan pada Gambar 4.6. Spektrum absorbansi MB terukur pada 525 – 700 nm sesuai dengan penelitian sebelumnya yang melaporkan rentang spektrum absorbansi MB pada 550 – 675 nm [15], dengan intensitas tertinggi terukur pada panjang gelombang 661,27 nm. Hasil ini sesuai dengan penelitian sebelumnya yang melaporkan intensitas absorbansi tertinggi MB terukur pada panjang gelombang 660 – 665 nm [27, 30, 35].
Gambar 4.6 Spektrum absorbansi MB
IV.3 CDs sebagai Katalisator Metilen Biru
Berdasarkan analisis dan sifat optik yang ditunjukkan, maka CDs dalam ranah aplikatif merupakan salah satu material semikonduktor yang berpotensi digunakan sebagai katalisator. Katalisator dapat berupa fase gas maupun koloid.
Dalam penelitian ini CDs sebagai katalisator (fase koloid) yang dilarutkan ke dalam larutan MB dengan pebandingan 1:4.
Proses fotodegradasi dapat dijelaskan ke dalam tiga tahapan besar, yaitu proses difusi, absorbansi, dan desorption [26]. Proses difusi dalam fase koloid merupakan proses awal yang terjadi, berlangsung pada permukaan fotokatalis sebelum dilakukan penyinaran/ penambahan energi [35]. Penurunan persentase MB pada proses difusi ini dapat dilihat pada Gambar 4.7. Pada gambar tersebut dapat dilihat bahwa CDs DMK menunjukkan jumlah penurunan intensitas MB tebesar (37,95 %), kemudian diikuti berturut-turut CDs DGS, DPS, DPK, DMS, dan DGK. Kemampuan difusi ini dipengaruhi oleh struktur dan luas permukaan CDs. Semakin besar luas permukannya maka semakin besar persentase difusi yang terukur [26].
Gambar 4.7 Persentase difusi (a) MB murni (b) MB+CDs DPS (c) MB+CDs DPK (d) MB+CDs DMS (e) MB+CDs DMK (f) MB+CDs DGS
(e) MB+CDs DGK
(a) (b) (c) (d) (e) (f) (g)
Setelah proses difusi, reaksi selanjutnya yang terjadi adalah proses absorbansi, yakni proses transfer elektron antara karbon hidroksil MB dan CDs sebagai semikonduktor, biasanya disebut dengan reaksi redoks. Pada tahapan ini, sampel disinari dengan cahaya matahari selama 4 jam setiap harinya dalam 10 hari sebagai pemberi energi. Selanjutnya, dari reaksi redoks akan terjadi proses desorption, yaitu proses pelepasan kembali ion yang telah berikatan dengan MB [26]. Sehingga, didapatkan persentase degradasi MB optimum seperti ditunjukkan pada Gambar 4.7.
Pada Gambar 4.8 dapat dilihat bahwa CDs DMS menunjukkan persentase degradasi tertinggi sebesar 57,85 %. Sedangkan untuk persentase degradasi optimum dan waktu radiasi yang diperlukan tiap larutan hingga mencapai titik jenuh ditunjukkan pada Tabel 4.2.
Tabel 4.2 Persentase degradasi metilen biru
No Jenis Larutan Hari Ke-n Degradasi Optimum (%)
1 MB + CDs DMS 6 57,85
2 MB + CDs DPS 9 52,15
3 MB + CDs DGK 10 48,40
4 MB + CDs DPK 10 47,40
5 MB + CDs DGS 4 46,30
6 MB + CDs DMK 7 45,30
7 MB 3 7,85
Gambar 4.8 Persentase degradasi (a) MB+CDs DGK (b) MB+CDs DGS (c) MB+CDs DMK (d) MB+CDs DMS (e) MB+CDs DPK (f) MB+CDs
DPS (g) MB murni
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN V.1 Kesimpulan Penelitian
Berdasarkan hasil penelitian ini dapat ditarik beberapa kesimpulan, yaitu:
1. Sintesis CDs dari sampah organik berupa daun mangga, daun glodokan tiang, dan daun palem dengan menggunakan metode radiasi microwave berhasil dilakukan. Hal ini ditunjukkan dari ukuran partikel terukur pada rentang 2 – 30 nm.
2. Sifat optik CDs dapat diketahui, berupa spektrum absorbansi rata-rata pada panjang gelombang 290 – 350 nm, dan emisi pada rentang 450 – 650 nm.
3. Berdasarkan perhitungan band gap, CDs dapat digolongkan sebagai material semikonduktor yang berpotensi digunakan sebagai katalisator dalam proses degradasi metilen biru. Dengan efektifitas degradasi hingga 57,85 % dengan penambahan CDs DMS dibawah radiasi ultraviolet sinar matahari langsung, selama 6 hari ( 4 jam/ hari).
V.2 Saran Peneltian
Selanjutnya perlu dilakukan penelitian lebih lanjut dengan memvariasikan lama waktu radiasi microwave, untuk mendapatkan CDs dengan ukuran homogen.
Variasi pH, waktu radiasi sinar ultraviolet, dan konsentrasi katalisator juga perlu dikaji sehingga didapatkan performa optimum dari CDs sebagai katalisator tunggal.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Z. Peng, dkk. “Carbon Dots: Biomacromolecule Interaction, Bioimaging and Nanomedicine”. Coordination Chemistry Reviews ELSEVIER, Vol. 343, : 256-277, 2017.
[2] P. Namdari, dkk. “Synthesis, Properties and Biomedical Applications of Carbon-Based Quantum Dots : An Update Review”. Biomedicine and Pharmacotherapy ELSEVIER, Vol. 87, : 209-222, 2017.
[3] M. Tuerhong, dkk. “Review on Carbon Dots and Their Applcations”.
Chinese Journal of Analytical Chemistry, Vol. 45, No.1 : 139-150, 2017.
[4] M. M. Fahad, dkk. “Bright Carbon Dots as Fluerescence Sensing Agents for Baceria and Curcumin”. Journal of Colloid and Interface Science ELSEVIER, Vol. 501, : 341-349, 2017.
[5] X. Huo, dkk. “Modified Facile Synthesis for quantitatively Fluorescent Carbon Dots”. Carbon ELSEVER, Vol. 122, : 389-394, 2017.
[6] X. Sun, dkk. “Fluorescent Carbon Dots and Their Sensing Applications”.
Trends in Analytical Chemistry ELSEVIER, Vol. 89, : 163-180, 2017.
[7] H. Yang, dkk. “A Portable Synthesis of Water-Soluble Carbon Dots for zhighly sensitive and Selective Detection of Chlorogenic Acid Based on Inner Filter Effect”. Specrokimia Aca Part A: Molekullar and Biomolecular Spectroscopy ELSEVIER, Vol. 189, : 139-146, 2017.
[8] J. Wang, dkk. “Synthesis, Characterization and Cells and Tissues Imaging of Carbon”. Optical Materials ELSEVIER, Vol. 72, No.: 15-19, 2017.
[9] Q. Zhang, dkk. “Degradasion of Indometacine by Simulated Sunlight Actived CDs-Loaded BiPO4 Photocatalyst: Roles of Oxidative Species”.
Applied Catalysis B: Environmental ELSEVIER, Vol. 221, : 129-139, 2017.
[10] A. R. C. Dewi, dkk. “Absorbance Spectrum Carbon Nanodots (C-Dots) Daun Tembakau”. Seminar Nasional Fisika SNF 2016, Jakarta, Oktober 2016.
[11] A. Kumari, dkk. “Synthesis of Green Fluorescent Carbon Quantum Dots Using Waste Polyolefins Residu for Cu2+ Ion Sensing and Live Cell
Imaging”. Sensor and Actuator B: Chemical ELSEVIER, Vol. 254, : 197- 205.
[12] G. He, dkk. “Microwave Formation and Photoluminescence Mechanisms of Multi-State Nitrogen Doped Carbon Dots”. Applied Surface Science ELSEVIER, Vol. 422, : 257-265, 2017.
[13] Y. Choi, dkk. “Microwave-Assisted Synthesis of Lumnescent and Biocompatible Lysine-Based Carbon Quantum Dots”. Journal of Industrial and Engineering Cemistry ELSEVIER, : 1-7, 2016.
[14] J. Zhang, dkk. “The Sinthesis of Rhodium/ Carbon Dots Nanoarticles and Its Hydrogenation Application”. Applied Surface Science ELSEVIER, Vol.
396, : 1138-1145, 2016.
[15] I. A. G. Widihati, dkk. “Fotodegradasi Metilen Biru dengan Sinar UV dan Katalis ”. Jurusan Kimia FMPA Universitas Udayana, : 31-42, 2016.
[16] Y. D. Sintayehu, dkk. “Optical Photocatalytic Degradation of Methylene Blue Using Lignocellulose Modified ”. International Journal of Photohemistry and Photobiology, Vol. 2, No. 3 : 81-84, 2017
[17] D. I. Anwar, dkk. “Synthesis of Composite as a Photocatalyst for Degradation of Methylene Blue”. International Seminar on Chemistry 2014 ELSEVIER, No. 17 : 49-54, 2015.
[18] Y. Wang, dkk. “Carbon Quantum Dots: Synthesis, Properties, and Applications”. Journal of Materials Chemisstry C, Vol. 2, : 6921-6959, 2014.
[19] M. Gholinejad, dkk. “Green Synthesis of Carbon Quantum Dots from Vanillin for Modification of Magnetite Nanoparticles and Formation of Palladium Nanoparticles: Efficient Catalysts for Suzuki Reaction”.
Tetrahedron ELSEVIER, 2016.
[20] F. Duo, dkk. “Enchanced Visible Light Photocatalytic Activity and Stability of Composite: The Upconverson Effect of ”. Journalof Alloys and Compounds ELSSEVIER, Vol. 685, : 34-41, 2016.
[21] G. Chen, dkk. “A Novel Noble Metal-Free- Composite Photocatalyst for Evolution Under Visible Light Irradiation”. Catalysis Communications ELSEVIER, Vol. 45, : 51-54, 2013.
[22] Y. Gong, dkk. Band Gap Measurement. OpenStax-CNX Modules: m43554, http://creativveecommons.org/licenses/by/3.0/. 13 Desember 2017, 13:15:12 WIB.
[23] J. Dharma, dkk. Simple Method of Measuring The Band Gap Energy Value of in The Power Form Using a UV/Vis/NIR Spectrometer.
PerkinElmer. USA.
[24] Z. Khefacha, dkk. “The Band Gap Energy Calculated for Quantum Dots Grown by The Sol Gel Method”. International Journal of Applied Chemistry, Vol. 12, No. 4 : 573-579, 2016.
[25] N. Soltani, dkk. “Visible Light-Induced Degradation of Methylene Blue in The Presence of Photocatalytic ZnS and CDs Nanoparticles”. Int. J. Mol.
Sci, Vol. 13, :12242-12255, 2012.
[26] M. Petit, dkk. “An Introduction to Photocatalysis Through Mmethylene Blue Photodegradation”. HAL archives-ouvertes, 2016.
[27] J. Yao, dkk. “Decolorization of Methylene Blue with Sol Via UV Irradiation Photocatalytic Degradation”. Internatiioonal Journal of Photoenergy, 2010.
[28] H. A. Jassim, dkk. “Photo Catalytic Deegradation of Methylene Blue by Using CuO Nanoparticles”. International Journal o Computation and AppliedSsciences IJOCAAS, Vol. 1, No. 3 : 2399-4509.
[29] R. M. Mohamed, dkk. “Photocatalytic Degradation of Methylene Blue by Nanoparticles Under Visiblelight”. Journal of Nanotechnology, 2012.
[30] H. Hasssena. “Photocatalyti Degradation of Methylene Blue by Using Nano Composite Under Visible Light”. Modern Cheemistry
& Applicaions, Vol.4, No. 1 : 1-4, 2015.
