Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIV HFI Jate

(1)

ISSN 0853 - 0823

SINTESA DAN KARAKTERISASI SIFAT STRUKTUR NANO PARTIKEL

Fe

3-X

Mn

X

O

4

DENGAN METODE KOPRESIPASI

Abdulloh Fuad, Renik Wulansari, Ahmad Taufiq, Sunaryono

Jurusan Fisika Universitas Negeri Malang, Jl. Semarang 5 Malang, email: [email protected]

INTISARI

Partikel nano Fe3-xMnxO4 (0 ≤ x ≤ 1) telah disintesa dengan metode kopresipitasi dari bahan alam pasir besi Fe3O4.

Keunggulan metode ini dapat dilakukan pada suhu rendah ( < 100o_{C ), waktu relatif cepat, serta dengan peralatan yang}

sederhana. Penelitian ini bertujuan untuk mensintesis nano-partikel Fe3-xMnxO4, dan menguji sifat strukturnya. Bahan-bahan yang

digunakan dalam penelitian ini adalah pasir besi dari Tulungagung, HCl (PA 99.9%), NH4OH (PA 99.9%), MnCl2.4H2O (PA

99.9%). Karakterisasi kandungan unsur-unsur bahan dilakukan dengan menggunakan XRF (Minipal-4). Sedangkan pengujian sifat struktur dilakukan dengan XRD (X’Pert Pro). Hasil pengujian XRD selanjutnya diolah dengan bantuan software, Rietveld,

GSAS, Convert dan EXPGUIuntuk mendapatkan informasi parameter kisi, posisi atomik, jarak atom terdekat dan sudut antar atom. Hasil penelitian menunjukkan bahwa besarnya Parameter kisi a, b, dan c serta volume kisi partikel nano Fe3-xMnxO4 (0 ≤ x

≤ 1) meningkat sesuai dengan kenaikan doping x. Hal ini terjadi karena jari-jari ion Mn2+_{(0.80A) lebih besar dibandingkan}

jari-jari ion Fe 3+_{(0.63A) mengakibatkan jarak antar atom semakin kecil, gaya tarik Fe}3+_{semakin kuat, elektron Mn}2+_semakin

mudah terlepas dari inti.

Kata Kunci: Struktur Kristal, kopresipitasi, Partikel Nano

I. PENDAHULUAN

Mineral oksida besi magnetit (Fe3O4) masih terus diteliti dan dikembangkan secara intensif hingga kini. Oksida besi dapat ditemukan secara mudah pada banyak material seperti mill scale dan pasir besi. Keberadaan pasir besi yang terdistribusi secara luas serta jumlahnya melimpah di Indonesia menjadi daya tarik secara ekonomi.

Magnetite (Fe3O4) memiliki berbagai macam aplikasi antara lain di bidang biomedis, absorbent, dan katalis. Bakar dkk (2007). Para peneliti juga mengembangkan pendopingan terhadap Fe3O4. Hal ini diharapkan agar memperoleh bahan baru dengan sifat yang lebih baik dari sebelumnya.

Dalam penelitian ini telah dikembangkan metode fabrikasi partikel nano Fe3-xMnxO4 dengan metode kopresipitasi. Hal yang menarik dalam penelitian ini adalah penggunaan pasir alam dari Tulungagung sebagai bahan dasar magnetite Fe3O4. Berangkat dari uraian di atas, maka peneliti tertarik untuk melakukan penelitian dengan judul “Sintesa dan karakterisasi partikel Nano Fe3-xMnxO4 dengan metode kopresipitasi”.

II. TINJAUAN PUSTAKA

II.1. Pasir Besi

Pasir besi adalah sumber daya alam yang sangat berlimpah di Indonesia, khususnya di Pulau Jawa. Salah satu kajian yang menarik dari pasir besi adalah penelitian struktur Kristal dan sifat kemagnetanya. Kandungan pasir besi pada pasir alam sangat potensial dan memiliki nilai ekonomis tinggi. Oleh karena itu perlu diteliti pemanfaatan lebih lanjut pasir besi pada bidang material science.

Sampai saat ini pemanfaat pasir alam di Indonesia sangat terbatas sebagai bahan bangunan. Harganyapun sangat rendah Rp. 10.000,-/m3. Jika diolah melalui pemisahan kadar Fe3O4 nya, harganya bisa meningkat menjadi Rp. 100.000,- /kg. Pemanfaatan lain dalam material science adalah ferrofluida dan ferrogel.

Dalam pembuatan ferrofluida, pasir besi diekstrak menggunakan bahan magnet. Pasir besi yang menempel pada magnet dihaluskan dan ekstral ulang menggunakan magnet. Selanjutnya proses ini diulang sekitar 3 kali. Akan diperoleh Fe3O4 dengan kemurnian sekitar 80%. Langkah berikutnya adalah pembuatan Fe3O4 dalam ukuran nanopartikel. Untuk memperoleh Fe3O4 nanopartikel digunakan metode kopresipitasi.

II.2. Oksida Besi Magnetite (Fe3O4)

(2)

Gambar 1. Struktur spinel Fe3O4 berdasarkan ICSD dengan kode 30860

Saat ini para peneliti telah memfokuskan penelitiannya tentang Fe3O4. Penulis memfokuskan penelitiannya pada peningkatan sifat magnetnya. Oleh karena itu penulis melaporkan tentang hasil pendopingan Mn pada Fe3O4. Pendopingan Mn pada Fe3O4 dinyatakan dalam persamaan reaksi Fe 3-xMnxO4. Fokus dari penelitian ini adalah memperoleh bahan nanopartikel Fe3-xMnxO4.

II.3. Besi-Mangan Oksida (Fe3-xMnxO4)

Oksida besi magnetit (Fe3O4) merupakan struktur spinel dengan ion-ion logam bervalensi ganda. Menurut Wichkam (1969) komposisi dan distribusi muatan pada Fe3-xMnxO4 dapat dijabarkan sebagai berikut.

Mnx2+Fe1-x3+[Fe1-x2+Fe1+x3+]O4

Oktahedral

Tabel 1. Distribusi ion-ion Fe dan Mn serta sifat spinel Fe3-xMnxO4

X Bahan Distribusi Spinel Sifat Spinel

0,0 Fe3O4 Fe3+[ Fe2+ Fe3+]O4 Invers

0,2 Fe2,8Mn0,2O4 Mn0,22+Fe0,83+[ Fe0,82+Fe1,23+] O4 Campuran

1,0 FeMnO4 Mn2+[Fe23+] O4 Normal

III. METODE PENELITIAN

Pada penelitian ini telah dilakukan sintesa bahan Fe3-xMnxO4 dengan metode kopresipitasi. Metode ini menggunakan asam clorida sebagai asam kuat untuk melarutkan bahan dasar pasir besi. Pada reaksi ini dihasilkan larutan FeCl3. Proses pendopingan Mn dilakukan dengan pencampuran MnCl2.4H2O. Untuk mengendapkan larutan, digunakan NH4OH.

Berdasarkan reaksi kimia, untuk pembuatan Fe3-xMnxO4 dengan menggunakan metode kopresipitasi dapat dilakukan seperti persaman-persamaan reaksi berikut.

Fe + 2HCl → FeCl2 + H2 2Fe + 6HCl → 2FeCl3 + 3H2

2FeCl3 + FeCl2 + xMnCl2.4H2O + 8NH4OH → Fe3-xMnxO4 + 8NH4Cl + 4H2O

(3)

ISSN 0853 - 0823

Gambar 2. Diagram alur penelitian

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

IV.1. Hasil Uji XRF

Setelah bahan telah berhasil disintesis diperoleh partikel nano Fe3-xMnxO4 (0 ≤ x ≤ 1). Untuk mengetahui berapa persen unsur Fe dan Mn yang terdapat dalam partikel Fe3-xMnxO4 (0 ≤ x ≤ 1) digunakan uji XRF. Sebagaimana pada tabel 2.

Diekstrak dengan magnet

permanen

Diekstrak dengan magnet

permanen

Analisis Data dan Pembahasan

Karakterisasi Karakterisasi Karakterisasi Karakterisasi

(4)

Tabel 2. Hasil uji XRF ( X-Ray Flouresence)

Dari hasil uji XRF di atas dapat dilihat bahwa pendopingan Mn dapat masuk pada Fe3O4, meskipus fraksi molarnya terdapat perbedaan dari persamaan reaksinya.

IV.2. Hasil Uji XRD

Analisis search match untuk semua sampel 0 ≤ x ≤ 1 menghasilkan pola difraksi yang sama dengan pola difraksi Fe3O4 yang memiliki no PDF 11-0614 tanpa ada fasa yang lain. Hasil pengukuran kurva XRD dapat dilihat pada Gambar 3.

Gambar 3. Kurva hasil pengukuran XRD (diukur di Lab. Sentral FMIPA UM)

Dari Grafik XRD di atas dapat diketahui kualitas kristal dengan menghitung nilai FWHM. Kurva FWHM sebagai fungsi fraksi molar x, ditunjukkan pada Gambar 4.

(5)

ISSN 0853 - 0823

Berdasarkan Gambar 4 menunjukkan bahwa nilai FWHM untuk Fe3O adalah 0.650°A. Nilai FWHM cenderung mengalami penurunan pada x=0.2 yaitu 0.470°A. Selanjutnya mengalami peningkatan peningkatan berturut-turut untuk untuk variasi x semakin besar. Nilai FWHM terbesar pada x=1 yaitu 0.935°A. Hal ini menunjukan bahwa pada x=0,2 terjadi pembentukan kristal dengan grain terbesar.

IV.3. Data Hasil Penghalusan

Dari hasil penghalusan data XRD diperoleh nilai parameter kisi dan volume kristal partikel nano Fe3-xMnxO4 sebagai variasi fraksimolar x, ditunjukkan pada Tabel 3.

Tabel 3. Parameter Kisi Fe3-xMnxO4 Hasil Penghalusan

Parameter Variasi x

Jarak antar atom terdekat dari struktur Fe3-xMnxO4 untuk berbagai variasi x, ditunjukkan pada tabel 4.

Tabel 4. jarak atom terdekat dengan variasi x

Jarak atom variasi x

Terdekat ( oA) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Fe3_O (1) 1.8848 1.8861 1.8860 1.8872 1.8870 1.8882

Fe3_O (2) 2.0589 2.0603 2.0601 2.0615 2.0619 2.0625

Fe2_O 2.0589 2.0603 2.0601 2.0615 2.0619 2.0625

Mn_O - 2.0603 2.0601 2.0615 2.0619 2.0625

Mn_Fe3 - 2.9684 2.9682 2.9702 2.2699 2.9716

Mn_Fe2 - 2.9684 2.9682 2.9702 2.2699 2.9716

Mn_Mn - 2.9684 2.9682 2.9702 2.2699 2.9716

Berdasarkan Tabel 4 dapat dilihat bahwa jarak antar atom Fe3_O(1) dan Fe3_O(2) meningkat dengan bertambahnya nilai x. Perubahan fraksi mol x berpengaruh pada jarak atom Fe3_O(2) mengalami perubahan. Jarak atom Fe3_O(1) terdekat diperoleh pada x = 0 yaitu sebesar 1.8848 Å dan jarak paling jauh diperoleh pada x = 1 yaitu sebesar 1.8882Å. Jarak atom Fe3_O(2) terdekat diperoleh pada x = 0 yaitu sebesar 2.0589Å dan jarak paling jauh diperoleh pada x = 1 yaitu sebesar 2.0625Å.

Dalam penelitian ini sudut antar atom terdekat juga diteliti. Hasil perhitungan sudut antar atom terdekat ditunjukkan pada Tabel 5.

Tabel 5. Sudut antar atom terdekat terhadap variasi x

Sudut atom variasi x

Terdekat ( oA) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

O_Fe3_O (1) 109.74 109.74 109.74 109.74 109.74 109.74

O_Fe3_O (2) 87.78 87.78 87.78 87.78 87.78 87.78

O_Fe3_O (3) 179.96 179.96 180.00 179.96 180.00 179.96

O_Fe3_O (4) 92.21 92.21 92.21 92.21 92.21 92.21

O_Fe2_O (1) 87.78 87.78 87.78 87.78 87.78 87.78

(6)

Sudut atom variasi x

Berdasarkan Tabel 5 dapat dilihat bahwa sudut antar atom untuk O_Fe3_O(1) dan O_Fe3_O(2) bernilai konstan . Sudut antar atom O_Fe3_O (1) diperoleh nilai sebesar 109.7410 A dan Sudut antar atom O_Fe3_O (2) diperoleh nilai sebesar 87.78400A.

IV.4. Ukuran Kristal

Ukuran kristal suatu fasa dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Scherrer yaitu:

θ

ave merupakan ukuran kristal, k merupakan konstanta, Bo merupakan (Full Width Half Maximum,

FWHM) dan θ merupakan sudut difraksi, dimana grafik ditunjukkan pada Gambar 5.

Gambar 5. Grafik ukuran kristal serbuk Fe3-xMnxO4 terhadap variasi x yang disentesis dengan metode kopresipitasi

V. KESIMPULAN

Berdasarkan analisis data dan pembahasan di atas dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Struktur kristal partikel nano Fe3-xMnxO4 (0 ≤ x ≤ 1) adalah stuktur kubik yang sperik.

2. Ukuran kristal partikel nano Fe3-xMnxO4 terendah dimiliki oleh x = 1 yaitu sekitar 3.87 nm dan terbesar oleh x = 0.2 yaitu sekitar 8.53 nm.

3. Parameter kisi dan Volume kisi partikel nano Fe3-xMnxO4 (0 ≤ x ≤ 1) semakin meningkat yaitu naik secara linier seiring dengan kenaikan doping x. Hal ini terjadi karena jari-jari ion Mn2+ (0.80oA) lebih besar dibandingkan jari-jari ion Fe 3+ (0.63oA) mengakibatkan jarak antar atom semakin kecil, gaya tarik Fe 3+ semakin kuat, elektron Mn2+ semakin mudah terlepas dari inti.

VI. DAFTAR PUSTAKA

Bakar M. Abu, W.L. Tan, N.H.H. Abu Bakar. 2007.Journal of Magnetism and Magnetic Materials 314 Vol 1-6.

(7)

ISSN 0853 - 0823

Cullity B.D. 1972. Introduction to Magnetic Material. USA. Addison Wesley.

Gnanaprakash. G, S. Mahadevan, T. Jayakumar, P. Kalyanasundaram, J. Philip, B. Raj, Materials

Chemistry and Physics 103 (2007) 168–175.

Gamos J.A., M.H. Sousa, F.A. Tourinho, J. Mestnik-Filho, R. Itri, J.Depeyrot. 2005. Journal of

Magnetism and Magnetic Materials 289 184-187.

Iida H, K. Takayanagi, T. Nakanishi, T. Osaka, Journal of Colloid and Interface Science 314 (2007) 274–280.

Li-Xia Yang, et.al. 2006. Low Tempeature Synthesis Of Mn3O4 Polyhedral Nanocrystals And Magnetic

Study. Journal of Solid State Chemistry vol 179, Elsevier.

Moskowitz, B, M. 1991. Hitchhiker's Guide to Magnetism in enviromental magnetism Workshop. University of Minnesota. 5 – 8 June 1991.

Munaji. 2008. Pembuatan Ferogel Berbasis Partikel Nano Ferit Fe3O4. Tugas Akhir. Jurusan Fisika

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya.

Pratapa. S. 2004. Analisis Rietveld. Jurusan Fisika ITS. Surabaya.