Abstrak-Gas karbon monoksida adalah gas yang tidak berbau, tidak berwarna, tidak larut dalam air tetapi beracun. Sehingga diperlukan sebuah sensor gas untuk mendeteksi keberadaan tersebut.
Tujuan penelitian ini adalah untuk mempersiapkan material WO3 sebagai sensor gas CO. Untuk mensintesa nanomaterial WO3 ini digunakan metode sol gel disintesis dari prekursor tungsten hexaklorida (WCl6), etanol, dan amonium hidroksida (NH4OH). Gel dilapiskan di atas alumina dengan metode spin coating yang dilanjutkan dengan proses post hydrothermal dengan temperatur 160oC selama 12 jam. Karakterisasi struktur dan morfologi dari material dilakukan dengan Scanning Electron Microscope (SEM) dan X-Ray Diffraction (XRD). Luas permukaan aktif diukur dengan Brauner Emmet Teller (BET), dan untuk mengukur sensitivitas digunakan alat Potentiostat.
Dari hasil pengujian didapatkan struktur kristal yang terbentuk adalah monoclinic. Pada uji sensitivitas, diperoleh nilai sensitivitas terkecil pada temperatur 50oC dengan konsentrasi gas terkecil. Sensitivitas akan semakin meningkat pada temperatur 100oC.
Kata kunci: nano partikel, post hydrothermal, sol-gel, sensor gas CO, Tungsten Trioksida (WO3).
I. PENDAHULUAN
ARBON monoksida (CO) merupakan gas beracun, tidak berwarna, tidak berbau, tidak berasa dan tidak mudah larut di air. Gas CO dapat mengganggu kesehatan manusia, dan dampaknya bervariasi tergantung dari status kesehatan masing-masing. Gas CO antara lain dapat memperparah kelompok penderita gangguan jantung dan paru – paru, kelahiran prematur dan berat badan bayi dibawah normal, hingga menyebabkan kematian. Gas CO akan mengalir ke jantung, otak dan bagian vital lainnya. Ini akan mengakibatkan adanya ikatan CO dengan haemoglobin yang membentuk karboksihaemoglobin yang ikatannya jauh lebih dibandingkan dengan ikatan antara oksigen dan haemoglobin. Hal ini akan sangat berakibat fatal bagi kesehatan manusia, sehingga dari OSHA ( Occupational Safety and Health Administration ) menetapkan batas pemaparan gas karbon monoksida sebesar 35 ppm dengan waktu 8 jam/ hari kerja.
Sedangkan Pemerintah Republik Indonesia melalui peraturan Menteri Negara Lingkungan Hidup No. 05 tahun 2006 tentang ambang batas emisi gas buang kendaraan bermotor lama menetapkan bahwa ambang batas emisi karbon monoksida dari kendaraan bermotor adalah 4,5 -5,5
demikian berbahaya bagi kesehatan dan keselamatan manusia. Untuk mendeteksi secara dini terhadap keberadaan gas CO, maka diperlukanlah sensor yang sangat peka. Sensor ini dipasang di tempat – tempat yang memungkinkan ditemukannya gas CO.
Material metal oksida yang biasanya digunakan untuk pembuatansensor antara lain adalah TiO2, SnO2, ZnO, dan WO3. Dari berbagai jenis metal oksida tersebut, Tungsten trioksida (WO3) mempunyai karakteristik seperti mempunyai aspek rasio struktur yang tinggi, surface area yang besar, properti optikal, properti magnetik, serta properti elektronik. Sensor berbasis tungsten trioksida telah digunakan secara luas untuk mendeteksi gas beracun seperti H2S, CL2, CO, SO2, NOx dan lain–lain. Sensor yang berada di pasaran dan yang sudah mulai digunakan memilki harga yang cukup mahal. Karena itu dalam penelitian ini dibuat alternative pembuatan sensor yang memilki fungsi sebagai pendeteksi gas CO dan memiliki harga relatif murah karena sensor berbentuk thin film.
II. METODOLOGIPENELITIAN
Sintesa Tungsten Trioksida (WO3) untuk material sensor gas CO meliputi 2 mekanisme utama dalam pembentukannya yaitu proses sol dan gelasi. Namun sebelum 2 mekanisme tersebut berlangsung, pembuatan sample diawali dengan pembentukan prekursor, yakni bahan dasar yang nantinya akan mengalami proses pembentukan sol dan gelasi dari Tungsten Trioksida (WO3). Pada penelitian sebelumnya telah dilakukan proses sol-gel untuk menghasilkan gel Tungsten oxide. Tungsten (VI) Hexaklorida sebanyak 7 gram dicampur dengan kedalam 100 ml ethanol (C2H5OH) dan 0,5M NH4OH.10 mL Larutan diaduk dalam temperatur es selama 24 jam Setelah pengadukan selama 24 jam, maka larutan biru pekat yang dihasilkan kemudian dicuci dengan H2O.
Proses penuangan air dihentikan ketika ditetesi 0,1M perak nitrat (AgNO3) kepada endapan yang tidak mengalami perubahanwarna dan tidak terbentuk endapan putih.
PENGUKURAN SENSITIVITAS SENSOR GAS CO DARI
MATERIAL WO
3HASIL PROSES SOL GEL DAN POST
HYDROTHERMAL TERHADAP VARIASI KONSENTRASI DAN
TEMPERATUR OPERASI
Dhimas Kiki A, dan Diah Susanti
Jurusan Teknik Material dan Metalurgi, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh
Nopember (ITS)
Kampus ITS, Keputih, Surabaya 60111
E-mail: santiche@mat-eng.its.ac.id
Selesai dengan proses penambahan air dan gelasi, larutan kemudian akan di-centrifuge untuk memisahkan endapan dalam cairan yang dihasilkan. Larutan di-centrifuge selama 1 jam dengan kecepatan 2000 rpm. Setelah cairan terpisah dari endapannya, cairan dibuang dan endapan tersebut diambil dengan cara peptisasi.
Endapan dipeptisasi dengan menggunakan Ammonium Hidroksida (NH4OH) dan hasilnya ditambahkan 50 μL surfactant (Triton X-100. Akhir dari proses itu merupakan langkah terakhir dari proses sintesis Tungsten Trioksida (WO3) dengan menggunakan metode sol-gel.
Gambar 1. Proses sintesa sol-gel Tungsten Trioksida
Selanjutnya Tungsten Trioksida (WO3)yang telah menjadi gel dilapiskan di atas permukaan alumina berukuran 20 mm x 20 mm. Pelapisan ini dilkukan dengan cara spin coating selama 2 menit ( 30 detik pertama 500 rpm, selanjutnya 90 detik kemudian mulai dengan kecepatan 200 rpm ) dengan kecepatan putar 2000 rpm. Setelah proses coating selesai, sampel diberikan proses post hydrothermal pada temperatur 160oC selama 12 jam, di dalam autoclave Teflon yang dimasukkan dalam tabung stainless stell. Proses tersebut dilanjutkan dengan pengeringan pada temperatur 100oC selama 1 jam.
Selanjutnya pada kedua ujung alumina yang telah dilapisi dengan film WO3 tersebut di sputter dengan metal Pd-Au sebagai current collector. Setelah itu, sensor diuji sensitivitasnya yang berbeda pada temperatur sensor yaitu 300 C, 500 C, dan 1000 C dan konsentrasi gas CO sebesar 16,67 ppm, 28,89 ppm, 56,18 ppm, 112,36 ppm, dan 280,9 ppm. Pengujian sensitivitas bertujuan untuk mengetahui sensitivitas sensor hasil post hydrothermal terhadap temperatur sensor dan konsentrasi gas CO seperti yang ditunjukkan pada gambar 3. Sensor dimasukkan ke dalam chamber dan diletakkan di atas heater. Kedua ujung sensor yang telah di lapisi Pd-Au dihubungkan dengan kawat tembaga melalui penjepit ke alat potensiostat. Kemudian sensitivitasnya diukur dengan rumus :
S=(Rg-Ro)/Ro
Dimana S adalah sensitivitas sensor, Rg adalah resistansi setelah dialiri gas CO dan dinyatakan dalam ohm (Ω), dan Ro adalah resistansi sebelum dialiri gas CO dalam ohm (Ω).
Gambar 3. Proses pengujian sensitifitas
III. HASILDANPEMBAHASAN
Gambar 4 menunjukkan bahwa ketebalan lapisan film yang dihasilkan adalah 2 µm.
Gambar 5. Hasil thickness (ketebalan) film Tungsten
Trioksida
A. Hasil Uji XRD
Pengujian XRD dilaksanakan dengan menggunakan alat Philips Analytical. Pola XRD sebelum dilakukan pengujian gas CO menunjukkan orientasi Kristal (006) pada 2θ 41.77940 merupakan substrat alumina yang sesuai dengan kartu JPDF number 82-1399. Selanjutnya terlihat orientasi WO3 kristal (202) pada 41.8909
0
dan (011) pada 20.61170 yang sesuai dengan kartu JCPDF number 88-0550. Sedangkan setelah diuji dengan gas CO diperoleh bahwa pola difraksi mempunyai pola yang sama. Dalam percobaan ini yang menjadi variasi adalah konsentrasi gas CO dan temperatur ruangan. Dari pengujian XRD setelah terpapar gas CO, ada kristal minoryang hilang yaitu (112) dan muncul kristal baru minor (112). Dari hasil pengujian XRD ditemukan bahwa fasa yang terjadi adalah monoklinik. Hal tersebut bisa dilihat pada grafik XRD di gambar 5.
Gambar 6.
Hasil uji XRD film WO3 1600C Perhitungan ukuran kristal sample WO3 menggunakan rumus Debye Scherrer, didapati bahwa adanya gas CO yang Analisa data danpembahasan
Kesimpulan
End Start
Pengukuran resistansi udara pada temperatur kamar
Temperatur diatur pada 30oC
Resistansi udara diukur ( R0 )
Gas CO di masukkan pada konsentrasi 16,67 ppm
Resistansi udara dengan adanya gas CO diukur ( Rg )
Percobaan diulang pada temperatur 30oC dengan konsentrasi gas 28,89 ppm, 56,18 ppm, 112,36
ppm, 280,9 ppm
Percobaan diulang pada temperatur 50oC dan 100oC dengankonsentrasi gas 16,67 ppm, 28,89 ppm, 56,18
cos
9
.
0
B
D
D adalah ukuran kristal dalam Ǻ, λ adalah panjang gelombang yang digunakan dalam uji XRD yakni 1.54056 Ǻ, dan B adalah lebar setengah puncak dalam radian. θ adalah posisi sudut terbentuknya puncak. Ukuran Kristal yang terbentuk dapat dilihat pada tabel 1 dan table 2. Tabel 1. Ukuran kristal Tungsten Trioksida (WO3) pada puncak tertinggi sebelum pengujian sensor.
Temp. tahan (oC)
B(rad) θ (o) Cos θ D (Ǻ)
160 0.0010676 20.9455 0.933 1392.00948 Tabel 2. Ukuran kristal Tungsten Trioksida (WO3) pada puncak tertinggi sesudah pengujian sensor.
Temp. tahan (oC)
B(rad) θ (o) Cos θ D (Ǻ)
160 0.0010676 20.9056 0.934 1390.51910
B. Hasil Uji SEM
Pengamatan uji Scanning Electron Microscope (SEM) dengan menggunakan alat FEI S-50 yang bertujuan untuk mengamati morfologi dari film Tungsten Trioksida (WO3) yang terbentuk di atas substrat alumina. Dari hasil SEM pada gambar 6 ( sebelum terpapar dengan gas CO ) yang telah di uji terlihat bahwa bentuk yang tidak beraturan dan ada beberapa bagian yang mulai terbentuk serpihan mendekati persegi serta masih terdapat banyak aglumerasi.
Gambar 7. Hasil uji SEM dengan temperatur Post Hydrothermal 1600 C a.) Perbesaran 2000x, b.) Perbesaran 10000x, c.) Perbesaran 20000x, d.) Perbesaran 30000x
Pada hasil pengujian SEM setelah terpapar dengan gas CO diketahui bahwa morfologi thin film tidak mengalami perubahan. Hal ini dapat dilihat pada gambar 7 (setelah terpapar gas CO ).
Gambar 8. Hasil uji SEM dengan temperatur Post Hydrothermal 1600 C setelah mengalami pemaparan gas CO a.) Perbesaran 2000x, b.) Perbesaran 10000x, c.) Perbesaran 20000x, d.) Perbesaran 30000x
C. Hasil Uji BET
Pengujian BET dilakukan menggunakan alat Quantachrome autosorb iQ terhadap material WO3 yang berbentuk serbuk, dengan memberikan pemanasan pada temperatur hingga 300oC pada sampel Tungsten Trioksida yang dilakukan sebagai langkah penguapan sisa-sisa kandungan air dan kandungan volatil lainnya yang mungkin masih terdapat pada sample uji. Langkah ini merupakan langkah preparasi sample sebelum proses pengujian dilakukan.
Hasil pengujian yang didapati merupakan ukuran luasan permukaan yang dimiliki oleh sampel Tungsten Trioksida dalam satuan m2/gr. Adapun hasilnya tersaji dalam tabel 3. Dari hasil uji Brauner Emmet Teller menunjukkan bahwa, perlakuan pemanasan dengan temperatur pemanasan 160oC memiliki ukuran luas permukaan 41.371 m2/gr.
Tabel 3. Surface area pada sampel uji WO3 hasil uji BET.
D. Hasil Uji Sensitifitas
Sensitivitas dapat juga dipengaruhi oleh temperatur yang bekerja pada sensor. Untuk mengetahui perubahan yang terjadi dapat diilustrasikan pada gambar 8.
Feature Temperatur
(160 oC) BET Surface area (m2/g) 41.371 c . d . b . a . a. b. c. d.
Gambar 9. Pengaruh Temperatur Terhadap Konsentrasi a.) 16,67 ppm b.) 28,89 ppm c.) 56,18 ppm d.) 112,36 ppm e.)280,9 ppm
Pada grafik diatas dapat dilihat bahwa secara umum konsentrasi gas pada temperatur yang berbeda. Pada temperatur 30oC gas memiliki nilai sensitivitas yang cukup tinggi, kemudian mulai menurun pada temperatur 50oC. setelah itu grafik mulai naik nilai sensitivitasnya pada temperatur 100oC. hal ini disebabkan karena efek peningkatan temperatur yang diberikan pada sample chip sensor.
Peningkatan sensitivitas juga dialami dengan kenaikan konsentrasi gas CO. Gambar 9 menunjukkan perubahan sensitivitas yang terjadi terhadap konsentrasi CO sebesar 16,67 ppm, 28,89 ppm, 56,18 ppm, 112,36 ppm, 280,9 ppm pada temperatur 30oC, 50oC, 100oC.
a.)
b.)
c.)
Gambar 10. Grafik pengujian sensitivitas terhadap konsentrasi gas CO pada a.) temperatur 30oC b.) temperatur 50oC c.) temperatur 100oC.
Grafik diatas menunjukkan bahwa semakin tinggi konsentrasi gas CO semakin tinggi sensitivitas. Pengaruh temperatur operasi sensor menyebabkan terjadinya reaksi permukaan antara gas CO dengan WO3, namun pada permasalahan ini dengan semakin bertambahnya konsentrasi gas CO maka oksigen dari CO sebagai penerima juga bertambah dan akan bereaksi dengan electron-elektron dari WO3 sehingga sensitivitas meningkat seiring dengan bertambahnya oksigen dari CO.
Konduktifitas sensor akan berubah dengan adanya unsur-unsur kimia (dari gas) yang bekerja pada permukaan lapisan sensor. Perubahan konduktifitas tersebut dikarenakan perubahan atau perpindahan elektron-elektron valensi pada atom-atom lapisan sensor akibat adanya reaksi dengan gas reaktan. Reaksi tersebut menimbulkan adanya pergerakan elektron pada material sensor WO3 yang menghasilkan hambatan tertentu pada konsentrasi gas dan temperatur operasi sensor.
IV. KESIMPULAN
Dari pengujian yang telah dilakukan, maka dapat diambil kesimpulan bahwa material WO3 yang diaplikasikan sebagai material sensor WO3 dapat disintesa menggunakan metode sol-gel. Hasil proses post hydrothermal 160oC menunjukkan bahwa material yang dihasilkan memiliki struktur kristal monoklinik. Pada pengujian surface area diperoleh luas permukaan aktif cukup besar yaitu 41.371 m2/g. Dalam pengujian sensitifitas, terbukti bahwa material WO3 sensitif terhadap keberadaan gas CO yang dipengaruhi oleh luas a . b . c . e . d .
0,0024 pada 16,67 ppm. Nilai tertinggi pada temperatur 100oC dengan nilai sensitivitas 0,2568 dengan kosentrasi gas karbon monoksida 280,9 ppm yang disebabkan karena luas permukaan aktif tertinggi terdapat pada temperature 100oC.
DAFTARPUSTAKA
[1] Atmadja, Eka Yulian Andhi, Susanti, Diah dan Purwaningsih, Hariyati. 2012.”Aplikasi Tungsten
Trioksida (WO3) Thin Film Hasil Proses Sol-Gel dan Post Hydrothermal Sebagai Material Sensor Gas Karbon Monoksida”.Skripsi S1 Jurusan Teknik
Material danMetalurgi ITS.
[2] Brinker, C.Jeffry dan George W Scherer. 1990.
“Sol-gel Science: The Physics and Chemistry of Sol-“Sol-gel Processing”. Boston dan London: Academic Press, Inc.
[3] Boudiba, Abdelhamid, Zhang, Chao. 2011. “Hydrogen
sensors based on Pd-doped WO3 nanostructures and the morphology investigation for their sensing performances optimization”. Greece: Proc. Eurosensors XXV.
[4] Cullity, B.D. dan Stock, S.R..2011. “ e lements of
X-Ray Diffraction “.United State of America: Prentice Hall.
[5] Herlinawati. 2010. “Sensor Gas”, <URL: http:// SENSOR GAS Herlinawati.htm>
[6] Huirache-Acuñaa, R., F. Paraguay-Delgadoc,1, M.A. Albiterd, J. Lara-Romerod, R. Martínez-Sánchezc. “Synthesis and characterization of WO3 nanostructures prepared by an aged-hydrothermal method”. Materials characterization 60 : 932–937.
[7] H. Imai, H. Moromoto, A. Tominaga, H. Hirashima, 1997, “Structural changes in sol-derived SiO2 and
TiO2 films by exposure to water vapour”. J. Sol
−Gel. Sci. Technol. 10, pp. 45-54.
[8] Jang-Hoon Ha, P. Muralidharan, Do Kyung Kim “Hydrothermal synthesis and characterization of
self-assembled h-WO3nanowires/nanorods using EDTA salts”. Journal of Alloys and Compounds 475 (2009)
446–451
[9] Nisfu, Hasnan, Susanti, Diah dan Purwaningsih, Hariyati. 2011. “Sintesa Tungsten Trioksida Nano
Partikel Dengan Metode Sol Gel dan Post- Hydrothermal”. Skripsi S1 Jurusan Teknik Material
dan Metalurgi ITS.
[10] Nugroho, Eko Prasetio, Susanti, Diah dan Purwaningsih, Hariyati. 2011.”Sintesis Nano Partikel
Tungsten Trioksida (WO3) Menggunakan Metode
Sol-Gel dan Proses Post Hydrothermal”.Skripsi S1 Jurusan
Teknik Material danMetalurgi ITS.
[11] Sun, Zhengfei. 2005. “ Novel Sol-Gel Nanoporous
Materials, Nanocomposites and Their Applications in Bioscience”. Thesis. Drexel:Drexel University. 27-59.
[12] Supothina, Sitthisuntorn., Panpailin Seeharaj, Sorachon Yoriya, Mana Sriyudthsak. 2006. “Synthesis of
tungsten oxide nanoparticles by acid precipitation method”. Ceramics International 33 : 931-936.
[13] Wang, Shih-Han., Tse-Chuan Choua, Chung-Chiun Liu. 2003. “Nano-crystalline tungsten oxide NO2 sensor”. Sensors and Actuators B 94 : 343-351.
[14] Xie, Guangzhong, Junsheng Yu, Xi Chen, dan dkk. 2006. “Gas sensing characteristics of WO3 vacuum
deposited thin films”. Sensors and Actuators B 123:
