LAPORAN KEMAJUAN PENELITIAN UNGGULAN DANA ITS 2020

(1)

LAPORAN KEMAJUAN

PENELITIAN UNGGULAN

DANA ITS 2020

PENGEMBANGAN MATERIAL KOMPOSIT CaCO

3

/TiO

2

DENGAN

CAMPURAN PEROVSKITE CaTiO

3

UNTUK APLIKASI

FOTOKATALISIS DAN SEL SURYA

Tim Peneliti :

Dr.-Ing. Doty Dewi Risanti (Teknik Fisika/FTIRS)

Lizda Johar Mawarani, ST, MT (Teknik Fisika/FTIRS)

Vania Mitha Pratiwi, ST, MT (Teknik Material & Metalurgi/FTIRS)

Dr. rer. nat. Ruri Agung Wahyuono, ST, MT (Teknik Fisika/FTIRS)

DIREKTORAT RISET DAN PENGABDIAN KEPADA MASYARAKAT

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

(2)

(3)

Daftar Isi

Daftar Isi ... ii

Daftar Tabel ... iii

Daftar Gambar ... iii

Daftar Lampiran ... iii

BAB I RINGKASAN ... 1

BAB II HASIL PENELITIAN ... 2

A. Pengumpulan Data ... 2

B. Hasil Analisis Data ... 3

BAB III STATUS LUARAN ... 8

BAB IV KENDALA PELAKSANAAN PENELITIAN ... 9

BAB V RENCANA TAHAPAN SELANJUTNYA ... 10

BAB VI DAFTAR PUSTAKA ... 11

BAB VII LAMPIRAN ... 12

(4)

Daftar Tabel

Tabel 1. Konstanta laju reaksi (K) dari fotodegradasi BG menggunakan CaTiO3 yang berbeda komposisi.

Tabel 2. Konstanta laju reaksi (K) dari fotodegradasi BG menggunakan CaTiO3 (2:7) berbeda dosis.

Tabel 3. Konstanta laju reaksi (K) dari fotodegradasi BG berbeda konsentrasi menggunakan CaTiO3 (2:7).

Daftar Gambar

Gambar 2.1 SEM CaTiO3 disintesis dengan rasio molar CaCO3/TiO2: (a) (1:1), (b) (1:3), (c) (2:5), dan (d)

(2:7).

Gambar 2.2 Spektrum FTIR CaTiO3 disintesis dengan rasio molar CaCO3/TiO2 yang berbeda.

Gambar 2.3 Pola difrasi sinar-X CaTiO3 disintesis dengan beberapa rasio molar CaCO3/TiO2. Segitiga (▲),

kotak ( ▀) dan lingkaran (☻) berturut turut menunjukkan CaTiO3, CaCO3, dan TiO2. Gambar 2.4 Perubahan temporal spektrum BG akibat terdegradasi oleh CaTiO3 (a) (1:3) dan (b) (2:7).

Gambar 2.5 Fitting kinetika fotodegradasi dengan (a) pseudo second order dan (b) pseudo first order

terhadap 10 ppm BG.

Gambar 2.6 Fitting kinetika fotodegradasi 10 ppm BG dengan (a) Pseudo second order dan (b) pseudo first

order model menggunakan CaTiO3 (2:7) dengan dosis berbeda.

Gambar 2.7 Fitting kinetika degradasi beberapa konsentrasi BG dengan (a) Pseudo second order dan (b)

pseudo first order menggunakan 50 mg CaTiO3 (2:7).

Gambar 5.1 Diagram alir pelaksanaan penelitian pengembangan komposit CaCO3/TiO2 dan perovskite

CaTiO3.

Daftar Lampiran

Lampiran 1. Daftar Tabel Luaran

(5)

BAB I RINGKASAN

Besarnya potensi energi surya di Indonesia dengan rerata iradiasi tahuanan sebesar 4.8 kWh/m

2

_/hari

membuat pengembangan nanomaterial untuk teknologi sel surya maupun fotokatalisis sebagai

bidang riset yang menjanjikan. Khususnya di Indonesia, pengembangan teknologi sel surya generasi

ketiga yaitu dye-sensitized solar cell (DSSC) menjadi alternatif yang menarik karena proses

fabrikasinya yang mudah dan murah, dimana semikonduktor berbasis ZnO ataupun TiO

2

umumnya

digunakan sebagai material anodanya. Namun demikian, efisiensi konversi DSSC masih lebih

rendah dibandingkan sel surya Si karena besarnya laju reaksi rekombinasi. Selain itu, material

semikonduktor berbasi TiO

2

juga jamak digunakan sebagai katalis untuk proses fotodegradasi

limbah organik. Pada penelitian ini, komposit nano CaCO

3

/TiO

2

dengan ekses perovskite CaTiO

3

dikembangkan sebagai material penyusun DSSC (untuk lapisan tipis penghambat rekombinasi) dan

fotokatalis untuk proses fotodegradasi limbah pewarna organik. Hasil penelitian tahun pertama

berfokus pada karakterisasi fisikokimia nanopartikel CaTiO

3

perovskit (ortorombik) sebagai

fotokatalisis dan studi kinetik fotodegradasinya terhadap polutan organik, yaitu brilliant green (BG)

yang merupakan pewarna turunan azo. Nanopartikel CaTiO

3

disintesis menggunakan CaCO

3

dari

cangkang telur ayam dan anatase TiO

2

dengan perbandingan molar (1:1), (1:3), (2:5), dan (2:7).

Sifat fisik dan mikro CaTiO

3

dikarakterisasi dengan difraktometer sinar-X (XRD), SEM, Fourier

Transform Infrared (FTIR) dan spektrometer UV/vis. Pengaruh konsentrasi pewarna awal,

komposisi katalis, dan dosis katalis pada mekanisme adsorpsi pewarna pada CaTiO

3

diteliti dalam

fotoreaktor berjaket di bawah iradiasi UV. Analisis menunjukkan bahwa molekul BG diserap secara

efisien, seperti yang ditunjukkan oleh kinetik pseudo-first order, dan terdegradasi dalam 120 menit.

Mempertimbangkan proses persiapan yang sederhana dan kinerja fotokatalitik yang tinggi, CaTiO

3

yang dihasilkan selanjutnya dapat digunakan sebagai fotokatalis yang efisien untuk menghilangkan

polutan organik dari air limbah industri dan air. Optimasi properti CaTiO

3

selanjutnya akan

dilakukan pada tahun kedua untuk digunakan sebagai material pereduksi rekombinasi di

dye-sensitized solar cell.

(6)

Ringkasan penelitian berisi latar belakang penelitian,tujuan dan tahapan metode enelitian, luaran yang ditargetkan, kata kunci

BAB II HASIL PENELITIAN

A. Pengumpulan Data

Pengumpulan Data Serbuk CaTiO3 dibuat dengan sintesis kimia basah, dimana kulit telur ayam

sebagai sumber prekursor dikumpulkan dari lahan peternakan di Samboja, Balikpapan, Indonesia. Karakterisasi fisikokimia dilakukan dengan pemindaian mikroskop elektron (SEM), difraktometer sinar-X (XRD), spektrometer Fourier Transform Infrared (FTIR). Data kinetik dievaluasi menggunakan model adsorpsi pseudo-first order dan pseudo-second order.

Paramater Data yang Diperoleh

Parameter pengumpulan data difraktometer sinar-X dioperasikan pada 40 kV, dan 40 mA dengan Cu-Kα sebagai sumber radiasi. Pola difraksi dipindai antara 10 dan 100° (2θ) dengan resolusi 0,05°. Spektrum FTIR dikumpulkan dalam rentang bilangan gelombang antara 400 dan 4000 cm -1_{. Citra SEM dikumpulkan pada tegangan akselerasi 100 kV dengan}

pembesaran 500x. Fotoreaktor UV diisi dengan 10 ppm larutan hijau cemerlang dan dijalankan dengan pengadukan terus menerus (500 rpm) pada suhu 28o_C.

Deskripsi Data yang dianalisis

Data Morfologi CaTiO3 diperoleh menggunakan SEM (FEI Inspect 21).

Pola XRD dikumpulkan menggunakan difraktometer (PAN analitis tipe X'Pert Pro). Spektrum FTIR direkam menggunakan spektrometer Thermo Nicolet IS50 pada suhu kamar. Degradasi pewarna BG diuji di bawah fotoreaktor UV menggunakan simulasi radiasi UV (T5-UV7W, 254 nm). Spektrum serapan UV/vis untuk menyelidiki degradasi zat warna hijau cemerlang diukur menggunakan spektrometer UV/vis (Rayleigh UV-9200). Nanomaterial CaTiO3 yang diselidiki di sini menghasilkan fotokatalis berbasis perovskit yang telah terbukti

fungsinya untuk degradasi fotokatalitik turunan pewarna AZO, yaitu brilliant green (BG).

• Data kinetika degradasi larutan BG berguna untuk studi lain yang relevan dengan degradasi pewarna azo secara fotokatalitik menggunakan katalis lain, yang tidak terbatas pada CaTiO3, CaCO3, TiO2

murni atau material komposit.

• Data degradasi fotokatalitik menunjukkan bahwa bahan CaTiO3 yang disintesis pada penelitian ini

dapat digunakan sebagai fotokatalis untuk pengolahan air limbah di industri tekstil, industri pengolahan makanan, dan untuk pengolahan air di perusahaan air minum.

• Data fisikokimia sebagai evaluasi rute sintesis mengindikasikan bahwa strategi sintesis pada penelitian ini tidak dapat menghasilkan 100% CaTiO3. Oleh karena itu, optimalisasi komposisi

prekursor dan mekanokimia serta pasca perlakuan panas akan menjadi fokus penelitian selanjutnya. • Pembuatan nanomaterial CaTiO3 yang diteliti pada penelitian ini tergolong murah dan ramah

lingkungan karena proses sintesis kimia basah tidak memerlukan peralatan canggih sedangkan prekursornya menggunakan cangkang telur ayam (limbah atau produk sampingan dari kegiatan peternakan).

(7)

B. Hasil Analisis Data

Karakteristik fisikokimia berbagai CaTiO3 dievaluasi dari SEM, pola difraksi sinar-X, dan spektrum

FTIR. Morfologi permukaan dari CaTiO3 yang disintesis menggunakan rasio molar CaCO3/TiO2 yang

berbeda digambarkan pada Gambar 2.1. Fraksi TiO2 yang lebih tinggi memecah agregasi yang terbentuk di

CaTiO3 yang dibuat menggunakan fraksi besar CaCO3 karena energi permukaan TiO2 yang lebih tinggi (1,4

× 107_{erg / cm}2_{) dibandingkan dengan CaCO}

3 (1,7 × 104 erg/cm2) [1,2]. Karakteristik vibrasi elektronik dan

sifat mikrostruktur masing-masing ditunjukkan oleh spektra FTIR (Gbr. 2.2) dan pola difraksi sinar-X (Gbr. 2.3). Absorpsi IR pada ~ 3630 cm-1_{dan ~ 1440 cm}-1_{dikaitkan dengan karakteristik vibrasi dari gugus}

hidroksi (OH) dan vibrasi simetris serta asimetris antara oksida logam [3]. Selain itu, penurunan amplitudo sinyal pada ~ 1150 cm-1_{yang terkait dengan vibrasi gugus C-O-Ti setelah peningkatan fraksi mol TiO}

2

mungkin menunjukkan interkonversi yang lebih efisien ke dalam Ca-O-Ti yang diindikasikan oleh penyerapan yang lebih tinggi pada ~ 660 cm-1_{[4] . Pola XRD menunjukkan pembentukan ortorombik CaTiO}

3

dengan adanya kelebihan prekursor yaitu CaCO3 dan TiO2. Puncak difraksi pada 2θ dari 23.2o, 33.1o, 47.5o,

58.8o_{, dan 59.3}o_{masing-masing menunjukkan bidang kristal (101), (121), (202), (321), dan (123) [5].}

Peningkatan perbandingan fraksi TiO2 dari rasio molar CaCO3/TiO2 pada pembuatan nanopartikel CaTiO3

meningkatkan ukuran kristal yaitu 17,7, 22,9, 34,6, dan 37,2 nm berturut-turut untuk (1: 1), (1: 3), (2: 5 ), dan (2: 7). Hal ini menunjukkan bahwa luas permukaan spesifik berkurang dengan meningkatnya fraksi molar TiO2.

Gambar 2.1 SEM CaTiO3 disintesis dengan rasio molar CaCO3/TiO2: (a) (1:1), (b) (1:3), (c) (2:5), dan (d)

(8)

Gambar 2.2 Spektrum FTIR CaTiO3 disintesis dengan rasio molar CaCO3/TiO2 yang berbeda.

Gambar 2.3 Pola difrasi sinar-X CaTiO3 disintesis dengan beberapa rasio molar CaCO3/TiO2. Segitiga (▲),

kotak ( ▀) dan lingkaran (☻) berturut turut menunjukkan CaTiO3, CaCO3, dan TiO2.

Kinetika mekanisme degradasi untuk memahami proses adsorpsi molekul pewarna terhadap permukaan katalis dievaluasi menggunakan pseudo first order dan pseudo second order (Gbr. 2.4 - Gbr. 2.7). Untuk

(9)

fitting pseudo first order, plot ln(C0/ Ct) vs t (C0 dan Ct masing-masing menunjukkan konsentrasi pada

kondisi awal dan waktu t) menghasilkan kurva linier, di mana kemiringan sama dengan konstanta laju yang diamati (K1) [6]. Sedangkan, pseudo second order fit, off-set plot linier t/qe vs t, dimana qe adalah konsentrasi

pada kondisi kesetimbangan, menghasilkan konstanta laju (K2) [6]. Konstanta laju degradasi fotokatalitik

dengan memvariasikan komposisi katalis, dosis katalis dan konsentrasi polutan dirangkum pada Tabel 1 - Tabel 3. Hasil analisis menunjukkan bahwa peningkatan fraksi TiO2 pada komposisi prekursor yaitu rasio

molar CaCO3 / TiO2 mengubah daya serap dari perilaku dari fisisorpsi (mengikuti reaksi orde dua, R2> 0,9)

ke kemisorpsi (mengikuti reaksi orde pertama, R2_{> 0,9). Selain itu, peningkatan jumlah katalis CaTiO} 3

berimplikasi pada peningkatan molekul BG yang terserap dan reaksi katalitik yang lebih cepat. Meskipun laju degradasi lebih lambat dari hasil penelitian lain yang juga menggunakan CaTiO3 [7-9], laju

fotodegradasi molekul BG menggunakan CaTiO3 dalam penelitian ini (0,0185 ppm⸱min-1) sebanding dengan

laju fotodegradasi pencemar pewarna organik lainnya menggunakan larutan CaTiO3 (0,162 ppm⸱min-1) [8]

dan CaTiO3 yang disiapkan secara hidrotermal (0,05 ppm⸱min-1) [9].

Gambar 2.4 Perubahan temporal spektrum BG akibat terdegradasi oleh CaTiO3 (a) (1:3) dan (b) (2:7).

Gambar 2.5 Fitting kinetika fotodegradasi dengan (a) pseudo second order dan (b) pseudo first order

(10)

Tabel 1. Konstanta laju reaksi (K) dari fotodegradasi BG menggunakan CaTiO3 yang berbeda komposisi. CaCO3/TiO2 Molar Ratio K1 (min-1) R2 K2 (min-1) R2

(1:1) 0.0014 0.5153 0.1301 0.9718

(1:3) 0.0023 0.6834 0.1403 0.9771

(2:5) 0.0176 0.9687 0.7022 0.9322

(2:7) 0.0183 0.9818 0.8185 0.9063

Gambar 2.6 Fitting kinetika fotodegradasi 10 ppm BG dengan (a) Pseudo second order dan (b) pseudo first

order model menggunakan CaTiO3 (2:7) dengan dosis berbeda.

Tabel 2. Konstanta laju reaksi (K) dari fotodegradasi BG menggunakan CaTiO3 (2:7) berbeda dosis. CaTiO3(2:7) (mg) K1 (min-1) R2 K2 (min-1) R2

50 0.0185 0.9502 0.8185 0.9061

100 0.0183 0.9818 0.8032 0.9198

150 0.0178 0.9518 0.8491 0.9247

200 0.0176 0.9626 0.9802 0.95153

Gambar 2.7 Fitting kinetika degradasi beberapa konsentrasi BG dengan (a) Pseudo second order dan (b)

(11)

Tabel 3. Konstanta laju reaksi (K) dari fotodegradasi BG berbeda konsentrasi menggunakan CaTiO3 (2:7). BG (ppm) K1 (min-1) R2 K2 (min-1) R2 10 0.0183 0.9818 0.8185 0.9061 20 0.0113 0.9696 0.3971 0.8588 30 0.0094 0.9664 0.2984 0.9185 40 0.0076 0.9571 0.2363 0.9394

(12)

BAB III STATUS LUARAN

Pada usulan penelitian unggulan, luaran yang diharapkan dari penelitain ini adalah sebagai berikut. 1. Diperoleh komposisi campuran komposit CaCO3/TiO2 dan perovskite CaTiO3 yang optimal untuk

dijadikan material penghambat rekombinasi pada sel surya serta untuk aplikasi fotokatalisis pendegradasi pewarna organik.

2. Publikasi hasil penelitian pada seminar internasional dan jurnal internasional terindeks scopus (Q1). Berdasarkan hasil pelaksanaan penelitian pada tahun pertama adalah sebagai berikut:

1. Publikasi hasil penelitian di:

a. Seminar internasional: Borneo 3rd International Conference On Aplied Mathematics And

Engineering (BICAME) 2020 (terlampir)

(13)

BAB IV KENDALA PELAKSANAAN PENELITIAN

Kendala pelaksanaan penelitian antara lain:

•

Sulitnya diperoleh rasio molar yang tepat antara CaCO3 dan TiO2 menggunakan metode sintesis kimia

basah hingga diperoleh CaTiO3 murni.

•

Tertundanya dan terhambatnya kelancaran proses pengujian beberapa karakteristik material seperti karakteristik fisika dan juga pengujian menggunakan mikroskop elektron dikarenakan situasi pandemi COVID-19.

(14)

BAB V RENCANA TAHAPAN SELANJUTNYA

Sesuai dengan rencana pelaksanaan penelitian yang telah diusulkan (Gbr. 5.1), maka pada tahapan selanjutnya adalah dilakukan optimasi karakteristik optik dan fisikokimia dari CaTiO3 yang akan digunakan

dalam aplikasi sel surya. Adapun sel surya yang dikembangkan adalah jenis dye-sensitized solar cell dimana CaTiO3 akan digunakan sebagai lapisan pemblokir reaksi rekombinasi untuk meningkatkan efisiensi sel surya.

Gambar 5.1 Diagram alir pelaksanaan penelitian pengembangan komposit CaCO3/TiO2 dan perovskite

(15)

BAB VI DAFTAR PUSTAKA

[1] W. Dong, G. Zhao, Q. Bao, X. Gu, Effect of morphologies on the photocatalytic properties of CaTiO3

nano/microstructures, J. Ceramic. Soc. Japan 124 (2016) 475-479. http://dx.doi.org/10.2109/jcersj2.15272

[2] W. Dong, B. Song, W. Meng, G. Zhao, G. Han, A simple solvothermal process to synthesize CaTiO3

microspheres and its photocatalytic properties, Appl. Surf. Sci. 349 (2015) 272-278. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.05.006

[3] D. Croker, M. Loan, B. K. Hodnett, Kinetics and mechanisms of the hydrothermal crystallization of calcium titanate species, Cryst. Growth Des. 9 (2009) 2207-2213. https://doi.org/10.1021/cg8009223 [4] M. M. Rusu, R. A. Wahyuono, C. I. Fort, A. Dellith, J. Dellith, A. Ignaszak, A. Vulpoi, V. Danciu, B.

Dietzek, L. Baia, Impact of drying procedure on the morphology and structure of TiO2 xerogels and the performance of dye-sensitized solar cells, J. Sol-Gel. Sci. Technol. 81 (2017) 693-703. https://doi.org/10.1007/s10971-016-4237-3

[5] C. Han, J. Liu, W. Yang, Q. Wu, H. Yang, X. Xue, Photocatalytic activity of CaTiO3 synthesized by

solid state, sol-gel and hydrothermal methods, J. Sol-Gel. Sci. Technol. 81 (2017) 806-813. https://doi.org/10.1007/s10971-016-4261-3

[6] L. Ernawati, R. A. Wahyuono, I. K. Maharsih, N. Widiastuti, H. Widiyandari, Mesoporous WO3/TiO2

Nanocomposites Photocatalyst for Rapid Degradation of Methylene Blue in Aqueous Medium, Int. J. Eng. TRANSACTION A: Basics 32 (2019) 1345–1352. https://doi.org/ 10.5829/ije.2019.32.10a.02. [7] M. L. Moreira, E. C. Paris, G. S. Nascimento, V. M. Longo, J. R. Sambrano, V. R. Mastelaro, M. I. B,

Bernardi J. Andrés, J. A. Varela, E. Longo, Structural and optical properties of CaTiO3

perovskite-based materials obtained by microwave-assisted hydrothermal synthesis: an experimental and theoretical insight, Acta Mater. 57 (2009) 5174-5185. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2009.07.019 [8] Y. S. Huo, H. Yang, T. Xian, J. L. Jiang, Z. Q. Wei, R. S. Li, W. J. Feng, A polyacrylamide gel route

to different-sized CaTiO3 nanoparticles and their photocatalytic activity for dye degradation, J.

Sol-Gel Sci. Technol. 71 (2014) 254–259. https://doi.org/10.1007/s10971-014-3366-9

[9] H. Yang., C. Han, X. Xue, Photocatalytic activity of Fe-doped CaTiO3 under UV-visible light, J.

Environ. Sci. 26 (2014) 1489-1495. https://doi.org/10.1016/j.jes.2014.05.015

[10] M. C. Fajrah, N. Marfuah, Identification of Calcium Carbonate (CaCO3) Characteristics from Different

Kinds of Poultry Eggshells Using X-Ray Diffraction (XRD) and Fourier Transformation Infra-Red (FTIR), Proceeding of the 7th International Conference on Physics and its Applications (2014) 138-142. https://doi.org/10.2991/icopia-14.2015.27

[11] L. Ernawati, R. A. Wahyuono, I. K. Maharsih, A. W. Yusariarta, A. D. Laksono, C. W. Kartikowati, A. B. D. Nandiyanto, Photodegradation of Textile Dye (Rhodamine B) Using CaTiO3 Composite-Based Adsorbent, J. Teknik Kimia 14 (2020) 32-39. https://doi.org/10.1007/s10971-016-4237-3

(16)

BAB VII LAMPIRAN

Lampiran berisi tabel daftar luaran (Format sesuai lampiran 1) dan bukti pendukung luaran wajib dan luaran tambahan (jika ada) sesuai dengan target capaian yang dijanjikan

(17)

LAMPIRAN 1 Tabel Daftar Luaran

Program

: Penelitian Unggulan

Nama Ketua Tim

: Dr.-Ing. Doty Dewi Risanti, ST, MT

Judul

: Pengembangan Material Komposit CaCO

3

/TiO

2

dengan

Campuran Perovskite CaTiO

3

untuk Aplikasi Sel Surya dan

Fotokatalisis

1.Artikel Jurnal

No

Judul Artikel

Nama Jurnal

Status Kemajuan*)

1

Experimental Data of CaTiO3

Photocatalyst for Degradation of Organic Pollutants (Brilliant Green Dye) – Green Synthesis,

Characterization and Kinetic Study

Data in Brief

published

*) Status kemajuan: Persiapan, submitted, under review, accepted, published

2. Artikel Konferensi

No

Judul Artikel

Nama Konferensi (Nama

Penyelenggara, Tempat,

Tanggal)

Status Kemajuan*)

1 Kinetic Studies of Methylene Blue

Degradation using CaTiO

3

Photocatalyst from Chicken

Eggshells

BICAME 2020

accepted

*) Status kemajuan: Persiapan, submitted, under review, accepted, presented

3. Paten

No Judul Usulan Paten

Status Kemajuan

*) Status kemajuan: Persiapan, submitted, under review

4. Buku

No

Judul Buku

(Rencana) Penerbit

Status Kemajuan*)

*) Status kemajuan: Persiapan, under review, published

5. Hasil Lain

(18)

*) Status kemajuan: cantumkan status kemajuan sesuai kondisi saat ini

6. Disertasi/Tesis/Tugas Akhir/PKM yang dihasilkan

No Nama Mahasiswa

NRP

Judul

Status*)

*) Status kemajuan: cantumkan lulus dan tahun kelulusan atau in progress

(19)

Data in Brief 32 (2020) 106099

ContentslistsavailableatScienceDirect

Data in Brief

journalhomepage:www.elsevier.com/locate/dib

Data Article

Experimental

data

of

CaTiO

3

photocatalyst

for

degradation

of

organic

pollutants

(Brilliant

green

dye)

– Green

synthesis,

characterization

and

kinetic

study

Lusi Ernawatia,∗_, _Ruri _Agung _Wahyuonob,∗_,_Hendri _Widiyandaric_,

Doty Dewi Risantib_, _Ade _Wahyu _Yusariartad_, _Rebekaa_,

Virginia Sitompula

a Department of Chemical Engineering, Institut Teknologi Kalimantan, Balikpapan 76127, Indonesia b Department of Engineering Physics, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya 60111, Indonesia c Department of Physics, Universitas Sebelas Maret, Surakarta 57126, Indonesia

d Department of Materials and Metallurgical Engineering, Institut Teknologi Kalimantan, Balikpapan 76127,

Indonesia a rt i c l e i n f o Article history: Received 28 April 2020 Revised 17 July 2020 Accepted 23 July 2020 Available online 31 July 2020

Keywords: Perovskite Calcium titanate Chicken eggshells Anatase TiO 2 UV photoreactor Kinetics a b s t r a c t

The data presented here focuses on the physicochemi-cal characterization ofperovskite CaTiO3 nanoparticles

(or-thorhombic)as photocatalytsandthe kineticstudyoftheir photodegradationperformance towardorganicpollutant,i.e. brilliantgreen(BG)whichisazoderivativesdye.TheCaTiO3

nanoparticleswassynthesizedusingchickeneggshell-derived CaCO3 and anatase TiO2 with molar ratio of (1:1), (1:3),

(2:5), and (2:7). The physical and microstructural proper-ties of CaTiO3 were characterized by X-ray diffractometer

(XRD), scanning electronmicroscope (SEM), Fourier Trans-form Infrared (FTIR) and UV/vis spectrometer. The effect ofinitialdyeconcentration, catalystcomposition,and cata-lystdosage ontheadsorption mechanismofdyeonCaTiO3

was investigated injacketed photoreactor under UV irradi-ation.Theanalysis revealsthat BGmoleculesareeﬃciently chemisorbed,asindicatedbypseudo ﬁrstorderkinetic,and degradedwithin120min.Consideringthelow-cost prepara-tionprocessandhighphotocatalyticperformance,the

(20)

resul-2 L. Ernawati, R.A. Wahyuono and H. Widiyandari et al. / Data in Brief 32 (2020) 106099

tantCaTiO3canfurtherbeusedasaneﬃcientphotocatalyst

for organic pollutant removal from aqueous and industrial wastewater.

SpeciﬁcationsTable

Subject Materials Chemistry

Speciﬁc subject area Photocatalysis

Type of data Table, Image, Graph

How data were acquired CaTiO 3 powder was prepared using wet chemical synthesis, in which chicken

eggshells as precursor source were collected from the farm ﬁeld in Samboja, Balikpapan, Indonesia. Physicochemical characterizations were carried out by scanning electron microscope (SEM), X-ray diffractometer (XRD), Fourier Transform Infrared (FTIR) spectrometer. The kinetic data was ﬁtted using both

pseudo ﬁrst order and pseudo second order adsorption model.

Data format Raw and Analyzed

Parameters for data collection X-ray diffractometer was operated at 40 kV, and 40 mA with Cu-K αas a radiation source. Diffraction patterns were scanned between 10 and 100 ° (2 θ) with resolutions of 0.05 ° FTIR spectra were collected in wavenumber range between 400 and 4000 cm −1 . SEM images were collected at 100 kV

accelerating voltage with 500 × magniﬁcation. UV photoreactor was ﬁlled with 10 ppm of brilliant green solution and run under continuous stirring (500 rpm) at 28 °C.

Description of data collection Morphology of CaTiO 3 was assessed using SEM (FEI Inspect 21). XRD patterns

were collected using a diffractometer (PAN analytical type X’Pert Pro). FTIR spectra were recorded using Thermo Nicole is50 spectrometer at room temperature. Degradation of aqueous brilliant green (BG) dyes was probed under UV photoreactor using simulated UV irradiation (T5-UV7W, 254 nm). UV/vis absorption spectra to probe degradation of brilliant green dye were measured using UV/vis spectrometer (Rayleigh UV-9200).

Data source location Department of Chemical Engineering, Institut Teknologi Kalimantan, Balikpapan, East Kalimantan, Indonesia

( −1.135330, 116.858093)

Department of Engineering Physics, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, East Java, Indonesia

( −7.283395, 112.795727)

Central Laboratory, State University Malang, East Java, Indonesia ( −7.961229, 112.618759)

Data accessibility Data are available within the article

ValueoftheData

TheCaTiO3 nanomaterialinvestigatedhererendersperovskitebasedphotocatalystwhichhas

beenprovenitsfunctionalityforphotocatalyticdegradationofazodyesderivative,i.e. bril-liantgreen(BG).

Thecurrentdata,particularlythekineticofdegradationofaqueousBGsolution,isusefulfor relevantstudiesofphotocatalyticazodyedegradationusingother catalysts,whichisnot limitedtopristineCaTiO3,CaCO3,TiO2 orcompositematerials.Thephotocatalytic

degra-dationdatasuggestthat thecurrentpreparedCaTiO3materials canbereadilyutilizedas

photocatalystforwastewatertreatment intextileindustry,foodprocessingindustry,and forwatertreatmentinwaterutilitycompany.

(21)

L. Ernawati, R.A. Wahyuono and H. Widiyandari et al. / Data in Brief 32 (2020) 106099 3

Table 1

Reaction rate constants (K) derived from both pseudo ﬁrst order (K 1 ) and pseudo second order (K 2 ) as well as the

corresponding coeﬃcient of determination (R 2 ) obtained for photodegradation of BG using different CaTiO

3 com position.

CaCO 3 /TiO 2 Molar Ratio K1 (min −1 ) R 2 K2 (min −1 ) R 2

(1:1) 0.0014 0.5153 0.1301 0.9718

(1:3) 0.0023 0.6834 0.1403 0.9771

(2:5) 0.0176 0.9687 0.7022 0.9322

(2:7) 0.0183 0.9818 0.8185 0.9063

The preparationofCaTiO3 nanomaterialinvestigatedhereis consideredlow costandgreen

since the wetchemical syntheticroute didn’t requiresophisticated apparatuswhile the precursoremployedchickeneggshells(wasteorby-productoffarmingactivities).

1. Datadescription

PhysicochemicalcharacteristicsofvariousCaTiO3areevaluatedfromtherawdata,including

scanningelectronmicrograph,X-raydiffractionpatternandFTIRspectra(availableinthe Supple-mentaryMaterial). The surfacemorphology ofdifferentnanostructuredCaTiO3 preparedusing

differentCaCO3/TiO2 molarratioare depictedinFig.1.Higher TiO2 fractionbreaks the

aggre-gationformedinCaTiO3preparedusinglargefractionofCaCO3 duetohighersurfaceenergyof

TiO2 (1.4× 107erg/cm2)thanthatofCaCO3 (1.7× 104erg/cm2)[1,2].Electronicvibrational

char-acteristicsandmicrostructuralpropertiesareindicatedbyFTIRspectra(Fig.2)andX-ray diffrac-tionpattern(Fig.3),respectively.ThedecreasingIRbandsat∼3630cm−1and∼1440cm−1are associatedwiththevibrationcharacteristicsofthehydroxy(OH) groupandsymmetricaswell asasymmetricvibrationbetweenmetaloxides,respectively[3].Inaddition,thedecreasing sig-nalamplitudeat∼1150cm−1 associatedwithC–O-TigroupvibrationuponincreasingTiO2 mol

fractionmight indicate themore eﬃcientinterconversion intoCa-O-Ti reﬂected by higher ab-sorptionat∼660cm−1[4].XRDpatternsindicatetheformationorthorhombicCaTiO3 withthe

presence ofexcessprecursors, i.e.CaCO3 andTiO2.The diffractionpeaksat2θ of 23.2°,33.1°,

47.5°,58.8°,and59.3° areassignedtothecrystalplanesof(101),(121),(202),(321),and(123), respectively[5].IncreasingtheTiO2fractionfromCaCO3/TiO2 molarratiointhepreparationof

CaTiO3 nanoparticlesinreasesthecrystallitesize,i.e.17.7,22.9,34,6,and37.2nmfor(1:1),(1:3),

(2:5),and(2:7),respectively.Thisimpliesthatthespeciﬁcsurfaceareadecreasesupon increas-ingTiO2molarfraction.

Havingcharacterizedthephysicochemicalproperties,thephotocatalyticdegradationof aque-ous BG dyes using the resulting CaTiO3 catalyst were investigated by probing the temporal

changeofUV/visabsorptionspectra(Fig.4,representative/selectedrawdataisavailableinthe Supplementary Material).Kineticofdegradationmechanismtounderstandtheadsorption pro-cess of dye molecules toward catalyst surface is evaluated using both pseudo ﬁrst order and

pseudosecond orderkineticfit(Figs.5–7).Forpseudo firstorderfit,aplotofln(Co/Ct)vst(C0

andCtdenoteconcentrationatinitialconditionandtimet,respectively)resultsinalinearcurve,

in which the slope equals to the observed rate constant (K1) [6]. Meanwhile, pseudo second

order ﬁt, the off-setof the linear plot oft/qe vst, where qe is the concentration at

equilib-riumcondition,yieldtherateconstant(K2)[6].Therateconstantofphotocatalyticdegradation

upon varying thecatalystcomposition, catalyts dosageandpollutantconcentration is summa-rizedinTables 1–3.The analysisindicates thatincreasing thefractionofTiO2 intheprecursor

(22)

(fol-4 L. Ernaw a ti, R.A . W a h y uono and H. Wi d iy a nd a ri et al. / Dat a in Brief 32 (2020) 1 06099

(23)

Fig. 2. FTIR spectra of CaTiO 3 prepared with different CaCO 3 /TiO 2 molar ratio.

Table 2

corresponding coeﬃcient of determination (R 2 ) obtained for photodegradation of BG using different amount of CaTiO 3

(2:7).

CaTiO 3 (2:7) Dosage (mg) K1 (min −1 ) R 2 K2 (min −1 ) R 2

50 0.0185 0.9502 0.8185 0.9061

100 0.0183 0.9818 0.8032 0.9198

150 0.0178 0.9518 0.8491 0.9247

200 0.0176 0.9626 0.9802 0.95153

Table 3

corresponding coeﬃcient of determination (R 2 ) obtained for photodegradation of various BG concentration using 50 mg

of CaTiO 3 (2:7).

BG Concentration (ppm) K1 (min −1 ) R 2 K2 (min −1 ) R 2

10 0.0183 0.9818 0.8185 0.9061

20 0.0113 0.9696 0.3971 0.8588

30 0.0094 0.9664 0.2984 0.9185

40 0.0076 0.9571 0.2363 0.9394

ofotherorganicdyepollutantsusingsolvothermalpreparedCaTiO3(0.162ppm•min−1)[8]and

hydrothermallypreparedCaTiO3(0.05•ppmmin−1)[9].

2. Experimentaldesign,materials,andmethods

(24)

6 L. Ernawati, R.A. Wahyuono and H. Widiyandari et al. / Data in Brief 32 (2020) 106099

Fig. 3. X-ray diffraction pattern of CaTiO 3 prepared using different CaCO 3 /TiO 2 molar ratio. Triangle ( ), square ( ▀) and

circle ( ☻ ) denote CaTiO 3 , CaCO 3 , and TiO 2 , respectively.

(upto86.6%).TheinitialstepforCaTiO3 synthesiswastoprepareamixtureofCaCO3 andTiO2

indifferentCaCO3/TiO2molarratioof(1:1),(1:3),(2:5),and(2:7),whichwasdissolvedin100ml

ofethanolandhomogenizedbycontinuousstirringat300rpmfor2hatroomtemperature.The suspensionwasﬁlteredandwashedwithdistilledwaterseveraltimesanddriedinan ovenat 100°Cfor2h.Thedriedwhitepowder wassubsequentlygroundedintoﬁneandhomogeneous granules,andeventuallyannealedat900°Cfor4h.CharacterizationofCaTiO3 nanoparticles

fol-lowsthedescriptioninthespeciﬁcationstable(videsupra).

Initialinvestigationof10ppmbrilliantgreen(BG)photodegradationwascarriedout employ-ingdifferentCaTiO3 composition,i.e.differentCaCO3/TiO2 molarratio,ina custom-made

pho-toreactorunderUVirradiation[10,11].Additionally,thedosageofCaTiO3 andtheinitial

concen-trationofBGsolutionwerevaried.Itshouldbenotedthatthereactorwasisolatedfromambient lightsothat thephotodegradationwasdrivenonlybyUV irradiation.The solutionin photore-actorwas also continuously stirredto increase contactbetween CaTiO3 photocatalystand BG

(25)

L. Ernaw a ti, R.A . W a h y uono and H. Wi d iy a nd a ri et al. / Dat a in Brief 32 (2020) 1 06099

Fig. 4. The time dependent absorption spectra of BG (10 ppm) upon photodegradation using CaTiO 3 with CaCO 3 /TiO 2 molar ratio of (a) (1:3) and (b) (2:7). The amount of catalyst was

(26)

8 L. Ernaw a ti, R.A . W a h y uono and H. Wi d iy a nd a ri et al. / Dat a in Brief 32 (2020) 1 06099

(27)

L. Ernaw a ti, R.A . W a h y uono and H. Wi d iy a nd a ri et al. / Dat a in Brief 32 (2020) 1 06099

(28)

10 L. Ernaw a ti, R.A . W a h y uono and H. Wi d iy a nd a ri et al. / Dat a in Brief 32 (2020) 1 06099

(29)

DeclarationofCompetingInterest

Theauthorsdeclarethattheyhavenoknowncompetingﬁnancialinterestsorpersonal rela-tionshipsthatcouldhaveappearedtoinﬂuencetheworkreportedinthispaper.

Acknowledgments

We gratefullyacknowledge tothe ﬁnancial supportby Lembaga PenelitiandanPengabdian Masyarakat ofInstitut Teknologi Kalimantan (LPPM-ITK) through Research Grant Contract No. 2798/IT10.II/PPM.01/2020 and Direktorat Riset dan Pengabdian kepada Masyaakat of Institut Teknologi SepuluhNopember (DRPM-ITS). Theauthors alsothank totechnicalassistance from CentralMineralandAdvanced MaterialLaboratory ofMalangState University (UNM) for sam-plescharacterization.

Supplementarymaterials

Supplementary material associatedwiththisarticle canbe found, inthe onlineversion, at doi:10.1016/j.dib.2020.106099.

References

[1] W. Dong, G. Zhao, Q. Bao, X. Gu, Effect of morphologies on the photocatalytic properties of CaTiO 3

nano/microstructures, J. Ceram. Soc. Jpn. 124 (2016) 475–479, doi: 10.2109/jcersj2.15272 .

[2] W. Dong, B. Song, W. Meng, G. Zhao, G. Han, A simple solvothermal process to synthesize CaTiO 3 microspheres and

its photocatalytic properties, Appl. Surf. Sci. 349 (2015) 272–278, doi: 10.1016/j.apsusc.2015.05.006 .

[3] D. Croker, M. Loan, B.K. Hodnett, Kinetics and mechanisms of the hydrothermal crystallization of calcium titanate species, Cryst. Growth Des. 9 (2009) 2207–2213, doi: 10.1021/cg8009223 .

[4] M.M. Rusu, R.A. Wahyuono, C.I. Fort, A. Dellith, J. Dellith, A. Ignaszak, A. Vulpoi, V. Danciu, B. Dietzek, L. Baia, Impact of drying procedure on the morphology and structure of TiO2 xerogels and the performance of dye-sensitized solar cells, J. Sol-Gel Sci. Technol. 81 (2017) 693–703, doi: 10.1007/s10971- 016- 4237- 3 .

[5] C. Han, J. Liu, W. Yang, Q. Wu, H. Yang, X. Xue, Photocatalytic activity of CaTiO 3 synthesized by solid state, sol-gel

and hydrothermal methods, J. Sol-Gel Sci. Technol. 81 (2017) 806–813, doi: 10.1007/s10971- 016- 4261- 3 .

[6] L. Ernawati, R.A. Wahyuono, I.K. Maharsih, N. Widiastuti, H. Widiyandari, Mesoporous WO 3 /TiO 2 nanocomposites

photocatalyst for rapid degradation of methylene blue in aqueous medium, Int. J. Eng. Trans. A Basics 32 (2019) 1345–1352, doi: 10.5829/ije.2019.32.10a.02 .

[7] M.L. Moreira, E.C. Paris, G.S. Nascimento, V.M. Longo, J.R. Sambrano, V.R. Mastelaro, M.I. B, B.J. Andrés, J.A. Varela, E. Longo, Structural and optical properties of CaTiO 3 perovskite-based materials obtained by microwave-assisted

hydrothermal synthesis: an experimental and theoretical insight, Acta Mater. 57 (2009) 5174–5185, doi: 10.1016/j. actamat.2009.07.019 .

[8] Y.S. Huo, H. Yang, T. Xian, J.L. Jiang, Z.Q. Wei, R.S. Li, W.J. Feng, A polyacrylamide gel route to different-sized CaTiO 3

nanoparticles and their photocatalytic activity for dye degradation, J. Sol-Gel Sci. Technol. 71 (2014) 254–259, doi: 10. 1007/s10971- 014- 3366- 9 .

[9] H. Yang., C. Han, X. Xue, Photocatalytic activity of Fe-doped CaTiO 3 under UV-visible light, J. Environ. Sci. 26 (2014)

1489–1495, doi: 10.1016/j.jes.2014.05.015 .

[10] M.C. Fajrah, N. Marfuah, Identiﬁcation of calcium carbonate (CaCO 3 ) characteristics from different kinds of poul-

try eggshells using X-Ray diffraction (XRD) and Fourier Transformation Infra-Red (FTIR), in: Proceeding of the 7th International Conference on Physics and its Applications, 2014, pp. 138–142, doi: 10.2991/icopia-14.2015.27 . [11] L. Ernawati, R.A. Wahyuono, I.K. Maharsih, A.W. Yusariarta, A.D. Laksono, C.W. Kartikowati, A.B.D. Nandiyanto, Pho-

todegradation of Textile Dye (Rhodamine B) Using CaTiO3 Composite-Based Adsorbent, J. Teknik Kimia 14 (2020) 32–39, doi: 10.1007/s10971- 016- 4237- 3 .