Sintesis Biomaterial Kitosan–TiO2 Pada Proses Kalsinasi
Temperatur Rendah
Yetria Rilda
*, Admin Alief, Zulhadjri, Upita Septiani dan Rina Yulita
Jurusan Kimia FMIPA , Universitas Andalas, PadangEmail : yetririlda@yahoo.com (HP: 08126609064)
Abstrak. Sintesis biomaterial titania dioksida (TiO2) dengan penambahan biopolimer
kitosan dapat dilakukan dengan metoda sol-gel. Penelitian ini bertujuan untuk mengamati apakah dengan memperpanjangkan lama waktu kalsinasi 2-10 jam pada temperatur rendah 250dan 300oC, proses pertumbuhan kristal dan kestabilan hibridisasi kitosan-TiO2 dapat
dipertahankan. Produk biomaterial kitosan-TiO2 yang dihasilkan berupa powder, dari
analisis FT-IR menunjukkan bahwa terjadi perubahan intensitas dari gugus-gugus fungsi prekusor dan terbentuknya hibridisasi kitosan-TiO2 pada rentang sidik jari 4000-400 cm
-1
. Analisis TGA pada programming temperature 25-800 oC dapat memberikan informasi kestabilan kitosan-TiO2 terhadap temperatur tertentu dan jika dikorelasi dengan analisis X-ray diffraction membuktikan bahwa waktu kalsinasi mempengaruhi intensitas pembentukan kristal kitosan-TiO2. Analisis SEM-EDX memperlihatkan bongkahan kitosan seperti batang
terdistribusi merata padapermukaan TiO2 dan diperkuat dengan data EDX yang memberikan
analisis komposisi biomaterial secara semi kuantitatif.
Kata Kunci : Biomaterial, Biopolimer, Titania Dioksida, Kalsinasi
PENDAHULUAN Latarbelakang
Titanium dioksida (TiO2) atau titania
merupakan salah satu senyawa oksida semikonduktor yang telah diaplikasikan secara luas di berbagai bidang karena keunggulan yang dimilikinya diantaranya, inert terhadap asam dan basa, non korosif dan non toksik. Penggunaan titania sebagai katalis juga telah banyak dikembangkankan karena titania memiliki kereaktifan terhadap sinar, porositas yang tinggi dengan luas permukaan besar. Kinerja katalis dari titania sangat ditentukan oleh morfologi dari titania tersebut baik struktur, ukuran, bentuk, porositas, sehingga penelitian yang
terus dikembangkan adalah untuk
meningkatkan kinerja katalis dengan
memodifikasi morfologinya melalui
pengembangan atau pemilihan metoda sintesis dengan penambahan senyawa tertentu sebagai senyawa dopant.
Penyediaan titania telah dilakukan dengan berbagai metoda sintesis, seperti
metoda hidrotermal, solid state, dan sol-gel. Metoda sol-gel untuk sintesis oksida logam disamping peralatannya sederhana juga tingkat kehomogenan distribusi partikel cukup baik. Untuk mengontrol tekstur pembentukan kristal dari titania diawali dari pembentukan xerogel, sehingga diperlukan penambahan suatu senyawa tertentu untuk proses modifikasi tekstur titania, dalam hal ini digunakan senyawa organik kitosan yang merupakan senyawa biopolimer yang dapat berhibridisasi melalui ikatan hidrogen dari gugus hidroksil dan amina pada kitosan dengan Ti-OH yang merupakan prekusor logam alkoksida (Titanium Iso Propoksida) yang telah mengalami proses hidrolisis pada pembentukan sol. Kitosan dapat berfungsi sebagai template pencetak pori, sehingga dapat meningkatkan efektifitas kinerja dari TiO2.
Dari uraian di atas dan merujuk pada hasil penelitian sebelumnya, untuk meningkatkan kestabilan hibridisasi
kitosan-TiO2 terhadap panas dapat
kalsinasi dengan tujuan penelitian penelitian adalah mempelajari apakah dengan penambahan biopolimer kitosan akan mempengaruhi kehomogenan sol dari prekusor pada proses sintesis TiO2 dengan
metode sol-gel, bagaimana kestabilan
hibridisasi kitosan-TiO2 dapat
dipertahankan jika kalsinasi dilakukan pada temperatur rendah 250 dan 300oC dan apakah pengaruh lama waktu kalsinasi 2-10
jam terhadap proses kesempurnaan
pertumbuhan kristal dan karakter morfologi kitosan-TiO2 yang dihasilkan.
METODA PENELITIAN Alat dan Bahan
Alat - alat yang digunakan didalam penelitian adalah seperangkat alat-alat gelas, hot plate dan magnetik stirer, bola penghisap, neraca analitis (Sartorius
TE.2145), pH meter (CG803. Schoti
Gerate), oven (Heraeus T.5042), furnace nitrogen (Thermolyne 1300 Furnace), cawan porselen, FT - IR (Jasco 460), TGA (Thermographymetric Analyzer), XRD (X, Port PAN Analytical) dan SEM - EDX (Jeol JSM 6360 LA). Bahan-bahan kimia yang digunakan didalam penelitian ini adalah Titanium Isopropoksida (TIP : C12H28O4Ti) (Aldrich, 97 %), Dietanol
Amin (DEA : NH(CH2 CH2OH)2) merck,
Isopropanol (merck 98 %), Kitosan Komersial dari IPB, HCl (pa), NaOH (pa).
PROSEDUR KERJA Sintesis Kitosan-TiO2
Sintesis TiO2 dilakukan dengan metoda
sol-gel. Sebagai prekusor digunakan campuran TIP dan DEA sebagai aditif
untuk menstabilkan TIP dengan
perbandingan (1 : 2), kemudian prekusor dihidrolisis didalam pelarut isopropanol sampai homogen selama 1 jam pada temperatur kamar (Larutan A). Larutan B terdiri dari senyawa kitosan dilarutkan
dalam larutan asam asetat 5%,
dihomogenkan selama 4 jam. Kemudian larutan A dan B dicampurkan dengan perbandingan B terhadap A adalah 10- 20%. Untuk mendapatkan campuran sol yang homogen dan stabil diperlukan waktu pengocokkkan selama 5– 6 jam dan pH diatur menjadi pH = 10. Campuran sol dipanaskan pada suhu 100-110C selama 5 jam untuk proses polikondensi dengan pembentukan gel. Gel dikarakterisasi dengan TGA. Pembentukan powder TiO2
dilakukan dengan mengkalsinasi gel pada temperatur rendah 250-300C, dan variasi lama waktu kalsinasi 2–10 jam untuk
memperoleh kristalinitas TiO2 dan
mengamati sejauh mana kestabilan
hibridisasi kitosan-TiO2 dapat
dipertahankan. Powder TiO2 yang
dihasilkan dikarakterisasi dengan XRD, SEM dan EDX.
HASIL DAN PEMBAHASAN Sintesis Kitosan-TiO2
Untuk memperoleh kehomogenan dan kestabilan sol antara kitosan yang bersifat organik dengan prekusor TIP yang bersifat anorganik dalam proses hibridisasi kitosan-TiO2 sangat dipengaruhi oleh kelarutan
kitosan. Kitosan merupakan senyawa biopolimer turunan kitin yang mempunyai karakter fisikokimia antara lain berwarna putih dan berbentuk kristal, sedikit larut dalam air, tidak larut dalam pelarut organik. Pelarut kitosan yang baik adalah pelarut asam organik seperti asam asetat atau asam formiat [4,5].Kelarutan kitosan dipengaruhi oleh besar kecilnya derajat deasetilasi, Derajat asetilasi besar kelarutan akan lebih besar dan sebaliknya. Besar kecilnya derajat deasetilasi akan menjadi ukuran kemurnian dari proses isolasi kitosan [6]. Derajat deasetilasi ditentukan dari pengukuran intensitas spektrum FT-IR kitosan pada angka gelom bang 1654,8 cm-1 dan 3386,8
dikonversikan ke Hukum Lambert Beer dapat ditentukan derajat deasetilasi dari kitosan komersil yang berasal dari Institut Pertanian Bogor (IPB) sebesar 96,3 %. Kitosan dengan derajat deasetilasi besar mempunyai kelarutan yang besar dalam asam asetat. Konsentrasi asam juga mempengaruhi daya larut kitosan, dari variasi konsentrasi asam asetat diperoleh kelarutan paling baik pada konsentrasi asam asetat 5 %.
Proses polikondensasi merupakan proses pembentukan jaringan oksida molekul prekursor dalam media cair yang berlansung dengan penguapan pelarut pada
suhu 110O
C, dimana pada proses
kondensasi biopolimer kitosan dapat
berperan meningkatkan dispersi
nanopartikel dan membantu proses
pembentukan kristal pada suhu yang lebih rendah jika dibandingkan dengan sintesis TiO2 tanpa penambahan kitosan [7].
ANALISIS TGA (Thermo- Gravimetric Analysis) KITOSAN-TiO2
Analisis TGA dapat menjadi tolak ukur untuk menetapkan temperatur yang tepat dalam mengkalsinasi gel dari hibridisasi kitosan-TiO2. Pada penelitian Triwahyuni.
M (2011), sintesis kitosan-TiO2 dilakukan
pada temperatur kalsinasi 300oC–700oC selama 2 jam. Akan tetapi pada rentang temperatur tersebut diperoleh morfologi yang berbeda-beda dan diperkuat dengan analisis komposisi data EDX diperoleh informasi bahwa pada temperatur kalsinasi dibawah 400oC, kitosan yang berhibridisasi dan tersubstitusi pada TiO2 memberikan
produk kitosan- TiO2 yang stabil, tetapi
struktur berbentuk amorf, sedangkan pada suhu 400O
C kitosan tidak stabil, hanya sebagian kecil fragmen-fragmen dari
kitosan tersubstitusi, sedangkan
pertumbuhan kristal TiO2 telah memberikan
intensitas berdasarkan analisis dengan XRD.
Pola TGA pada gambar 1 menampilkan
adanya perbedaan kestabilan termal dari
beberapa sampel. Sampel kitosan
mengalami pengurangan berat sebesar 30 % ketika dipanaskan pada temperatur 250oC, dan 40 % pada temperatur 300oC. Pengurangan berat sangat drastis terjadi jika temperatur lebih besar dari 250oC sampai diperoleh berat yang stabil pada temperatur 600oC. Kitosan merupakan senyawa organik, pada temperatur 600oC diperkirakan komponen unsur didalam kitosan mengalami dekomposisi sempurna pada suhu tersebut. Sedangkan TIP
merupakan senyawa anorganik yang
digunakan sebagai prekusor dalam
pembentukan TiO2, pengurangan berat
mulai terjadi pada temperatur 100oC, yang diindikasikan sebagai proses penguapan pelarut, dan pengurangan drastis terjadi seiring dengan kenaikan temperatur yang diindikasikan sebagai tahapan dekomposisi dari senyawa organik dari logam alkoksida (TIP). Kestabilan tercapai dimana tidak terjadi pengurangan berat pada temperatur
500OC, yang diasumsikan sebagai
pembentukan oksida titanium.
Jika pada prekusor TIP ditambahkan senyawa kitosan sebagai senyawa yang
berfungsi untuk memodifikasikan
morfologi TiO2 dengan penambahan
kitosan 20 % terhadap prekusor TIP,
Gambar 1. Pola TGA % Pengurangan Berat Sebagai Fungsi Temperatur, a. Gel TiO2, b. Powder
memberikan pembentukan TiO2 yang lebih
stabil terhadap panas pada temperatur
600OC, karena kitosan mengawali
peranannya pada pembentukan gel sebagai
template pencetak pori [3]. Dari pola TGA pada gambar 1 dapat diamati bahwa senyawa kitosan itu sendiri pada temperatur 600OC, pengurangan berat mencapai 99 %, fakta ini memberikan indikasi bahwa kitosan merupakan senyawa organik yang terdekomposisi sempurna pada temperatur tinggi, sehingga dapat disimpulkan bahwa pada temperatur tersebut tidak dapat dipertahankan kestabilannya jika diinginkan hibridisasi kitosan – TiO2. Akan tetapi jika
proses kalsinasi dilakukan pada temperatur 250-300oC, kestabilan kitosan diperkirakan 60-70% dapat terhibridisasi dengan TiO2
.
Analisis XRD (X-Ray Diffraction)
Kitosan-TiO2
Karakter struktur kitosan-TiO2 yang
dihasilkan jika dikalsinasi pada temperatur rendah antara 250-300oC, proses kristalisasi TiO2 belum memberikan intesitas yang
tajam dan diindikasikan struktur dominan fase amorf. Pada kondisi temperatur tersebut berdasarkan data dari analisis TGA, belum terjadi dekomposisi sempurna senyawa organik dari logam alkoksida sebagai prekusor yang digunakan dan senyawa organik dari kitosan itu sendiri. Secara visual dapat diamati bahwa penampilan fisik dari powder berwarna hitam, yang diindikasikan masih terdapat banyak senyawa karbon, karena belum sempurnanya proses kalsinasi pada suhu tersebut.
Analisis XRD TiO2 dan kitosan-TiO2
pada gambar 2 menunjukkan intensitas kristalinitas pada 2θ = 25,4o sangat rendah pada temperatur tersebut. Pada 2θ = 25,4o
diperoleh TiO2 anatase setelah di
matchingkan dengan JCPDS No. 21-1276. Jika lama waktu kalsinasi diperpanjang 3,5,7 dan 10 jam pada temperatur 300oC, diperoleh perbedaan
Gambar 2. Pola XRD Kitosan-TiO2 pada temperatur kalsinasi, (a) TiO2, 300
o
C 3 jam, (b) TiO2/Kitosan, 250°C 3 jam, (c) TiO2/Kitosan, 300°C, 3 jam, (d) TiO2/Kitosan, 300°C, 5 jam (e)
TiO2/Kitosan, 300°C, 7 jam, (f) TiO2/Kitosan 300°C,10 jam.
intensitas yang berbeda. Dari gambar 2
memperlihatkan terjadi kenaikan
kristalinitas pada lama kalsinasi masing-masingnya adalah 3 jam 90 au, 5 jam 98 au, dan 7 jam 109 au, tetapi terjadi pengecualian pada 10 jam kalsinasi terjadi penurunan intensitas 99 au. Dan dari analisis lebih lanjut, kalsinasi pada 5 jam
lebih baik morfologi powder yang
dihasilkan. Sehingga dapat disimpulkan bahwa semakin bertambah lama waktu kalsinasi, terjadi kenaikan intensitas dari kitosan-TiO2, fakta ini menunjukkan bahwa
kalsinasi pada temperatur rendah
membutuhkan waktu yang lama untuk pembentukan kristal dari kitosan yang didoping pada TiO2.
Analisis SEM-EDX (Scanning
Microscopy – Energy Dispersive X-ray)
Pola morfologi permukaan dari TiO2
dapat dilihat pada gambar 3. Dari pola SEM memperlihatkan pertumbuhan kristal TiO2 belum sempurna pada temperatur
kalsinasi rendah 250-300oC. Kristal belum mempunyai bentuk morfologi yang jelas dan pendistribusian partikel belum merata. Jika merujuk pada data XRD pada suhu 250oC dan 300oC kristal masih berupa amorf. Tetapi pada pola SEM dari kitosan yang dihibridisasi dengan TiO2 pada
Gambar 3. Pola SEM TiO2 pada temperatur kalsinasi 300oC dengan waktu kalsinasi 5 jam temperatur kalsinasi rendah 300oC selama 5 jam seperti ditunjukkan pada gambar 4.
Pada Gambar 4, memperlihatkan bahwa kitosan terdoping pada permukaan TiO2,
karena terdapatnya bongkahan seperti batang yang merupakan morfologi dari
senyawa kitosan, fakta ini dapat
membuktikan terjadinya interaksi antar muka atau ikatan hidrogen telah terbentuk pada saat pembentukan sol berlanjut pada gel antara gugus hidroksil dan amina kitosan dengan gugus Ti-OH dari hidrolisis Titanium isopropoksida didalam pelarut isopropanol.
Gambar 4. Pola SEM kitosan-TiO2 pada temperatur kalsinasi 300oC dengan waktu kalsinasi 5 jam
Sedangkan untuk mengetahui komposisi dan distribusi dari unsur-unsur yang ada di dalam biomaterial kitosan-TiO2 dapat
digunakan analisis semikuantitatif dari data EDX. Komposisi unsur-unsur didalam produk TiO2 masing-masingnya memiliki
persentase unsur adalah sebagai berikut, unsur Ti dominan hampir > 70 %, sedangkan persentase dari kandungan C masih cukup tinggi. Setelah penambahan kitosan pada sintesis TiO2 dan dikalsinasi
pada temperatur 300oC selama 5 jam, diperoleh ada penurunan persentase unsur C= 26,69 %; N= 16,10 %; dan Ti= 57,12 %. Data EDX ini menunjukkan adanya terjadi penurunan persentase unsur N dan Ti, hal ini dapat mengggambarkan terjadi interaksi melalui ikatan hidrogen antara kitosan dan TiO2. Jika lama waktu
kalsinasi Kitosan-TiO2 diperpanjang
selama 10 jam terjadi peningkatan persentase unsur Ti, tetapi terjadi penurunan persentase unsur C dan N yang diindikasikan bahwa proses kalsinasi
dengan waktu yang lama akan
meningkatkan jumlah dekomposisi senyawa organik dari prekusor dan kitosan tersebut, sehingga menurunkan kestabilan dari produk kitosan-TiO2. Fakta ini dapat
ditarik suatu kesimpulan bahwa temperatur dan lama waktu kalsinasi mempengaruhi
komposisi produk dan memberikan
morfologi struktur yang berbeda pula dari produk Kitosan-TiO2.
KESIMPULAN
Dari hasil penelitian sintesis Kitosan-TiO2 dapat diambil beberapa kesimpulan
adalah sebagai berikut, kehomogenan sol dari prekusor TIP dengan penambahan biopolimer kitosan sangat dipengaruhi oleh kesempurnaan kelarutan kitosan dalam pelarutnya asam asetat 5%, kestabilan produk kitosan-TiO2 dapat dipertahankan
pada temperatur kalsinasi 300oC, dari data EDX memberikan informasi persentase
unsur didalam biomaterial kitosan-TiO2
adalah C= 26,69 %; N= 16,10 % dan Ti=
57,12 %. Sedangkan data XRD
menunjukkan derajat kristalisasi yang lebih baik untuk proses kalsinasi kitosan-TiO2
pada temperatur rendah 250-300oC adalah 5 jam.
DAFTAR PUSTAKA
Rilda. Y, Dharma. A, Arief .S, Alif. A, dan Shaleh .B. 2 1 . ‖Efek Doping Ni II Pada Aktifitas Fotokatalitik dari TiO2
Untuk Inhibisi Bakteri Patogenik‖. Jurnal Makara Sains Vol. 14: 7-14. Rilda, Yetria., S. Arief, A.Dharma dan A.
Admin. 2010 (b). Modifikasi dan Karakterisasi Titania (M- TiO2) dengan
Doping Ion Logam Transisi FeNi dan CuNi. Jurnal Natur Indonesia 12(2) : 178-185.
[Al – Sagher, F. Muslim, S. 2009. Thermal
and Mechanical Propertis of
Chitosan/SiO2 Hybrid Composite.
Journal of Nanomaterial.
Sheau-Ming Chen, Ming-Shien Yen, and Yun-Hwei Shen. 2 1 . ‖Effect of Chitosan Biopolymer and UV/TiO2
method for the de-Coloration of Acid Blue 4 simulated textile wastewater‖ African Journal. Vol 9 (34). 5575-5580. Marza. T. 2 11. ‖Efek Penambahan Kitosan
Pada Sintesis TiO2 dengan Metoda
Sol-gel dan Karakterisasinya‖. Skripsi Jurusan Kimia.
Synowiecki, J., and Al-Khateeb, N.A. 2003. Production, Properties, and Some New
Applications of Chitin and its
Derivatives. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 43, no. 2, 145-171.
Pabon, E, Retuert, H, and Bottcher, H. 2004. ‖TiO2-SiO2 Mixed Oxide Prepared
by a Combined Sol-Gel and Polymer Inclusion Method. Microporous and Mesoporous Materials‖. 67. 195-203. Yugui Tao, Jun Pan, Shilei Yan, Bin Tang,
Longbao Zhu. 2 7. ―Tensile Strength Optimization and Characterization of Chitosan TiO2 hybrid film‖ Material Science and Engineering B. Vol 138. 84-89.
Rilda, Yetria., S. Arief, A.Dharma dan A. Admin. 2010 (b). Modifikasi dan Karakterisasi Titania (M- TiO2) dengan
Doping Ion Logam Transisi FeNi dan CuNi. Jurnal Natur Indonesia 12(2) : 178-185
Zayim, E.O. 2005. Effect of Calcination and pH Value on The Structural and Optical Properties of Titanium Oxide Thin Films. Journal of Materials Science 40: 1345-1352.
