i SINTESIS NANOKOMPOSIT Fe3O4-ZnO
MENGGUNAKAN METODE HIDROTERMAL SEBAGAI APLIKASI SENSOR GAS ETANOL
DISERTASI
JULIANDI SIREGAR NIM 188108007
PROGRAM STUDI DOKTOR (S3) ILMU FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2 0 2 1
ii SINTESIS NANOKOMPOSIT Fe3O4-ZnO
MENGGUNAKAN METODE HIDROTERMAL SEBAGAI APLIKASI SENSOR GAS ETANOL
DISERTASI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dalam Program Studi Doktor (S3) Ilmu Fisika
JULIANDI SIREGAR NIM 188108007
PROGRAM STUDI DOKTOR (S3) ILMU FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2 0 2 1
iii PENGESAHAN DISERTASI
iv PERNYATAAN ORISINALITAS
SINTESIS NANOKOMPOSIT Fe3O4-ZnO MENGGUNAKAN METODE HIDROTERMAL
SEBAGAI APLIKASI SENSOR GAS ETANOL
DISERTASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa saya mengakui semua karya disertasi ini adalah hasil kerja saya sendiri, kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing-masing telah dijelaskan sumbernya dengan benar.
Medan, 23 September 2021
JULIANDI SIREGAR NIM 18810800
v PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK
KEPENTINGAN AKADEMIS
Sebagai sivitas akademika Universitas Sumatera Utara, saya yang bertanda tangan di bawah ini:
Nama : Juliandi Siregar
NIM : 188108007
Program Studi : Doktor (S3) Ilmu Fisika Jenis Karya Ilmiah : Disertasi
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan informasi kepada Universitas Sumatera Utara Hak Bebas Royalti Non-Ekslusif (Non-Exclusive Free Right) atas disertasi saya yang berjudul :
SINTESIS NANOKOMPOSIT Fe3O4-ZnO MENGGUNAKAN METODE HIDROTERMAL
SEBAGAI APLIKASI SENSOR GAS ETANOL
Beserta perangkat yang ada (jika diperlukan), dengan Hak Bebas Royalti Non- Ekslusif ini, Universitas Sumatera Utara berhak menyimpan, mengalih media, memformat, mengelola dalam bentuk data-base, merawat dan mempublikasikan disertasi saya tanpa meminta izin dari saya selama mencantumkan nama saya sebagai penulis dan sebagai pemegang dan sebagai pemilik hak cipta.
Demikian pernyataan ini dibuat dengan sebenarnya.
Medan, 23 September 2021
JULIANDI SIREGAR NIM 188108007
vi Telah diuji pada
Tanggal : 23 September 2021
______________________________________________________________________
PANITIA PENGUJI DISERTASI
Pemimpin Sidang : Dr. Muryanto Amin, S.Sos, M.Si Rektor USU Ketua : Dr. Drs. Syahrul Humaidi, M.Sc USU
Anggota : 1. Prof. Brian Yuliarto, S.T, M.Eng, Ph.D ITB 2. Prof. Dr. Zuriah Sitorus, M.S USU 3. Prof. Dr. Timbangen Sembiring, M.Sc USU 4. Dr. Kurnia Sembiring, M.S USU 5. Prof. Dr. Putut Marwoto, MS UNNES
vii CURRICULUM VITAE
A. Identitas Diri
1 Nama Lengkap : Juliandi Siregar, S.Pd, M.Si
2 Jenis Kelamin : Laki-laki
3 Tempat dan tanggal lahir : Aek Loba, 09 Juli 1977
4 E-mail : [email protected]
5 Nomor Handphone : 081361511231
6 Profesi : Dosen Dpk UMN Al Washliyah
7 Alamat Kantor : Jl. Garu II No. 93 Medan
8 Nomor Telepon / Fax : 061-7867044 - 7868487 / 061-7862747 B. Riwayat Pendidikan
S - 1 S - 2 S - 3
Nama Perguruan Tinggi
IKIP Medan Universitas Sumatera Utara (USU)
Universitas Sumatera Utara (USU)
Bidang Ilmu Pendidikan Fisika
Fisika Material Fisika Material Tahun Masuk-
Lulus
1995 - 2002 2006 - 2008 2018-2021 Judul Skripsi /
Tesis / Disertasi
Pengukuran Panjang Gelombang Elektron Melalui Metoda Difraksi
Studi Aanalisis Tentang
Hubungan Suhu Sintering Terhadap Karakter Keramik Berpori Cordierite (2MgO.2Al2O3.5 SiO2) Secara Simulasi Dengan Program Mathematica 5.1
Sintesis Nanokomposit Fe3O4-ZnO Dengan Metode Hidrotermal Sebagai Aplikasi Sensor Gas Etanol
Nama
Pembimbing / Promotor
Drs Pintor Simamora, M.Si.
Prof. Dr. Mhd Zarlis, M.Sc dan
Drs Mhd Nasir Saleh,
M.Eng.Sc
Dr. Drs. Syahrul Humaidi, M.Sc ;
Prof. Brian
Yuliarto.,M.Sc.,Ph.D;
Prof. Dr. Zuriah Sitorus, M.S.
viii C. Pengalaman Penelitian dalam 5 Tahun terakhir
(bukan Skripsi, Tesis maupun Disertasi)
No Tahun Judul Penelitian
1 2015
Studi Komparatif Antara Model Pembelajaran Inkuiri Dengan Konvensional Terhadap Hasil Belajar Siswa SMP Al-Fityan Medan Pada Materi Pokok Cahaya.
2 2016
Meningkatkan Hasil Belajar Fisika Siswa Kelas XII Pada Materi Medan Magnet Di SMA Swasta Al-Ulum Medan T.P.
2016/2017 Dengan Menerapkan Model Pembelajaran Kooperatif Tipe Team Game Tournament (TGT).
3 2017
Penerapan Pembelajaran Berbasis Masalah Untuk
Meningkatkan Penguasaan Konsep dan Keterampilan Berpikir Kreatif Siswa Kelas X SMA An Nizam TA 2017/2018 Pada Materi Hukum Newton Tentang Gerak.
4 2018
Pengembangan Material Nano Oksida Logam Dan
Modifikasinya Dengan Carbon Nanotubes Sebagai Sensor Gas VOC.
D. Pengalaman Pengabdian Kepada Masyarakat dalam 5 Tahun terakhir
No Tahun Judul Pengabdian
1 2015 Masyarakat sehat dengan produk jaminan halal.
2 2016 IbM Belajar IPA dengan Metode pengajaran Kooperatif Team Game Tournament (TGT)
3 2017 PKM Belajar Fisika dengan Metode Pengajaran Kooperatif Team Game Tournament (TGT)
4 2018 PKM Penerapan Literasi Sains Dalam Belajar Ilmu Pengetahuan Alam (IPA) Di SMP Negeri 1 Labuhan Deli Kabupaten Deli Serdang
E. Publikasi Artikel Ilmiah dalam Jurnal 5 Tahun terakhir
No Judul Artikel Ilmiah Nama Jurnal Volume / Volume / Tahun 1
Studi Analisis Tentang Hubungan Suhu Sintering Terhadap Sifat Mekanis Keramik Berpori
Cordierite ( 2MgO.2Al2O3.5SiO2
) Secara Simulasi Dengan Program Mathematica 5.1.
Jurnal Kultura ISSN 1441- 0229
Volume 16 Nomor 1 Tahun 2015.
2 Studi Analisis Tentang Hubungan Suhu Sintering Terhadap Nilai
Jurnal Penididkan
Volume 4 Nomor 2 Tahun 2015
ix Kekerasan dan Kekuatan Patah
Keramik Berpori Cordierite ( 2MgO.2Al2O3.5SiO2 ) Secara
Simulasi Dengan Program Mathematica 5.1.
MIPA UMNAW
3 PKM Penerapan Pembelajaran Berbasis Masalah Untuk
Meningkatkan Penguasaan Konsep dan Keterampilan Berpikir Kreatif Siswa.
Prosiding Seminar Hasil Pengabdian ISSN : 2615- 5990
Penerbit LP2M UMN- AW
15 Februari 2018
4 The Electrical properties of nanomaterials derived from durian skin waste by using a various types of electrodes for bio-battery application
Journal of Physics:
Conference Series, 2018, Series 1120, 012085, ISSN 2617 6556 (Online)
https://iopscience.i
5 Penerapan Pembelajaran Berbasis Masalah Pada Materi Hukum Newton Tentang Gerak
Prosiding Seminar Nasional dan Expo Hasil Penelitian ISSN : 2615 - 5974
Volume 2 No 1 Penerbit UMN -AW 22 Januari 2019
6 Belajar IPA Berbasis Literasi Sains Di SMP Negeri 1 Labuhan Deli
Prosiding Seminar Hasil Pengabdian ISSN : 2615 – 5990
Volume 2 No 1 Penerbit UMN -AW 22 Januari 2019
7 Mechanical Properties of Cow Mattress Compound Reinforced Carbon Black and SIR-20
Scholars International Journal of Chemistry and Material Sciences, 2019, 2, 3, 2617- 6556 (Online)
https://www.research
8 XRD characterization of Fe3O4-ZnO nanocomposite material by the hydrothermal method
AIP Conference Proceedings, 2020, 2221, 110008, Published by
https://aip.scitatio
x AIP Publishing.
978-0-7354- 1980-3 9 Karakterisasi Plastik
Biodegradabel Berbahan Dasar Tepung Kulit Pisang
EINSTEIN (e- Journal), 2020, 8, 1, e-issn:
2407 – 747x, pissn
2338 – 1981
https://jurnal.unime
10 A Pollutant Gas Sensor Based On Fe3O4 Nanostructures-A Review.
Journal Of The Electrochemical Society (Q1).
Publish pada tanggal 10 Februari 2021.
DOI:10.1149/1945- 7111/abd928
F. Pemakalah Seminar Ilmiah (Oral Presentation) dalam 5 tahun terakhir No Nama Pertemuan Ilmiah /
Seminar
Judul Artikel Ilmiah
Waktu dan Tempat
1
Seminar Nasional Hasil Penelitian dan Pengabdian Kepada
Masyarakat
PKM Belajar Fisika Dengan Metode
Pengajaran Kooperatif Team Game Tournament
(TGT)
15 Februari 2018 di Medan
2 International Conference On Physics And Applied Physics
(ICP&AP) 2019
XRD characterization of
Fe3O4-ZnO nanocomposite material by the hydrothermal
method
12-13 September 2019
3 The 4th International Conference on Science and Technology (ICST)
2021
Synthesis And Characterization Of
Nanocomposites Fe3O4-ZnO
3 July 2021
Medan, 23 September 2021
JULIANDI SIREGAR
xi KATA PENGANTAR
Bismillahirrahmanirrahim
Alhamdulillah, segala puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang telah memberikan segala nikmat-Nya kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan disertasi S-3 Ilmu Fisika FMIPA USU ini dengan sebaik-baiknya. Shalawat dan salam penulis ucapkan kepada Rasulullah SAW sebagai uswatun hasanah dan idola ummat manusia, yang mana diutus-Nya beliau adalah sebagai Rahmat bagi seluruh alam, yang mana ajaran Rasulullah selalu memberikan semangat baru bagi kita semua dalam menuntut ilmu.
Banyak pihak telah berjasa dalam penyelesaian disertasi ini. Kepada mereka semua saya berdo’a semoga Allah akan memberikan balasan yang setimpal atas jasa- jasanya dan mengucapkan terima kasih, meskipun barangkali tidak semuanya dapat saya tuliskan di sini. Dari sekian banyak pihak tersebut diantaranya adalah :
1. Rektor Universitas Sumatera Utara, Bapak Dr. Muryanto Amin, S.Sos, M.Si, atas kesempatan yang diberikan kepada kami untuk mengikuti dan menyelesaikan pendidikan program studi Doktor.
2. Bapak Dr. KRT. H. Hardi Mulyono, SE, MAP selaku Rektor UMN Al Washliyah dan seluruh jajaran Rektorat UMN Al-Washliyah atas support moril dan materil sehingga saya dapat mengikuti perkuliahan program studi Doktor Ilmu Fisika FMIPA USU sampai terselesaikannya disertasi ini.
3. Direktur Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara, Ibu Prof. Ir. T.
Sabrina, M.Agr. Sc, Ph.D, yang juga telah memberikan kesempatan bagi saya dalam mengikuti dan menyelesaikan perkuliahan S3 di Pascasarjana USU.
4. Dekan Fakultas MIPA Universitas Sumatera Utara, Ibu Dr. Nursahara Pasaribu, M.Sc atas kesempatan yang diberikan kepada kami untuk menjadi mahasiswa program studi Doktor Ilmu Fisika FMIPA USU.
5. Ketua program studi Bapak Dr. Drs. Syahrul Humaidi, M.Sc, dan sekretaris program studi Ibu Prof. Dr. Dra. Erna Frida, M.Si beserta seluruh Staf Pengajar pada program Studi S3 Doktor Ilmu Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara (FMIPA-USU).
6. Bapak Dr. Drs. Syahrul Humaidi, M.Sc, sebagai Promotor Utama yang telah berkontribusi dalam meluangkan waktu, ide, masukan-masukan dalam membahas setiap kemajuan hasil penelitian ini, serta ilmu yang telah diberikan kepada saya
xii dengan penuh kesabaran menuntun dan membimbing saya hingga penelitian dan disertasi ini selesai.
7. Bapak Prof. Brian Yuliarto, S.T, M.Eng, Ph.D (Guru Besar Institut Teknologi Bandung) sebagai Co-Promotor I yang sudah mengasuh kami dengan penuh kesabaran dan ketabahan selama proses penelitian, ikut turut berkontribusi meluangkan waktu, membimbing, menyediakan alat, bahan dan tempat yang ada dilaboratorium Advanced Functional Materials Laboratory (AFM) Program Studi Teknik Fisika Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Bandung (ITB), menuangkan pemikirannya mulai dari ide, masukan-masukan setiap ada kemajuan sampai studi, penelitian dan penulisan disertasi ini selesai.
8. Ibu Prof. Dr. Zuriah Sitorus, M.S (Guru Besar Universitas Sumatera Utara) sebagai Co-Promotor II yang telah memberikan dukungan, semangat, masukan- masukan, serta memudahkan segala proses administrasi pada proses penelitian dan penulisan disertasi ini.
9. Para Dosen Penguji disertasi saya yang terdiri dari Bapak Prof. Dr. Timbangen Sembiring, M.Sc (Guru Besar Universitas Sumatera Utara), Bapak Dr. Kurnia Sembiring, M.S dan Bapak Prof. Dr. Putut Marwoto, M.S (Guru Besar Universitas Negeri semarang), atas segala saran dan masukannya sehingga lebih menyempurnakan disertasi ini.
10. Almarhum Bapak Prof. Dr. Kerista Sebayang, M.S (Guru Besar Universitas Sumatera Utara) sebelumnya sebagai Promotor Utama yang telah berkontribusi dalam meluangkan waktu, ide, masukan-masukan dalam membahas setiap kemajuan hasil penelitian ini, serta ilmu yang telah diberikan kepada saya dengan penuh kesabaran menuntun dan membimbing saya hingga penelitian dan disertasi ini selesai. Semoga segala ilmu yang telah diajarkan menjadi penambah timbangan amal kebaikan bagi almarhum di akhirat, Aamiin.
11. Terkhusus kepada ayahanda (alm) Ali Mukmin Siregar dan ibunda (almarhumah) Siti Maryam Pulungan, terimakasih yang sebesar-besarnya atas kasih sayangnya sejak saya dilahirkan hingga saat ini, jerih payah dalam mendidik, membimbing, menasehati, serta menyemangati dan memberikan kepercayaan kepada saya pada masa sekolah dulu dan saat ini saya dapat menjalani perkuliahan S3 Ilmu Fisika FPMIPA USU. Semoga Allah balas segala pengorbanan ayahanda dan ibunda dengan balasan surga jannatun na’im. Aamiin.
xiii 12. Istri saya tercinta dan tersayang Hj. Sri Rezeki.,A.Md yang sangat banyak memberikan motivasi, dukungan dan do’a selama dalam masa perkuliahan S3, penelitian dan penyusunan disertasi ini.
13. Seluruh keluarga besar saya dan istri yang tidak dapat disebutkan satu persatu.
14. Seluruh Dekan dan jajarannya serta Dosen di UMN Al Washliyah atas kerjasama dan dukungan moril yang telah diberikan selama ini khususnya Prodi Pendidikan Fisika FKIP UMN AW.
15. Seluruh rekan-rekan dan sahabat kuliah S3 Ilmu Fisika FMIPA USU yang juga telah memberikan banyak saran dan masukan selama perkuliahan maupun pelaksanaan penelitian dan penyusunan disertasi ini.
16. Advanced Functional Materials Laboratory (AFM) Program Studi Teknik Fisika Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Bandung (ITB) dan Pusat Penelitian Nanosains dan Nanoteknoogi (PPNN) ITB.
17. Para tuan guru, ulama, orang-orang tua, sahabat, saudara/i dan rekan-rekan semuanya dalam organisasi bidang keagamaan, STM Ikhlas, BKM Nurul Islam, atas kontribusinya dalam memberikan motivasi serta do’anya dalam penyelesaian kuliah S3 ini.
Saya tidak dapat membalas atas segala kebaikan yang telah diberikan. Namun saya berdo’a semoga Allah akan membalasnya dengan yang lebih baik lagi. Penulisan disertasi ini merupakan bagian dari perkuliahan S3 Ilmu Fisika FMIPA USU yang harus saya kerjakan. Pada kesempatan ini penulis telah menyusun dan menulis disertasi dengan tema “Sintesis Nanokomposit Fe3O4-ZnO Menggunakan Metode Hidrotermal Sebagai Aplikasi Sensor Gas Etanol”.
Penulis masih berharap banyak kritik dan saran yang membangun dari siapa saja untuk menyempurnakan disertasi ini. Sebagai penutup penulis mengucapkan Alhamdulillah, semoga disertasi ini dapat memberikan manfaat bagi para pembaca, bagi bangsa dan Negara, juga bagi penulis sendiri, Aamiin.
Medan, September 2021 Penulis
JULIANDI SIREGAR
xiv SINTESIS NANOKOMPOSIT Fe3O4-ZnO
MENGGUNAKAN METODE HIDROTERMAL SEBAGAI APLIKASI SENSOR GAS ETANOL
ABSTRAK
Penelitian ini bertujuan untuk membuat prototipe sensor gas etanol. Penelitian dilakukan untuk mengaplikasikan material aktif sensor gas etanol dengan mensintesis nanokomposit Fe3O4-ZnO melalui metode hidtrotermal sebagai aplikasi sensor gas etanol.
Penelitian dilakukan dengan metode eksperimen melalui beberapa tahapan yang dilakukan, yaitu Sintesis Fe3O4 dari prekursor FeCl2 dan FeCl3 dengan metode sonikasi;
Sintesis nanomaterial Fe3O4-ZnO dengan metode hidrotermal dengan perbandingan Fe3O4 : ZnO adalah (1:0), (1:1) dan (0:1) serta karakterisitiknya ; Uji Performansi sistem terhadap gas etanol.
Melalui penelitian ini telah berhasil dilakukan sintesis material Fe3O4 dari prekursornya FeCl2.4H2O dan FeCl3.6H2O dengan metode sonikasi. Juga telah berhasil didapatkan material serbuk nanokomposit Fe3O4-ZnO melalui metode hidrotermal. Analisa XRD menampilkan dengan perbandingan Fe3O4 : ZnO (1 : 0), struktur kristal terbentuk spinel, parameter kisi a = 8,34400 Å. Puncak maksimum pada sudut 2𝜃 = 35,6590 , jarak spasi 2,5158 Å, ukuran butir 23,27 nm dan respon gas etanol konsentrasi 100 ppm terbaik pada suhu 350 ℃ yaitu 93 %. Pada perbandingan Fe3O4 : ZnO (1 : 1), struktur kristal terbentuk adalah trigonal (Hexagonal axes) parameter kisi a = 5.63270 Å, c=
5.22090 Å. Puncak maksimum terdapat pada sudut 2𝜃 = 36,210 dengan jarak spasi 2,4787 Å dan ukuran butir 49,20 nm. Respon gas etanol konsentrasi 100 ppm terbaik pada suhu 300 ℃ yaitu 96 %. Pada perbandingan Fe3O4 : ZnO (0 : 1) struktur kristal terbentuk hexagonal dengan parameter kisi a= 3.24940 Å, c= 5.20380 Å. Puncak maksimum terdapat pada sudut 2𝜃 = 36,240 dengan jarak spasi 2,4753 Å dan ukuran butir 67,63 nm. Respon gas etanol konsentrasi 100 ppm terbaik pada suhu 350 ℃ yaitu 97 %. Ukuran butir nanopartikel Fe3O4, nanokomposit Fe3O4-ZnO dan nanopartikel ZnO masing-masing adalah 23,27 nm ; 49,20 nm dan 67,63 nm.
Kata kunci : Sensor gas, Fe3O4 - ZnO, Hidrotermal, dan Etanol.
xv SYNTHESIS OF NANOCOMPOSITE Fe3O4-ZnO
USING HYDROTERMAL METHOD
AS AN ETHANOL GAS SENSOR APPLICATION
ABSTRACT
This study aims to create a prototype of the ethanol gas sensor. The research was conducted to apply the active material of the ethanol gas sensor by synthesizing Fe3O4- ZnO nanocomposite through the hydrothermal method as an ethanol gas sensor application.
The research was conducted by using an experimental method through several steps, namely Synthesis of Fe3O4 from FeCl2 and FeCl3 precursors using the sonication method; Synthesis of Fe3O4-ZnO nanomaterials by hydrothermal method with Fe3O4: ZnO ratios (1: 0), (1: 1) and (0: 1) and their characteristics; system performance test for ethanol gas.
Through this research, the synthesis of Fe3O4 material from its precursors FeCl2.4H2O and FeCl3.6H2O has been successfully carried out using the sonication method. It has also been successfully obtained powder material for Fe3O4-ZnO nanocomposite by hydrothermal method. XRD analysis shows that with a ratio of Fe3O4 : ZnO (1 : 0), the crystal structure is formed by spinels, the lattice parameter a = 8.34400 Å. The maximum peak at an angle of 2𝜃 = 35.6590, a spacing of 2.5158 Å, grain size is 23,27 nm and the best response to 100 ppm of ethanol gas at 350 ℃ is 93%. In the ratio Fe3O4
: ZnO (1 : 1), the crystal structure formed is trigonal (hexagonal axes) lattice parameters a = 5.63270 Å, c = 5.22090 Å. The maximum peak is at an angle of 2𝜃 = 36.210 with a spacing of 2.4787 Å and grain size is 49,20 nm. The best response to 100 ppm concentration of ethanol gas at 300 ℃ is 96%. In the ratio Fe3O4 : ZnO (0 : 1) the crystal structure is formed hexagonally with lattice parameters a = 3.24940 Å, c = 5.20380 Å. The maximum peak is at an angle of 2𝜃 = 36.240 with a spacing of 2.4753 Å and grain size is 67,63 nm. The best response of 100 ppm concentration of ethanol gas at 350 ℃ is 97%. Grain size of Fe3O4 nanoparticles, Fe3O4-ZnO nanocomposites and ZnO nanoparticles was 23.27 nm; 49.20 nm and 67.63 nm.
Key words : Gas sensor, Fe3O4 - ZnO, Hydrothermal, and Ethanol.
xvi DAFTAR ISI
Halaman
PENGESAHAN DISERTASI ... iii
PERNYATAAN ORISINILITAS ... ivv
PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ... v
Telah diuji pada ... vi
CURRICULUM VITAE ... vii
KATA PENGANTAR ... xi
ABSTRAK ... Error! Bookmark not defined.xiv ABSTRACT ... xv
DAFTAR ISI ... xvi
DAFTAR GAMBAR ... xix
DAFTAR TABEL ... xx
DAFTAR LAMPIRAN ... xxi
DAFTAR SINGKATAN ... xxii
BAB 1 PENDAHULUAN ………1
1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Perumusan Masalah ... 4
1.3. Tujuan Penelitian ... 4
1.4. Pembatasan Masalah ... 5
1.5. Orisinalitas dan Kebaruan Penelitian ... 5
1.6. Manfaat Penelitian ... 5
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 7
2.1. Material Semikonduktor ... 7
2.2. Material Oksida Sebagai Sensor Gas ... 7
2.3. Karakteristik Sensor Gas Berbasis Oksida Logam ... 8
2.4. Nanopartikel Magnetit (Fe3O4) ... 9
2.5. Nanopartikel Zink Oxide (ZnO) ... 13
2.6. Sintesis Fe3O4-ZnO dengan metode Hidrotermal ... 15
2.7. Volatile Organic Compound (VOC) ... 16
2.8. Etanol ... 17
xvii
2.9. Sensor Gas Berbasis Material Komposit ... 18
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN ... 19
3.1. Tempat Dan Waktu Penelitian ... 19
3.1.1. Tempat Penelitian ... 19
3.1.2. Waktu Penelitian ... 19
3.2. Alat dan Bahan ... 19
3.2.1. Alat ... 19
3.2.2. Bahan ... 20
3.3. Prosedur dan Diagram Alir Penelitian ... 20
3.3.1. Sintesis Fe3O4 dengan metode sonikasi ... 20
3.3.2. Sintesis Fe3O4 - ZnO Dengan Metode Hidrotermal ... 21
3.3.3. Karakterisasi Material ... 23
3.3.4. Uji Performansi Sensor Fe3O4 - ZnO Terhadap Gas Etanol ... 24
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ... 26
4.1. Hasil Sintesis Material ... 26
4.2. Karakterisasi Material ... 28
4.2.1. Analisis XRD Nanokomposit Fe3O4-ZnO ... 28
4.2.1.1. Perbandingan Fe3O4 : ZnO (1 : 0) ... 28
4.2.1.2. Perbandingan Fe3O4 : ZnO (1 : 1) ... 30
4.2.1.3. Perbandingan Fe3O4 : ZnO (0 : 1) ... 33
4.2.2. Analisis SEM Nanokomposit Fe3O4-ZnO ... 35
4.2.2.1. Perbandingan Fe3O4 : ZnO (1 : 0) ... 35
4.2.2.2. Perbandingan Fe3O4 : ZnO (1 : 1) ... 37
4.2.2.3. Perbandingan Fe3O4 : ZnO (0 : 1) ... 38
4.3. Uji Sensor Nanokomposit Fe3O4-ZnO Terhadap Gas Etanol ... 39
4.3.1. Perbandingan Fe3O4 : ZnO (1 : 0) ... 39
4.3.2. Perbandingan Fe3O4 : ZnO (1 : 1) ... 43
4.3.3. Perbandingan Fe3O4 : ZnO (0 : 1) ... 46
4.4. Perbandingan Nilai Respon Tiap Sensor Pada Suhu Sama ... 48
xviii
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 52
5.1. Kesimpulan ... 52
5.2. Saran ... 53
DAFTAR PUSTAKA ……….55
LAMPIRAN ………..……….59
xix DAFTAR GAMBAR
Nomor
Gambar Judul Halaman
Gambar 2.1 Struktur Kristal Magnetit dengan Fasa Kubik F3dm 10 Gambar 3.1 Diagram alir proses sintesis Fe3O4 dengan metode sonikasi 21 Gambar 3.2 Diagram alir sintesis Fe3O4 - ZnO dengan metode hidrotermal 22 Gambar 3.3 Skema sistem pengujian sensor Fe3O4 - ZnO 24
Gambar 4.1 Serbuk nanopartikel Fe3O4 murni 26
Gambar 4.2 Serbuk Nanokomposit Fe3O4-ZnO 27
Gambar 4.3 Difraktogram Hasil XRD Fe3O4 29
Gambar 4.4 Analisis XRD Fe3O4 menggunakan match 30 Gambar 4.5 Difraktogram Hasil XRD Komposit Fe3O4-ZnO 31 Gambar 4.6 Analisis XRD Fe3O4-ZnO menggunakan match 31
Gambar 4.7 Difraktogram Hasil XRD ZnO 33
Gambar 4.8 Analisis XRD ZnO menggunakan match 34
Gambar 4.9 Uji SEM Fe3O4 Perbesaran 15.000 X 35
Gambar 4.10 Uji SEM Fe3O4 Perbesaran 50000 X 36
Gambar 4.11 Uji SEM Fe3O4 Perbesaran 2000 X dan 500 X 36 Gambar 4.12 Uji SEM Fe3O4-ZnO Perbesaran a)15.000 X , b)5000X dan
c)500 X
37 Gambar 4.13 Uji SEM ZnO Perbesaran a)3X, b)10X dan c)100X 39 Gambar 4.14 Grafik Respon Sensor Fe3O4 : ZnO (1:0) ; a) T=250 °C dan b)
T=300 °C 40
Gambar 4.15 Grafik Respon Sensor Fe3O4 : ZnO (1:0) ; T=350 °C 41 Gambar 4.16 Grafik Respon Sensor Fe3O4 : ZnO (1:0) ; T=400 °C 42 Gambar 4.17 Grafik Respon Sensor Fe3O4 : ZnO (1:0) ; T=250 °C, 300 °C,
350 °C dan 400 °C
42 Gambar 4.18 Grafik Respon Sensor Fe3O4 : ZnO (1:1); T=250 °C 43 Gambar 4.19 Grafik Respon Sensor Fe3O4 : ZnO (1:1); T=300 °C 44 Gambar 4.20 Grafik Respon Sensor Fe3O4 : ZnO (1:1); T=350 °C 45 Gambar 4.21 Grafik Respon Sensor Fe3O4 : ZnO (1:1); T=250 °C, 300 °C dan
350 °C 45
Gambar 4.22 Grafik Respon Sensor Fe3O4 : ZnO (0:1) ; T=250 °C 46 Gambar 4.23 Grafik Respon Sensor Fe3O4 : ZnO (0:1) ; T= 300 °C 47 Gambar 4.24 Grafik Respon Sensor Fe3O4 : ZnO (0:1) ; T=350 °C 47 Gambar 4.25 Grafik Respon Sensor Fe3O4 : ZnO (0:1) ; T=250 °C, 300 °C
dan 350 °C 48
Gambar 4.26 Grafik Respon Sensor Fe3O4 : ZnO (1:0), (1:1), (0:1) ; T=250 °C 49 Gambar 4.27 Grafik Respon Sensor Fe3O4 : ZnO (1:0), (1:1), (0:1) ; T=300 °C 50 Gambar 4.28 Grafik Respon Sensor Fe3O4 : ZnO (1:0), (1:1), (0:1) ; T=350 °C 51
xx DAFTAR TABEL
Nomor
Tabel Judul Halaman
Tabel 4.1 Performance Sensor Fe3O4 Terhadap Gas Etanol 100
ppm 43
Tabel 4.2 Performance Sensor Fe3O4-ZnO Terhadap Gas Etanol
100 ppm 46
Tabel 4.3 Performance Sensor ZnO Terhadap Gas Etanol 100
ppm 48
Tabel 4.4 Perbandingan Sensor Fe3O4-ZnO Pada Suhu 250 ℃ 49 Tabel 4.5 Perbandingan Sensor Fe3O4-ZnO Pada Suhu 300 ℃ 50 Tabel 4.6 Perbandingan Sensor Fe3O4-ZnO Pada Suhu 350 ℃ 51
xxi DAFTAR LAMPIRAN
Nomor
Lampiran Judul Halaman
Lampiran 1 Publikasi 59
xxii DAFTAR SINGKATAN
Å = Angstrom
℃ = Derajat Celcius γFe2O3 = Maghemit
AFM = Advanced Functional Material Al2O3 = Aluminum oxide
CO = Carbon Monoxide
Cr2O3 = Chromium Oxide
Cu = Cuprum (tembaga)
CuO = Copper Oxide eV = Elektron Volt Fe2O3- = Ferric Oxide
Fe3O4 = Ferrosferric Oxide (magnetit) FeCl2 = Ferrous Chloride
FeCl2.4H2O = Ferrous Chloride Tetrahydrate FeCl3 = Ferric Chloride
FeCl3.6H2O = Ferric Chloride Hexahydrate H2O = Hidrogen Dioksida
ITB = Institut Teknologi Bandung MeV = Mega Elektron Volt
mm = Milimeter
MOS = Material Oksida Semikonduktor MRI = Magnetic Resonance Imaging NaOH = Natrium Hydroxide
NH4OH = Ammonium Hydroxide
nm = Nanometer
NO2 = Nitrogen Dioxide OH- = Hydroxide PEG = Polietilena Glikol pH = Power of Hydrogen ppm = Parts Per Million
xxiii PPNN = Pusat Penelitian Nanosains dan Nanoteknoogi
PVP = Polyvinylpyrrolidone
SEM = Scanning Electron Microscopy SnO2 = Tin Oxide
TiO2 = Titanium Dioxide Tipe – n = Tipe Negatif Tipe – p = Tipe Positif UV = Ultraviolet
VOC = Volatile Organic Compound V2O5 = Vanadium Pentaoksida WO3 = Tungsten Trioxide XRD = X-ray Diffractometer ZAD = Zink Acetate Dihydrate ZnO = Zink Oxide
ZrO2 = Zirconium Dioxide
1 BAB 1
PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang
Penelitian yang dilakukan ini masih tergolong penelitian baru dari segi penggunaan nanomaterial sebagai aplikasi sensor gas volatile organic compound (VOC). Material yang digunakan merupakan sintesis nanokomposit Magnetit (Fe3O4) dan Zink Oxide (ZnO) sebagai aplikasi sensor gas etanol. Nanopartikel Fe3O4 belum banyak digunakan sebagai material sensor gas. Sementara ini sensor gas elektrokimia berbasis oksida logam semikonduktor yang lazim digunakan adalah SnO2, CuO, WO3, TiO2, dan V2O5 karena memiliki sensitivitas tinggi terhadap gas-gas berbahaya (Septiani et al., 2018). Material-material tersebut mempunyai sifat listrik yang mudah berubah ketika berinteraksi dengan oksigen dan gas target, sehingga material memiliki potensi yang sangat besar sebagai sensor gas (Yuliarto et al., 2003).
Material Fe3O4 yang berukuran nano biasanya digunakan untuk pembuatan biosensor (Rocha-Santos, 2014). Fe3O4 merupakan material magnetik yang paling umum digunakan dalam aplikasi biomedis, seperti pemisahan produk biomolekul, hipotermia, magnetic resonance imaging (MRI), pembawa obat, dan biosensor.
Nanomaterial Fe3O4 dapat merespon dengan cepat gas CO walaupun sensitivitasnya terbatas jika dibandingkan metal oksida yang lainnya (Grzybowska et al., 2009). Hasil penelitian juga menunjukkan bahwa nanomaterial Fe3O4
sangat baik dalam mendeteksi gas NO2 baik dalam hal respons, kecepatan pemulihan dan sensitivitas (sensitivitas sekitar 15% / ppm dan di bawah 12 ppm pada suhu sekitar 220 ℃) (Grzybowska et al., 2009). Dapat diprediksi bahwa nanomaterial Fe3O4 juga dapat mendeteksi gas VOC seperti etanol, metanol, acetone, toluene, benzene, xylene isoprophyl alcohol dan lain-lain (Siregar et al., 2021). Pemaparan polusi udara dalam era modern saat ini merupakan persoalan yang serius terutama pengaruhnya terhadap pencemaran lingkungan dan kesehatan. VOC merupakan salah satu jenis zat kimia organik yang mudah sekali menguap atau berubah fasa menjadi gas dalam suhu ruang. VOC banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari, namun VOC merupakan gas polutan yang rentan terhirup dan berdampak tidak baik bagi kesehatan. VOC biasanya
2 ditemukan di atmosfer yang dekat permukaan tanah di daerah perkotaan dan pusat-pusat industri. Senyawa organik ini muncul di atmosfer sebagai hasil dari aktivitas manusia, gas buang kendaraan bermotor, penguapan bahan bakar minyak, pelarut, penyulingan minyak, pembuatan makanan dan pertanian. Sifat mudah menguap, pada konsentrasi dan tekanan tertentu VOC digolongkan ke dalam flammable gas atau gas yang mudah terbakar. Ketika terpapar dalam waktu dan konsentrasi di atas batas aman, resiko yang ditimbulkan dapat berupa kerusakan pada saluran pencernaan, pernafasan bahkan menyebabkan kematian (www.osha.gov/SLTC/VOCs), (www.epa.gov/iaq/voc.html).
Material Fe3O4 di samping sangat mudah didapatkan, berharga murah, juga merupakan oksida besi yang mudah disintesis dalam skala laboratorium.
Namun demikian nanomaterial Fe3O4 ini dapat diaplikasikan dalam skala yang luas. Fe3O4 yang mengandung partikel oksida Fe dengan ukuran struktur mikro atau skala nano seperti ukuran, bentuk, permukaan, struktur, dan komposisi dengan perlakuan panas tertentu akan menghasilkan material baru yang dapat meningkatkan sifat penginderaan gas sensor (Long et al., 2015). Kelebihan dari oksida Fe dengan ukuran mikro adalah memiliki permukaan yang sangat spesifik dan struktur skala nano yang cocok digunakan sebagai sensor gas. Aplikasi potensial Fe2O3- dan Fe3O4 oksida berbasis nanomaterial semakin menjanjikan digunakan untuk teknologi sensor gas dengan biaya rendah tapi kualitas tinggi.
Perkembangan baru tentang Fe, Fe2O3, Fe3O4, FexOy sebagai bahan mikro atau nanomaterial dengan berbagai karbon nanomaterial yang lain masih sangat berpeluang untuk di teliti lebih lanjut sebagai sensor gas (Long et al., 2015).
Nanomaterial Fe3O4 yang dapat disintesis dengan campuran FeCl2 dan FeCl3 dalam rasio molar tertentu kemudian diberikan tambahan larutan ammonia NH4OH akan menjadi material yang sangat efisien digunakan.
Salah satu bahan nanomaterial lain yang menarik untuk dikembangkan sebagai komposit adalah Zink Oxide (ZnO) yang juga dapat diterapkan dalam berbagai bidang diantaranya sebagai bahan aplikasi sensor gas etanol. Beberapa keunggulan ZnO sebagai bahan semikonduktor antara lain mempunyai sifat stabilitas tinggi (Rasmussen et al., 2010), biokompatibilitas (Bisht & Rayamajhi, 2016), dengan energi pengikat eksitasi 60 eV (Ahadpour Shal & Jafari, 2014; R.
3 K. Sharma & Ghose, 2015). Komposit ZnO dikategorikan ke dalam lima senyawa yang dianggap aman oleh US Food and Drug Administration (Premanathan et al., 2011; D. Sharma et al., 2010). Keunggulan tersebut memperluas aplikasi ZnO dalam berbagai bidang seperti fotovoltaik (Kim et al., 2015), elektronika, ilmu kedokteran, kosmetik (Koutu et al., 2016) dan antibakteri (L. He et al., 2011).
ZnO merupakan semikonduktor oksida logam tipe-n (MOS) yang memiliki komponen elektronik penting, karakteristik kimia dan fisika menjadikannya sensor komersial yang terkenal karena sensitivitas sifat-sifatnya terhadap variasi dalam lingkungan kimianya. Material ini memiliki sensitivitas kimia yang tinggi untuk gas yang teradsorpsi sehingga dapat digunakan sebagai sensor gas (Leano et al., 2017). Ketika molekul gas berinteraksi dengan permukaan semikonduktor seperti material ZnO maka sifat-sifat seperti resistensi, konduktivitas dan potensi permukaan juga terpengaruh.
Berbagai metode sintesis dapat dilakukan dalam menghasilkan sebuah nanomaterial ataupun mensintesis nanokomposit beberapa nanomaterial. Di antaranya seperti metode hidrotermal dankopresipitasi (B. Permana, T. Saragi, M. Saputri, L. Safriani, I. Rahayu, 2009), metode polyol dan spray pyrolysis (Debataraja et al., 2017). Dalam penelitian ini digunakan metode hidrotermal karena memiliki keunggulan karena merupakan metode yang sederhana dengan suhu reaksi yang rendah atau kurang dari 200 ℃. Oleh karena itu dalam penelitian ini akan dilakukan sintesis Nanokomposit Magnetit (Fe3O4) - Zink Oxide (ZnO) dengan metode hidrotermal sebagai aplikasi sensor gas etanol.
Laboratorium Advanced Functional Material (AFM) Teknik Fisika ITB salah satu fokus penelitiannya adalah pembuatan sensor gas dari material semikonduktor untuk mendeteksi gas-gas berbahaya. Penggunaan material semikonduktor Zink Oxide (ZnO) telah dikembangkan di Laboratorium AFM.
Namun untuk penelitian berbasis material Magnetit (Fe3O4) masih belum banyak dilakukan. Pemilihan gas target etanol juga didasarkan pada alasan resiko atas keselamatan yang tidak terlalu besar untuk dilakukan dalam skala laboratorium.
Penelitian mengenai sensor gas etanol berbasis metal oksida sudah dilakukan peneliti-peneliti terdahulu. Material oksida yang digunakan antara lain
4 SnO2 dan ZnO. Dalam penelitian ini akan dilakukan penelitian menggunakan nanopartikel Fe3O4 yang dikomposit dengan ZnO menggunakan metode hidrotermal untuk diaplikasikan sebagai sensor gas etanol. Mekanisme kerja dari sensor gas secara esensial disebabkan oleh adanya peristiwa adsorpsi dan desorpsi molekul gas terhadap permukaan semikonduktor oksida logam.
Akibatnya terjadi perubahan nilai resistansi atau konduktansi dari sensor gas.
1.2. Perumusan Masalah
Dengan uraian yang tercantum dalam latar belakang di atas, maka akan dilakukan pengkajian atas beberapa masalah dalam penelitian ini yaitu sebagai berikut :
1. Bagaimana proses sintesis Fe3O4 dengan menggunakan prekursor FeCl2.4H2O dan FeCl3.6H2O ?
2. Bagaimana proses sintesis nanokomposit Fe3O4-ZnO dengan metode hidrotermal ?
3. Bagaimana pengaruh variasi komposisi Fe3O4 pada ZnO dengan menggunakan metode hidrotermal terhadap karakteristik nanokomposit yang meliputi struktur kristal dan morfologi ?
4. Bagaimana kinerja nanokomposit Fe3O4-ZnO sebagai aplikasi sensor gas etanol ?
1.3. Tujuan Penelitian
Secara umum penelitian ini dilakukan dengan tujuan utama untuk memperoleh material nanokomposit Fe3O4-ZnO yang akan digunakan sebagai aplikasi sensor gas etanol. Untuk mencapai tujuan utama dari penelitian ini maka dilakukan tahapan sebagai berikut :
1. Mengetahui proses sintesis nanopartikel Fe3O4 melalui sintesis dengan prekursor yang digunakan adalah FeCl2.4H2O dan FeCl3.6H2O.
2. Mengetahui proses sintesis nanokomposit Fe3O4-ZnO dengan metode hidrotermal.
3. Mengetahui pengaruh variasi komposisi Fe3O4 pada ZnO terhadap karakteristik nanokomposit yang meliputi struktur kristal dan morfologi.
5 4. Mengetahui kinerja nanokomposit Fe3O4-ZnO sebagai aplikasi sensor gas
etanol dengan berbagai variasi suhu.
1.4. Pembatasan Masalah
Penelitian ini dilakukan dalam skala laboratorium dan dibatasi pada hal- hal sebagai berikut:
1. Sintesis nanopartikel Fe3O4 yang dilakukan dengan metode sonikasi menggunakan prekursor Fe3O4 yaitu FeCl2.4H2O dan FeCl3.6H2O untuk membentuk nanopartikel Fe3O4.
2. Sintesis nanokomposit Fe3O4-ZnO menggunakan metode hidrotermal pada temperatur ruang untuk membentuk nanokomposit Fe3O4-ZnO.
3. Analisa struktur dan morfologi nanokomposit Fe3O4-ZnO yang terbentuk dengan menggunakan x-ray diffractometer (XRD) dan scanning electron microscopy (SEM).
4. Variabel dalam penelitian ini adalah komposisi antara nanopartikel Fe3O4 dan ZnO (1:0, 1:1 dan 0:1) serta variasi suhu dalam uji performansi gas (250 ℃, 300 ℃, 350 ℃ dan 400 ℃).
1.5. Orisinalitas dan Kebaruan Penelitian
Penelitian yang dilakukan ini memiliki orisinilitas dan kebaruan dalam penggunaan metode sintesis yang aplikasinya digunakan sebagai aplikasi sensor gas etanol. Nanokomposit Fe3O4 – ZnO yang disintesis menggunakan metode hidrotermal untuk aplikasi sensor gas etanol adalah hal baru yang dilakukan dalam penelitian ini. Kemudian memvariasikan perbandingan jumlah mol antara Fe3O4 dan ZnO serta variasi suhu saat uji performansi gas etanol juga merupakan nilai kebaruan dalam penelitian yang dilakukan ini.
1.6. Manfaat Penelitian
Penelitian ini memiliki manfaat sebagai berikut :
1. Secara umum akan memberikan kontribusi positif pada penelitian di bidang material khususnya bidang sensor gas di Indonesia.
2. Menghasilkan nanokomposit Fe3O4-ZnO melalui metode hidrotermal untuk aplikasi sensor gas etanol.
6 3. Menghasilkan karakteristik nanokomposit Fe3O4-ZnO sebagai aplikasi sensor
gas etanol.
4. Diharapkan dapat dijadikan referensi bagi peneliti lainnya.
7 BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Material Semikonduktor
Ada dua jenis semikonduktor bila ditinjau dari segi kemurniannya yaitu semikonduktor intrinsik dan semikonduktor ekstrinsik. Semikonduktor intrinsik yaitu semikonduktor yang tidak dicampur dengan bahan lain sebagai pengotornya (doping) sehingga memiliki jumlah elektron dan hole yang sama. Konduktivitas listrik pada semikonduktor intrinsik dihasilkan oleh adanya elektron yang ter- eksitasi ke pita konduksi dan adanya cacat kisi (defect).
Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang telah didoping dalam kadar jumlah tertentu sehingga menghasilkan tambahan pembawa muatan serta cacat kisi. Penambahan doping pada semikonduktor ekstrinsik tidak boleh terlalu banyak dan umumnya hanya di bawah 2% dari material utamanya. Dengan adanya penambahan bahan doping ini maka konduktivitas listrik pada semikonduktor ekstrinsik semakin meningkat.
2.2. Material Oksida Sebagai Sensor Gas
Material oksida merupakan senyawa oksida logam dengan karakter strukturnya berikatan kovalen. Banyak jenis oksida logam yang ada saat ini seperti TiO2, ZrO2, ZnO, SnO2 dan lain-lain. Dalam bentuk film tipis material oksida ini transparan terhadap cahaya dikarenakan band gapnya yang moderat.
Semikonduktor oksida logam adalah salah satu jenis material yang banyak digunakan sebagai sensor gas karena lebih fleksibel dalam memproduksinya, harganya lebih murah dan lebih terjangkau, sederhana dalam menggunakannya, bisa mendeteksi berbagai macam gas serta dapat diaplikasikan dalam berbagai bidang.(http://www.google.com/search?q=sintesis+nanopartikel+fe3o4&source=
lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwizxKn1pdnjAhVYiXAKHUm3CDAQ_AUI ESgB&biw=1280&bih=657#imgrc=r8A6wjbGJx2F2M).
Berbagai macam oksida logam diketahui sangat cocok digunakan untuk mendeteksi gas pengoksida dan pereduksi, di mana dalam pemilihan oksida logam yang akan digunakan sebagai sensor telah dikelompokkan menjadi dua kategori berdasarkan sifat elektronik dari material yaitu dari konduktivitas listrik material.
8 Berikut dua kategori material oksida logam yang digunakan sebagai lapisan sensitif pada sensor gas :
1. Oksida logam transisi : Fe2O3, NiO, Cr2O3 dll.
2. Oksida logam non-transisi :
a. Oksida logam pre-transisi : Al2O3,dll.
b. Oksida logam post-transisi : ZnO, SnO2, dll.
Mekanisme kerja dari sensor gas secara esensial disebabkan oleh adanya peristiwa adsorpsi dan desorpsi molekul gas terhadap permukaan semikonduktor oksida logam. Akibatnya terjadi perubahan nilai resistansi atau konduktansi dari sensor gas. Permukaan oksida logam pada umumnya terbentuk dari butiran- butiran partikel oksida logam nanostruktur yang saling melekat satu sama lain, yang terdapat pada pori-pori pada tiap pertemuan butiran-butiran partikel oksida logam. Ketika permukaan semikonduktor oksida logam terekspos oksigen, maka molekul oksigen akan teradsorpsi pada permukaan semikonduktor oksida logam dan akan menangkap sebuah elektron.
2.3. Karakteristik Sensor Gas Berbasis Oksida Logam
Sensor gas memiliki beberapa karakteristik yang menjadi parameter penting dalam menentukan performa sensor gas, di antaranya adalah :
a. Respon Gas
Respon gas dapat didefenisikan sebagai perubahan relatif dari resistansi sensor gas. Hal ini disebabkan karena sensor gas oksida logam memiliki prinsip kerja berdasarkan chemiresistivity. Artinya adalah sensitivitas dari sensor gas oksida logam dapat direpresentasikan dalam perubahan konduktansi dan resistansi. Penentuan nilai respon sensor gas dari material semikonduktor tipe-n terhadap gas pereduksi dan material semikonduktor tipe-p terhadap gas pengoksidasi dapat dinyatakan sebagai berikut :
R (%) = │ │x 100 %
R adalah nilai respon gas, Ra merupakan resistansi dari sensor gas ketika tidak diberi gas target (hanya diberi udara) dan Rg adalah resistansi ketika diberi gas target.
9 b. Selektivitas
Sensor gas seharusnya memiliki kemampuan untuk mendeteksi hanya pada molekul gas tertentu dari campuran berbagai gas yang berada di udara. Agar suatu sensor memiliki kemampuan tersebut maka sensor harus memiliki karakteristik selektivitas yang baik. Selektivitas dari sensor gas terhadap molekul tertentu dapat dinyatakan sebagai rasio dari respon terhadap molekul gas tertentu dengan sensitivitas molekul gas yang dominan berada di udara.
c. Waktu Respon
Waktu respon merupakan waktu yang dibutuhkan oleh sensor untuk mencapai 90 % total respon dari sinyal ketika terpapar oleh gas target. Sinyal yang dimaksud adalah merupakan perubahan resistansi material ketika sebelum dan sesudah terpapar gas target, mengingat sensor gas yang digunakan merupakan sensor gas chemoresistive.
d. Waktu Pulih
Waktu pulih merupakan waktu yang dibutuhkan oleh sensor untuk kembali ke 90 % keadaan asalnya dengan kata lain kembali kepada keadaan sinyal atau nilai resistansi sebelum dipaparkan gas target.
e. Rentang Dinamik
Merupakan rentang konsentrasi diantara batas deteksi sensor gas terhadap konsentrasi terendah dan konsentrasi gas tertinggi.
f. Stabilitas
Merupakan kemampuan sensor gas untuk mempertahankan performansinya dalam beberapa waktu tertentu.
2.4. Nanopartikel Magnetit (Fe3O4)
Magnetit (Fe3O4) adalah salah satu nanopartikel magnetik memiliki ukuran nanometer baik dari segi ukuran, morfologi serta sifat-sifat magnetiknya.
10 Gambar 2.1. Struktur Kristal Magnetit dengan Fasa Kubik F3dm (Siregar et al., 2021)
Magnetit (Fe3O4) memiliki struktur kristal seperti pada Gambar 2.1 yang terdiri dari 32 ion oksigen, celah-celahnya ditempati oleh ion Fe3+ dan Fe2+. Fe3O4
merupakan nanomaterial yang dapat diaplikasikan dalam skala yang luas. Fe3O4
yang mengandung partikel oksida Fe dengan ukuran struktur mikro atau skala nano seperti ukuran, bentuk, permukaan, struktur, dan komposisi dengan perlakuan panas tertentu akan menjadikannya material baru yang dapat meningkatkan sifat penginderaan gas sensor (Grzybowska et al., 2009). Saat ini, berbagai cara dilakukan untuk mengontrol ukuran partikel magnetit (Fe3O4) hingga mencapai skala nanometer. Salah satunya yaitu dengan mengubah kondisi proses seperti sumber garam besi (FeCl2, FeCl3 dan FeSO4) dan larutan presipitat (NaOH, NH4OH dan N(CH3)4OH). Namun kondisi proses yang paling sering digunakan adalah garam besi (FeCl2 dan FeCl3) serta larutan presipitat (NaOH dan NH4OH). Jika dilihat saat proses sintesis, nanopartikel magnetit (Fe3O4) berwarna hitam pekat yang didapatkan dari pencampuran larutan FeCl2 dan FeCl3
yang berwarna kuning kecoklatan dengan larutan presipitat.
Beberapa penelitian tentang sensor gas menggunakan bentuk α- dan γ dari Fe2O3, yang merupakan n tipe semikonduktor. Namun juga terdapat penelitian yang menggunakan bahan berbasis Fe3O4 untuk aplikasi sensor gas. Fe3O4 adalah half metal dan memiliki struktur elektronik berbeda dari bahan yang biasa dieksploitasi sebagai chemoresistor. Sebagai contoh yaitu nanokomposit Polypyrrole-Fe3O4 yang menunjukkan sensitivitas tinggi terhadap kelembaban
11 relatif serta beberapa digunakan secara umum untuk gas (N2, O2, dan CO2) (Guo et al., 2015). Nanopartikel Fe3O4 murni berstruktur nano pernah digunakan untuk mendeteksi etanol dan gas Volatile Organic Compounds (VOC) lainnya.
Nanokomposit Fe3O4 / γFe2O3 juga berhasil disintesis untuk mendeteksi gas seperti NO2, CO dan gas lainnya (Cuong et al., 2012). Nanokomposit tersebut menunjukkan kinerja sensor (sensitivitas) yang sangat baik.
Beberapa penelitian terdahulu yang telah berhasil melakukan sintesis nanopartikel magnetik melalui berbagai metode seperti kopresipitasi dan hidrotermal. Untuk mengontrol ukuran dan morfologi dari nanostruktur yang diperoleh, berbagai cara dilakukan seperti memvariasikan pH dari larutan, lama waktu pertumbuhan (growth time), konsentrasi larutan, komposisi, suhu, dan tekanan. Namun, untuk menghasilkan nanopartikel dengan berbagai variasi ukuran dan morfologi masih terus dilakukan hingga saat ini (Koutu et al., 2016).
Hasil sintesis nanopartikel Fe3O4 menggunakan metode kopresipitasi mempunyai ukuran partikel berkisar 10 nm (Vistak et al., 2015). Namun, variabel sintesis untuk menghasilkan nanostruktur dan morfologi tertentu masih terbuka lebar untuk dapat dilakukan.
Sintesis nanopartikel Fe3O4 dengan metode presipitasi dapat juga di modifikasi misalnya dengan menggunakan kitosan. Adsorpsi dan modifikasi kitosan pada permukaan nanopartikel Fe3O4 diteliti untuk mengoptimalkan stabilitas koloid nanopartikel Fe3O4. Struktur dan sifat magnetik Fe3O4 sintetik diteliti menggunakan cara yang lebih baik. (Shokry Hassan et al., 2014).
Selanjutnya Fe3O4 dan Fe3O4-kitosan yang disintesis diubah menjadi fase -Fe2O3
dengan perlakuan panas diatmosfer udara pada suhu tinggi untuk aplikasi sensor gas. Efek dari Fe3O4 dan Fe3O4-kitosan nanopartikel tentang kinerja sensor Fe2O3
yang disintesis dapat digunakan untuk mendeteksi gas H2, CO, C2H5OH, dan NH3
(Paliwal et al., 2017).
Interaksi karbon monoksida dengan nanopartikel Fe3O4 sangat kuat. Hal ini termasuk sebagai alasan bahwa nanopartikel Fe3O4 juga dapat diaplikasikan sebagai sensor gas karbon monoksida. Magnetit memasuki reaksi aktif dengan molekul karbon monoksida, di mana oksida besi direduksi menjadi besi murni, yang disertai dengan pembentukan karbon dioksida sesuai dengan reaksi :
12 Fe3O4 + 4CO → 3Fe + 4CO2
Pada saat yang sama, bentuk dan simetri nanopartikel Fe3O4 dapat mempengaruhi sifat elektronik sehingga terjadi mekanisme interaksi dengan karbon monoksida (Firdaus et al., 2012). Magnetit (Fe3O4) merupakan nanopartikel magnetik yang dijadikan berukuran nanometer. Agar dapat diaplikasikan dalam penelitian berkaitan dengan ukuran-ukuran nanometer maka sangat penting untuk mempertimbangkan ukuran, morfologi serta sifat magnetik dari nanopartikel magnetik (Fe3O4).
Penemuan-penemuan baru dalam bidang nanomaterial tidak terlepas dari berkembangnya metode sintesis. Oleh karena itu kontrol terhadap ukuran partikel, morfologi ataupun nano struktur menjadi lebih mudah dilakukan. Salah satu metode yang digunakan untuk mensintesis nanopartikel Fe3O4 dalam penelitian ini adalah adalah metode sonokimia. Sonokimia adalah salah satu metoda sintesis yang dapat mensintesis berbagai material anorganik. Sonokimia adalah metoda sintesis material oksida logam dengan memanfaatkan kondisi ekstrim yang diperoleh dari gelombang ultrasonik. Reaksi dengan menggunakan metoda sonokimia memungkinkan proses sintesis yang murah, cepat dan suhu yang rendah.
Dalam suatu reaksi kimia selalu melibatkan adanya peran energi untuk bereaksi. Energi tersebut dibutuhkan dalam beberapa bentuk seperti kalor, cahaya, iradiasi dan potensial listrik. Setiap bentuk energi memiliki karakter tersendiri terhadap kondisi reaksi yang dihasilkan sesuai dengan parameter inherent reaksi tersebut. Dengan sonokimia maka pengaruh iradiasi ultrasonik dapat memperlihatkan kondisi tidak biasa yaitu reaksi dengan temperatur dan tekanan yang sangat tinggi (ekstrim) berlangsung dalam durasi sangat singkat dan tidak dimiliki oleh metode lainnya (Bang & Suslick, 2010). Kondisi ekstrim ini tidak langsung berasal dari gelombang ultrasonik yang panjang gelombang akustiknya jauh lebih besar dibandingkan dengan dimensi molekul. Kondisi tersebut secara tidak langsung berasal dari adanya interaksi pada level molekular antara gelombang ultrasonik dengan molekul-molekul material yang menyebabkan terjadinya akustik kavitasi. Gelombang ultrasonik berintensitas tinggi
13 menyebabkan gelembung-gelembung (kavitasi) yang kemudian pecah. Ketika gelombang ultrasonik diiradiasikan pada cairan, pengulangan keadaan rapatan renggangan yang simultan pada gelombang ultrasonik akan menimbulkan gelembung. Gelembung tersebut akan terus membesar dengan siklus yang berturut-turut hingga mencapai keadaan tidak stabil dan kemudian pecah.
Bersamaan dengan pecahnya gelembung tersebut energi yang terkonsentrasi didalamnya dilepaskan dalam waktu yang sangat singkat (dengan kecepatan pemanasan dan pendinginan sekitar > 1010 K. s-1 ). (Bang & Suslick, 2010).
Gelombang ultrasonik yang diiradiasikan ke dalam larutan akan menyebabkan munculnya gelembung kavitasi. Pada saat gelembung kavitasi tersebut membesar, ion-ion pada larutan akan menempel pada permukaan gelembung kavitasi akibat adanya perbedaan tekanan. Sesaat ketika pecahnya gelembung kavitasi menyebabkan terjadinya tumbukan ion-ion dalam larutan.
Selanjutnya, sesaat setelah proses tumbukan ion-ion terjadi, partikel yang terbentuk akan terdirpersi. Peristiwa pecahnya gelembung kavitasi itulah yang menghasilkan nanopartikel terdispersi secara merata.
2.5. Nanopartikel Zink Oxide (ZnO)
Material yang hingga kini terus dipelajari dan sering digunakan sebagai aplikasi sensor gas adalah semikonduktor oksida logam. Karena fenomena reduksi dan oksidasi yang terjadi secara alami pada semikonduktor oksida logam saat proses adsorpsi dan desorpsi gas. Proses penyerapan/adsorpsi (saat gas target dialirkan) dan pelepasan/desorpsi (saat aliran gas dihentikan) mampu mengubah property electric semikonduktor oksida logam yaitu perubahan nilai resistansi yang menunjukan sensitifitas semikonduktor oksida logam terhadap ada dan tidaknya gas target (Heo et al., 2006).
Salah satu material metal oxide yang sangat menjanjikan dalam aplikasi sensor gas adalah Zinc Oxide (ZnO), karena ZnO memiliki karakteristik yang unggul. Penelitian ZnO sebagai sensor gas seperti gas VOC juga sangat berkembang pada masa kini. Nanopartikel ZnO digunakan dalam berbagai aplikasi seperti pemancar sinar ultraviolet (UV), laser nano gelombang pendek, perangkat piezoelektrik, ultrasensitif, spin elektronik, sensor gas, transistor efek
14 medan, dan pemancar lapangan (Madhubala & Kalaivani, 2018). Sensor gas ZnO memiliki karakteristik yang baik seperti sensitivitas kimia berbeda pada gas yang teradsorpsi, kemampuan menerima doping, stabilitas kimia yang tinggi, non- toksisitas, dan biaya rendah. ZnO masih menarik karena pembuatannya yang mudah dalam bentuk film tipis dengan berbagai metode dan kinerjanya yang ditingkatkan dengan penambahan sensor dopants (Madhubala & Kalaivani, 2018).
ZnO memiliki lebar celah pita sebesar 3,37 eV, merupakan semikonduktor kelompok material II-VI, penelitian terkait material ini juga telah dilakukan secara luas dan banyak ditemukan hal baru dalam penginderaan atau pendeteksian gas bila dibandingkan dengan aplikasi lainnya (Zarringhadam & Farhadi, 2018). ZnO merupakan nanopartikel yang memiliki konduktivitas listrik sangat baik apalagi saat terpapar gas beracun seperti CO dan lain-lain. ZnO memiliki mobilitas elektron yang lebih tinggi sekitar 60 MeV pada suhu kamar (Zainul et al., 2018).
ZnO memiliki karakterisasi morfologi yang sangat bervariasi sehingga juga berpengaruh pada karakteristik dari material yang telah difabrikasi dan pengaplikasiannya (Özgür et al., 2005). Variasi karakteristik morfologi dari ZnO dapat diperoleh dengan memvariasikan parameter-parameter ketika melakukan proses sintesis. Berbagai macam ZnO nanostruktur telah berhasil disintesis seperti nanodtos, nanorods, nanowires, nanobelts, nanowalls, nanotubes dan sebagainya.
Pada temperatur ruang, material ZnO memiliki resistansi yang sangat besar sehingga dapat dikategorikan sebagai insulator, akan tetapi ketika temperatur lingkungan material meningkat maka resistansi tersebut akan menurun (Zhang et al., 2015). Namun ZnO juga dapat memiliki sifat semikonduktor tipe - p dan tipe - n, yang bergantung pada stoikiometri dari ZnO dan akan sangat mempengaruhi jumlah dan jenis pembawa muatan yang berarti akan mempengaruhi pula sifat listrik dari ZnO itu sendiri. (Zhang et al., 2015). Namun ZnO dengan sifat semikonduktor tipe - n lebih banyak digunakan dan diketahui.
Sifat semikonduktor tipe - p dan tipe - n muncul akibat terjadinya kekosongan atom O dan kelebihan atom Zn pada material ZnO, kekosongan pada atom oksigen tersebut akan menjadi donor dan menggeser level fermi mendekati pita konduksi (Zhang et al., 2015).
15 2.6. Sintesis Nanokomposit Fe3O4-ZnO dengan metode Hidrotermal
Saat ini sangat banyak metode yang digunakan untuk menghasilkan nanokomposit Fe3O4-ZnO, seperti ko-presipitasi, hidrotermal, mikroemulsi dan biosintesis (Putri et al., 2018). Dalam penelitian ini yang digunakan adalah metode hidrotermal untuk mensintesis Fe3O4-ZnO sebagai bahan aplikasi sensor.
Metode hidrotermal diyakini sangat hemat biaya dan ramah lingkungan.
Hidrotermal merupakan suatu teknik pengkristalan dari temperatur tinggi pada keadaan campuran dan tekanan tinggi (Ma et al., 2014). Sintesis hidrotermal dapat juga didefinisikan metode yang menggunakan panas dan air. Pada praktiknya, metode ini melibatkan pemanasan reaktan dalam wadah tertutup (autoclave) menggunakan air. Dalam wadah tertutup, tekanan meningkat dan air tetap sebagai cairan. Ada beberapa metode hidrotermal yaitu reaksi hidrotermal, hidrolisis hidrotermal, metode elektrocemical hidrotermal, reactive elektrode submerged Arc, proses mechanocemical hidrotermal, proses hidrotermal microwave, metode sonochemical hidrotermal. Metode hidrotermal dapat menghasilkan kristalinitas dan kemurnian yang lebih tinggi. Dalam beberapa penelitian metode hidrotermal dilakukan untuk meneliti suatu objek, yang dapat dilihat pada pengaruh jenis dan konsentrasi (Ma et al., 2014). Karena hal ini dapat mempengaruhi kristalinitas produk yang akan dihasilkan dari metode hidrotermal tersebut. Prinsip teknik hidrotermal yaitu pemanasan reaktan dalam wadah tertutup dengan menggunakan medium air dimana sistem yang tertutup ini memungkinkan tekanan dan suhu yang meningkat dengan cepat. Sintesis hidrotermal secara umum dapat diartikan sebagai sintesis kristal atau pertumbuhan kristal pada temperatur dan tekanan tinggi. Sintesis hidrotermal dilakukan pada suhu dibawah 300 ℃. Kelebihan dari teknik sintesis hidrotermal diantaranya adalah
1. Terbentuk serbuk secara langsung dari larutan, karena sudah dikaltanasi pada suhu tinggi (1100 ℃) selama 10 jam sehingga terjadinya serbuk dalam larutan secara langsung.
2. Ukuran partikel dan bentuknya dapat dikontrol dengan menggunakan material awal dan kondisi hidrotermal yang berbeda.
