Pada penelitian ini nanomaterial tungsten trioksida (WO3) disentesa menggunakan metode sol gel dan spin coating menggunakan WCl6 dan C2H5OH yang dilanjutkan dengan proses kalsinasi selama 1 jam. Dalam pengujiannya digunakan beberapa analisis karakterisasi yaitu X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscope (SEM) dan Brauner Emmet Teller (BET). Pada pengujian sensitivitas, sensor dimasukkan ke dalam sebuah chamber untuk mengetahui perubahan resistansi yang terjadi sebelum dan setelah terpapar gas CO. Dari hasil pengujian XRD didapatkan struktur kristal orthorhombic. Gambar SEM menunjukkan adanya aglomerasi yang terjadi pada partikel WO3. Secara umum dapat disimpulakan bahwa semakin tinggi temperatur operasi maka nilai sensitivitasnya menurun sedangakan semakin tinggi konsentrasi gas CO maka nilai sensitivitas akan naik.
Kata Kunci : Kalsinasi, Resistensi, Sol Gel, Tungsten trioksida (WO3)
1.PENDAHULUAN
Gas karbon monoksida dengan rumus kimia CO merupakan gas yang tidak berwarna, tidak berbau, tidak berasa, tidak mengiritasi , mudah terbakar dan sangat beracun, serta tidak larut dalam air. Gas karbon monoksida merupakan bahan yang umum ditemui di industri. Gas ini merupakan hasil pembakaran tidak sempurna dari kendaraan bermotor, alat pemanas dan peralatan yang menggunakan bahan api. Senyawa CO mempunyai potensi bersifat racun yang berbahaya karena mampu membentuk ikatan yang kuat dengan pigmen darah yaitu haemoglobin. Oleh karena sifatnya yang berbahaya maka diperlukan sensor untuk mengetahui perubahan konsentrasi gas CO.
WO3 adalah jenis metal oksida semikonduktor yang salah satu aplikasinya dipakai untuk sensor gas. Karena kelebihan elektronik propertiesnya, tungsten trioksida dapat digunakan untuk berbagai aplikasi seperti elektrocrhomic,
photochromic, photocatalyst, dan sensor gas.
Metode yang digunakan dalam pembuatan WO3 adalah dengan menggunakan metode sol gel. Teknik sol-gel adalah salah satu cara yang sederhana dan mudah dalam pembuatan nanopartikel. Kegunaan metode ini memungkinkan kita untuk merancang materi yang diinginkan pada temperatur rendah dan sebagai alternatif untuk metode konvensional.
Dalam penelitian ini kami melakukan investigasi tentang sifat elektrik dan mekanisme sensing dari material semikonduktor WO3. Dari hasil penelitian dapat diketahui bahwa WO3 memiliki nilai sensitivitas yang cukup tinggi dan respon yang cukup baik terhadap perubahan konsentrasi gas CO.
2.METODOLOGI PENELITIAN
2.1 Sintesa WO3 menggunakan metode sol gel
Proses pembentukan WO3 dimulai dengan dilarutkannya 7
gram Tungsten Heksaklorida (WCl6) kedalam 100 ml ethanol (C2H5OH). Ammonium Hidroksida (NH4OH) sebanyak 10 ml kemudian ditambahkan kedalam larutan dan diaduk beberapa saat. Larutan kemudian distirring selama 24 jam pada bejana yang yang telah berisi es. Setelah 24 jam, maka larutan yang dihasilkan kemudian dicuci dengan H2O. Proses pencucian dihentikan ketika larutan yang telah mengendap saat diambil
sample-nya dan ditetesi dengan AgNO3 tidak mengalami perubahan warna dan tidak terbentuk endapan putih AgCl di dalamnya. Setelah itu larutan kemudian di-centrifuge untuk memisahkan endapan dalam cairan yang dihasilkan. Larutan di-centrifuge selama 1 jam dengan kecepatan 2000 rpm. Setelah cairan terpisah dari endapannya,cairan dibuang dan endapan tersebut diambil dengan cara peptisasi menggunakan Ammonium Hidroksida (NH4OH) dan hasilnya ditambahkan
50 μL surfactant (Triton X-100). 2.2 Spin Coating
Spin coating adalah cara yang mudah dan efektif dalam pembentukan lapisan film tipis ( Thin film ) di atas substrat datar. Spin coating merupakan teknik pelapisan bahan dengan cara menyebarkan larutan ke atas substrat kemudian diputar dengan kecepatan konstan untuk memperoleh lapisan baru yang homogen. Spin coating melibatkan akselerasi dari genangan cairan diatas substrat yang berputar. Material pelapis dideposisi di tengah substrat. Pada saat sampel berputar terdapat adanya gaya sentrifugal dan pengaruh viskositas cairan yang membuat cairan tidak lepas dari chuck spin coater. Beberapa parameter yang terlibat dalam spin
PENGUKURAN SENSITIVITAS SENSOR GAS CO DARI
MATERIAL WO
3HASIL PROSES SOL GEL DAN KALSINASI
TERHADAP VARIASI KONSENTRASI DAN TEMPERATUR
OPERASI
Wahyu Dharmawan dan Diah Susanti, S.T, M.T, Ph.D.
Jurusan Teknik Material dan Metalurgi, Fakultas Teknik Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
coating yaitu viskositas larutan, kandungan padatan, kecepatan angular, waktu putar. Proses pembentukan film dipengaruhi oleh dua parameter bebas yaitu kecepatan putar dan viskositas.
2.3 Perlakuan panas
Proses kalsinasi dilakukan dalam furnace dengan temperatur 500 oC dengan waktu tahan (holding time) selama 1 jam dan dilakukan pendinginan temperatur kamar.
2.4 Karakterisasi material
Morfologi dan ukuran dari partikel WO3 dapat diktehaui menggunakan alat Scanning Electron Microscope (SEM) tipe JEOL JSM -6390. Sedangkan untuk mengetahui struktur kristal yang terbentuk dan ukuran kristalnya menggunakan alat X-Ray Diffraction (XRD) tipe PANalytical.
2.5 Metodologi pengukuran sensitivitas
Tahap pertama pada pengujian ini adalah merangkai peralatan pengujian sensitivitas sensor. Langkah selanjutnya adalah gas Co dialirkan dari tabung gas ke dalam chamber. Aliran gas akan melalui MFC yang merupakan alat untuk mengontrol gas CO yang akan dialirkan ke dalam chamber. Setelah gas dialirkan, sensor kemudian dipanaskan dengan alat pemanas dengan temperatur yang dinginkan. Selanjutnya alat potensiostat diset sesuai yang diinginkan. ada beberapa input yang harus dimasukkan pada saat mengeset alat potensiostat, diantaranya adalah V = 1,5 V, t = 60 s, luas area (A) = 0.8 cm2.Setelah temperatur pada sensor menjadi stabil, diukur resistensi sensor pada temperatur 300C untuk mendapatkan Ro, selanjutnya chamber dialiri dengan gas CO dengan konsentrasi 16.67 ppm, 28.09 ppm, 56.18 ppm, 112.36 ppm, 280.9 ppm dan diukur resistensinya tiap konsentrasi gas CO untuk mendapatkan Rg. Percobaan diulang dengan menaikkan temperatur sensor menjadi 500 C dan 1000 C dan diukur resistensinya tiap kenaikan temperatur untuk mendapatkan Ro. Kemudian chamber dialiri gas CO dengan konsentrasi yang sama dan dihitung resistensinya setelah terpapar gas CO untuk mendapatkan Rg
3.Hasil dan Diskusi
3.1 karakteristik sampel
Setelah dikalsinasi pada temperatur 5000C selama 1 jam rata-rata ukuran partikel dari WO3 sebelum terpapar gas CO adalah 907,2 nm - 1,004µm sedangkan setelah terpapar gas CO ukuran partikel bertambah besar menjadi 6,054 µm – 20,88 µm. perbedaan ukuran ini dapa dilihat pada gambar 1. Perbedaan ukuran partikel ini disebabkan adanya pengaruh temperatur operasi dan jumlah kadar karbon yang dialirkan.
Dengan semakin tingginya temperatur operasi dan jumlah kadar karbon akan menghasilkan ukuran partikel yang besar. Perubahan ukuran partikel tersebut disebabkan oleh transformasi fasa dan pembentukan kembali dari partikel serta pertumbuhan kristal.
Gambar 1 Perbedaan ukuran partikel WO3 (a) sebelum (b) setelah terpapar gas CO
Gambar 2 merupakan perbandingan hasil uji XRD pada sampel sebelum dan setelah terpapar gas CO. Dari pola XRD menggambarkan puncak-puncak yang tajam yang menunjukkan bahwa kristalisasi sebelum dan setelah dilakukan pengujian menunjukkan puncak difraksi yang sesuai dengan struktur WO3 orthorhombic. Puncak-puncak yang tinggi terdapat pada sudut 2θ = 23.724º dengan orientasi kristal (002) , 2θ = 24.436º orientasinya (200) , 2θ = 26.721 orientasinya (102), 2θ = 28.813 orientasinya (112), 2θ = 33.343 orientasinya (202), 2θ = 44.689 orientasinya (132), 2θ = 47.281 orientasinya (004) dan 2θ = 72.735º orientasinya (441) (JCPDS card no. 71-0131). Difraksi yang sangat tajam dimiliki pada sudut 2θ = 41.714 dimana merupakan milik dari substrat Al2O3. dengan orientasi (006) (JCPDS number 75-1864). Namun setelah sampel terpapar oleh gas CO, ada beberapa puncak yang intensitasnya mengalami penurunan dan ada beberapa puncak yang muncul setelah sampel terpapar gas CO. Puncak-puncak yang muncul adalah struktur kristal Au pada 2θ = 20.34210 dengan orientasi ( 200 ) yang sesuai dengan kartu JCPDF number 02-1095. Selanjutnya pada 2θ = 79.90620 dengan orientasi ( 311 ) merupakan stuktur dari Pd yang sesuai dengan kartu JCPDF number 87-0637. Puncak-puncak yang mengalami penurunan ini disebabkan oleh beberapa faktor yaitu adanya aliran listrik selama
a
0 10 20 30 40 50 60 70 80
pengujian sensitivitas dan panas yang diberikan ke sensor serta adanya konsentrasi gas CO yang cukup besar yang menyebabkan elektron berpindah tempat daei pita valensi terluar ke pita konduksi.
Gambar 2 Perbandingan pola XRD pada thin film tungsten trioksida pada temperature 5000C sebelum dan setelah terpapar gas CO
Perhitungan ukuran kristal sample thin film WO3 menggunakan rumus Debye Scherrer, seperti di bawah ini :
D adalah ukuran kristal dalam Ǻ, λ adalah panjang
gelombang yang digunakan dalam uji XRD yakni 1.54056 Ǻ, dan B adalah lebar setengah puncak dalam radian. θ adalah
posisi sudut terbentuknya puncak. Ukuran Kristal yang terbentuk dapat dilihat pada tabel dibawah ini
Tabel 1. Jarak bidang antar atom tungsten trioksida sebelum (1) dan setelah (2) terpapar gas CO
No Tem (0C) λ(Ǻ) B(rad) Ө(o) Cos ө D (Ǻ)
1 500 1.54056 0.00106 20.945 0.9339 1389.7 2 500 1.54056 0.00106 20.9451 0.9347 1389
3.2 Pengujian sensitivitas
Gambar 3 Grafik pengaruh temperatur kerja sensor terhadap sensitivitas dengan
konsentrasi gas (a) 16.67 ppm, (b) 28.09 ppm, (c) 56.18 ppm, (d) 112.36 ppm, (e) 280.9 ppm
Pada gambar 3 (a) terlihat bahwa pada temperatur operasi dari 300C sampai 500C mengalami kenaikan nilai sensitivitas sedangkan ketika temperatur operasi mencapai 1000C nilai dari sensitivitas menjadi turun. Sedangkan gambar 4.10 (b) sampai (e) secara umum dapat dinyatakan bahwa semakin tinggi temperatur operasi sensor maka sensitivitas semakin menurun. Nilai sensitivitas menurun dengan naiknya temperatur operasi karena adanya energy thermal yang menyebabkan elektron berpindah dari pita valensi terluar ke pita konduksi yang paling bawah dengan melewati band gap. Dengan bertambahnya temperatur maka energi yang diberikan untuk berpindah tempat melewati band gap akan semakin besar. Ini menyebabkan hambatan yang ditimbulkan akan semakin kecil karena elektron akan lebih banyak bepindah tempat sehingga nilai dari sensitivitas juga akan semakin kecil dengan bertambahnya temperatur operasi.
Gambar 4 merupakan grafik pengaruh konsentrasi gas CO terhadap sensitivitas gas sensor. Secara umum semua grafik menunjukkan kenaikan tiap penambahan kadar gas CO. Dari gambar tersebut dapat disimpulkan bahwa sensitivitas optimum pada temperatur kalsinasi 500o C adalah sebesar 0.57 yang terjadi pada temperatur kerja sensor 300C dengan konsentrasi gas CO 280.9 ppm.
Grafik dibawah menunjukkan bahwa semakin tinggi konsentrasi gas CO maka semakin tinggi sensitivitasnya. Hal ini dikarenakan adanya gas CO yang diadsorb ke dalam permukaan film WO3 dan oksigen dari gas CO ini sebagai penerima yang akan mereduksi elektron pada thin film WO3, Oleh karena itu tahanan ( resistansi) dari film WO3 juga akan meningkat seiring dengan gas CO yang diadsorb pada permukaan film WO3. Tahanan (resistansi) akan menjadi menurun kembali ketika terpapar oleh udara. Adsorbsi gas
CO ke permukaan WO3 bekerja secara reversible pada reaksi
chemisorpstion, yakni
CO + e- CO-
Proses pendeteksian gas CO ini menggunakan prinsip chemisorptions dimana sensitivitas ini bergantung gas CO yang diadsorp oleh permukaan material sensor sehingga akan menimbulkan perubahan resistansi (tahanan) yang berpengaruh pada sensitivitas. Sehingga dapat disimpulkan bahwa dengan semakin bertambahnya konsentrasi gas CO maka oksigen dari CO sebagai penerima juga bertambah dan akan bereaksi dengan elektron-elektron dari WO3 sehingga sensitivitas meningkat seiring dengan bertambahnya oksigen dari CO.
Gambar 4 Grafik pengaruh konsentrasi gas CO terhadap sensitivitas pada
temperatur kerja 300C, 500C, 1000C
4. Kesimpulan
Nanopartikel Tungsten trioksida (WO3) dapat diaplikasikan sebagai material sensor gas CO dengan metode sol-gel yang disintesa menggunakan precursor WCl6, ethanol dan Ammonium Hidroksida (NH4OH). Dari hasil uji XRD menunjukkan bahwa pada temperatur kalsinasi 500oC struktur kristalnya adalah orthorhombic, menghasilkan ukuran kristal yang cukup besar yaitu sebesar 1389.7 Ǻ serta menghasilkan surface area yang relatif cukup kecil yaitu 7,657 m2/g.
Secara umum sensitivitas ini semakin menurun dengan kenaikan temperatur operasi sensor dari 300C, 500C dan 100oC dan mengalami kenaikan sensitivitas dengan bertambahnya konsentrasi gas karbon monoksida yang dimasukkan yaitu sebesar 16,67 ppm, 28,89 ppm, 56,18 ppm, 112,36 ppm, 280,9 ppm.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis W.D. mengucapkan terima kasih kepada kementrian riset dan teknologi melalui insentive riset terapan SINAS sesuai pada nomor = 0161.12/IT2.7/PM/2012 serta kepada dosen pembimbing yang telah memberikan dukungan moril dan material
DAFTAR PUSTAKA
1. Abdullah, S.F., Radiman, S., Abdul Hamid, M.A., dan Ibrahim, N. B. ”
Studies on the phase transitions and properties of tungsten (VI) oxide nanoparticles by X-Ray diffraction (XRD) and thermal analysis”.
2. Brinker, C.Jeffrydan George W Scherer. 1990. “Sol-gel Science: The
Physics and Chemistry of Sol-gel Processing”. Boston dan London:
Academic Press, Inc.
3. Brunauer, Emmet, Teller, Journal of the American Chemical Society, Volume 60, 1938, p 309.
4. Bushan, Bharat., 2003. ”Handbook of Nanotechnology”. London Paris Tokyo: Springer-Verlag New York Berlin Heidelberg.
5. Deepa M, Singh P,Sharma S.N., Agnihotry S.A.2006.”Effect of humidity on
structure and electrochromic properties of sol–gel-derived tungsten oxide films”. Solar Energy Materials and Solar Cells 90 : 2665-2682.
6. Haryo, Stefanus, Susanti, DiahdanPurwaningsih, Hariyati2011. “PengaruhKalsinasiTerhadapPembentukanNanopartikel Tungsten
TrioksidaHasil Proses Sol-Gel”.Skripsi S1 JurusanTeknik Material
danMetalurgi FTI-ITS.
7. Fraden, J. 2004. Handbook of Modern Sensor, Physics, Designs, and
Aplications 3th Edition. New York : Springer- Verlag Inc.
8. Hiskia, I Dewa Putu Hermida. 2006. Pengembangan Sensor Gas
KarbonMonoksida( CO ) berbasis SnO2.. Prosiding Seminar nasional
Tenaga Listrik dan Mekatronika 2006.ISBN 979-26-2441-24
9. Husni ,H., 2010. “Kalsinasi”,
(http://belajarmetalurgi.blogspot.com/2010/11/kalsinasi.html).
10. Jiaguo Yu∗,2008.”Effect of calcination temperatures on microstructures
and photocatalytic activity of tungsten trioxide hollow microspheres”.
China: Wuhan University of Technology.Journal of Hazardous
Materials 160 : 623-625.
11. Lassner, Erik; Schubert Wolf-dieter. 1999. “Tungsten: Properties,
Chemistry, Technology of The Element, Alloys, and Chemical Compounds”. United States of America: Kluwer Academic / Plenum
Publishers.
12. Pratapa, S. 2004. “Prinsip-prinsip dan Implementasi Metode Rietveld
untuk Analisis Data Difraksi”. Surabaya : ITS .
13. Sakka, S., 1980. “Handbook of Sol-gel Science and Technology:
Processing Characterization and Applications”. New York Boston
Dordrecht London Moscow: Kluwer Academic Publishers.
14. Sugiyono, 2002. “KajiNumerik Proses di DalamKalsiner”.Bandung :InstitutTeknologi Bandung.
15. Tamaki,J. Z. Zhang, K. Fujimori, M. Akiyama, T. Harada, N. Miura,N. Yamazoe, “Grain-size effects in tungsten oxide-based sensor for
nitrogen oxides”, J. Electrochem. Soc. 141 (1994) 2207–2210.
16. Tananta, Lucky, DiahdanPurwaningsih, Hariyati2012 2011.Sintesa
Tungsten Trioksida nanoPartikel Dengan Metode Sol- Gel dan
S
e
n
sitiv
ity
Konsentrasi gas (ppm)
S
e
n
sitiv
ity
Konsentrasi gas (ppm) Konsentrasi gas (ppm)
S
e
n
sitiv
Proses kalsinasi. Skripsi S1 JurusanTeknik Material danMetalurgi
FTI-ITS.
17. Wang, S.H., Chou, T.C., dan Liu, C.C., 2003. “Nano-crystalline tungsten
oxide NO2 sensor”.Journal Sensors and Actuators B 94 (2003)
343-351.
18. Xie, Guangzhong, junsheng Yu, Xi Chen, Yadong Jiang. 2006. “Gas sensing characteristics of WO 3 vacuum deposited thin films”. Journal Sensors and Actuators B(2007) 909–914
19. Diputra, A.A Gede Pradnyana. Susanti, Diah dan Purwaningsih, Hariyati2012.“Aplikasi Tungsten TrioksidaThin Film Hasil Proses Sol
Gel dan Kalsinasi Sebagai Material Sensor Gas Karbon Monoksida Dengan Metode Spin Coating”. Skripsi S1 JurusanTeknik Material
danMetalurgi FTI-ITS.
20. West, A. Anthony. Solid State Chemistry and its
