PENGARUH DOPING COBALT TERHADAP SIFAT STRUKTUR NANOPARTIKEL OKSIDA BESI DAN APLIKASI DEGRADASI
METILEN BIRU
REPOSITORY
OLEH:
SALMAN AL FARIZI NIM. 1903124598
PROGRAM STUDI S-1 FISIKA JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS RIAU
PEKANBARU 2023
1 PENGARUH DOPING COBALT TERHADAP SIFAT STRUKTUR
NANOPARTIKEL OKSIDA BESI DAN APLIKASI DEGRADASI METILEN BIRU
Erwin*, Salman Al Farizi
Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Riau, Pekanbaru, Riau, 28293, Indonesia.
*erwin_amiruddin@yahoo.com ABSTRACT
Iron oxide nanoparticles wese doped with Cobalt through the Ball Milling method at various percentages of 0 wt.%, 5 wt.% and 10 wt.%. Crystal size structure and product identification were determined using X-ray Diffractometer (XRD) and X-ray Fluorescence (XRF). The results showed that the product contained the hematite phase (α-Fe2O3) with a Rhombohedral crystal structure. The crystal size decreases with increasing Cobalt concentration. Before doping, the Fe element had a concentration of 52.139% while after Cobalt 5 wt.% doping the concentration of Fe became 45.468%.
Other elements such as Ti, Mn, Si, P, Ca, Cr, Zn, Ag, and Pb also decreased. The ability of nanoparticles as a catalyst in UV-Vis spectroscopy and showed a poor ability to degrade methylene blue in aqueous solution. The best efficiency when hematite was doped with Cobalt 0 wt.%, 5 wt.% and 10 wt.% in the first 20 minutes were 81.62%, 70.909% and 82.856%, respectively.
Keywords : Computer vision, annotation, multispectral images, oil palm FFB ABSTRAK
Nanopartikel Oksida besi didoping dengan Cobalt melalui metode Ball Milling dengan variassi persentase 0 wt.%, 5 wt.% dan 10 wt.%. Struktur ukuran kristal dan identifikasi produk ditentukan dengan menggunakan X-ray Diffractometer (XRD) dan X-ray Fluoresence (XRF). Hasil penelitian menunjukkan bahwa produk mengandung fasa hematite (α-Fe2O3) berstruktur kristal Rhombohedral. Ukuran kristal berkurang dengan meningkatnya konsentrasi Cobalt. Sebelum dilakuan doping, elemen Fe memiliki konsentrasi 52,139% sedangkan setelah dilakukan doping Cobalt 5 wt.% Fe konsentrasinya menjadi 45.468%. Unsur lain seperti Ti, Mn, Si, P, Ca, Cr, Zn, Ag, dan Pb juga mengalami penurunan. Kemampuan nanopartikel sebagai katalis dalam spektroskopi UV-Vis dan menunjukkan kemampuan yang kurang baik untuk mendegradasi metilen biru dalam larutan air. Efisiensi terbaik pada saat hematite didoping Cobalt 0 wt.%, 5 wt.% dan 10 wt.% pada 20 menit awal masing masing adalah 81, 62%, 70,909% dan 82,856%.
Kata kunci : Computer vision, anotasi, citra multispektral, TBS kelapa sawit
2 1. PENDAHULUAN
Pasir besi mengandung oksidasi besi, terdapat tiga jenis nanopartikel oksida besi (FeO, Fe2O3 and Fe3O4) yang dianggap bahan penting karena biokompabilitasnya, aktivitas katalitik, tidak beracun, murah dan ramah lingkungan. Oksida besi berstruktur nano digunakan dalam pemanfaatan teknologinya seperti media, katalisis, biomedis biosensor, bioteknologi, penyimpanan magnetik, hal ini dikarenakan luas permukaanya yang
besar, ketahanan dan
ketersediaanya(Krishnaveni et al., 2018).
Banyak metode sintesis telah dilakukan untuk mendapatkan oksida besi dan jenis prosedur yang dipilih akan menentukan kualitas dan kuantitas bahan produk. Sintesis oksida besi menggunakan proses yang berbeda akan menghasilkan senyawa dengan sifat magnet dan listrik yang berbeda.
Beberapa metode sintesis oksida besi termasuk hidrotermal, sol-gel, mikroemulsi, kopresipitasi, ultasonik, top-down dan metode bottom-up.
Metode top-down merupakan partikel pasir besi yang berukuran besar akan dipecah menjadi ukuran yang lebih kecil mencapai ukuran mikrometer (𝜇𝑚) hingga nanometer (nm) dengan menggunakan mekanik, kimia dan dengan bentuk energi lainnya. Teknik yang biasa digunakan pada metode top- down adalah penghancuran mekanik (mechanical milling) dengan menggunakan ball milling yang
dillanjutkan dengan proses pemisahan secara magnetis pemisahan secara magnetis dengan memisahkan serbuk pasir besi yang bersifat magnetik dan bersifat nonmagnetik (pengotor) yang bergantung pada kecepatan, waktu dan ukuran bola besi(Krishnaveni et al., 2018).
Zat warna methylene blue (MB) bila dalam keadaan oksidasi merupakan zat warna golongan tiazin, ini adalah bahan aromatik heterosiklik. Dengan karakteristik redoks sensitif yang unggul digunakan dalam industri tekstil seperti pewarnaan dan percetakan.
Digunakan juga di bidang medis karena karakteristik antijamurnya.
Penggunaan pewarna methylene blue (MB) yang berlebihan dapat menyebabkan masalah kesehatan yang serius seperti gangguan pencernaan.
Oleh karena itu, perlu dikembangkan bahan yang murah, ramah lingkungan dan efektif untuk mendegradasi banyak zat warna dari air limbah(Keerthana et al., 2021). Pengaplikasian fotokalis potensial dengan reaktivitas fotokatalitik tinggi, hematite tampaknya menjadi bahan penting untuk menghilangkan beberapa pewarna dan polutan organik, maka nanopartikel oksida besi di modifikasi dengan metode doping yang menggunakan elemen logam transisi.
Sebagai contoh mangan, nikel, cobalt, tembaga dan silikon (Krishnaveni et al., 2018).
3 Penelitian terdahulu (Retamoso
et al., 2019) mendegradasi methylene blue dengan doping Titanium Dioksida memperoleh nilai degradasi mencapai 64% pada waktu irradiasi 480 menit.
(Hammouche et al., 2021) mendegradasi methylene blue menggunakan doping nikel memperoleh nilai degradasi terbesar pada waktu irradiasi 180 menit sebesar 98%. Penelitian ini bertujuan memodifikasi nanopartikel oksida besi dengan mendopingnya dengan cobalt (Co) menggunakan metode ball milling dan menggunakannya sebagai katalis untuk degradasi methylene blue.
2. METODE PENELITIAN Sampel
Sampel yang digunakan pada penelitian ini berupa Pasir Alam Desa Logas, Kabupaten Kuantan Singingi, Provinsi Riau. Sampel ini diambil langsung menggunakan magnet Neodymium Iron Boron (NdFeB), magnet NdFeB diberi plastik agar pasir besi yang diambil tidak menempel pada magnet NdFeB. Proses ini dilakukan selama tiga hari dengan selang waktu yang berbeda.
Proses Pemisahan Oksida Besi Menggunakan Magnet Kuat NdFeB
Sampel pasir besi yang berasal dari Desa Logas kemudian di pisahkan antara oksida besi dan oksida lainnya menggunakan magnet kuat yaitu NdFeB. Sampel ditabur diatas kaca dan dipisahkan menggunakan NdFeB, dimana material magnetik akan
menempel pada kaca sedangkan non magnetik akan langsung jatuh ke wadah yang menampung. NdFeB digerakkan beraturan secara melingkar kemudian miringkan kaca agar material non magnetik jatuh ke wadah dan tersisa material magnetik diatas kaca. Pada pemisahan ini dihasilkan oksida besi dengan tingkat kemurnian tinggi dan produk ini dinamakan dengan produk NdFeB.
Proses Penghancuran Produk NdFeB menggunakan Ball Milling
Untuk mendapatkan nanopartikel magnetik yang terkonrol ukurannya maka, produk NdFeB selanjutnya dihancurkan menggunakan teknik Ball Milling. Proses Ball Milling tahap I ini dilakukan selama 50 jam. Kemudian oksida besi dan oksida lainnya dipisahkan menggunakan magnet NdFeB. Hasil dari proses ini dinamakan produk Ball Milling Tahap I (BM 1).Produk BM 1 kemudian dihancurkan kembali menggunakan teknik Ball Milling selama 50 jam.
Proses ini dilakukan dengan tujuan untuk mendapatkan partikel magnetik dalam ukuran nanometer. Hasil dari proses ini disebut produk Ball Milling tahap II (BM 2).
Proses pendopingan dilakukan dengan membagi produk BM 2 menjadi 3 bagian pada botol kaca yang berukuran 5 ml dengan berat massa yang sama. Produk BM 2 kemudian di Ball Milling selama 20 jam. Proses ini bertujuan oksida besi dengan Cobalt (Co) tercampur dengan sempurna.
Hasil dari proses ini diberi label pada ketiga botol kaca yaitu BM 3A, BM 3B
4 dan BM 3C. Kemudian didoping
dengan Cobalt (Co) yang konsentrasinya berbeda-beda (0, 5 dan 10 wt.%). Dengan variasi pendopingan Cobalt bertujuan agar dapat mengetahui peningkatan aktifitas katalitik dari nanopartikel hematit.
Uji Kristalinitas Sampel
Penentuan fase magnetik dari pasir besi yang tidak didoping dan yang didoping dengan cobalt dan pengujian sifat kristalinitasnya serta ukuran kristalnya dilakukan dengan metode X- Ray Diffraction (XRD).
Degradasi Methylene Blue
Degradasi Methylene Blue menggunakan produk hematit yang didoping cobalt (Co) sebagai katalis yang konsentrasinya berbeda-beda (0, 5 dan 10 wt.%). Pada proses ini menggunakan larutan yang dibuat sebanyak 100 ml pada gelas beaker Total larutan yang dibuat sebanyak 100 ml dengan komposisi 70 ml aqua DM, 25 methylene blue, dengan variasi methylene blue yaitu 50 ppm 5 ml dan massa katalis 1 gram lalu diaduk selama 30 menit di kotak dengan keadaan gelap dan tertutup dalam gelas beaker menggunakan magnetic stirer.
Kemudian dengan interval 20 menit selama 2 jam larutan diaduk menggunakan magnetic stirer dalam gelas beaker di kotak dengan keadaan lampu menyala (lampu mercury 160 watt) dan tertutup. Selanjutnya dilakukan proses sentrifuge selama 60 menit bertujuan untuk memisahkan
katalis dengan methylene blue.
Kemudian serapan methylene blue (MB) diukur dengan menggunakan spektrofotometer UV-Vis.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Analisi Difraksi Sinar-X (XRD)
Pola difraksi sinar-X produk BM3 yang didoping Cobalt yang menampilkan 9 puncak dominan yaitu pada 23.9211°, 32.7399°, 35.3727°, 40.4694°, 48.9518°, 53.3825°, 56.7010°, 61.8415° dan 63.5042°.
Puncak tertinggi terletak pada puncak sudut 32.7399°. Masing-masing sudut tersebut memiliki bidang kristal (102), (111), (114), (110), (113), (024), (116), (122), (214) dan (300).
Pola difraksi pada konsentrasi Cobalt 5 dan 10 wt.% muncul 1 puncak pada sudut 44,3449° dan 44,6057° pada bidang hkl Co (400) yang memiliki masing masing ukuran kristal 44,6057 nm. Puncak tersebut menunjukkan bahwa sampel hematit sangat kristalin, dapat dibuktikan bahwa kemurnian tinggi partikel hematit yang di preparasi dengan menggunakan metode ball milling. Memiliki fasa hematit(α- Fe2O3) memiliki struktur kristal Rhombohedral.
Ukuran kristal rata-rata pada masing-masing konsentrasi Co 0 wt.%, Co 5 wt.% dan Co 10 wt.%. Secara berurutan yaitu 28,74071 nm, 29,618244 nm dan 26,00152 nm.
Penambahan konsentrasi Cobalt mengakibatkan FWHM (Full Width at Half Maximum), semakin besar nilai FWHM maka ukuran kristal akan semakin kecil, begitupun sebaliknya.
Hasil ini sesuai dengan teori persamaan Scherrer. Teori menyatakan bahwa
5 nilai FWHM berbanding terbalik
terhadap ukuran kristal (Mansour et al., 2019).
Gambar 1. Ukuran kristal rata-rata oksida besi sebagai fungsi konsentrasi Cobalt
Penambahan konsentrasi Cobalt mengakibatkan FWHM (Full Width at Half Maximum), semakin besar nilai FWHM maka ukuran kristal akan semakin kecil, begitupun sebaliknya.
Hasil ini sesuai dengan teori persamaan Scherrer. Teori menyatakan bahwa nilai FWHM berbanding terbalik terhadap ukuran kristal(Mansour et al., 2019).
wt.% dan10 wt.% sehingga menyebabkan membesarnya sudut difraksi sekitar 32° dan akhirnya menyebabkan penurunan ukuran kristal (Sajjia et al., 2010).
3.2 Data Hasil X-Ray Fluoresences (XRF)
Analisis komposisi kandungan mineral magnetik dari Pasir Alam Desa
Logas, Kabupaten Kuantan Singingi, Provinsi Riau dilakukan dengan menggunakan X-ray Fluoresence (XFR). Identifikasi ini bertujuan untuk mengetahui komposisi elemen didalam sampel Pasir Alam Desa Logas, Kabupaten Kuantan Singingi, Provinsi Riau dan produk ball milling 3 (BM 3).
Setelah ball milling Multi Step Selama 100 jam dan ball milling 20 jam didoping Cobalt menunjukan perbedaan kandungan elemen yang terdapat pada dalam sampel pasir alam sebelum didoping dan didoping Cobalt 5 wt.%.
Gambar 2. Grafik komposisi elemen- elemen dari Pasir Alam Desa Logas, Kabupaten Kuantan Singingi, Provinsi Riau
Perbedaan tersebut berupa penambahan maupun pengurangan elemen-elemen tertentu serta konsentrasi elemen yang mengalami peningkatan dan penurunan. Sebelum dilakukan doping elemen Fe mengalami konsentrasi sebesar 52,139
% sedangkan setelah dilakukan doping dengan komposisi Co 5 wt.%.
Penambahan dan pengurangan konsentrasi dari elemen-elemen yang
6 dikandung oleh pasir besi tersebut
dipengaruhi oleh lamanya waktu ball milling. Hal ini menunjukan bahwa semkain lama proses penghancuran, maka ukuran partikel semkain kecil, hal ini juga menyebabkan terjadinya pemisahan antara partikel magnetic dan non 6agnetic. Partikel non magnetic yang terpisah akan mengalami penurunan nilai konsentrasi dan sebalikanya, partikel 6agnetic akan memiliki nilai konsentrasi yang semkin meningkat(Hahn et al., 2019).
3.3 Degradasi Methylene Blue Pengukuran menggunakan metode spektrofotometri Uv-Vis dengan alat ukur spektrofotometer Uv-Vis menghasilkan data berupa absorbansi dari larutan. Pengukuran absorbansi ini dilakukan pada 3 larutan campuran Methylene Blue yang ditambahkan katalis dan oksidator. Total larutan yang dibuat sebanyak 100 ml dengan komposisi 70 ml aqua DM, 25 methylene blue, dengan variasi methylene blue yaitu 50 ppm 5 ml dan massa katalis 1 gram.
Gambar 3. Grafik hubungan antara waktu reaksi (menit) dan efisiensi degradasi methylene blue (%) untuk (a) Nanopatikel magnetik (α-𝐹𝑒2𝑂3) + (𝐻2𝑂2), (b) Nanopartikel magnetik (α- 𝐹𝑒2𝑂3) + Co (5 wt.%) + (𝐻2𝑂2), (c) Nanopartikel magnetik (α-𝐹𝑒2𝑂3) + Co (10 wt.%) + (𝐻2𝑂2)
Efisiensi degradasi mencapai lebih dari 60%. Persentase penurunan Methylene blue tertinggi berada pada waktu 120 menit tanpa didoping cobalt atau doping Co 0 wt.% yaitu 98,273 %.
Hal ini terjadi karena jumlah methylene blue yang sedikit sehingga peroksida (H2O2) sebagai oksidator dapat meghasilkan radikal hidroksil yang besar dalam reaksi katalitik Fe3+
sehingga semakin banyak methylene blue yang terdegradasi dan juga mengikat elektron sehingga terjadi pemisahan muatan. Hal ini dapat diperjelas dengan reaksi berikut : H2O2+ hv → 2OH∗ (1) Pada awalnya H2O2 diserap oleh Fe3O4 dan membentuk permukaan kompleks sehingga dapat mempercepat proses degradasi, seperti pada reaksi berikut : Fe3 + H2O2 ↔ Fe3+ H2O2 → H++ Fe2 + O2H∗ (2) Fe2 + H2O2 ↔ Fe2+ H2O2 →
OH−+ Fe3+ OH∗ (3) Ketika methylene blue bereaksi H2O2 akan dihasilkan karbondioksida (CO2), hal ini ditandai dengan adanya uap pada larutan ketika ditambahkan H2O2. Larutan H2O2 membentuk radikal O2H dan OH pada reaksi tersebut. OH yang terbentuk pada
7 reaksi ini memiliki kemampuan
oksidasi yang tinggi sehingga dapat menarik methylene blue dan menetralkan methylene blue pada proses degradasi. Waktu yang diperlukan dalam degradasi sangat cepat dibandingkan dengan penlitian lain karena fase katalis yang dihasilkan dari proses ball milling tiga tahap.
Degradasi dari waktu ke waktu semakin berkurang, hasil degradsi yang paling terjadi pada awal degradsi yaitu waktu 20 menit.
4. KESIMPULAN
Nanopartikel Oksida besi didoping Cobalt yang digunakan untuk mendegradasi metilen biru berhasil dilakukan. Pengaruh pemberian jumlah doping S berdampak pada sifat optik dan struktural. Peningkatan jumlah dopingan tidak terlalu berdampak secara signifikan.
5. REFERENSI
Hahn, M., Buzanich, G., Jähn, K., Reinholz, U., & Radtke, M.
(2019). Analysis of cobalt deposition in periprosthetic bone specimens by high-resolution synchroton XRF in undecalcified histological thin sections.
Materialia, 6(March), 100290.
https://doi.org/10.1016/j.mtla.201 9.100290
Hammouche, J., Gaidi, M., Columbus, S., & Omari, M. (2021). Enhanced Photocatalytic Performance of Zinc Ferrite Nanocomposites for Degrading Methylene Blue: Effect of Nickel Doping Concentration.
Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and
Materials, 31(8), 3496–3504.
ttps://doi.org/10.1007/s1 \0904- 021-01960-z
Keerthana, S. P., Yuvakkumar, R., Ravi, G., Kumar, P., Elshikh, M.
S., Alkhamis, H. H., Alrefaei, A.
F., & Velauthapillai, D. (2021). A strategy to enhance the photocatalytic efficiency of α- Fe2O3. Chemosphere, 270.
https://doi.org/10.1016/j.chemosp here.2020.129498
Krishnaveni, K., Sakthi, A. S., Jeyasundari, J., Jacob, Y. B. A., &
Renuga, D. (2018). Biosynthesis and characterisation of zinc doped iron oxide nanoparticles from pedalium murex and its new avenues in pharmacological applications. 13(6), 67–74.
https://doi.org/10.9790/3008- 1306016774
Mansour, H., Omri, K., & Ammar, S.
(2019). Structural, optical and magnetic properties of cobalt doped hematite nanoparticles.
Chemical Physics, 525(March), 110400.
https://doi.org/10.1016/j.chemphy s.2019.110400
Retamoso, C., Escalona, N., González, M., Barrientos, L., Allende- González, P., Stancovich, S., Serpell, R., Fierro, J. L. G., &
Lopez, M. (2019). Effect of particle size on the photocatalytic activity of modified rutile sand (TiO 2 )for the discoloration of methylene blue in water. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 378(December 2018), 136–141.
https://doi.org/10.1016/j.jphotoch em.2019.04.021
Sajjia, M., Oubaha, M., Prescott, T., &
8 Olabi, A. G. (2010). Development
of cobalt ferrite powder preparation employing the sol-gel technique and its structural characterization. Journal of Alloys and Compounds, 506(1), 400–
406.
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2 010.07.015
