PROPOSAL RBL REKAYASA MATERIAL
PENGARUH VARIASI KONSENTRASI ZnO TERHADAP GRAPHENE OXIDE
Oleh:
Muhammad Nashihiin (121320002) Rohma Yunita (121320006) Alliya Shifa Rahma (121320019)
Vidhawati (121320028) Aulia Azzahra (121320029)
Dosen Pengampu:
Dr. Vera Khoirunisa, S.Si.,M.T.
Septia Eka Marsha Putra, S.Si.,M.Eng.,Ph.D
Institut Teknologi Sumatera Lampung Selatan
2024
A. Latar Belakang
Selama era perindustrian, limbah industri meningkat seiring dengan peningkatan aktivitas perindustrian. Jenis limbah logam berat dan organik yang berbeda.Industri tekstil, kertas, kosmetik, makanan, dan obat-obatan menghasilkan masalah kesehatan dan lingkungan yang serius. Akibatnya, beban pencemaran lingkungan semakin meningkat sementara kemampuan alam untuk menangani limbah semakin terbatas. Ada limbah senyawa organik berwarna yang sulit untuk diurai dari berbagai limbah industri yang ada. Jika limbah berwarna dibuang ke lingkungan, itu akan mengurangi penetrasi cahaya di perairan yang tercemar Selain itu, karena senyawa organik berwarna mengandung logam, klorida, dan senyawa aromatik lainnya, mereka juga dapat membahayakan flora dan fauna air.
Rhodamine B (RhB) adalah zat pewarna yang umum digunakan dalam industri dan masyarakat umum. Dalam industri, itu digunakan untuk membuat pewarna untuk bahan seperti wol, kertas, sutera, jerami, kulit, bambu, dan kapas. Rhodamine B dapat memberikan warna yang cerah, praktis, dan murah. Masuknya zat warna RhB ke dalam perairan merupakan masalah besar bagi lingkungan. zat warna akan mengubah pH air sekitar, mengganggu mikroorganisme dan hewan air. Jika molekul rhB masuk ke dalam tubuh manusia, itu dapat menyebabkan masalah besar, seperti iritasi pada saluran pernafasan, kulit, mata, saluran pencernaan, keracunan, dan kanker hati.Dengan mengingat tingkat toksisitas RhB yang tinggi, maka perlu dilakukan penelitian untuk menghancurkan zat tersebut.Ada banyak teknik yang digunakan.Dalam penelitian ini, ZnO dipilih karena memiliki efisiensi fotokatalis yang lebih tinggi daripada TiO2. Ini karena ZnO memiliki proses penyerapan sinar ultraviolet (UV) lebih kuat dari spektrum matahari.
Dibandingkan dengan TiO2 Selain itu, ZnO dapat digunakan sebagai fotokatalis untuk detoksifikasi limbah air karena menghasilkan H2O2 dengan lebih cepat daripada fotokatalis lain.
Selain itu, ZnO dikenal memiliki stabilitas, sensitivitas, dan biaya pembuatan yang rendah Namun, ZnO hanya dapat menyerap sinar ultraviolet (UV), yang memungkinkan pembentukan foto elektron dan lubang serta pasangan elektron-lubang yang mudah rekombinasi. Untuk mengatasi masalah ini, berbagai teknik telah dikembangkan untuk meningkatkan aktivitas fotokatalitik ZnO.
Contohnya termasuk pembuatan nanokristal ZnO yang telah terionisasi, sensitifitas foto permukaan.Sebagai material karbon, oksida graphene yang dikurangi.Karena transparansi yang tinggi, mobilitas elektron yang tinggi, dan luas permukaan yang besar, dianggap sebagai salah satu bahan yang paling menjanjikan untuk material komposit. Oksida reduced graphene oxide diubah oleh kelompok fungsional oksigen yang terletak di tepi lembaran reduced graphene oxide, yang membuat proses penggabungannya sangat mudah.
B. Tujuan
1.
Menggunakan metode oksidasi serbuk zink dan reduksi grafit oksida, menghasilkan komposit ZnO/oksida grafit yang direduksi.2.
Mengkaji sifat komposit ZnO/reduksi grafit oksida setelah penambahan reduksi grafit oksida dengan metode oksidasi serbuk zink dan reduksi grafit oksida.3.
Mengkaji dampak penambahan reduksi grafit oksida pada ZnO dengan metode oksidasi zinc dan reduksi grafit oksida terhadap peningkatan sifat fotokatalitik untuk degradasi rhodamine B.C. Metode
Banyak metode teknologi yang digunakan seperti metode filtrasi, presipitasi, adsorpsi dengan karbon aktif dan ozonisasi. Salah satu metode yang relatif murah yaitu fotodegradasi. Prinsipnya menggunakan fotokatalis yang berasal dari bahan semikonduktor, seperti TiO2, ZnO, Fe2O3, CdS, dan sebagainya. Fotokatalis berperan sebagai proses reaksi kimia yang dibantu oleh cahaya dan katalis padat. Di antara bahan semikonduktor, TiO2 dan ZnO adalah bahan yang paling sering dipakai dalam proses fotokatalis.
• Bahan
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah : 1. Serbuk grafit dengan ukuran 150 μm (purity 99%) 2. Air suling / aquades (H2O)
3. Larutan elektrolit asam sulfat 98% (H2SO4) 4. Es
5. Natrium nitrat (NaNO3)
6. Kalium permanganat (KMnO4) 7. Hidrogen peroksida (H2O2) 8. Asam klorida 35% (HCl) 9. Barium klorida (BaCl2) 10. Serbuk Zink (Zn)
• Alat
Peralatan yang digunakan untuk penelitian ini:
1. Neraca Analitik (mettler Teledo) 2. Mikropipet
3. Pengaduk (spatula) 4. Magnetic Stirrer 5. Furnace (Thermolyne) 6. Erlenmeyer
7. Ice bath 8. Thermometer 9. Centrifuge
10. Tabung Centrifuge 11. Ultrasonic Cleaner 12. Gelas Beaker
13. Instrumen Karakterisasi Material
Dalam penelitian ini terdapat serangkain proses untuk menjadikan komposit ZnO/Reduced graphene oxide. Proses pertama yang dilakukan adalah proses sintesis grafit menjadi reduced graphene oxide oksida dengan menggunakan metode Hummer, kemudian reduced graphene oxide oksida dicampurakan dengan serbuk zink sehingga nanti akan membentuk komposit ZnO/reduced graphene oxide.
• Sintesis Grafit Oksida
Grafit oksida merupakan bahan utama pembuat reduced graphene oxide yang dibuat dari oksida grafit dalam larutan asam. Grafit oksida disintesis dengan menggunakan modifikasi metode Hummer. Proses sintesis dengan metode ini menggunakan serbuk grafit, KMnO4, NaNO3, dan H2SO4 sebagai bahan dasar dan agen pengoksidasi. Proses sintesis grafit oksida ditunjukkan pada Gambar 3.1. Sintesis Grafit Oksida dimulai dengan stirring 2 gram serbuk grafit dengan ukuran sekitar 150 μm dengan 80 ml H2SO4 98% selama 4 jam dengan kecepatan tinggi di dalam ice bath dengan temperatur rata-rata 5℃. Setelah proses stiring berjalan selama 2 jam 10 gram KMnO4 dan 4 gram NaNO3 mulai ditambahkan sedikit demi sedikit dan bergantian selama satu jam, larutan akan berubah warna menjadi hijau keunguan selama proses penambahan zat tersebut. Lalu di biarkan teraduk selama satu jam setelah penambahan agar larutan menjadi homogen [1].
Setelah proses Ice Bath selesai dilakukan, dilanjutkan dengan proses striring pada temperatur 35
℃ selama 20 jam dengan proses ini, larutan yang awalnya berwarna hijau keunguan akanperlahanberubahmenjadicokelatmudadanlebih kental.200 ml aquades ditambahan secara bertahap kedalam larutan tersebut agar mengurangi kekentalan, dalam taham penambahan aquades larutan akan melepas kalor. Penambahan 200 ml aquades tersebut larutan akan berubah menjadi coklat tua. Setelah larutan menjadi homogen ditambahkan 20 ml hidrogen peroksida (H2O2) 30%
secara bertahap sampai larutan menjadi homogen [2].
Larutan kemudian dibiarkan dalam keadaan terstirring selama 30 menit. Dilanjutkan dengan centrifuge lalu diambil endapannya. Selanjutnya dilakukan pencucian dengan HCL 5% (0,1 M) untuk menghilankan ion logam-logam yang tersisa. Proses pencucian selanjutnya mengunakan aquades secara berkala untuk menetraklkan pH. Untuk mengetahui keberadaan ion sulfat dilakukan titrasi BaCl2 1 M, Jika muncul endapan putih bersih maka di indikasikan bahwa masih terdapat ion sulfat di dalamnya. Larutan yang sudah netral dan tanpa pengotor (endapan) lain dilakukan centrifuge lagi untuk memisahkan grafit yang belum teroksidasi dengan grafit oksida.
Lalu di drying pada temperatur 120℃ selama 12 jam untuk mendapatkan grafit oksida dalam wadah ceramic crucible.
• Sintesis Komposit Zno/Reduced graphene oxide\
Sintesis dari komposit ZnO/reduced graphene oxide dapat dilihat pada Gambar. Grafit oksida yang sudah terbentuk melalui metode hummer distirring selama 1 jam agar bentuk lembaran
grafit oksida hancur dan didapati bentuk serpihan kecil. Kemudian diultrasonikasi selama 2 jam agar bentuk serpihan kecil dapat larut ke dalam pelarut dan terbentuk senyawa reduced graphene oxide oksida. Lalu dilakukan penambahan serbuk zink sebesar 2gr ke dalam masing-masing variasi senyawa reduced graphene oxide oksida yaitu 0%, 5%, 10%, dan 15%. Kemudian
masing-masing senyawa distirring selama 1 jam. Selanjutnya masing-masing larutan dimasukkan ke dalam furnace pada temperatur 800℃ selama 40 menit untuk mendapatkan bentuk komposit ZnO/reduced graphene oxide.
• Pengujian Fotokatalitik
Pengujian fotokatalitik ini digunakan untuk mengamati seberapa besar pengaruh penambahan reduced graphene oxide pada komposit ZnO/reduced graphene oxide untuk degradasi rhodamin b. Adapun pengujian dilakukan seperti
D. Teori Dasar 1. Zinc Oxide (ZnO)
Zinc oxide merupakan sebuah senyawa kimia dengan rumus molekul ZnO dan termasuk ke dalam jenis material semikonduktor. Di alam, ZnO dapat ditemukan sebagai mineral zincite. Biasanya, senyawa ini berbentuk serbuk putih seperti tampak pada dan hampir tidak larut dalam air dan alkohol tetapi larut dalam kebanyakan asam, seperti asam klorida. ZnO banyak digunakan sebagai aditif berbagai bahan dan produk termasuk plastik, keramik, kaca, semen, karet (misalnya ban mobil), pelumas.
Gambar 1. Zinc Oxide
Zinc Oxide merupakan senyawa anorganik bahan semikonduktor tipe-n dengan lebar pita energi 3,2 eV – 3,3 eV pada suhu kamar. ZnO merupakan material unik dan menarik sehingga banyak diteliti dan dikembangkan seperti evaluasi sifat listrik, sifat fisis, struktur kristal, dan struktur mikro. Keuntungan penggunaan senyawa ZnO yaitu harganya murah, persediaan di alam dalam jumlah yang melimpah, struktur kimia stabil, mudah untuk dipreparasi, tidak beracun, dan kebanyakan doping material yang digunakan dengan senyawa ZnO. juga tersedia. Selain itu, kelebihan ZnO dari semikonduktor lainnya adalah bisa dioperasikan dalam lingkungan yang keras dan bersuhu tinggi serta resistansi yang lebih tinggi dari semikonduktor lainnya dalam keadaan radiasi energi tinggi. Sifat-sifat fisik dari nanostruktur ZnO adalah sifat fisik dasar bulk ZnO.
Merupakan catatan penting bahwa ukuran dari material- material semikonduktor menyusut secara kontinyu menuju ke skala nanometer atau bahkan lebih kecil dan beberapa dari sifat-sifat fisik mereka mengalami perubahan- perubahan dikenal dengan efek ukuran kuantum.
2. Graphene Oxide
Graphene adalah bahan yang terbuat dari atom karbon yang terikat bersama dalam pola segi enam yang berulang. Graphene sangat tipis sehingga dianggap dua dimensi. Graphene dianggap sebagai material terkuat di dunia, serta salah satu yang paling konduktor terhadap listrik dan panas.
Graphene memiliki potensi penerapan yang tak ada habisnya, di hampir setiap industri (seperti elektronik, kedokteran, penerbangan, dan banyak lagi).
Graphite oxide (GO) merupakan senyawa turunan dari graphene. Struktur GO secara sederhana diasumsikan sebagai lembaran graphene yang terikat dengan oksigen dalam bentuk karboksil, hidroksil, atau kelompok epoksi. Grafena oksida mudah diproses karena dapat terdispersi dalam air dan pelarut lainnya. Karena oksigen dalam kisinya, graphene oksida tidak konduktif, tetapi dapat direduksi menjadi graphene dengan metode kimia. Grafena oksida disintesis menggunakan empat metode dasar: Staudenmaier, Hofmann, Brodie dan Hummers. Terdapat banyak variasi dari metode ini, dan perbaikan terus dilakukan untuk mencapai hasil yang lebih baik dan proses yang lebih murah. Efektivitas proses oksidasi sering kali dievaluasi dengan rasio karbon/oksigen oksida grafena.
3. Zat Warna Rhodamine B
Zat warna merupakan suatu senyawa organik yang digunakan untuk memberikan warna ke suatu objek. Molekul zat warna merupakan gabungan dari zat organik tak jenuh dengan kromofor
sebagai pembawa warna dan auksokrom sebagai pengikat warna dengan serat. Gugus kromofor adalah gugus yang menyebabkan molekul menjadi berwarna. Rumus molekul rhodamin B adalah C28H31N2O3Cl dengan berat molekul sebesar 479,02 g/mol. Kelarutan rhodamin B dalam air mencapai 50 g/L. Apabila rhodamin B dilarutkan dalam asam asetat maka memiliki kelarutan sebesar 400 g/L. Rhodamin B berbentuk serbuk kristal berwarna kehijauan, berwarna merah keunguan dalam bentuk terlarut pada konsentrasi tinggi dan berwarna merah terang pada konsentrasi rendah. Rhodamin B dibuat dari meta-dietilaminofenol dan ftalik anhidrida. Kedua bahan baku ini bukanlah bahan yang boleh dimakan. Rhodamin B merupakan zat warna yang sering dipakai untuk pewarna kulit, kapas, wool, serat kayu kulit, nilon, serat asetat, kertas, tinta dan vernis, sabun, bulu, kertas, dan sutera. Apabila rhodamin B dilarutkan dalam air akan menghasilkan warna merah kebiru-biruan dan berfluoresensi kuat. Selain larut dalam air, rhodamin B juga merupakan zat warna yang larut dalam alkohol, HCl, dan NaOH. Di dalam laboratorium, zat tersebut digunakan sebagai pereaksi untuk mengidentifikasi unsur Pb, Bi,Co, Au, Mg, dan Th.
Gambar 1.2 Struktur kimia senyawa rhodamin B
Rhodamin B merupakan zat warna sintetik yang umum digunakan untuk pewarna tekstil. Dalam bidang industri rhodamin B umum digunakan untuk keperluan pabrik tekstil dan kertas. Beberapa sifat berbahaya dari rhodamin B antara lain dapat menyebabkan iritasi bila terkena mata, menyebabkan kulit iritasi dan kemerahan bila terkena kulit. Penyebab lain senyawa ini begitu berbahaya jika dikonsumsi adalah senyawa tersebut termasuk dalam senyawa yang radikal.
Senyawa radikal adalah senyawa yang tidak stabil. Dalam strukturnya rhodamin B mengandung klorin (senyawa halogen). Sifat senyawa halogen adalah mudah bereaksi atau memiliki reaktifitas yang tinggi. Dengan demikian senyawa tersebut merupakan senyawa radikal yang akan berusaha mencapai kestabilan dalam tubuh dengan cara berikatan dengan senyawa-senyawa lain dalam tubuh kita sehingga pada akhirnya akan memicu kanker pada manusia (Department of Labor
℃cupational Safety and Health Administration).
4. Fotokatalisis
Fotokatalisis dirangkai dari dua buah kata, yakni foto dan katalis. Foto dapat didefinisikan sebagai suatu sinar, sedangkan katalis didefinisikan sebagai suatu zat yang mempercepat reaksi. Dapat diartikan bahwa fotokatalis adalah suatu proses untuk mempercepat reaksi yang berjalan karena adanya cahaya dengan menggunakan katalis. Dalam media air, senyawa organik dapat dioksidasi menjadi karbondioksida dan air. Berarti proses tersebut dapat membersihkan air dari pencemar organik Aktivitas fotokatalis bergantung pada kemampuan katalis untuk menghasilkan sepasang elektron-hole pada pita valensinya. Holes ini kemudian akan berfungsi sebagai tempat terjadinya oksidasi. Keberadaan electron-hole tersebut akan mempercepat proses transfer elektron yang terjadi. Dengan demikian, keberadaan dari pasangan elektron-hole akan mempercepat reaksi redoks.
Gambar 1.3 Mekanisme fotokatalis
Secara umum, mekanisme fotokatalis adalah pembentukan radikal OH- dan pembentukan spesi superoksida anion dari oksigen. Ketika fotokatalis mengabsorpsi cahaya dengan Panjang gelombang tertentu, maka fotokatalis akan memperoleh energi. Energi tersebut akan digunakan untuk eksitasi elektron dari pita valensi (valence band) menuju pita konduksi (conduction band).Setelah elektron tereksitasi, akan dihasilkan suatu hole pada pita valensi. Hole akan memecah air dan membentuk suatu hidroksi radikal. Hidroksi radikal tersebut kemudian akan bereaksi dengan molekul organik dan memecah senyawa organik tersebut menjadi senyawa intermediet lain yang akan mengalami reaksi lebih lanjut. Elektron yang tereksitasi akan bereaksi dengan oksigen untuk membentuk spesi anion superoksida. Anion superoksida akan bereaksi dengan senyawa hasil pemecahan molekul organik membentuk produk. Siklus ini akan terus berulang sampai reaksi selesai.
E. Desain dan Penelitian Terdahulu
Pengaruh material seminkonduktor ZnO dan oksida graphene yang dikurangi terhadap proses degradasi fotokatalitik telah dipelajari. Pada Tabel 1 menunjukkan hasil penelitian sebelumnya.
Material Perlakuan Aplikasi Hasil Peneliti
ZnO Variasi precursor ZnO Rhodamine B ZnO dari precursor zinc sulfate
heptahydrate (ZnSO4.7H20)
Sheng Wang (2018)
ZnO/Graphene Variasi penambahan jumlah graphene
Rhodamine B 98,5% Linyu Zhu
(2018) ZnO/Graphene Variasi penambahan
jumlah graphene
CO2 Penambahan
graphene 10%
Zhang (2015) ZnO/Graphene Variasi penambahan
jumlah graphene
Rhodamine 6G
98% Chao Zhang
(2014)
Tercatat hanya beberapa kasus komposit ZnO/reduced graphene oxide digunakan dalam proses degradasi limbah. Penelitian ini bertujuan untuk mengubah limbah rhodamine B menggunakan teknik fotokatatalitik. Dalam upaya mereka untuk mendegradasi rhodamine 6G, limbah pabrik, Chao Zhang dkk. melakukan penelitian pada tahun 2014. Dalam penelitian ini, mereka membandingkan katalis ZnO tanpa penambahan reduced graphene oxide dengan katalis ZnO setelah penambahan reduced graphene oxide. Hasil percobaan menunjukkan bahwa material ZnO dengan penambahan reduced graphene oxide memiliki tingkat efisiensi degradasi yang lebih tinggi daripada katalis ZnO tanpa penambahan reduced graphene.
Pada tahun 2015, Zhang [3] mencoba meneliti oksida zink nitrat/oksida graphene rendah untuk mengurangi CO2 dengan menggunakan precursor zink nitrat dan mengubah jumlah oksida
graphene rendah. Studi ini menunjukkan bahwa penambahan 10% oksida graphene rendah menghasilkan reduksi CO2 tertinggi. Aktifitas fotokatalitik adalah hasilnya.
Pada tahun 2018, Linyu Zhu mencoba meneliti ZnO/graphene oxide yang dikurangi dengan menggunakan precursor zinc acetate dihydrate. Dia menggunakan berbagai cara untuk menambah jumlah graphene oxide yang dikurangi. Studi tersebut menemukan bahwa penambahan 15%
oksida graphene yang dikurangi meningkatkan efisiensi penghapusan limbah sebesar 98,5%.
Pada tahun 2018, Sheng Wang et al. meneliti semikonduktor ZnO tanpa penambahan senyawa lain. Mereka melakukan variasi terhadap precursor pembuatan ZnO. Penelitian ini menemukan bahwa precursor zinc sulfat heptahydrate (ZnSO4.7H20) memiliki aktifitas fotokalitik yang paling tinggi.
F. Hipotesis
Penambahan Reduced Graphene Oxide (rGO) ke dalam komposit ZnO/rGO akan meningkatkan efisiensi fotokatalitik dalam proses degradasi Rhodamine B. Ini dapat dicapai melalui peningkatan interaksi antara rGO dan ZnO serta peningkatan kapasitas rGO untuk adsorpsi Rhodamine B. Pada akhirnya, ini akan menghasilkan peningkatan efisiensi degradasi.
Daftar Pustaka
[1] S. S. R. P. Arief, "Degradasi Senyawa Rhodamin B Secara Sonolisis dengan Penambahan TiO2 Hasil Sintesa Melalui Proses Sol-Gel," Jurnal Riset Kimia 1, pp. 64-70, 2007.
[2] L. N. Azizah, "Pengaruh Variasi Kadar Zn Dan Temperatur Hydrotermal Terhadap Struktur Dan Nilai Konduktivitas Elektrik Material Reduced graphene oxide," Indonesian Journal of Chemistry 6, pp. 18- 40, 2014.
[3] Z. Z. N. X. Y. Chen, "Synthesis of reduced graphene oxide-ZnO nanorod nanocomposites with improved photoactivity and anti-photocorrosion," Cryst. Eng. Comm 15, p. 3022–3030..
