Degradasi methylene blue dengan metode fotokatalisis dan fotoelektrokatalisis menggunakan film TiO2

DEGRADASI METHYLENE BLUE DENGAN METODE
FOTOKATALISIS DAN FOTOELEKTROKATALISIS
MENGGUNAKAN FILM TiO2

ENDANG PALUPI

DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2006

ABSTRAK

ENDANG PALUPI. Degradasi Methylene Blue dengan Metode Fotokatalisis dan
Fotoelektrokatalisis Menggunakan Film TiO2. Dibimbing oleh Akhiruddin Maddu, M.Si dan
Drs. Moh. Indro, M.Sc.

Dengan metode squeegee printing, dapat dibuat lapisan semikonduktor TiO2 pada substrat
Indium TinOxide. Hasil karakterisasi XRD menunjukkan bahwa film yang dihasilkan adalah
anatase dengan nilai parameter kisi kristal a = b = 3.7945 dan c = 9.579, serta ukuran kristal adalah

24.545 nm.
Pengaruh konsentrasi awal Methylene Blue, pH awal, pemberian potensial bias, dan
penambahan H2O2 dievaluasi. Degradasi MB memperlihatkan hasil yang optimal pada konsentrasi
awal MB 5 x 10-6 M, dan pada keadaan basa, yaitu pH 11. Pada keadaan basa, film TiO2 akan
bermuatan negatif, dan karena MB merupakan dye kationik maka adsorbsi MB pada partikel TiO2
akan meningkat, sehingga degradasi MB juga akan meningkat. Adanya penambahan potensial bias
eksternal dan H2O2 dapat meningkatkan degradasi MB karena kedua metode ini dapat
menghalangi terjadi rekombinasi elektron dan hole. Kombinasi fotoelektrokatalisis dan
penambahan H2O2 memperlihatkan hasil terbaik diikuti fotoelektrokatalisis, fotokatalisis+H2O2,
fotolisis+ H2O2 dan fotokatalisis, dengan persen degradasi berturut-turut adalah 89.23%, 84.19%,
83.68%, 76.63%, dan 61.50%.

DEGRADASI METHYLENE BLUE DENGAN METODA
FOTOKATALISIS DAN FOTOELEKTROKATALISIS MENGGUNAKAN
FILM TiO2

Skripsi

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains

pada
Departemen Fisika

Oleh:

ENDANG PALUPI

DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2006

Judul
Nama
NIM

: Degradasi Methylene Blue dengan Metode Fotokatalisis dan Fotoelektrokatalisis
Menggunakan Film TiO2
: Endang Palupi
: G07400025

Menyetujui,

Pembimbing I

Pembimbing II

Akhiruddin Maddu, M.Si
NIP: 132 206 239

Drs. Moh. Nur Indro, M.Sc
NIP: 130 367 084

Mengetahui,
Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Pertanian Bogor

Prof. Dr. Ir. Yonny Koesmaryono
NIP 131 473 999

Tanggal Lulus:.......................................

Riwayat Hidup

Penulis lahir di Bogor pada tanggal 21 Agustus 1981 sebagai anak kedua dari empat
bersaudara pasangan bapak Suprapto dan ibu Ikim.
Penulis memulai pendidikan formal sekolah dasar pada 1988 dan melanjutkan sekolah
lanjutan tingkat pertama pada tahun 1994. Pada tahun 1997 penulis melanjutkan pendidikan
menengah atas di SMUN 3 Bogor, lulus pada tahun 2000, dan pada tahun yang sama penulis
mendapatkan PMDK dan pada tahun yang sama penulis lulus seleksi masuk IPB melalui jalur
PMDK. Penulis diterima pada Program Studi Fisika, Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan
Ilmu Pengetahuan Alam. Selama mengikuti perkuliahan, penulis pernah menjadi asisten praktikum
Fisika Dasar I dan II dan Fisika Umum tahun 2003-2005.

KATA PENGANTAR
Bismillahirrahmanirrahiim
Alhamdulillahirabbil’alamiin, segala puji dan syukur hanya bagi Allah SWT, karena berkat
serta rahmat-Nyalah penulis dapat menyelesaikan penulisan usulan penelitian ini dengan judul
”Degradasi Methylene Blue dengan Metode Fotokatalisis dan Fotoelektrokatalisis Menggunakan
Sebagai seorang manusia biasa penulis menyadari masih banyak sekali terdapat

Film TiO2”.
kekurangan dalam penulisan usulan penelitian ini. Oleh karena itu, saran dan kritik yang
membangun sangat penulis harapkan sehingga diwaktu yang akan datang dapat digunakan untuk
mendapatkan hasil yang lebih baik.
Penulis juga mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1.

2.

3.

4.

5.
6.

7.

8.

Bapak Akhiruddin Maddu, M.Si dan Bapak Drs. Moh. Nur Indro, M.Sc., selaku
pembimbing yang telah memberikan bimbingan, masukan, motivasi dan diskusidiskusi yang sangat membantu, serta untuk dosen penguji: Bapak Drs. Sidikrubadi
Pramudito, Bapak Jajang Juansyah, S.Si, dan Bapak Faozan Ahmad S.Si.
Untuk Bapak, terima kasih banyak atas segala yang telah diberikan. Maaf Endang
belum sempat memberi apa pun sebagai balasannya. Mama yang tiada hentinya
memberikan do’a.
Pỏpỏ, Ceot, Benkz, Adot, Wiwid, Ii Sam, Om Wisnu, Kakang, Ary, Dede Helen,
Keluarga besar Mama: Ii Alin, Ii Eli, dan Keluarga besar Bapak, terima kasih untuk
kesabarannya nunggu Endang lulus.
Segenap staf pengajar dan tata usaha di Departemen Fisika yang telah sangat banyak
membantu selama masa perkuliahan dan proses kelulusan, juga staf laboratorium Pak
Yani, Pak Mus, Pak Toni, dan Pak Mul.
Staf laboratorium Kimia Analisis Departemen Kimia Institut Pertanian Bogor: Ibu
Nunung, dan Om Eman. Terima kasih atas bantuan dan kerjasamanya.
Anggota Schroedinger cat’z (Eenkz, Fati, Reiny, Cepy, Dhoni, Ichwansyah, Fuady,
Armand, Kun, Ewing, Gana, Iqin, Andre, Kun). Makasih atas semua dukungan
moral, spiritual dan finansialnya. Kita telah melalui masa yang takkan terlupakan,
baik suka maupun duka. Meskipun kita sudah tidak bersama lagi, tetapi persahabatan
kita akan terus terjalin selamanya. Serta rekan-rekan Fisika angkatan 37 lainnya yang
tidak sempat saya sebutkan.

Penghuni Ciwaluya 9: Nana, Mee-mee, Letta, Tata, Monik, Ka Kocha, Taya, Age,
Kaka, Abang Rifki, Ka Ucup, dan Dini: terima kasih atas ilmu, kesenangan, dan
dukungannya.
Ka Ari Sudana, terima kasih atas masukan-masukannya, serta para senior dan yunior
di Departemen Fisika.

Bogor, Oktober 2006

Endang Palupi

i

DAFTAR ISI
Halaman
KATA PENGANTAR ................................................................................................................ i
DAFTAR ISI............................................................................................................................... ii
DAFTAR GAMBAR .................................................................................................................. iii
DAFTAR TABEL....................................................................................................................... iii
DAFTAR LAMPIRAN............................................................................................................... iii
PENDAHULUAN....................................................................................................................... 1

Latar Belakang ................................................................................................................. 1
Perumusan Masalah.......................................................................................................... 1
Tujuan Penelitian.............................................................................................................. 2
TINJAUAN PUSTAKA.............................................................................................................. 2
Semikonduktor ................................................................................................................. 2
Titanium Dioksida ............................................................................................................ 2
Proses Fotokatalisis .......................................................................................................... 3
Proses Fotoelektrokatalisis ............................................................................................... 5
Methylene Blue ................................................................................................................ 6
BAHAN DAN METODE ........................................................................................................... 6
Tempat dan Waktu Penelitian........................................................................................... 6
Alat dan Bahan ................................................................................................................. 6
Deposisi Film TiO2 ........................................................................................................... 6
Karakterisasi XRD ........................................................................................................... 6
Pembuatan Reaktor........................................................................................................... 7
Pembuatan Kurva Standar Methylene Blue...................................................................... 7
Evaluasi Fotolisis, Fotokatalisis dan Fotoelektrokatalisis ................................................ 7
HASIL DAN PEMBAHASAN................................................................................................... 7
Hasil XRD Film TiO2 dan Ukuran Partikel...................................................................... 7
Kurva Standar Methylene Blue ........................................................................................ 8

Pengaruh Konsentrasi Awal Methylene Blue................................................................... 9
Pengaruh pH Awal Methylene Blue ................................................................................. 9
Evaluasi Aktivitas Fotolisis, Fotokatalisis dan Fotoelektrokatalisis................................. 10
Evaluasi Aktivitas Fotolisis....................................................................................... 10
Evaluasi Aktivitas Fotolisis dan Fotoelektrokatalisis................................................ 10
Pengaruh Penambahan H2O2 ............................................................................................ 11
KESIMPULAN DAN SARAN................................................................................................... 12
Kesimpulan....................................................................................................................... 12
Saran................................................................................................................................. 12
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................................. 12
LAMPIRAN ............................................................................................................................... 15

ii

DAFTAR GAMBAR
Halaman
1.
2.
3.
4.

5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.

Struktur kristal anatase dan rutil .......................................................................................... 3
Energi gap, posisi pita valensi, konduksi,
dan potensial reduksi dari berbagai semikonduktor ............................................................. 4
Skema proses fotokatalisis ................................................................................................... 4
Skema proses fotoelektrokatalisis ........................................................................................ 5
Struktur molekul kimia Methylene Blue.............................................................................. 6
Kristalografi TiO2 ................................................................................................................ 8
Spektrum karakterisasi absorbansi Methylene Blue ............................................................ 9
Kurva standar MB................................................................................................................ 9

Pengaruh konsentrasi awal terhadap degradasi fotokatalisis MB ........................................ 9
Hubungan antara pH dan persen degradasi MB................................................................... 10
Perbandingan proses degradasi MB ..................................................................................... 10
Hubungan linear antara ln (C/C0) dan lama perlakuan......................................................... 11
Grafik persentase penurunan konsentrasi MB...................................................................... 11
Foto hasi degradasi fotolisis, fotokatalisis dan fotoelektrokatalisis ..................................... 11

DAFTAR TABEL
Halaman
1.
2.
3.
4.
5.

Perbedaan struktur kristal anatase dan rutil..........................................................................3
Mekanisme fotokatalisis dengan titanium dioksida .............................................................5
Susunan puncak dan intensitas kristal TiO2 fase anatase .....................................................8
Perbandingan parameter kisi kristal sampel pada lapisan TiO2
dan literatur ..........................................................................................................................8
Tetapan kelajuan degradasi Methylene Blue.......................................................................12

DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1.
2.
3.
4.
5.

Skema reaktor degradasi .....................................................................................................15
Tabel Standar Struktur Tegragonal TiO2 pada XRD dengan λ = 1.54056 .........................16
Penentuan parameter kisi dengan metode Cohen................................................................17
Penentuan ukuran kristal dengan metode Cohen ................................................................20
Pengolahan data degradasi Methylene Blue........................................................................21

iii

1

PENDAHULUAN
Latar Belakang
Pewarnaan merupakan faktor penting
dalam industri fashion, garmen, peralatan,
kertas, dan percetakan. Dye, senyawa
pemberi warna pada suatu material, biasanya
digunakan pada proses pewarnaan ini.
Konsumsi dye per kapita mendekati 150 g per
tahun, memenuhi konsumsi rata-rata industri
tekstil sekitar 14.0 kg per tahun per
penduduk. Tingginya kebutuhan akan industri
tekstil di dunia, membuat industri ini semakin
berkembang. Industri ini menggunakan
sekitar 700.000 ton dari 10.000 tipe dye
berbeda yang diproduksi tiap tahun. Selama
penggunaannya, 185 ton dari dye ini terbuang
ke lingkungan per tahunnya[1].
Diantara dye-dye reaktif yang ada,
methylene blue merupakan dye yang paling
banyak digunakan. Limbah berwarna yang
dihasilkan oleh industri dye dan tekstil dapat
menyebabkan kerusakan ekosistem aquatik
karena tingginya konsentrasi senyawa
organik yang terkandung didalamnya[2.
Limbah tersebut mendapat perhatian paling
besar karena penggunaannya yang menyebar,
pengaruhnya yang kuat terhadap lingkungan,
kemampuannya dalam membentuk produk
aromatik yang beracun
dan rendahnya
kecepatan penguraian. Limbah ini terbuang
selama proses pembuatan dan penggunaan[1]
Proses penghilangan zat warna limbah
cair yang dihasilkan dari industri tekstil
menjadi isu diskusi dan regulasi di seluruh
dunia. Fotokatalisis berbasis semikonduktor
menawarkan
solusi
terbaik
untuk
permasalahan tersebut. Komisi IUPAC
mendefinisikan fotokatalisis sebagai suatu
reaksi katalitik yang melibatkan absorbsi
cahaya oleh katalis. Katalis adalah suatu
substansi yang meningkatkan kecepatan
Fotokatalisis
memanfaatkan
reaksi[3].
semikonduktor
sebagai
katalis
yang
diaktifkan dengan sinar ultraviolet (UV)
untuk menguraikan senyawa organik menjadi
mineral-mineralnya [4].
Proses fotokatalisis memiliki beberapa
keuntungan dibandingkan dengan proses
oksidasi kimia tradisional atau proses biologi.
Proses fotokatalisis tidak spesifik sehingga
mampu mendegradasi tidak hanya satu
macam senyawa kimia; sangat kuat, sehingga
mampu
mencapai
mineralisasi
yang
sempurna berupa karbon dioksida dan air;
bebas dari racun organik; dapat diterapkan
pada medium cair maupun gas; dan memiliki

potensi untuk memanfaatkan sinar matahari
sebagai pengganti sinar UV[5].
Semikonduktor yang paling banyak
digunakan sebagai fotokatalis adalah titanium
dioksida (TiO2). TiO2 telah dimanfaatkan
untuk pemurnian air, pemurnian udara, gas
sensor dan fotovoltaik sel surya[6]. Ketika
TiO2 disinari cahaya dengan panjang
gelombang antara 100 – 400 nm, elektron (e-)
akan tereksitasi dari pita valensi ke pita
konduksi, meninggalkan hole (h+) pada pita
valensi. Jika pasangan elektron-hole dapat
dipisahkan satu sama lain dengan cepat tanpa
terjadi rekombinasi, elektron dan hole ini
akan
bermigrasi
ke
permukaan
semikonduktor. Hole bereaksi dengan H2O
atau OH − yang teradsorbsi pada permukaan
semikonduktor dan menghasilkan radikal
hidroksil ( OH • ) yang dikenal sebagai spesies
oksidator yang sangat kuat, sedangkan
elektron akan mengadsorbsi molekul O2 atau
H2O untuk membentuk radikal anion
superoksida ( O•2- ) yang merupakan spesies
reduktor. Spesies-spesies oksidator dan
reduktor ini akan menyerang kontaminan
yang
terlarut
dalam
sistem
dan
mendegradasinya menjadi senyawa yang
tidak berbahaya[7].
Perumusan Masalah

Pemasalahan utama dari sistem
fotokatalisis
adalah ketika elektron
tereksitasi ke pita konduksi, selain bereaksi
dengan spesies lain yang teradsorbsi, 90%
elektron ini akan segera berekombinasi
dengan hole dalam waktu nanosekon.
Rekombinasi ini akan menurunkan efektivitas
fotokatalisis. Masalah rekombinasi ini dapat
diatasi memberikan potensial bias positif
melewati fotoanoda dan penambahan
hidrogen peroksida. Pemberian bias ini akan
menarik elektron menuju ke
katoda,
sehingga rekombinasi pasangan elektron-hole
dalam katalis akan terminimalisasi. Dengan
demikian
pemberian
tegangan
akan
meningkatkan kecepatan oksidasi senyawa
organik. Proses ini dikenal dengan
fotoelektrokatalisis. Penambahan hidrogen
peroksida, H2O2, dapat meningkatkan
efisiensi fotokatalisis. Senyawa ini bertindak
sebagai
akseptor
elektron
untuk
menghasilkan radikal hidroksil yang sangat
dibutuhkan pada fotodegradasi polutan
organik.

2
Tujuan Penelitian

1.

2.
3.

4.

Penelitian ini bertujuan untuk
Membuat film TiO2 pada substrat ITO
(Indium Tinoxide) dengan metoda
squeegee printing.
Menumbuhkan kristal TiO2 melalui
proses anneling pada temperatur 450 oC.
Membuat reaktor degradasi fotokatalisis
dan
fotoelektrokatalisis
dengan
menggunakan TiO2 sebagai katalisnya.
Melihat pengaruh pH, penambahan
hidrogen peroksida dan pemberian
potensial bias positif terhadap efektivitas
fotokatalisis
dalam
mendegradasi
methylene blue.

TINJAUAN PUSTAKA
Semikonduktor

Semikonduktor adalah material yang
dicirikan dengan terisinya pita valensi dan
kosongnya pita konduksi. Elektron tidak
dapat berada pada daerah bandgap antara pita
valensi dan pita konduksi. Berdasarkan
pembawa muatannya, semikonduktor dapat
diklasifikasikan dalam dua kelompok, yaitu
semikonduktor intrinsik dan semikonduktor
ekstrinsik. Semikonduktor intrinsik adalah
semikonduktor yang belum disisipi atom lain.
Ketersediaan pembawa
muatan pada
semikonduktor ini berasal dari persenyawaan
unsur-unsur secara langsung. Semikonduktor
ekstrinsik adalah semikonduktor yang
partikel pembawa muatannya berasal dari
unsur lain. Semikonduktor ekstrinsik
diperoleh melalui rekayasa pemberian
sejumlah impuritas atau injeksi partikel agar
bahan
mengalami
perubahan
nilai
konduktivitas.
Berdasarkan jumlah mayoritas partikel
pembawa muatan, semikonduktor dibedakan
dalam dua jenis, yaitu semikonduktor tipe-p
dan tipe-n. Semikonduktor tipe-p merupakan
semikonduktor yang mengalami kekurangan
elektron
sehingga semikonduktor ini
bermuatan positif dengan lubang/hole sebagai
pembawa muatan mayoritas. Dilain pihak,
semikonduktor tipe-n mengalami kelebihan
elektron, menyebabkan semikonduktor ini
bermuatan negatif dengan elektron sebagai
pembawa muatan mayoritas[10].
Ketika disinari cahaya dengan panjang
gelombang yang tepat, elektron pada pita
valensi akan mengabsorbsi energi foton,

tereksitasi, dan berpindah ke pita konduksi.
Hasil
eksitasi
elektron
ini
adalah
terbentuknya hole (muatan positif) pada pita
+
valensi ( h VB ) dan elektron pada pita
-

konduksi ( eCB ). Pasangan elektron-hole ini
tidak stabil. Mereka dapat kembali ke tempat
asalnya (berekombinasi) dengan melepaskan
panas[8].
Secara termodinamik, level energi pita
konduksi (ECB) adalah ukuran kekuatan
reduksi elektron pada semikonduktor,
sedangkan level energi pita valensi (EVB)
adalah ukuran daya oksidasi hole.
Semikonduktor yang berbeda memiliki level
pita energi yang berbeda. Semakin tinggi
potensial pita valensi, semakin tinggi daya
oksidasi yang dimiliki oleh hole. Agar suatu
semikonduktor
mampu
mendegradasi
senyawa-senyawa organik yang berbeda,
maka level energi valensinya harus terletak
pada potensial yang relatif tinggi.
Semikonduktor dengan bandgap kecil
memiliki spektrum absorbsi yang cocok
dengan spektrum emisi cahaya matahari. Dari
sudut pandang pemanfaatan energi matahari,
semikonduktor dengan celah pita yang kecil
merupakan pilihan yang lebih baik. Tapi,
semikonduktor yang memiliki bandgap kecil
normalnya tidak memiliki potensial pita
valensi yang tinggi[9].
Titanium Dioksida

TiO2 muncul dalam 3 bentuk polimorf
yang berbeda, yaitu rutil, anatase, dan
brukit. Dua struktur kristal TiO2, rutil dan
anatase, paling umum digunakan dalam
fotokatalisis. Struktur anatase dan rutil
digambarkan dalam bentuk rantai oktahedra
TiO6. Struktur kedua kristal dibedakan oleh
distorsi oktahedron dan pola susunan rantai
oktahedronnya (Gambar 1). Setiap ion Ti4+
dikelilingi oleh enam atom O2-. Oktahedron
pada rutil memperlihatkan sedikit distorsi
ortorhombik, sedangkan oktahendron pada
anatase memperlihatkan distorsi yang cukup
besar sehingga relatif tidak simetri[11]. Jarak
Ti-Ti pada anatase lebih besar (3.79 dan
3.04 Å serta 3.57 dan 2.96 Å untuk rutil),
sedangkan jarak ion Ti-O lebih pendek
dibandingkan rutil (1,937 Å dan 1,966 Å
pada anatase dan 1,946 Å dan 1,983 Å untuk
rutil)[12]. Pada rutil setiap oktahedronnya
mengalami kontak dengan 10 oktahendron
tetangganya, sedangkan pada anatase setiap
oktahedorn mengalami kontak dengan
delapan oktahedron tetangganya. Perbedaan

3

dalam struktur kisi ini menyebabkan
perbedaan massa jenis dan struktur pita
elekektronik antara dua bentuk TiO2[11],
yaitu anatase memiliki daerah aktivasi yang
lebih luas dibandingkan rutil sehingga
kristal tersebut menjadi lebih reaktif
terhadap cahaya dibandingkan rutil. Besar
bandgap yang dimiliki pun menjadi berbeda,
pada anatase besar rentang energinya adalah
3,2 eV sedangkan rutil 3,1 eV[13]. Perbedaan
struktur kristal anatase dan rutil dirangkum
pada Tabel 1.
Kristal rutil memiliki struktur yang
lebih padat dibandingkan anatase, karenanya
memiliki densitas dan indeks refraktif yang
lebih tinggi (massa jenis anatase: 3,894
gr/cm3; rutil: 4,250 gr/cm3; indeks bias
anatase dan rutil berturut-turut adalah 2,5688
dan 2,9467) [13].
Tabel 1. Perbedaan struktur kristal anatase dan rutil
Faktor
Perbedaan

hidroksil pada pH = 1 mempunyai potensial
sebesar 2,8 V, dan kebanyakan zat organik
mempunyai potensial redoks yang lebih kecil
dari potensial tersebut [13].

Anatase

Kristal
Anatase

Rutile

3,2

3,1

3,830

4,240

Energi gap (Eg),
eV
Massa jenis (ρ),
gr/cm3
Jarak Ti-Ti, Å

3,97 dan 3,04

3,57 dan 2,96

Jarak Ti- O, Å
Parameter Kisi,
Å

1,937 dan 1,966
a = 3,782
c = 9,502

1,946 dan 1,983
a = 4,587
c = 2,953

energi gap (Eg), posisi pita konduksi
dan pita valensi menentukan karakter
fotokatalisis dalam hal kebutuhan energi
foton
yang
diperlukan
untuk
mengaktifkannya dan berapa besar kekuatan
oksidasi atau reduksinya setelah diaktifkan.
Gambar 2. memperlihatkan besarnya energi
celah, posisi pita valensi, pita konduksi
beberapa semikondukor dan komparasinya
dengan potensial redoks relatif terhadap
standar elektroda hidrogen.
Pada Gambar 3, TiO2 anatase memiliki
energi celah sebesar 3,2 eV, dengan posisi
tingkat energi pita konduksi memiliki
potensial reduksi sebesar kira-kira -1,0 Volt
(vs SHE) dan posisi tingkat energi pita
valensi mempunyai potensial oksidasi kurang
dari +3,0 Volt (vs SHE). Hal ini
hole
pada
mengindikasikan
bahwa
permukaan TiO2 merupakan spesis oksidator
kuat, dan karenanya akan mengoksidasi
spesies kimia lainnya yang mempunyai
potensial redoks yang lebih kecil, termasuk
molekul air dan/atau gugus hidroksil yang
akan menghasilkan radikal hidroksil. Radikal

Rutil
Gambar 1. Struktur kristal anatase dan rutil.

Proses Fotokatalisis

Fotokatalisis merupakan suatu proses
yang dapat diterapkan untuk pemulihan
lingkungan. Fotokatalisis memanfaatkan
foton (cahaya) tampak atau ultraviolet untuk
mengaktifkan katalis yang kemudian bereaksi
dengan senyawa kimia yang berada pada atau
dekat
dengan
permukaan
katalis.

4

Gambar 2. Energi gap, posisi pita valensi, konduksi, dan potensial redoks dari berbagai semikonduktor.

Gambar 3. Skema proses fotokatalisis. Rekombinasi
elektron-hole dapat terjadi pada permukaan
semikonduktor (reaksi a) atau di bulk
semikonduktor (reaksi b). Pada permukaan
partikel, elektron fotogenerasi dapat
mereduksi oksigen menjadi anion superoksida (reaksi c) dan hole fotogenerasi
dapat mengoksidasi OH- atau air untuk
membentuk radikal hidroksil (reaksi d).

Reaksi fotokatalisis (Gambar 3)
diawali ketika partikel TiO2 mengabsorbsi
foton dari cahaya, kemudian pasangan
akan terbentuk dalam
elektron-hole
semikonduktor seperti diperlihatkan pada
reaksi 1 dalam Tabel 2. Elektron dan hole
pada permukaan semikonduktor masingmasing berperan sebagai reduktor dan
oksidator. Pasangan elektron-hole ini akan (i)
berekombinasi, yaitu kembali ke keadaan
awal dan melepaskan energi foton terabsorbsi
sebagai panas (reaksi 5 pada Tabel 2) atau (ii)
bermigrasi ke permukaan dan bereaksi
dengan senyawa teradsorbsi[8].

Ion hidroksida teradsorbsi dan molekul
air membentuk radikal hidroksil melalui
mekanisme oksidasi dengan cara mengikat
hole, seperti diperlihatkan pada reaksi (6a)
dan (6b), kemudian akan mengawali
serangkaian reaksi redoks yang kompleks
pada permukaan zat padat-cair[8].
Untuk meningkatkan oksidasi titanium
dioksida, yang kemudian akan meningkatkan
aktivitas fotokatalisis, harus ada akseptor
elektron irreversible. Akseptor elektron
irreversible merupakan senyawa yang
mampu menjaga kesetimbangan muatan
dalam sistem dengan cara mereduksi dan
mencegah rekombinasi pasangan elektronhole. Oksigen dan hidrogen peroksida
merupakan akseptor elektron irreversible
yang sangat baik dan dapat dengan mudah
ditambahkan ke dalam sistem fotokatalitik.
Seperti yang diilustrasikan pada reaksi 8b dan
13 [14].
Radikal hidroksil dihasilkan pada
permukaan titanium dioksida, radikal-radikal
ini
dapat teradsorbsi pada permukaan
titanium dioksida atau berdifusi ke dalam
larutan. Radikal hidroksil dapat mengoksidasi
molekul kontaminan organik melalui empat
langkah:
1. Kasus I (reaksi 9): radikal hidroksil tetap
teradsorbsi pada atau dekat permukaan
titanium dioksida dan akan mengikat
molekul kontaminan teradsorbsi.
2. Kasus II (reaksi 10): radikal hidroksil
berdifusi ke dalam larutan dan mengikat
molekul kontaminan teradsorbsi.
3. Kasus III (reaksi 11): radikal hidroksil
tetap teradsorbsi pada atau dekat
permukaan titanium dioksida dan
mengikat molekul kontaminan terdekat
dalam larutan.

5

4.

Kasus IV (reaksi 12): radikal hidroksil
berdifusi ke dalam larutan dan mengikat
kontaminan juga di dalam larutan.
Ringkasan keseluruhan reaksi dapat dilihat
pada Tabel 2.
Tabel 2. Mekanisme fotokatalisis dengan titanium
dioksida [8]
Eksitasi
−

TiO2 → e + h

+

(1)

Adsorbasi
-2

O L + Ti
IV

IV

−

+

H 2 O ↔ O L H + Ti

+ H 2 O ↔ Ti

Ti

IV

IV

− OH

−

(2b)

− H 2O

(3)

site + R1 ↔ R1,ads
OH

•

+ Ti

IV

(2a)

IV

↔ Ti

∫ OH

•

(4)

Rekombinasi
−

+

e + h → heat

(5)

Trapping
IV

Ti

− OH

IV

Ti

−

+h

− H 2O + h

+

+

↔ Ti
↔ Ti

+

IV

IV

∫ OH
∫ OH

•

(6a)
•

+H

+

+

(7)

R1,ads + h ↔ R1,ads
Ti
Ti

−

IV

+ e → Ti

III

+ O2 → Ti

III

IV

(6b)

(8a)
•−

(8b)

− O2

Hidroksil Attack
Kasus I

∫

Ti OH

•

+ R1,ads → Ti

IV

+ R2 ,ads

(9)

Kasus II
•

(10)

OH + R1,ads → R2,ads
Kasus III
Ti

IV

∫ OH

•

+ R1 → Ti

IV

(11)

+ R2

Kasus IV
•

kemudian
meminimalisasi
rekombinasi
pasangan elektron-hole dalam katalis dan
meningkatkan kecepatan oksidasi senyawa
organik [14].
Seperti yang diindikasikan pada
Gambar 4, pasangan elektron-hole dapat
dihasilkan dalam semikonduktor melalui
absorbsi cahaya dengan energi lebih besar
atau sama dengan celah pita energi
semikonduktor. Ketika semikonduktor tipe-n
dicelupkan pada larutan, maka tingkat energi
ferminya berkurang dan menghasilkan
pembentukan medan listrik pada interface
antara semikonduktor dan larutan elektrolit
[13]
. Pasangan elektron-hole yang dihasilkan
pada daerah medan listrik tersebut, daerah
deplesi, akan terpisah dan tidak mengalami
rekombinasi. Sebagai konsekuensinya, pada
semikonduktor tipe-n, elektron fotogenerasi
akan bergerak ke bulk semikonduktor,
dimana elektron ini dapat ditransfer baik
melalui kawat ke elektroda non-fotoaktif
(seperti Pt) atau bergerak ke permukaan ke
suatu titik dimana elektron akseptor dapat
direduksi. Sementara itu, hole fotogenerasi,
dibawah pengaruh medan listrik, akan
bermigrasi ke permukaan semikonduktor dan
mengoksidasi elektron donor yang cocok.
Proses fotoelektrokatalisis ini diilustrasikan
pada Gambar 4. Dari tinjauan termodinamik,
agar elektron fotogenerasi di pita konduksi
dapat mereduksi air, pita potensialnya, (ECB),
harus kurang dari E(H+/H2); juga agar hole
fotogenerasi pada pita valensi dapat
mengoksidasi air, EVB, harus lebih besar dari
(O2/H2O) [4].

(12)

OH + R1 → R2
Reaksi Radikal Lain
−

e + Ti
Ti

IV

IV

•−

+

IV

− O2 + 2( H ) ↔ Ti ( H 2 O2 )

•−

− O2 + H

+

↔ Ti

IV

•

( HO )

−

(14)

2

( H 2 O2 ) + ( OH • ) ↔ ( HO2•− ) + ( H 2 O )
−

(13)

H 2 O2 + e → OH + OH

•

(15)
(16)

Proses Fotoelektrokatalisis

Pemberian potensial listrik melalui film
katalis, untuk menghasilkan “fotoreaktor
bias”, dapat meminimalisasi rekombinasi
Reaktor
seperti
ini
elektron-hole.
menggunakan elektroda terpisah: sebuah
elektroda kerja yang dilapisi dengan katalis
(sebagai fotoanoda) dan sebuah elektroda
counter (sebagai katoda).
Pemberian
potensial positif melewati fotoanoda akan
menarik elektron fotogenerasi ke katoda,

Gambar 4. Skema proses fotoelektrokatalisis. Proses ini
terjadi pada iradiasi semikonduktor tipe-n
yang dicelupkan dalam air dan dibawah
pengaruh tegangan positif.

6
Methylene Blue

Methylene Blue yang memiliki rumus
adalah
senyawa
kimia
C16H18ClN3S,
hidrokarbon aromatik yang beracun dan
merupakan dye kationik dengan daya
adsorpsi yang sangat kuat. Pada umumnya
digunakan sebagai pewarna sutra, wool,
tekstil, kertas, peralatan kantor dan kosmetik.
Senyawa ini berupa kristal berwarna
hijau gelap. Ketika dilarutkan dalam air atau
alkohol akan menghasilkan larutan berwarna
biru. Memiliki berat molekul 319.86 gr/mol,
dengan titik lebur di 105 oC dan daya larut
sebesar 4,36 x 104 mg/L. Strukturnya
diperlihatkan pada Gambar 5.

Gambar 5. Struktur molekul kimia Methylene Blue

BAHAN DAN METODE
Tempat dan Waktu Penelitian

Kegiatan penelitian dilakukan di
Laboratorium Fisika Material Jurusan Fisika
dan Laboratorium Analisis Kimia Jurusan
Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor.
Penelitian ini dilakukan sejak bulan Agustus
2005 sampai Agustus 2006 yang terdiri dari
penelusuran literatur, kegiatan penelitian dan
penulisan laporan.

fotokatalisis, eletroda pencacah platina (Pt),
catu daya, neraca analitik, pengaduk magnet,
magnet, pipet hisap 5 ml, volumetrik 50 ml,
tabung reaksi, scotch-tape, wadah sampel,
gelas rod, dan alumunium foil.
Deposisi Film TiO2

Film TiO2 dibuat dengan metode
squeegee printing. Pasta titanium disiapkan
dengan mencampurkan 3 mg TiO2 bubuk, 3
ml akuades, 1 ml asetylaseton dan 4 gr
Polyethyleneglycol (PEG). Campuran ini
diaduk selama 1 jam hingga dihasilkan pasta
yang mengental. Substrat ITO berukuran
(4.5 x 3) cm, sebanyak 4 buah dibersihkan
dengan sabun dan direndam dengan aseton
dalam ultrasonic cleaner selama 30 menit,
kemudian dikeringkan. Tepi-tepi substrat
dibingkai dengan scotch-tape, 0.5 cm dari
tiap tepi dengan sisi konduktif menghadap ke
atas.
Deposisi dilakukan dengan meneteskan
pasta titanium pada substrat ITO. Pasta
diratakan dengan glass rod hingga seluruh
substrat tertutup dengan titanium. Substrat
yang telah dilapisi dipanaskan di atas
piringan pemanas bersuhu 100 oC selama 10
menit hingga lapisan mengering dan scotchtape dapat dilepas tanpa merusak tepi lapisan.
Untuk menumbuhkan kristal anatase, film
dipanaskan hingga 450 oC dengan kenaikan
suhu 5 oC/menit dan di-hold 10 menit pada
suhu 100 oC dan 300 oC, sedangkan pada
suhu 450 oC di-hold selama 30 menit. Total
waktu proses pemanasan adalah dua jam lima
belas menit.

Bahan dan Alat

Karakterisasi XRD

Bahan-bahan yang digunakan dalam
penelitian ini adalah TiO2 Degussa P25,
Acetylaceton (Merck), Polyethyleneglycol
4000 (Merck), akuades, aseton, bubuk
methylene blue (Certistain), NaOH, HCl, dan
H2O2. Sebagai substrat digunakan kaca
konduktif ITO (Indium TinOxide).
Peralatan yang digunakan diantaranya
furnace (Vulcan), difraktometer sinar-X
(Shimadzu tipe XD-610), lampu UV jenis
Black Light (UV-A) dengan panjang
gelombang maksimum sebesar 360 Å,
berdaya listrik 6 Watt (Ultra Violet Products.
Inc), Thermo Spectronic 20D+, spektroskopi
UV-Vis Genesys-10, ultrasonic cleaner
(Cole-Parmer),
pH-meter,
reaktor

Karakterisasi kristal TiO2 ditentukan
dengan difraksi sinar-X (XRD) menggunakan
difraktometer sinar-X (Shimadzu model XD610) yang terdapat di Laboratorium X-Ray,
Pusat Penelitian dan Pengembangan Ilmu
Pengetahuan dan Teknologi Batan (P3IB),
Badan Tenaga Nuklir Nasional (BATAN),
Kawasan PUSPITEK Serpong, Tangerang.
Alat ini menggunakan sumber Cu dengan
tegangan 30 kV, arus 30mA dan panjang
gelombang, λ = 1.54056 Å. Film discan
dengan rentang 2θ antara 20-70o. Hasil output
karakterisasi XRD berupa kurva hubungan
antara 2θ versus intensitas. Kurva ini
kemudian dibandingkan dengan kurva XRD
dari literatur. Ukuran kristal film TiO2

7

dihitung menggunakan persamaan DebyeScherrer:
0.9λ
(17)
τ =
B cos θ B
dimana τ adalah ukuran kristal film, λpanjang gelombang sinar-X yang digunakan;
θB adalah sudut puncak; dan B adalah lebar
puncak pada setengah intensitas maksimum
(FWHM).
Pembuatan Reaktor

Reaktor degradasi skala laboratorium
yang dibuat adalah model reaktor takalir
(Water Static Batch Reactor). Reaktor ini
terdiri dari bejana dengan daya tampung
100 ml; film TiO2; elektroda pencacah, Pt;
pengaduk magnet; catu daya; lampu UV-A.
Bejana dibuat menggunakan bahan aklirik
dengan dimensi (5 x 4 x 5) cm. Film TiO2
diletakkan pada salah satu sisi bejana, 1 cm
dari dasar bejana. 0,5 cm di atasnya
diletakkan elektroda pencacah platina (Pt).
Lampu UV diletakkan 3 cm dari mulut
bejana. Bagian atas bejana ditutup
menggunakan wrapping plastic dan sisisisinya ditutup dengan alumunium foil.
Keseluruhan reaktor ditutup dengan kotak
kayu untuk menghindari pengaruh cahaya
dari luar. Luas lapisan tipis adalah 10 cm2
dan luas elektroda pencacah adalah 0.5 cm2
(Lampiran 1)
Pembuatan Kurva Standar Methylene
Blue

Kurva
karakterisasi
absorbansi
Methylene Blue, MB, untuk beberapa variasi
konsentrasi
diperoleh
menggunakan
spektroskopi UV-Vis Genesys-10 pada
panjang gelombang 524-669 nm, sedangkan
kurva standar dibuat dengan menscan larutan
MB, menggunakan Thermo Spectronic 20D+
pada panjang gelombang 500-700 Å. Untuk
selanjutnya spektroskopi yang digunakan
untuk mengukur absorbansi larutan adalah
Thermo Spectronic 20D+. Spektroskopi
Genesys-10 digunakan hanya untuk melihat
karakterisasi absorbansi MB.
Evaluasi Fotolisis, Fotokatalisis dan
Fotoelektrokatalisis

Evaluasi dilakukan melalui beberapa
variasi kondisi eksperimen, yaitu fotolisis
(kondisi eksperimen dengan UV tanpa TiO2),
fotokatalisis (kondisi eksperimen dengan

TiO2 dan UV), dan fotoelektrokatalisis (UV,
TiO2 dan pemberian potensial bias eksternal).
Sebagai kontrol dilakukan eksperimen pada
keadaan gelap (tanpa perlakuan apapun).
Larutan MB yang digunakan sebanyak
50 ml dengan konsentrasi awal 5 x 10-6 M.
Lampu UV yang digunakan adalah lampu
UV-A
dengan
panjang
gelombang
maksimum 360 Å. TiO2 disinari dengan
lampu ini sepanjang arah normalnya. pH
larutan diatur dengan menambahkan NaOH
dan HCl. Pengaruh hidrogen peroksida
terhadap degradasi MB
dilihat dengan
menambahkan H2O2 30% sebanyak 0.1 ml.
Penambahan potensial bias sebesar +1.0
Volt, dimana platina yang digunakan sebagai
elektroda counter dihubungkan ke kutub
negatif power supply sedangkan film TiO2
dihubungkan ke kutub positif. Konsentrasi
MB setelah diberi perlakuan diukur dengan
Thermo Spectronic 20D+. Petikan sampel
diambil pada menit ke- 0, 30, 60, 90, 120,
dan 150.
Degradasi MB dinyatakan dengan
kecepatan reaksi kinetik:
dC
− dt = kC
(18)
C = C0 e − k t
(19)
C
= −kt
ln
(20)
Co
dimana:
dC
dt = laju degradasi Methylene Blue
(Molar/menit)
Co = konsentrasi awal Methylene Blue
(dalam Molar)
C
= konsentrasi Methylene Blue setelah
waktu t (dalam Molar)
t
= waktu (dalam menit)
k
= tetapan kelajuan degradasi (dalam
menit-1)
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil XRD Film TiO2 dan Ukuran Partikel

Pendeposisian TiO2 bubuk dengan
metode squeegee printing pada substrat ITO
(Indium Tin Oxide) dengan binder PEG
memperlihatkan hasil yang baik. Adanya
PEG sebagai binder meningkatkan gaya
adhesi partikel sehingga TiO2 menempel
dengan kuat pada substrat. Hal ini terlihat
dari morfologi lapisan yang tidak rusak
setelah diberi beberapa perlakuan.

8

Gambar 6. Kristalografi TiO2

Tabel 3.. Susunan puncak dan intensitas kristal TiO2 fase
anatase

d (Å)

2θ
(deg)

Sampel

Literatur

25,127
37,755
47,891
53,798
54,882
62,633

3,5411
2,3807
1,8978
1,7025
1,6714
1,4819

3,5298
2,3947
1,8985
1,7104
1,6720
1,4877

hkl
101
400
200
105
211
204

Struktur film diperiksa menggunakan
XRD. Gambar 6 memperlihatkan pola
difraksi film TiO2 yang dipanaskan hingga
450o. Pada pola tersebut tampak bahwa ada
enam puncak yang konsisten dengan puncak
untuk kristal anatase, sedangkan kristal rutil
tidak terdeteksi pada pola difraksi. Hasil ini
menunjukkan bahwa proses pemanasan yang
dilakukan hingga 450o cukup untuk
membentuk kristal anatase dan tidak berlebih
sehingga terbentuk kristal rutil. Rangkuman
puncak-puncak tersebut diperlihatkan pada
Tabel 3. Perbandingan hasil XRD sampel dan
literatur diberikan pada Lampiran 2.
Perbandingan parameter kisi sampel
TiO2 dan standar diperlihatkan pada Tabel 4.
Dari data ini dapat dilihat bahwa nilai
parameter a dan c sampel tidak jauh berbeda
dengan nilai parameter dari literatur. Nilai ini
mengindikasikan bahwa film TiO2 yang
dibuat
memiliki
struktur
tetragonal.
Perhitungan parameter kisi diperlihatkan
pada Lampiran 3.
Ukuran kristal mempengaruhi aktivitas
fotokatalisis. Film dengan ukuran kristal
yang kecil (skala nanometer) dapat

meningkatkan aktivitas fotokatalis melalui
peningkatan generasi elektron dan hole.
Ukuran kristal dihitungdengan formula
Scharrer. Perhitungannya dapat dilihat pada
Lampiran 4. Dari hasil perhitungan keenam
puncak pola XRD diperoleh bahwa partikel
TiO2 sampel memiliki ukuran kristal sebesar
24.545 nm.
Tabel 4.. Perbandingan parameter kisi kristal sampel
pada lapisan TiO2 dan literatur

Parameter
a (Å)
c (Å)

Sampel
3,7945
9,518061

Literatur
3,797
9,579

Kurva Standar Methylene Blue

Hasil scan larutan MB (Gambar 7)
menggunakan spektroskopi UV-Vis Genesys10 memperlihatkan kurva karakteristik
absorbansi Methylene Blue dengan puncak
maksimum berada pada panjang gelombang
664 nm. Nilai ini tidak terlalu berbeda dari
literatur yaitu 666 nm. Dari hasil tersebut
dapat dilihat bahwa spektrum absorbansi MB
menurun dengan menurunnya konsentrasi
larutan. Kurva standar Methylene Blue
(Gambar 8) diperoleh dengan menscan
larutan menggunakan spectronic 20-Milton
Roy. Data hasil scanning dengan spectronic
20 diperlihatkan pada Lampiran 5.1. Karena
adanya hubungan linear antara konsentrasi
dengan panjang gelombang 664 nm, maka
untuk
selanjutnya
hasil
eksperimen
fotodegradasi
diukur
pada
panjang
gelombang ini.

9

2

konsentrasi 0.0001
konsentrasi 0.00009
konsentrasi 0.00008

1,8

konsentrasi 0.00007
konentrasi 0.00006
1,6

1,4

Absorbansi

1,2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0
500

550

600

650

700

Panjang Gelombang (nm)

Gambar 7. Spektrum
karakterisasi
absorbansi
Methylene Blue untuk konsentrasi 1 x 10-4
-5
-5
-5
M, 9 x 10 M, 8 x 10 M, 7 x 10 M dan 6
x 10-5 M menggunakan spektroskopi UVVis Genesys-10.

0,5
y = 0,0576x - 0,007
R 2 = 0,9919

Absorbansi

0,4

0,3

0,2

0,1

Gambar 9. memperlihatkan profil
degradasi fotokatalisis MB untuk konsentrasi
awal 7 x 10-6 MB, 6 x 10-6 MB, dan 5 x 10-6
M. Grafik hubungan antara C/Co terhadap
lama perlakuan memperlihatkan adanya
penurunan tetapan kelajuan degradasi dengan
meningkatnya konsentrasi awal MB. Nilai t
untuk ketiga konsentrasi awal tersebut adalah
0.0075, 0.0079, dan 0.0102 (menit-1) untuk
konsentrasi 7 x 10-6 M, 6 x 10-6 M, dan 5 x
10-6 M (Gambar 10) .
Pada larutan dengan konsentrasi MB
yang tinggi, jumlah molekul MB yang
terkandung dalam larutan juga akan semakin
tinggi. Molekul ini akan menghalangi foton
untuk mencapai TiO2, sehingga akan
menurunkan kecepatan degradasi. Fenomena
sebaliknya teramati untuk larutan dengan
konsentrasi MB yang rendah. Peluang foton
untuk mencapai TiO2 bertambah karena
molekul MB dalam larutan lebih sedikit.
Selain itu, larutan dengan konsentrasi
MB yang tinggi membutuhkan radikal
hidroksil yang lebih banyak dalam proses
degradasi. Karena luas permukaan katalis
yang digunakan selama proses fotokatalisis
tetap, maka jumlah radikal OH • yang
dihasilkan oleh katalis juga akan konstan.
Akibatnya akan terjadi kurangan pasokan
radikal pada proses degradasi dengan
konsentrasi awal yang tinggi, dan hanya akan
menghasilkan tetapan kelajuan degradasi
yang kecil.

0
2,5

3,5

4,5

5,5

6,5

7,5

Pengaruh pH Awal MB

Konsentrasi

Gambar 8. Kurva
standar
Methylene
Blue
(menggunakan Spektronic 20- Milton Roy).
.

Pengaruh Konsentrasi Awal MB
1,2
1

C/Co

0,8
0,6

Nilai pH merupakan parameter penting
pada proses degradasi. pH larutan
mempengaruhi muatan permukaan TiO2,
kekuatan ionik, sifat dye dan mempengaruhi
adsorbsi dye pada partikel TiO2. Nilai pH
dimana permukaan suatu oksida tidak
bermuatan didefinisikan sebagai zero point
charge (pHzpc). Untuk TiO2, pHzpc bernilai
6.25. Di bawah nilai ini TiO2 akan bermuatan
positif, sedangkan di atasnya bermuatan
negatif berdasarkan reaksi:
+

c

0,4

+

TiOH + H → TiOH 2
−

0,2

a; Konsentrasi 5 x 10E-6 M

b

b; Konsentrasi 6 x 10E-6 M

a

c; Konsentrasi 7 x 10E-6 M

0
0

30

60
90
Lama Perlakuan (menit)

Gambar 9. Pengaruh konsentrasi awal terhadap
degradasi fotokatalisis MB.

120

−

(21)

TiOH + OH → TiO + H 2 O
(22)
Pengaruh
pH
terhadap
proses
degradasi MB diamati pada kondisi
ekperimen fotokatalisis. Konsentrasi awal
MB yang digunakan adalah 5 x 106 M. pH
larutan diatur dengan menambahkan NaOH
dan HCl hingga diperoleh larutan dengan pH
3, 7, dan 11.

10

Uji ini memperlihatkan bahwa
degradasi terbesar teramati pada larutan
dengan pH 11, diikuti dengan larutan pH 7
dan 3. Setelah 150 menit perlakuan, larutan
MB pH 11 terdegradasi sebesar 70 %,
sedangkan untuk larutan pH 7 dan 3 sebesar
44 % dan 30 % (Gambar 10).
MB merupakan senyawa yang memiliki
ikatan S+ sehingga MB termasuk dalam jenis
dye kationik. Pada larutan dengan pH tinggi,
MB yang bermuatan positif (bersifat basa)
akan mudah teradsorbsi pada permukaan
TiO2 yang bermuatan negatif. Adsorbsi MB
meningkat
karena
adanya
interaksi
elektrostatik antara MB dan partikel TiO2.
sebaliknya, pada pH rendah (bersifat asam),
adsorbsi MB pada permukaan TiO2 menjadi
sulit karena adanya gaya tolak menolak
antara MB dan partikel TiO2 yang sama-sama
bermuatan positif. Dari hasil ini dapat
disimpulkan bahwa degradasi MB paling baik
dilakukan pada keadan basa. Semakin
bersifat basa larutan tersebut, degradasi MB
akan semakin baik.

Foton yang diabsorbsi dapat mengawali
reaksi fotolisis dengan menyerang ikatan
kromofor MB. Foton juga mampu
mengaktifkan molekul air untuk membentuk
radikal hidroksil, yang akan ikut berperan
dalam menguraikan molekul MB.
Degradasi melalui penyinaran langsung
oleh UV hanya memberikan penurunan
konsentrasi sebesar 27,22 % setelah
penyinaran selama 150 menit, dengan tetapan
kelajuan degradasi sebesar 0.00005 menit-1
(Tabel
5).
Kurva
degradasinya
memperlihatkan penurunan kurva yang landai
(Gambar 11b) dibandingkan kurva proses
degradasi lainnya. Setelah proses penyinaran,
tidak tampak adanya perubahan warna larutan
jika dibandingkan kontrol (perlakuan pada
menit ke-0). Hal ini mengindikasikan bahwa
foton tidak cukup mampu untuk menguraikan
ikatan kromofor MB, dimana jumlah radikal
hidroksil yang dihasilkan oleh foton tidak
banyak, sehingga tidak tampak adanya
perubahan warna larutan.
Evaluasi Aktivitas Fotokatalisis dan
Fotoelektrokatalisis

80

Persen Degradasi (%)

70
60
50
40
30
20
10
0
0

3

6
pH

9

12

Gambar 10. Hubungan antara pH dan persen degradasi
MB

Evaluasi Aktivitas Fotolisis,
Fotokatalisis dan Fotoelektrokatalisis
Evaluasi Aktivitas Fotolisis

Warna pada dye muncul karena adanya
grup kromofor. Kromofor merupakan
konfigurasi radikal yang mengandung
elektron
terdelokalisasi.
Konfigurasi
kromoforik diantaranya azo (-N=N-),
karbonil (=C=O), karbon (=C=C), karbon
nitrogen (>C=NH atau –CH=N-); nitroso (NO atau N-OH); nitro (-NO2 atau =NO-OH);
sulfur (C=S).
Fotolisis adalah proses dimana ikatan
kimia MB diputus oleh energi foton cahaya
UV. Ketika foton UV memasuki medium,
foton akan ditransmitansi atau diabsorbsi oleh
medium dan molekul MB yang terlarut.

Gambar 11. Perbandingan proses degradasi MB. a
gelap, b : fotolisis, c : fotokatalisis, d
fotoelektrokatalisis, e : fotolisis+ H2O2, f
dan
g
fotokatalisis+
H2O2
fotoelektrokatalisis+ H2O2

:
:
:
:

Penambahan semikonduktor sebagai
katalis pada proses fotolisis dinamakan
fotokatalisis. Pada proses fotokatalisis, ikatan
kimia pada MB akan dipecah oleh radikal
hidroksil, OH • , yang tersedia dalam larutan.
Grafik penurunan konsentrasi MB melalui
proses fotokatalisis lebih tajam dibandingkan
proses fotolisis (Gambar 11c), dengan
persentase penurunan konsentrasi MB

11

sebesar 61.50 % (Gambar 13), sedangkan
konstanta kelajuan degradasinya bernilai
0.0065 menit-1. Perubahan warna larutan MB
terlihat dengan jelas pada menit ke-150
(Gambar 14), dimana warna larutan menjadi
lebih bening dibandingkan kontrolnya.
0

30

60

90

120

150

0

ln (C/Co)

-0,5

-1

Tingginya hasil degradasi dengan
metode fotoelektrokatalisis mengindikasikan
bahwa rekombinasi pasangan elektron/hole
dapat dikurangi, sehingga keberadaan radikal
yang bertanggung jawab untuk memecah
ikatan kimia molekul akan lebih banyak
tersedia dalam larutan, dan cukup untuk
memecah ikatan kromofor MB sehingga
larutan menjadi tidak berwarna setelah 150
menit perlakuan, sedangkan pada proses
fotokatalisis tidak banyak terjadi perubahan
warna karena kurangnya konsentrasi radikal
dalam larutan.

Gelap

-1,5

Fotolisis
Fotokalisis
Fotoelektrokatalisis

-2

Fotolisis + H2O2
Fotokatalisis + H2O2
Fotoelektrokatalisis + H2O2

-2,5

Waktu Perlakuan (Menit)

Gambar 12. Hubungan linear antara ln (C/CO) dan lama
perlakuan

Persen Degradasi (%)

Pemberian potensial bias eksternal
sebesar +1.0 Volt memperlihatkan hasil yang
lebih baik dibandingkan proses fotokatalisis
dan fotolisis, dimana pada menit ke-90,
konsentrasi MB sudah terdegradasi lebih dari
setengah konsentrasi awalnya. Pada akhir
menit ke-150, degradasi dengan metode ini
memberikan hasil yang sangat memuaskan
dengan persentase degradasi sebesar 84.19%
(Gambar 13) dan tetapan kelajuan degradasi
sebesar 0.011 menit-1. Pada Gambar 11.d,
dapat dilihat bahwa grafik degradasi
fotoelektrokatalisis lebih curam dibandingkan
dua metode sebelumnya, dan dari Gambar 14,
dapat diamati bahwa warna larutan menjadi
lebih jernih dibandingkan kontrol.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0

83,68 %

84,19 %

89,23 %

61,5 %

27,22 %

b

c

d

e

Pengaruh Penambahan H2O2

Penambahan H2O2 dapat meningkatkan
konsentrasi radikal hidroksil. Radikal ini
dapat menghambat rekombinasi berdasarkan
reaksi
−

f

Variasi Perlakuan

Gambar 13. Grafik persentase penurunan konsentrasi
MB untuk beberapa variasi perlakuan, dimana a:
fotolisis; b: fotokatalisis; c: fotolisis+H2O2; d:
fotoelektrokatalisis; e: fotokatalisis+H2O2; f:
fotoelektrokatalisis+H2O2

−

H 2 O2 + e → OH + OH

•

(23)

H2O2 mempunyai dua fungsi dalam proses
degradasi, yaitu H2O2 selain mengikat
elektron sehingga terjadi pemisahan muatan
•
juga berfungsi membentuk radikal OH .
•−

H 2 O2 + O2 → OH

76,63 %

a

Gambar 14. Foto hasil degradasi untuk fotolisis (kiri
atas), fotokatalisis (kanan atas) dan
fotoelektrokatalisis (bawah)

−

+ OH • + O2

(24)

Penambahan senyawa H2O2 dapat
mempengaruhi proses fotolisis, fotokatalisis
dan fotoelektrokatalisis. Pada fotolisis,
pengaruh penambahan H2O2 terlihat sangat
signifikan. Hal ini dapat dilihat dari Gambar
11.e, dimana grafik fotolisis+H2O2 menurun
dengan tajam dibandingkan proses fotolisis
saja. Hal ini dikarenakan adanya tambahan
radikal hidroksil melalui reaksi
H 2 O2 + hv → 2OH •

(25)

Proses fotolisis + H2O2 menyumbangkan
persentase degradasi sebesar 76.63% dengan
tetapan kelajuan degradasi sebesar 0.0105
menit-1.

12

Pada
proses
fotokatalisis
dan
fotoelektrokatalisis, penambahan H2O2 tidak
memperlihatkan
hasil
maksimal
dibandingkan pada proses fotolisis (Gambar
11f dan 11g). Pertambahan persentase
degradasi hanya sebesar 22.69 % untuk
proses fotokatalisis+H2O2 dan 5.55 % untuk
fotoelektrokatalisis+H2O2. Sangat kecil jika
dibandingkan dengan pertambahan persentase
degradasi pada proses fotolisis yang
mencapai 49.41% (Gambar 13). Hal ini
disebabkan
karena
konsentrasi
yang
ditambahkan dalam larutan terlalu tinggi,
sehingga akan menimbulkan efek negatif.
Efek negatif ini yaitu terbentuknya radikal
•

OH 2

yang kurang reaktif dibandingkan
•

radikal OH , dan terbentuknya molekul gas
dalam sistem. Molekul gas ini tidak terlarut,
melainkan menempel pada permukaan film
dan elektroda Pt, sehingga akan menghalangi
transfer energi foton.
Secara umum penambahan H2O2 dapat
meningkatkan kecepatan degradasi MB,
dilihat dari nilai tetapan kelajuan degradasi,
dimana untuk proses fotokatalisis+H2O2
tetapan ini bernilai 0.011 menit-1 dan untuk
fotoelektrokatalisis+H2O2 sebesar 0.0145
menit-1. Nilai ini dipe