Pengaruh Variasi pH Dan Temperatur Sintering Terhadap Nilai Sensitivitas Material TiO2 Sebagai Sensor Gas CO - ITS Repository
Abstrak —Telah dilakukan berbagai macam pengupayaan untuk mengoptimalkan potensi Titanium dioksida (TiO2) sebagai sensor gas, mengingat TiO2 merupakan semikonduktor metal oksida. Pada penelitian ini digunakan TiO2 dalam bentuk serbuk, dengan pelarutnya H2SO4 yang diencerkan dengan air distilasi sehingga terbentuk variasi pH 1, 3, dan 5. Metode sol -gel dilakukan dengan perendaman dan dilanjutkan stiring selama 2,5 jam, kecepatan 700 rpm, dan temperatu r
2 ke mud ian direnda m da la m larutan H
II. METODOLOGI PENELITIAN Proses pembentukan sol gel dimula i dengan me rendam 4 gram serbuk TiO
2
di dala m 24 mL larutan H
2 SO
4
yang diencerkan dengan akuades hingga terbentuk variasi pH 1,3, dan 5. Serbuk TiO
2 SO
4
4
encer ini sela ma 4 hari. Setelah 4 hari, sample dengan variasi pH, diaduk dengan magnetic stirrer pada temperatur 200°C selama 2,5 ja m dengan kecepatan 700 rp m. Hasil dari proses ini berbentuk gel. Ge l ke mud ian dicuci dengan air suling/akuades sehingga pHnya menjad i 7.
Proses drying dilakukan pada temperatur 350°C sela ma 2 ja m. Ke mudian digerus agar gumpalan dapat men jadi halus seperti serbuk. Se rbuk tersebut ke mudian diuji SEM dan XRD agar dapat diketahui perubahan struktur kristal setelah proses
stirring .
Pengaruh Variasi pH dan Temperatur Sintering
Terhadap Nilai Sensitivitas Material TiO2 Sebagai Sensor Gas CO
Ika Silviana Widianti dan Hariyati Purwaningsih,
Jurusan Teknik Material dan Metalurgi, Fakultas Teknologi Industri,
Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail : [email protected]
. Ke mud ian diuji sensitvitasnya sebelum dan sesudah dipapar dengan gas C.
2 SO
C, selanjutnya serbuk dikompaksi pada tekanan 200 bar agar terbentuk pellet. Pelet kemudian disintering pada temperatur 700,800, dan 900ºC selama 1 jam. Karakterisasi material dilakukan dengan Scanning Electron Microscope (SEM) dan X-Ray Diffraction (XRD). Sedangkan untuk luas permukaan spesifik sampel TiO2 diuji dengan BET Analyser. Morfologi TiO2 yang dihasilkan dari proses sol -gel berbentuk bulat (spherical) dan memiliki fase stabil anatase. Nilai sensitivitas didapatkan dari pengujian pada temperatur operasi 100ºC dan variasi volume gas CO 5L, 12,5L, 25L. Respon tercepat adalah material TiO2 pH 3 yang disinter dengan temperatur 900ºC, serta memiliki ukuran pori 50,83 nm.
Untuk aplikasi penginderaan gas, selektivitas gas, sensitivitas, dan daya tahan adalah sifat yang sangat penting. Untuk me mpe rbaiki sifat-sifat tersebut, pengontrolan strukturmikro dengan me mpersiapkan lap isan tipis nanostruktur dan mesopori yang me miliki luas permu kaan tinggi dikena l leb ih efekt if, ka rena ju mlah gas mole kul yang berinteraksi dengan semikonduktor dapat dinaikkan dengan cara in i [3]. Se lain itu, penelitian tentang variasi pH terhadap fase dan ukuran kristal materia l kera mik TiO
Kata kunci: titanium dioksida (TiO 2 ), pH, metode sol-gel, sintering, nilai sensitivitas, gas CO
I. PENDAHULUAN plikasi semikonduktor metal oksida (MO x ) sebagai sensor gas tidak lagi terbatas hanya untuk peringatan adanya gas ledak saja. Pengembangan sensor gas untuk diaplikasikan leb ih baik mu lai dipert imbangkan, salah satunya adalah untuk pendeteksi gas polutan. Sensor dari semikonduktor metal oksida lebih dikenal ka rena responnya yang cepat.
Titaniu m dioksida (TiO
2
) adalah salah satu contoh dari meta l o ksida (M O x ) yang bersifat t idak toksik, me miliki stabilitas termal cukup t inggi dan ke ma mpuannya dapat digunakan berulang kali tanpa kehilangan aktivitas katalitiknya [1]. Titaniu m dio ksida banyak diaplikasikan sebagai sensor gas untuk mendeteksi dan mengukur gas CO dan H
2
. Metode pembuatan sensor metal o ksida dengan sintesis kimia dan berbentuk tidak beraturan d iterapkan ha mp ir seluruhnya pada struktur nano sensor metal oksida. Metode sol-gel me rupakan salah satu pilihan dari beberapa metode disebabkan ka rena keunggulannya dalam proses, seperti waktu pela ksaannya lebih singkat, temperatur yang digunakan lebih rendah, dapat menghasilkan serbuk metal oksida dengan ukuran nano partikel dan dapat menghasilkan kara kteristik yang lebih baik dari pada proses metalurg i serbuk [2].
2
yang dibuat dengan metode sol-gel dan divariasikan pHnya. Metode ini menggunakan pelarut H
yang bertujuan me mbentuk fase anatase TiO
2
dan me mperkecil ukuran kristal sehingga terjadi penambahan defect [4]. Adanya defect menyebabkan ketidak seimbangan elektron, jika ada ele ktron yang mengalir ma ka ada a rus listrik mengalir dengan arah sebaliknya. Ha l inilah yang me mbuat materia l kera mik TiO
2
semikonduktor menjadi material konduktor, karena dapat mengalirkan e lektron [5].
Penelit ian ini akan me mbahas mengenai materia l ke ra mik TiO
2
A
- ( g) .
- 2H
- H
- OH
A.
ᵒC selama 2 ja m untuk menghilangkan kandungan air sesuai dengan penelitian Choi, dkk [6]. Proses drying dilaku kan selama 2 ja m, mate ria l yang dihasilkan adalah serbuk yang kering dan berwarna putih. Produk la lu d igerus dengan mortar dan pestle untuk mendapatkan serbuk yang halus.
Ti(SO
4
)
2 (s)
2 O ( l)
TiO
2(s)
2 SO 4( g)
(3) Ke mudian d ila kukan drying pada tempe ratur 350
ºC, 800ºC, 900ºC dan waktu tahan 1 ja m. Pe rlakuan sintering in i d iharapkan dapat me mbentuk ikatan antar partike l yang lebih padat, tetapi tidak me mbuat pelet kehilangan porositas sepenuhnya mengingat aplikasinya sebagai sensor.
Serbuk d iko mpa ksi dengan tekanan 200 bar dan ditahan selama 10 menit. Hasil yang didapatkan dari proses kompaksi berupa pellet. Pellet-pellet yang dihasilkan masih tetap mudah retak/pecah. Sehngga harus dilaku kan proses sintering dengan 3 variasi te mperatur yaitu 700
Setelah terbentuk gel, spesimen tetap belum dapat diuji kara kterisasi. Seh ingga ke mudian dila kukan pencucian terhadap gel tersebut dengan menggunakan akuades untuk menetra lkan p H gel agar dapat didrying (persamaan reaksi 3).
yang ke mudian diencerkan dengan menggunakan akuades sehingga terbentuk variasi pH 1, 3, dan 5. Ko mposisi zat terlarut dan zat pelarut yang didapatkan dari hasil percobaan yaitu 4 gram TiO
4
HASIL DAN DISKUSI Penelit ian ini menggunakan zat pelarut H
Gambar 1. Ske ma pengukuran sensitivitas III.
Setelahnya gas CO dimasukkan dengan variasi volu me gas yaitu 5L, 12,5L, dan 25L ke dala m test chamber. Test chamber dengan temperatur 100ºC yang berisikan spesimen ke mud ian diukur resistansi setelah dipapar dengan gas CO (Rg). Rangkaian pengukuran sensitivitas dapat dilihat pada Gambar1.
chamber diisi dengan spesimen dan dipanaskan sampai C untuk mengukur resistansi udara (R ).
Pengujian sensitivitas dilakukan dengan me masukkan spesimen ke test chamber. Sebelu m pengukuran dimu la i, test
Surface Analysis .
Setelah digerus, serbuk diko mpaksi dengan tekanan 20 MPa (200 bar) dan ditahan selama 10 menit . Proses kompaksi dila kukan sebanyak tiga ka li sehingga pelet yang terbentuk adalah 3 buah dari masing-masing spesimen. Pelet berbentuk padatan seperti kepingan uang logam dengan diameter 14 mm dan tebal 2-3 mm. Pe let hasil ko mpaksi mudah pecah ka rena tidak ada ikatan antar butir. Sehingga perlu dila kukan sintering agar mendapatkan energi untuk me mbentuk ikatan antar butir karena me mberikan kese mpatan butir berdifusi. Sintering dila kukan dengan meletakkan pelet pada cawan kera mik dan me manaskannya di dala m furnace pada temperatur 700, 800, dan 900°C sela ma 1 ja m. Sete lah dingin, spesimen d ike luarkan dari furnace dan diuji ka rakterisasi SEM, XRD, dan BET
Hasil Pengujian XRD Gr afik 1. Hasil pengujian XRD serbuk TiO
2 SO
2 SO 4 sesuai dengan persamaan reaksi (1).
2 (s)+2H
2
dan 24 mL H
Ke mudian larutan didia mkan sela ma 4 hari. Pada tahap ini spesimen mengala mi proses hidrolisis oleh air yang ditunjukkan oleh persamaan reaksi (2). Tahap selanjutnya adalah proses stiring dengan menggunakan hot plate stirer dengan kecepatan 700 RPM dan te mperatur operasi 200
ᵒC selama 2,5 ja m. Proses stiring menyebabkan zat pelarut menguap (tidak seluruhnya) dan meninggalkan Ti(SO
4
)
2
yang menggumpa l. TiO
Grafik hasil pengujian XRD setelah sintering dapat dilihat pada Grafik-2, Grafik-3 dan Grafik-4. Nila i B ada lah lebar setengah puncak (FWHM) dala m radian. D ada lah crystal size
). Beg itu pula dengan ketiga variasi pH lainnya, me miliki fase tunggal anatase sesuai dengan nomor PDF 00-021-1272. Seh ingga secara otomatis juga me miliki struktur kristal berbentuk tetragonal sama seperti titanium dioksida murni (raw material).
2 O (l) ..................... (1)
TiO
(s)+2H
2
(a) raw material, (b) pH 1, (c ) pH 3, dan (d) p H 5
Hasil pengujian XRD titaniu m dioksida mu rni ( TiO
2
raw materia l) pada Gr afik-1 menyatakan bahwa spesimen me miliki fase tunggal anatase sesuai dengan nomor PDF 00-021-1272. Serta me miliki struktur kristal tetragonal dan rumus kimia titanium oksida (TiO
2
2 SO 4(l) Ti(SO 4 ) 2(s) +2H
- H
......... (2) Pada proses stiring terjadi rea ksi kondensasi dan menghasilkan gel berwarna putih. Rea ksi kondensasi adalah terjadinya perpanjangan ikatan atau jaringan dan me mbentuk larutan yang homogen. Hasil dari reaksi kondensasi ini a kan dihasilkan produk berupa penguapan zat pelarut dan pembentukan gel.
2 O (l)
2(s)
)
Ti(SO kee mpat sample yang ditunjukkan oleh Gambar 2. dala m n m,
- 3H
2 O (l)
2 SO 4(l)
2
4
Setelahnya TiO
2 dengan variasi p H 1, p H 3, dan pH 5
adalah posisi sudut , dan diberi perlakuan pe manasan (sintering) dengan menggunakan temperatur 900
ºC. Hasil SEM perlakuan sintering terbentuknya puncak, serta nila i mic rostrain. Persamaan (6) ditunjukkan o leh Gambar 3, Gambar 4, dan Gambar 5. adalah ru mus Debye Scharrer untuk perhitungan ukuran kristal
Tidak ada perbedaan signifikan kecuali u kuran part ike l yang yang terbentuk pada sample. terbentuk dari masing-masing variasi pH ketika disinter dengan temperatur 900
ºC tersebut. B (radian) = ...........(4) B (radian) = .........................................(5) D .....................................................(6)
) =
Gr afik 2. Hasil pengujian XRD serbuk TiO2 variasi te mperatur Gambar 2. Se rbuk TiO 2 (a )raw material dan setelah drying
(b)pH 1, (c)p H 3, (d)pH 5 perbesaran 15000x sintering 900 ᵒC dengan variasi pH pH (a) 1, (b) 3, dan (c) 5
Tabel 1. Analisa hasil XRD TiO2 variasi te mperatur sintering
900ºC
Variasi Fase
2 FWHM B D ϴ ɛ
- -3 (rad) (nm) (10 )
pH 1 anatase 25.26 0.244 0.0019 74.9438
2.12 pH 3 anatase 25.29 0.167 0.00109 130.8367
1.21 pH 5 anatase 25.44 0.201 0.004004 97.7404
1.61 Serbuk dengan variasi pH 1, p H 3, dan pH 5 dengan
temperatur sintering 900ºC me miliki fase tunggal anatase dengan struktur kristal tetragonal, ru mus kimianya TiO dengan
2
nomor PDF 00-021-1272. Tida k ada perbedaan signifikan yang ditemu kan dari hasil ka rakterisasi fasa pada ketiga variasi pH ini. Hasil pencocokan dengan kartu PDF 00-021-1272 terbukti benar setelah paramater kisi untuk semua samp le dihitung menggunakan progra m CellCalc Ver. 1.51, d i mana se mua
Gambar 3. Hasil SEM serbuk TiO 2 variasi pH 1 dengan
sample me miliki struktur kristal tetragonal (a=b temperatur sintering 900ºC perbesaran 25000x
≠c). Namun
spesimen hasil sintering dengan temperatur 900ºC mengala mi pengecilan ukuran kristal.
B.
Hasil Pengujian SEM
Pengamatan morfo logi graphene dila kukan dengan pengujian SEM. Instrumen SEM yang digunakan adalah Inspect S50. Morfo logi yang dite mukan adalah partike l berbetuk spherical (bulat/bola). Na mun uku ran butir yang diidentifikasi tidak valid dikarenakan kecenderungan serbuk TiO 2 untuk me mbentuk gumpalan (ag lo merasi). Kecenderungan aglomerasi serbuk TiO ta mpak pada pH 3 tidak dapat bertindak sebagai elektro lit untuk mencegah pertumbuhan butir pada partike l serbuk TiO
2 .
C.
Hasil Pengujian BET
Pengujian BET digunakan untuk menganalisa luas permu kaan spesifik (SSA) dan distribusi serta ukuran pori serbuk TiO
2 setelah sintering yang dihasilkan dari metode sol-gel. Hasil pengujian BET dapat dilihat pada Tabel 3.
Berdasarkan hasil u ji BET tersebut diketahui bahwa p H berpengaruh pada luas permukaan a ktif materia l. Ha l ini dikarena kan sema kin banyak part ikel yang berikatan pada temperatur yang lebih tinggi sehingga berakibat pada berkurangnya luas permu kaan aktif. Na mun dala m penelit ian ini d iketahui bahwa terdapat spesimen yang me miliki luas permu kaan a ktif terbesar ya itu TiO
2 p H 3;Tsinter 900
ºC. Luas
Gambar 4. Hasil SEM serbuk TiO variasi pH 3 dengan
2 permu kaan akt if me mpengaruhi nila i sensitivitas sensor TiO .
2
temperatur sintering 900ºC perbesaran 25000x Se makin besar luas permu kaan aktif art inya semakin banyak luasan yang ma mpu mengabsorbsi mole kul gas CO. Pori yang teridentifikasi adalah pori pada part ike l serbuk TiO
2 . Sehingga
partike l TiO
2 dengan ukuran yang hampir sama besar belu m pasti me miliki u kuran pori yang hampir sa ma juga.
Berdasarkan hasil pengujian BET surface analysis didapatkan hasil dan TiO pH 3;Tsinter 900
2
ºC memiliki ukuran pori rata-rata 45,20 nanometer dan 50,83 nano meter yang artinya kedua spesimen in i me miliki pori berukuran mesopori (2 -50 nm) dan makropori (>50 n m).
Tabel 3. Hasil pengujian BET serbuk TiO2 Spesimen Luas permukaan Ukuran pori (pH;Tsinter) aktif Dv(r) nm
2 SSA (m /g)
1;900 0,345 2,90 3;900 9,022 50,83
Gambar 5. Hasil SEM serbuk TiO variasi pH 5 dengan
2
5;900 8,006 1,54 temperatur sintering 900ºC perbesaran 25000x
D.
Hasil Pengujian Sensitivitas Tabel 2. Hasil pengukuran grain size SEM dengan temperatur
Tegangan sebesar 1,5 volt tersebut diberikan selama 60 sintering 900ºC detik sehingga dapat diketahui perubahan resistansi yang
Variasi pH Range ukuran partikel
terjadi pada spesimen. Pe rubahan resistansi ini yang digunakan
(nm)
untuk menentukan nilai sensitivitas pellet TiO . Pengujian ini
2
1 129
- – 256,4 mengg
C dan variasi 3 67,97
- – 271,9 volume gas CO yaitu 5 L, 12,5 L, dan 25 L. Sebe lu m te rpapar 5 151,6
- – 410,6 gas CO, spesimen d iukur terleb ih dahulu resistansi awa lnya. Ke mudian mengukur resistansi setelah dipapar dengan gas CO
5 L, 12,5 L, dan 25 L. Nilai resistivitas sensor dapat dihitung Dari ketiga variasi pH yang disinter dengan temperatur menggunakan persamaan (7).
900ºC, terlihat pada kee mpat gambar hasil SEM bahwa penggunaan temperatur sintering 900ºC menghasilkan uku ran partike l >150 nanometer. Na mun dari ketiga variasi pH ….... 7) didapatkan bahwa variasi pH 3 me miliki u kuran partikel yang paling besar daripada variasi p H 1 dan pH 5. Sedangkan Hasil pengujian sensitivitas sensor yang ditunjukkan oleh sebaran dan ukuran partike l yang lebih baik dihasilkan o leh
Gr afik 3 men jelaskan bahwa kenaikan n ila i sensitivitas di
TiO variasi pH 1. Besarnya ukuran partike l d isebabkan oleh
2
setiap penambahan gas CO dapat dite mukan pada pellet TiO2 kenaikan variasi te mperatur sintering. Sehingga dapat p . dikatakan bahwa TiO
2 variasi pH 1 dan dengan digunakan
temperatur 900ºC sebagai tempe ratur tertinggi ma ka pH 1 . bertindak sebagai e lektro lit dan mencegah pertu mbuhan butir
C mengalami kebalikannya, nilai dan/atau penggumpalan partikel [4]. Sedangkan karena TiO
2
sensitivitasnya naik ketika dipapar gas CO 12,5L dan turun variasi pH 3 me miliki ukuran partike l yang paling besar artinya Mekanisme sensor gas hampir mendekati me kanisme suatu ini ada lah vakansi anion yang berbanding lurus dengan materia l semikonduktor. Pada penelit ian ini digunakan material temperatur sintering. TiO
2 dala m bentuk serbuk tanpa ada penambahan senyawa lain
(tidak menggunakan doping). Seh ingga TiO di penelit ian ini
2 termasuk sebagai material se mikonduktor intrinsik.
IV. KESIMPULAN/RINGKASAN Se mikonduktor intrinsik terbentuk ketika perla kuan panas yang
Sintesis material TiO
2 dengan metode sol-gel yang divariasikan
diberikan mengganggu elektron pada kulit terluar sehingga pH dapat menghasilkan struktur mikro be rbentuk bulat kecil elektron tersebut akan lepas. Karena elekt ron terlepas maka
(spherical) dan fase anatase. Fase stabil anatase diperoleh terjadi ke kosongan (hole) dan sebagaimana part ike l yang dapat ketika TiO dengan variasi pH disinter dengan menggunakan
2
menghantarkan listrik hole ini dapat berpindah serta dianggap temperatur 900 ºC selama 1 jam. Pada penelitian ini dipero leh sebagai partikel yang bermuatan positif. Pe rpindahan hole
TiO
2 yang dapat digunakan sebagai aplikasi sensor gas terbaik
menyebabkan gerakan ele ktron yang berikatan. Be rdasarkan dengan variasi pH 3 dan te mperatur sintering 900 ºC melalui hasil pengujian XRD, TiO
2 setelah disintering dengan tiga
pengujian sensitivitas pada temperatur operasi 100 ºC dan variasi te mperatur berbeda tidak mengala mi perubahan fase, dengan variasi volu me gas CO 5L, 12,5L, dan 25L. struktur kristal, maupun rumus kimia. Sehingga mekan isme perpindahan elektron yang mungkin terjad i adalah me la lui
defect yang terbentuk ka rena ukuran kristal yang kec il. Ada dua DAFTAR PUSTAKA
maca m de fect yang mungkin terjadi pada TiO
2 murni, yaitu [1] ke dalam SiO Montmorillonit: Efek 2 2 F I . . “ J ”. J S . V . N . :
Shotkky de fect dan Frenke l defect. Shao, d kk. (2004) 41-58. men jelaskan bahwa dengan berkurangnya ukuran kristal, a kan
[2] W S . . “ S G N
banyak defect yang terbentuk di dala m materia l itu dala m hal
K M S G ”. Seminar Rekayasa ini ada lah TiO .
2 Kimia dan Proses 2010. Bandung: PPET – LIPI.
[3] M M. . . 7. “S f c f N c c TiO 2 Thin Films Derived from Particulate Sol-Gel Route and Polymeric F ”. J S & c . B 124 (2007) 78-83.
[4] 2 M . . “I f c f F f Nano- c w w c c c ”. w Technology vol. 253: 22-28.
[5] . . “ V K c S & Temperatur Sintering T erhadap Perubahan Struktur Mikro & Fase Material Sensor Gas TiO 2 ”. S : J M
Metalurgi, FTI-IT S. [6] Nano-powder for 2 Y J . 7. “ -doped TiO G S ”. J S c B 7) –117
Gr afik 3. Hasil pengujian sensitivitas pada temperatur operasi
100 ºC dengan variasi volu me gas CO
Penambahan gas CO pada test chamber yang berisi O
2
mengakibatkan tekanan parsial O (PO2) berkurang. Hal in ilah
2
yang terjadi pada TiO
2 pH 3;Tsinter 900
ºC, d i dalam material TiO
2 yang merupakan se mikonduktor jenis intrinsik terdapat 4+ 2-
vakansi kation (Ti ) dan vakansi an ion (O ). Pada material TiO pH 3;Tsinter 900
2
ºC, ketika disinter dengan temperatur yang tinggi akan menghasilkan banyak defect yang mana me mbuat material TiO mengala mi kehilangan kation maupun
2
anion. Karena vakansi anion berbanding terbalik dengan tekanan parsial O
2 (PO2) ma ka dengan berkurangnya PO2 2-
vakansi/kehilangan anion O akan berta mbah. Vakansi anion juga berbanding lurus dengan temperatur. Sehingga dari hasil pengujian ini dapat disimpulkan bahwa TiO p H 3 yang disinter
2
dengan temperatur 900 ºC memiliki respon yang bagus setelah dipapar dengan gas CO karena penggunaan temperatur