Sintesis dengan Metode Hidrotermal dan K

Sintesis dengan Metode Hidrotermal dan Karakterisasi
Senyawa Berstruktur Aurivillius Bi4Ti3O12
Muhammad Rizal dan Ismunandar
Kelompok Keahlian Kimia Anorganik dan Fisik, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Teknologi Bandung, Bandung
e-mail: ismu@chem.itb.ac.id
Diterima 1 November 2006, disetujui untuk dipublikasikan 7 Maret 2007
Abstrak
Senyawa Bi4Ti3O12 dalam bentuk serbuk telah berhasil disintesis dengan metode hidrotermal dari Bi2O3/TiO2 dan
Bi(OH)3/TiO2 sebagai pereaksi awal serta NaOH sebagai mineralizer. Karakterisasi serbuk yang diperoleh dilakukan
dengan teknik Difraksi Sinar-X (XRD) dan Fourier Transform Infrared (FTIR). Bi4Ti3O12 dengan tingkat kemurnian
tinggi diperoleh dari reaksi Bi2O3/TiO2 dan Bi(OH)3/TiO2 pada suhu 240 °C selama 72 jam dengan NaOH 3 M. Pola
difraksi yang diperoleh serupa dengan pola difraksi Bi4Ti3O12 standar (PDF, no. 35-0795). Analisis FTIR
menghasilkan puncak serapan pada 827 dan 527 cm-1 yang merupakan puncak serapan TiO6 oktahedral yang terdapat
pada struktur Bi4Ti3O12.
Kata kunci: Aurivillius, Bi4Ti3O12, Hidrotermal, Difraksi Sinar-X, FTIR
Abstract
The Bi4Ti3O12 powder was synthesized using hydrothermal method from Bi2O3/TiO2 and Bi(OH)3/TiO2 as starting
materials and NaOH as mineralizer. Characterization of the obtained powder was carried out using X-Ray Diffraction
(XRD) and Fourier Transform Infrared (FTIR). High purity of Bi4Ti3O12 powder was obtained from reaction at 240 °C,
72 hours and NaOH of 3 M for both starting materials. The obtained diffraction patterns were similar with the standard

pattern (PDF, no. 35-0795). The FTIR spectrum revealed two absorption peaks at 587 and 827 cm-1, which are
characterictic absorbtion of octahedral TiO6 in Bi4Ti3O12 structure.
Keywords: Aurivillius, Bi4Ti3O12, Hydrothermal, X-Ray Diffraction, FTIR
1. Pendahuluan
Senyawa Aurivillius pertama kali dilaporkan
oleh Bengt Aurivillius pada tahun 1949. Senyawa ini
merupakan oksida logam yang memiliki rumus umum
Ax-1Bi2BxO3x+3
(x = 1, 2, 3, 4). Struktur senyawa
Aurivillius, seperti terlihat Gambar 1, terdiri dari
lapisan [Bi2O2]2+ dan lapisan perovskit dengan
komposisi [Ax-1BxO3x+1]2-. Kation pada posisi A
umumnya berupa unsur-unsur seperti Ca, Sr, Ba, Pb,
Bi, Na atau campuran dari unsur-unsur ini, sedangkan
kation pada posisi B ditempati oleh kation dengan
muatan yang tinggi seperti Ti4+, Nb5+, Ta5+, W6+ atau
Mo6+ (Ismunandar, 2006). Lapisan [Bi2O2]2+ terbentuk
dari anion oksigen yang membentuk jaringan
bujursangkar dengan kation Bi3+ pada bagian atas dan
bawah dan dapat pula digambarkan sebagai piramida

segi empat yang saling bergantian. Kation pada posisi
A akan membentuk struktur perovskit yang
berkoordinasi dengan 12 atom oksigen. Sedangkan
kation-kation bermuatan tinggi yang terdapat pada
posisi B akan berkoordinasi dengan 6 atom oksigen
membentuk suatu oktahedron BO6.

A
B
Gambar 1. Struktur oksida Aurivillius Ax-1Bi2BxO3x+3
yang terdiri atas dua elemen struktur lapisan Bi2O2 dan
lapisan mirip perovskit.
x menunjukkan jumlah lapis oktahedral dalam lapisan
perovskit, A untuk x =2, dan B untuk x =3.
44

Rizal dan Ismunandar, Sintesis dengan Metode Hidrotermal dan Karakterisasi 45

Bi4Ti3O12 termasuk dalam keluarga senyawa
Aurivillius. Senyawa ini terdiri dari lapisan perovskit

[Bi3Ti3O10]2- yang berinterkalasi dengan dua lapisan
[Bi2O2]2+. Karena memiliki sifat feroelektrik dan
elektro-optik, Bi4Ti3O12 memiliki potensi sebagai
memori komputer, optical display dan peralatan
elektro-optik lainnya. Berbagai metode sintesis telah
digunakan dalam preparasi Bi4Ti3O12, diantaranya:
reaksi kimia padat, (Zhou and Kennedy, 2003;
Herchoves and Lightfoot, 1999), metode kopresipitasi
(Du et al., 2002), metode sol gel (Gu et al., 1996; 1998),
dan metode metalorganic chemical solution deposition
(Wang et al., 1999; Xiao, 2001). Beberapa tahun
terakhir ini telah dilaporkan bahwa, metode hidrotermal
dapat digunakan untuk mensintesis Bi4Ti3O12 dengan
menggunakan sumber Bi dari Bi(NO3)3.5H2O,
Bi(OCH2CH2OCH3)3 (bismut alkoksida), Bi(OH)3 dan
sumber Ti dari TiO2, TiCl4, Ti(OC4H9)4 (Chen and Jioa,
2001; Shi et al., 2000; Yang et al., 2003). Sintesissintesis yang telah dilaporkan ini melibatkan paling
tidak salah satu pereaksi berupa senyawa alkoksida
ataupun klorida yang harganya mahal dan sukar
penanganannya, sehingga kurang cocok untuk produksi

dalam skala yang lebih besar.
Dengan tujuan untuk mempermudah proses
sintesis oksida Aurivillius (Bi4Ti3O12) dan mencari
pereaksi yang lebih murah, telah dicoba metode untuk
mensintesis oksida ini dengan metode hidrotermal dari
pereaksi yang tidak melibatkan pereaksi reaktif. Dalam
percobaan dipilih kombinasi pereaksi Bi2O3/TiO2 dan
Bi(OH)3/TiO2 (Rizal, 2004). Untuk menguji pengaruh
perbedaan kelarutan pada suhu dan tekanan ruang
pereaksinya digunakan Bi(OH)3, yang cukup kontras
perbedaan kelarutannya dengan Bi2O3. Dalam
pekerjaan ini juga dilakukan studi kemungkinan
digunakannya teknik spektroskopi vibrasi untuk
mengkarakterisasi hasil reaksinya.
2. Metode
2.1 Sintesis
Dua kombinasi pereaksi awal yaitu Bi2O3
(Aldrich, 99,999%)/TiO2 (Aldrich, 99,999%) dan
Bi(OH)3/TiO2 (Aldrich, 99,999%) digunakan untuk
mensintesis Bi4Ti3O12. Kedua kombinasi pereaksi awal

tersebut dicampurkan dengan perbandingan Bi/Ti:4/3
kemudian ditambahi larutan NaOH hingga mencapai
60% (± 25 mL). Campuran kemudian dimasukkan ke
dalam autoklaf (Parr Inst.). Autoklaf tersebut kemudian
dipanaskan pada suhu tertentu, sehingga terbentuk
tekanan autogenous dalam autoklaf. Serbuk yang
diperoleh dicuci dengan air bebas mineral untuk
menghilangkan ion Na+ dan dikeringkan pada suhu
ruang. Pada penelitian ini dilakukan beberapa variasi
kondisi reaksi seperti tercantum pada Tabel 1.

2.2 Karakterisasi
Pola difraksi sinar-X serbuk direkam dengan
menggunakan difraktometer sinar-X PW 1050/ 25 yang
berada di Laboratorium Difraksi Sinar-X FMIPA ITB.
Sumber radiasi yang digunakan adalah Cu-Kα dengan
filter Ni. Proses difraksi dilakukan pada rentang sudut
2θ antara 10° sampai 80° dengan interval kenaikan
sudut sebesar 0,05° per tahap. Pola difraksi yang
diperoleh dianalisis dengan menggunakan database

PDF (ICDD) yang ditelusuri dengan program Phasanx.
Pengukuran
spektrum
IR
dilakukan
dengan
menggunakan spektrometer FTIR ONE Perkin-Elmer
pada daerah bilangan gelombang 1500 cm-1 – 400 cm-1.
3. Hasil dan Pembahasan
3.1 Sistem reaksi Bi2O3/TiO2
Awalnya dilakukan pencarian waktu optimum
reaksi, yakni reaksi dilakukan selama 24, 48, 72 dan 96
jam untuk konsentrasi NaOH 5 M dan suhu 200 °C.
Diperoleh waktu optimum reaksi adalah 72 jam. Untuk
mempelajari pengaruh suhu reaksi terhadap produk
yang diperoleh dilakukan beberapa proses sintesis pada
suhu 200, 225, 235 dan 240 °C sedangkan konsentrasi
NaOH dibuat konstan pada nilai 5 M. Hasil yang
diperoleh secara fisik relatif sama yaitu berupa serbuk
berwarna kuning keputihan. Pola difraksi (Gambar 2a)

memperlihatkan bahwa pada suhu 200 °C diperoleh
sistem multifasa dengan fasa utama berupa Bi12TiO20,
sedangkan Bi4Ti3O12 diperoleh sebagai fasa yang
sangat sedikit. Pada suhu reaksi yang lebih tinggi
(225 °C) juga diperoleh sistem multifasa akan tetapi
Bi4TiO12 ditemui sebagai fasa utama. Suhu reaksi yang
lebih tinggi lagi (235 °C) menghasilkan pola difraksi
yang memperlihatkan penurunan intensitas relatif dari
puncak-puncak Bi12TiO20, dan pada suhu 240 °C
terlihat
puncak-puncak
karakteristik
senyawa
Aurivillius Bi4Ti3O12 bertambah tajam dan tinggi
intensitasnya. Hal ini menandakan terbentuknya produk
dengan kristalinitas yang semakin tinggi. Pengamatan
ini menandakan bahwa pembentukan Bi4Ti3O12
berlangsung optimal pada suhu yang relatif tinggi.
Reaksi hidrotermal pada dasarnya berlangsung dengan
cara pelarutan pereaksi dan diikuti dengan kristalisasi

produk dengan dibantu mineralizer. Sebagaimana
umumnya oksida dan senyawa anorganik padat, proses
pelarutan berlangsung lebih baik pada suhu yang lebih
tinggi. Namun dengan meningkatnya suhu, terlihat pula
peningkatan intensitas relatif puncak karakteristik
pengotor Bi12TiO20. Peningkatan puncak dari Bi12TiO20
diperkirakan disebabkan oleh terlarutnya kembali
sebagian Bi4Ti3O12 dan membentuk suatu fasa baru
Bi12TiO20.
Selanjutnya dilakukan pencarian konsentrasi
optimum NaOH yang memungkinkan didapatkannya

46 JURNAL MATEMATIKA DAN SAINS, MARET 2007, VOL. 12 NO. 1

senyawa Aurivillius Bi4Ti3O12 kristalin dan berfasa
tunggal. Pengaruh konsentrasi mineralizer untuk
kombinasi pereaksi ini ditunjukkan pada Gambar 2b.
Produk satu fasa Bi4Ti3O12 diperoleh pada konsentrasi
NaOH 3 M, sedangkan pada konsentrasi NaOH 1 dan 5
M diperoleh sistem multifasa. Kemurnian produk yang

diperoleh pada konsentrasi NaOH 3 M dibuktikan
dengan pembandingan pola difraksi yang diperoleh
dengan pola difraksi Bi4Ti3O12 standar (PDF, no. 350795), (Gambar 2c). Selain paling murni fasanya, perlu
ditekankan pula bahwa pada konsentrasi NaOH 3 M ini
didapatkan pula pola difraksi yang paling tinggi
intensitasnya
dan
paling
tajam
puncaknya,
mengindikasikan terbentuknya produk yang paling
kristalin. Pada konsentrasi NaOH rendah pereaksi

belum terlarut sempurna sehingga diperoleh produk
multifasa, sedang pada konsentrasi NaOH yang terlalu
tinggi terjadi pelarutan kembali produk membentuk
produk lain. Seperti pada pengaruh suhu di atas,
pembentukan produk memerlukan konsentrasi optimum
NaOH. Proses pelarutan akan berlangsung lebih baik
pada konsentrasi NaOH lebih tinggi, namun pada

konsentrasi NaOH yang sangat tinggi produk lain juga
akan terkristalisasi. Adanya kondisi optimal, baik
dalam hal konsentrasi mineralizer maupun suhu
pemanasan, juga diamati oleh peneliti sebelumnya
(Chen dan Jioa, 2001; Shi et al., 2000; Yang et al.,
2003), walaupun kondisi optimal yang didapatkan
berbeda-beda karena perbedaan sistem pereaksi.

Tabel 1. Berbagai kombinasi pereaksi, konsentrasi NaOH dan suhu reaksi serta produk yang dihasilkan

Intensitas relatif (a.u)

Intensitas
relatif
(a.u.)
Intensitas
relatif
(a.u.)

Pereaksi

Konsentrasi NaOH (M)
Produk
Suhu (°C)
Bi2O3
TiO2
5
200
Multifasa (lebih dari 3)
Bi2O3
TiO2
5
225
Bi4Ti3O12 + X
Bi2O3
TiO2
5
235
Bi4Ti3O12 + X
Bi2O3
TiO2
5
240
Bi4Ti3O12 + X
Bi2O3
TiO2
3
240
Bi4Ti3O12
Bi2O3
TiO2
1
240
Bi4Ti3O12 + X
Bi(OH)3
TiO2
5
240
Bi4Ti3O12 + X
Bi(OH)3
TiO2
3
240
Bi4Ti3O12
Bi(OH)3
TiO2
1
240
Bi4Ti3O12 + X
Semua reaksi dilakukan selama 72 jam; X = fasa pengotor (Bi12TiO12 dan Bi2Ti2O7)

240 oC
235 oC

2θ (o)
o

225 C

(c)

235 oC
0

20

40

2θ (o)

60

80

100

(a)
•

IntensitasIntensitas
relatifrelatif
(a.u.)
(a.u.)

5M

3M
•

1M
0

20

40

2θ (o)

(b)

60

80

100

Gambar 2. Pola difraksi Bi4Ti3O12 hasil reaksi
Bi2O3/TiO2, pada berbagai suhu (a), pada suhu 240 oC
selama 72 jam pada variasi konsentrasi NaOH (b), dan
pola difraksi Bi4Ti3O12 standar (PDF No. 35-0795) (c).
Intensitas relatif dinyatakan dalam skala sebarang (a.u.
=arbitrary unit), pengotor Bi12TiO20 (•).

Rizal dan Ismunandar, Sintesis dengan Metode Hidrotermal dan Karakterisasi 47

3M

sedangkan pada konsentrasi 5 M sebagian produk
terlarut kembali dan membentuk fasa baru.
•
Intensitas
relatif
(a.u.)
Intensitas
relatif
(a.u.)

Spektrum IR untuk sampel yang diperoleh dari
reaksi dengan NaOH 1 M dan 3 M ditunjukkan pada
Gambar 3. Spektrum dengan jelas menunjukkan adanya
dua buah puncak serapan pada daerah bilangan
gelombang 587 dan 825 cm-1. Puncak-puncak ini
ditandai sebagai serapan sistem oktahedral TiO6 yang
terdapat pada struktur Aurivillius Bi4Ti3O12 (Chen and
Jiao, 2001). Dari analisis modus vibrasi yang mungkin
ada dalam unit oktahedral, modus yang aktif
inframerah adalah ν3 dan ν4, pada bilangan gelombang
587 dan 825 cm-1 (Nakamoto, 1997). Serapan pada 685
cm-1 diperkirakan merupakan puncak serapan dari fasa
pengotor.

5M

3M

•

1M
0

20

40

60

80

100

2θ (o)

Gambar 4. Pola difraksi senyawa dari kombinasi
reaksi Bi(OH)3/ TiO2, suhu 240 oC selama 72 jam,
pada berbagai variasi konsentrasi NaOH. (•) puncak
terkuat pengotor Bi12TiO20.

826

822
1000

-1
BilanganBilangan
gelombang
(cm
Gelombang
(cm-1))

450

Gambar 3. Spektrum IR Bi4Ti3O12 hasil reaksi Bi2O3/
TiO2 pada suhu reaksi 240 oC selama 72 jam.
3.2 Sistem reaksi Bi(OH)3/TiO2
Sintesis senyawa Aurivillius dari pereaksi awal
Bi(OH)3/TiO2 juga telah dilakukan. Hasil orientasi
waktu dan suhu reaksi menunjukkan bahwa waktu
reaksi selama 72 jam merupakan waktu reaksi yang
optimum, dan suhu optimum adalah 240 °C. Pada
sistem reaksi ini digunakan konsentrasi NaOH yang
bervariasi yaitu sebesar 1, 3, dan 5 M. Pola difraksi
yang diperoleh menunjukkan bahwa dengan konsentrasi NaOH sebesar 3 M diperoleh sistem satu fasa
Bi4Ti3O12 sedangkan pada konsentrasi NaOH 1 dan 5
M diperoleh sistem multifasa dengan fasa utama
Bi4Ti3O12 dan pengotor berupa Bi12TiO20 dan Bi2Ti2O7
(Gambar 4). Sama dengan pada kombinasi pereaksi
awal Bi2O3/TiO2, kemurnian produk yang diperoleh
pada konsentrasi NaOH 3 M dibuktikan dengan
pembandingan pola difraksi yang diperoleh dengan
pola difraksi Bi4Ti3O12 standar (PDF, no. 35-0795),
Gambar 2c. Fakta bahwa pada konsentrasi mineralizer
3 M dihasilkan produk murni, diperkirakan karena
terjadi hal yang sama dengan pada sistem reaksi yang
Bi2O3/TiO2, yakni dalam NaOH 1 M pereaksi tidak
larut sempurna sehingga diperoleh fasa pengotor

3M
827

1M
%T (a.u.)

590
685

Seperti dalam spektrum IR pada produk sistem
Bi2O3/TiO2, spektrum IR dari produk yang diperoleh
pada sistem Bi(OH)3/TiO2 menunjukkan dua modus
vibrasi ν3 dan ν4, yakni dua buah puncak serapan pada
daerah bilangan gelombang 587 dan 827 cm-1 (Gambar
5). Spektrum IR yang diperoleh memiliki pola yang
mirip antara produk yang diperoleh dengan
menggunakan NaOH 1 M dan 3 M, sedangkan pada
analisis difraksi sinar-X diketahui bahwa pada produk
dengan konsentrasi NaOH 1 M dideteksi adanya
pengotor. Hal ini kemungkinan disebabkan fasa
pengotor juga mengandung elemen struktur oktahedral
TiO6. Selain itu, perbandingan hasil kedua teknik
karakterisasi ini juga memberikan satu ilustrasi yang
sangat baik bahwa metode difraksi sinar-X memberikan
informasi lebih baik mengenai fasa-fasa yang terbentuk
dalam suatu sintesis padatan.

%T (a.u.)

%T (a.u.)

%T (a.u.)

1M

827

587

587

1000

Bilangan gelombang
(cm-1)
Bilangan Gelombang (cm-1)

450

Gambar 5. Spektrum IR Bi4Ti3O12 hasil reaksi
Bi(OH)3/TiO2, pada suhu reaksi 240 oC selama 72 jam.

48 JURNAL MATEMATIKA DAN SAINS, MARET 2007, VOL. 12 NO. 1

4. Kesimpulan
Senyawa berstruktur Aurivillius Bi4Ti3O12 telah
berhasil disintesis dari kombinasi pereaksi awal yang
tidak melibatkan fasa alkoksida maupun klorida, yakni
Bi2O3/TiO2 dan Bi(OH)3/TiO2. Bi4Ti3O12 dengan kemurnian dan kristalinitas yang tinggi diperoleh pada
kondisi reaksi: suhu 240 oC, NaOH 3 M, 72 jam untuk
kedua kombinasi pereaksi awal. Indikasi terbentuknya
Aurivillius titanat dapat terlihat pada munculnya
serapan di sekitar 587 dan 827 cm-1, walaupun diperlukan karakterisasi lebih lanjut dengan XRD untuk
meyakinkan tidak adanya pengotor lain yang juga
mempunyai kerangka oktahedral TiO6.
5. Ucapan Terima Kasih
Penelitian ini dapat diselesaikan atas dukungan
Dikti melalui penelitian HB X dan bantuan Dr. Daniel
Kurnia dalam pengukuran Difraksi Sinar-X serta
Dr. Yana Maolana Syah dalam pengukuran FTIR.
Daftar Pustaka
Chen, D. and X. Jiao, 2001, Hydrothermal Synthesis
and Characterization of Bi4Ti3O12 Powders
from Different Precursors, Mater. Res. Bull.,
36, 355–363.
Du, Y., J. Fang, M. Zhang, J. Hong, Z. Yin, and Q.
Zhang, 2002, Phase Character and Structural
Anomaly of Bi4Ti3O12 Nanoparticles Prepared
by Chemical Coprecipitation, Mater. Lett., 57,
802-806.
Gu, H., D. Bao, S. Wang, D. Gao, A. Kuang, and X.
Li, 1996, Synthesis and Optical Properties of
Highly c-axis Oriented Bi4Ti3O12 Thin Films
by Sol-gel Processing, Thin Solid Films, 283,
81-83.

Gu, H., C. Dong, P. Chen, D. Bao, A. Kuang, and X.
Li, 1998, Growth of Layered Perovskite
Bi4Ti3O12 Thin Films by Sol–gel Process, J.
Cryst. Growth, 186, 403-408.
Hervoches, C. H. and P. Lightfoot, 1999, A VariableTemperature Powder Neutron Diffraction
Study of Ferroelectric Bi4Ti3O12, Chem.
Mater., 11, 3359-3364.
Ismunandar, 2006, Padatan Oksida Logam, Penerbit
ITB, Bandung.
Nakamoto, K., 1997, Infrared and Raman Spectra of
Inorganic and Coordination Compounds, John
Wiley & Sons, New York.
Rizal, M., 2004, Sintesis dengan Metode Hidrotermal
dan Karakterisasi Senyawa Berstruktur
Aurivillius Bi4Ti3O12, Skripsi, Departemen
Kimia ITB, Bandung.
Shi, Y., C. Cao, and S. Feng, 2000, Hydrothermal
Synthesis and Characterization of Bi4Ti3O12,
Mater. Lett., 46, 270–273.
Wang, X., J. Zhai, L. Zhang, and X. Yao, 1999,
Structural and Optical Characterization of
Bi4Ti3O12
Thin
Films
Prepared
by
Metallorganic Solution Deposition Technique,
Infrared Phys. Tech., 40, 55-60.
Xiao, Z., X. Wu, H. Wang, Z. Wang, S. Shan, and M.
Wang, 2001, The Influence of Crystallization
Route on the Bi4Ti3O12 Thin Films by
Chemical Solution Deposition Technique,
Mater. Lett., 51, 240-244.
Yang, Q., Q. Li, Q. Yin, P. Wang, and Y. Cheng,
2003, Bi4Ti3O12 Nanoparticles Prepared by
Hydrothermal Synthesis, J. Eur. Ceram. Soc.,
23, 161–166.
Zhou, Q., and B. J. Kennedy, 2003, Structural Studies
of the Ferroelectric Phase Transition in
Bi4Ti3O12, Chem. Mater., 15, 5025-5028.