SINTESIS SENYAWA AURIVILLIUS LAPIS EMPAT, SrBi4-xLaxTi4O15 DENGAN METODE HIDROTERMAL.
SINTESIS SENYAWA AURIVILLIUS LAPIS EMPAT,
SrBi4-xLaxTi4O15 DENGAN METODE HIDROTERMAL
SKRIPSI SARJANA KIMIA
Oleh
HERMIS
BP : 0910412071
JURUSAN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS ANDALAS
PADANG
2014
INTISARI
SINTESIS SENYAWA AURIVILLIUS LAPIS EMPAT, SrBi4-xLaxTi4O15
DENGAN METODE HIDROTERMAL
Oleh :
Hermis (0910412071)
Dr. Zulhadjri, M. Eng dan Prof. Dr. Syukri Arief M. Eng
Senyawa Aurivillius merupakan senyawa oksida logam dengan rumus umum
[Bi2O2]2+[An-1BnO3n+1]2-. Senyawa Aurivillius lapis empat SrBi4-xLaxTi4O15 dengan
x = 0; 0,5; 1; 1,5 dan 2 telah disintesis menggunakan metode hidrotermal
dengan pelarut NaOH 3 M, suhu 240oC selama 72 jam dan prekursor dalam
bentuk nitrat (Sr, Bi, La) dan TIP. Produk yang diperoleh telah dikarakterisasi
dengan difraksi sinar-X (XRD) dan SEM. Semua data difraksi sinar-X
direfinement menggunakan program Rietica dengan metode Le Bail. Hasil yang
diperoleh memperlihatkan bahwa pada semua sampel sudah terbentuk fasa
Aurivillius lapis empat, namun masih bercampur dengan fasa perovskit dan
tambahan fasa Aurivillius lapis tiga untuk x > 1. Seiring dengan bertambahnya
jumlah La3+ di dalam sampel, fasa perovskit cenderung meningkat, sedangkan
untuk x = 1,5 dan 2 selain fasa Aurivillius lapis empat dan fasa perovskit
memperlihatkan adanya fasa Aurivillius lapis tiga yang semakin tinggi pada x =
2. Morfologi sampel yang dianalisis dengan menggunakan SEM
memperlihatkan permukaan berupa lempengan yang merupakan ciri khas dari
senyawa Aurivillius. Sintesis terhadap sampel x = 1 telah dilakukan variasi
dengan perubahan konsentrasi pelarut NaOH (5 M), prekursor (oksida logam)
dan suhu pemanasan autoklaf (250oC). Hasil yang didapatkan juga
memperlihatkan bahwa adanya fasa lain (perovskit dan Aurivillius lapis tiga)
selain fasa Aurivillius lapis empat. Sedangkan untuk sampel x = 1 dengan suhu
sintesis 250oC memperlihatkan fasa utama berupa fasa perovskit.
Kata kunci. Fasa Aurivillius, Metode Hidrotermal
v
ABSTRACT
SYNTHESIS OF FOUR-LAYERS AURIVILLIUS PHASES, SrBi4-xLaxTi4O15 BY
HYDROTHERMAL METHOD
by :
Hermis (0910412071)
Dr. Zulhadjri, M. Eng and Prof. Dr. Syukri Arief M. Eng
Aurivillius phases are metal oxide type compound with general formula
[Bi2O2]2+[An-1BnO3n+1]2-. Four-layers Aurivillius phases, SrBi4-xLaxTi4O15 with x =
0; 0.5; 1; 1.5 and 2 have been synthesized by hydrothermal techinique using of
NaOH 3 M, temperature of 240oC for 72 hours and precursors in the form of
nitrate (Sr, Bi, La) and TIP. The products obtained were characterized by X-ray
diffraction (XRD) and SEM. All X-ray diffraction data using the program Rietica
direfinement Le Bail method. The results obtained showed that all samples had
formed a four-layers Aurivillius phase, but still mixed with the perovskite phase
and an additional three-layer Aurivillius phase for x > 1 . Along with the
increasing number of La3+ in the sample, perovskite phase tends to increase,
whereas for x = 1.5 and 2 in addition to the four layer Aurivillius phase and
perovskite phase shows a three-layer Aurivillius phase is higher at x = 2 . The
morphology of the samples were analyzed using SEM showing the surface of a
slab that is the hallmark of Aurivillius phases. Synthesis of the sample x = 1
have done variations with changes in solvent concentration of NaOH (5 M),
precursor (metal oxide) and autoclave heating temperature (250oC). The results
obtained also showed that the presence of other phases (perovskite and threelayer Aurivillius) other than a four-layer Aurivillius phase, as for the sample with
x = 1 shows the temperature of 250oC synthesis of a major phase of perovskite
phase.
Keywords. Aurivillius phase, Hydrothermal Method
vi
BAB I. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Senyawa Aurivillius adalah material oksida logam dengan struktur berlapis yang
mempunyai rumus umum M2An-1BnO3n+3 yang terdiri dari lapis bismuth [Bi2O2]2+
dan lapis perovskit [An-1BnO3n+1]2-. Nama Aurivillius diberikan sebagai
penghargaan untuk orang yang pertama kali menemukannya yaitu Bengt
Aurivillius pada tahun 1949. Oksida Aurivillius pertama kali di sintesis adalah
CaBi2Nb2O9 dan Bi4Ti3O12. Secara umum struktur Aurivillius disusun oleh logam
A yang memiliki jari-jari ~1Å dan logam B yang memiliki jari-jari ~0,6Å. Kation M
oksida Aurivillius ditempati oleh Bi3+. Logam A pada lapisan perovskit
merupakan logam yang berukuran besar, dapat bermuatan +1, +2, +3,
diantaranya adalah logam alkali, alkali tanah, unsur tanah jarang atau
campurannya yang mempunyai koordinasi dodekahedral, sedangkan logam B
merupakan unsur transisi yang berukuran lebih kecil dari logam A dengan
koordinasi oktahedral dan n adalah bilangan bulat yang menunjukkan jumlah
oktahedral pada lapisan perovskit (1 ≤ n ≤ 8) [1].
Oksida Aurivillius merupakan salah satu jenis oksida logam yang
menarik untuk dipelajari secara luas karena banyak potensi aplikasi yang
dimiliki, seperti sifat magnetik, listrik dan optik. Fasa Aurivillius diketahui bersifat
feroelektrik setelah dipelajari oleh Smolenski [2] dan Subbarao [3]. Setelah
adanya penemuan ini, penelitian tentang struktur dan sifat feroelektrik pada
oksida Aurivillius sangat banyak dilakukan. Oksida Aurivillius dikembangkan
sesuai dengan manfaat dan penggunaannya. Oksida ini dapat digunakan
sebagai bahan superkonduktor, katalis dalam industri petrokimia, keramik di
bidang kesehatan, bahan penyimpan memori seperti FRAM, DRAM, konduktor,
material magnetik, katalis, optikal display, dan kapasitor [4].
Pada penelitian sebelumnya [5-7], telah melakukan pembuatan senyawa
Aurivillius Pb1-xBi4+xTi4-xMnxO15 dan Pb2-xBi4+xTi5-xMnxO18 dengan menggunakan
metode lelehan garam. Hasil yang di dapatkan ikatan Ti-O dalam lapisan
perovskit
mengalami
perubahan
panjang
1
ikatan
dan
senyawanya
memperlihatkan distorsi struktur, sedangkan jumlah kation Mn3+ yang dapat
membentuk fasa tunggal Aurivillius sangat kecil sekali yaitu di bawah 0,6 mol.
Disamping itu metode lelehan garam juga masih berlangsung pada suhu yang
cukup tinggi, sehingga kurang menguntungkan dalam sintesis.
Pada penelitian ini dilakukan penggantian kation Pb 2+ dalam senyawa
tersebut dengan kation Sr2+, karena Pb bersifat toksik. Selain itu kation Bi3+
pada lapisan juga diganti dengan kation La3+. Pada penelitian sebelumnya,
Rizal, M dan Ismunandar (2007) telah berhasil melakukan sintesis dan
karakterisasi senyawa Aurivillius Bi4Ti3O12 dengan metode hidrotermal. Pada
penelitian itu dilakukan variasi suhu, waktu dan konsentrasi dari NaOH untuk
mendapatkan kondisi optimum. Hasil yang diperoleh adalah suhu optimum
yang digunakan adalah 240oC, waktu optimum 72 jam dan konsentrasi NaOH
yang digunakan adalah 3 M [8]. Hasil optimum ini diaplikasikan dalam penelitian
untuk x = 0, 0,5, 1, 1,5 dan 2. Variasi konsentrasi NaOH, prekursor yang
digunakan dan suhu pemanasan autoklaf dilakukan untuk x = 1 untuk melihat
perubahan hasil yang didapatkan.
Senyawa SrBi4-xLaxTi4O15 sudah pernah disintesis oleh Sabri Ella Afni,
2013, dengan menggunakan metode lelehan garam. Hasil yang di dapatkan
senyawa Aurivillius lapis empat SrBi4-xLaxTi4O15 sudah terbentuk namun masih
mengandung fasa lain yaitu fasa SrTiO3 dan fasa Bi3Ti3O12 untuk semua variasi
x = 0, 0,5, 1, 1,5 dan 2. Semakin banyak komposisi La 3+ yang ditambahkan
semakin banyak fasa SrTiO3 yang terbentuk [9]. Pada penelitian ini telah
dilakukan sintesis senyawa SrBi4-xLaxTi4O15 dengan metode hidrotermal. Hasil
sintesis dan pembahasan dilaporkan pada Bab IV.
1.2 Rumusan Masalah
Dari uraian di atas dapat dirumuskan permasalahan sebagai berikut: Apakah
Bi3+ pada lapisan perovskit dari senyawa Aurivillius lapis empat SrBi 4-xLaxTi4O15
dapat disubstitusi dengan kation La3+ hingga 2 mol. Bagaimana perubahan
struktur yang terjadi pada senyawa Aurivillius lapis empat SrBi4-xLaxTi4O15
dengan pensubstitusian kation La3+ pada Bi3+ dengan menggunakan metoda
2
hidrotermal. Bagaimana hasil dari pembuatan SrBi4-xLaxTi4O15 untuk x = 1
dengan variasi konsentrasi NaOH, prekursor dan suhu pemanasan sintesis.
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut :
a. Mensintesis senyawa Aurivillius lapis empat dengan rumus SrBi 4-xLaxTi4O15
menggunakan metode hidrotermal
b. Mempelajari struktur kristal dari fasa Aurivillius lapis empat dari produk
(SrBi4-xLaxTi4O15) yang dihasilkan dengan metoda hidrotermal
c. Menentukan bagaimana struktur dari kristal SrBi4-xLaxTi4O15 untuk x = 1
dengan variasi konsentrasi NaOH, prekursor dan suhu pemanasan autoklaf
1.4 Manfaat Penelitian
Manfaat yang diharapkan setelah dilakukan penelitian ini adalah senyawa yang
dihasilkan dapat digunakan sebagai informasi data awal untuk melihat
pengaruh penggantian Bi3+ dengan La3+ dan sebagai acuan untuk melanjutkan
penelitian dengan adanya penambahan kation Mn 3+ yang nantinya dapat
digunakan sebagai penyimpan data (memori), sensor magnetik dan spintronik.
3
SrBi4-xLaxTi4O15 DENGAN METODE HIDROTERMAL
SKRIPSI SARJANA KIMIA
Oleh
HERMIS
BP : 0910412071
JURUSAN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS ANDALAS
PADANG
2014
INTISARI
SINTESIS SENYAWA AURIVILLIUS LAPIS EMPAT, SrBi4-xLaxTi4O15
DENGAN METODE HIDROTERMAL
Oleh :
Hermis (0910412071)
Dr. Zulhadjri, M. Eng dan Prof. Dr. Syukri Arief M. Eng
Senyawa Aurivillius merupakan senyawa oksida logam dengan rumus umum
[Bi2O2]2+[An-1BnO3n+1]2-. Senyawa Aurivillius lapis empat SrBi4-xLaxTi4O15 dengan
x = 0; 0,5; 1; 1,5 dan 2 telah disintesis menggunakan metode hidrotermal
dengan pelarut NaOH 3 M, suhu 240oC selama 72 jam dan prekursor dalam
bentuk nitrat (Sr, Bi, La) dan TIP. Produk yang diperoleh telah dikarakterisasi
dengan difraksi sinar-X (XRD) dan SEM. Semua data difraksi sinar-X
direfinement menggunakan program Rietica dengan metode Le Bail. Hasil yang
diperoleh memperlihatkan bahwa pada semua sampel sudah terbentuk fasa
Aurivillius lapis empat, namun masih bercampur dengan fasa perovskit dan
tambahan fasa Aurivillius lapis tiga untuk x > 1. Seiring dengan bertambahnya
jumlah La3+ di dalam sampel, fasa perovskit cenderung meningkat, sedangkan
untuk x = 1,5 dan 2 selain fasa Aurivillius lapis empat dan fasa perovskit
memperlihatkan adanya fasa Aurivillius lapis tiga yang semakin tinggi pada x =
2. Morfologi sampel yang dianalisis dengan menggunakan SEM
memperlihatkan permukaan berupa lempengan yang merupakan ciri khas dari
senyawa Aurivillius. Sintesis terhadap sampel x = 1 telah dilakukan variasi
dengan perubahan konsentrasi pelarut NaOH (5 M), prekursor (oksida logam)
dan suhu pemanasan autoklaf (250oC). Hasil yang didapatkan juga
memperlihatkan bahwa adanya fasa lain (perovskit dan Aurivillius lapis tiga)
selain fasa Aurivillius lapis empat. Sedangkan untuk sampel x = 1 dengan suhu
sintesis 250oC memperlihatkan fasa utama berupa fasa perovskit.
Kata kunci. Fasa Aurivillius, Metode Hidrotermal
v
ABSTRACT
SYNTHESIS OF FOUR-LAYERS AURIVILLIUS PHASES, SrBi4-xLaxTi4O15 BY
HYDROTHERMAL METHOD
by :
Hermis (0910412071)
Dr. Zulhadjri, M. Eng and Prof. Dr. Syukri Arief M. Eng
Aurivillius phases are metal oxide type compound with general formula
[Bi2O2]2+[An-1BnO3n+1]2-. Four-layers Aurivillius phases, SrBi4-xLaxTi4O15 with x =
0; 0.5; 1; 1.5 and 2 have been synthesized by hydrothermal techinique using of
NaOH 3 M, temperature of 240oC for 72 hours and precursors in the form of
nitrate (Sr, Bi, La) and TIP. The products obtained were characterized by X-ray
diffraction (XRD) and SEM. All X-ray diffraction data using the program Rietica
direfinement Le Bail method. The results obtained showed that all samples had
formed a four-layers Aurivillius phase, but still mixed with the perovskite phase
and an additional three-layer Aurivillius phase for x > 1 . Along with the
increasing number of La3+ in the sample, perovskite phase tends to increase,
whereas for x = 1.5 and 2 in addition to the four layer Aurivillius phase and
perovskite phase shows a three-layer Aurivillius phase is higher at x = 2 . The
morphology of the samples were analyzed using SEM showing the surface of a
slab that is the hallmark of Aurivillius phases. Synthesis of the sample x = 1
have done variations with changes in solvent concentration of NaOH (5 M),
precursor (metal oxide) and autoclave heating temperature (250oC). The results
obtained also showed that the presence of other phases (perovskite and threelayer Aurivillius) other than a four-layer Aurivillius phase, as for the sample with
x = 1 shows the temperature of 250oC synthesis of a major phase of perovskite
phase.
Keywords. Aurivillius phase, Hydrothermal Method
vi
BAB I. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Senyawa Aurivillius adalah material oksida logam dengan struktur berlapis yang
mempunyai rumus umum M2An-1BnO3n+3 yang terdiri dari lapis bismuth [Bi2O2]2+
dan lapis perovskit [An-1BnO3n+1]2-. Nama Aurivillius diberikan sebagai
penghargaan untuk orang yang pertama kali menemukannya yaitu Bengt
Aurivillius pada tahun 1949. Oksida Aurivillius pertama kali di sintesis adalah
CaBi2Nb2O9 dan Bi4Ti3O12. Secara umum struktur Aurivillius disusun oleh logam
A yang memiliki jari-jari ~1Å dan logam B yang memiliki jari-jari ~0,6Å. Kation M
oksida Aurivillius ditempati oleh Bi3+. Logam A pada lapisan perovskit
merupakan logam yang berukuran besar, dapat bermuatan +1, +2, +3,
diantaranya adalah logam alkali, alkali tanah, unsur tanah jarang atau
campurannya yang mempunyai koordinasi dodekahedral, sedangkan logam B
merupakan unsur transisi yang berukuran lebih kecil dari logam A dengan
koordinasi oktahedral dan n adalah bilangan bulat yang menunjukkan jumlah
oktahedral pada lapisan perovskit (1 ≤ n ≤ 8) [1].
Oksida Aurivillius merupakan salah satu jenis oksida logam yang
menarik untuk dipelajari secara luas karena banyak potensi aplikasi yang
dimiliki, seperti sifat magnetik, listrik dan optik. Fasa Aurivillius diketahui bersifat
feroelektrik setelah dipelajari oleh Smolenski [2] dan Subbarao [3]. Setelah
adanya penemuan ini, penelitian tentang struktur dan sifat feroelektrik pada
oksida Aurivillius sangat banyak dilakukan. Oksida Aurivillius dikembangkan
sesuai dengan manfaat dan penggunaannya. Oksida ini dapat digunakan
sebagai bahan superkonduktor, katalis dalam industri petrokimia, keramik di
bidang kesehatan, bahan penyimpan memori seperti FRAM, DRAM, konduktor,
material magnetik, katalis, optikal display, dan kapasitor [4].
Pada penelitian sebelumnya [5-7], telah melakukan pembuatan senyawa
Aurivillius Pb1-xBi4+xTi4-xMnxO15 dan Pb2-xBi4+xTi5-xMnxO18 dengan menggunakan
metode lelehan garam. Hasil yang di dapatkan ikatan Ti-O dalam lapisan
perovskit
mengalami
perubahan
panjang
1
ikatan
dan
senyawanya
memperlihatkan distorsi struktur, sedangkan jumlah kation Mn3+ yang dapat
membentuk fasa tunggal Aurivillius sangat kecil sekali yaitu di bawah 0,6 mol.
Disamping itu metode lelehan garam juga masih berlangsung pada suhu yang
cukup tinggi, sehingga kurang menguntungkan dalam sintesis.
Pada penelitian ini dilakukan penggantian kation Pb 2+ dalam senyawa
tersebut dengan kation Sr2+, karena Pb bersifat toksik. Selain itu kation Bi3+
pada lapisan juga diganti dengan kation La3+. Pada penelitian sebelumnya,
Rizal, M dan Ismunandar (2007) telah berhasil melakukan sintesis dan
karakterisasi senyawa Aurivillius Bi4Ti3O12 dengan metode hidrotermal. Pada
penelitian itu dilakukan variasi suhu, waktu dan konsentrasi dari NaOH untuk
mendapatkan kondisi optimum. Hasil yang diperoleh adalah suhu optimum
yang digunakan adalah 240oC, waktu optimum 72 jam dan konsentrasi NaOH
yang digunakan adalah 3 M [8]. Hasil optimum ini diaplikasikan dalam penelitian
untuk x = 0, 0,5, 1, 1,5 dan 2. Variasi konsentrasi NaOH, prekursor yang
digunakan dan suhu pemanasan autoklaf dilakukan untuk x = 1 untuk melihat
perubahan hasil yang didapatkan.
Senyawa SrBi4-xLaxTi4O15 sudah pernah disintesis oleh Sabri Ella Afni,
2013, dengan menggunakan metode lelehan garam. Hasil yang di dapatkan
senyawa Aurivillius lapis empat SrBi4-xLaxTi4O15 sudah terbentuk namun masih
mengandung fasa lain yaitu fasa SrTiO3 dan fasa Bi3Ti3O12 untuk semua variasi
x = 0, 0,5, 1, 1,5 dan 2. Semakin banyak komposisi La 3+ yang ditambahkan
semakin banyak fasa SrTiO3 yang terbentuk [9]. Pada penelitian ini telah
dilakukan sintesis senyawa SrBi4-xLaxTi4O15 dengan metode hidrotermal. Hasil
sintesis dan pembahasan dilaporkan pada Bab IV.
1.2 Rumusan Masalah
Dari uraian di atas dapat dirumuskan permasalahan sebagai berikut: Apakah
Bi3+ pada lapisan perovskit dari senyawa Aurivillius lapis empat SrBi 4-xLaxTi4O15
dapat disubstitusi dengan kation La3+ hingga 2 mol. Bagaimana perubahan
struktur yang terjadi pada senyawa Aurivillius lapis empat SrBi4-xLaxTi4O15
dengan pensubstitusian kation La3+ pada Bi3+ dengan menggunakan metoda
2
hidrotermal. Bagaimana hasil dari pembuatan SrBi4-xLaxTi4O15 untuk x = 1
dengan variasi konsentrasi NaOH, prekursor dan suhu pemanasan sintesis.
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut :
a. Mensintesis senyawa Aurivillius lapis empat dengan rumus SrBi 4-xLaxTi4O15
menggunakan metode hidrotermal
b. Mempelajari struktur kristal dari fasa Aurivillius lapis empat dari produk
(SrBi4-xLaxTi4O15) yang dihasilkan dengan metoda hidrotermal
c. Menentukan bagaimana struktur dari kristal SrBi4-xLaxTi4O15 untuk x = 1
dengan variasi konsentrasi NaOH, prekursor dan suhu pemanasan autoklaf
1.4 Manfaat Penelitian
Manfaat yang diharapkan setelah dilakukan penelitian ini adalah senyawa yang
dihasilkan dapat digunakan sebagai informasi data awal untuk melihat
pengaruh penggantian Bi3+ dengan La3+ dan sebagai acuan untuk melanjutkan
penelitian dengan adanya penambahan kation Mn 3+ yang nantinya dapat
digunakan sebagai penyimpan data (memori), sensor magnetik dan spintronik.
3