Sintesis Nanorod Ba(Nd)xFe12O19 Menggunakan Templat Dari Pati Tapioka
BAB I
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Nanorod merupakan bagian dari material nano (Sajanlal et al, 2010).
Material nano dapat juga dikatakan partikel nano karena ukurannya yang kecil.
Awalnya sebutan partikel nano digunakan untuk partikel yang berukuran sampai
beberapa ratus nanometer, tetapi dalam perkembangan terakhir dalam teknologi
nano, partikel nano adalah struktur ukuran mulai dari 1 sampai 100 nm dan
setidaknya satu dimensi (Wilczewska et al, 2012).
Secara geometris, material nano dapat dikelompokkan dalam material
berdimensi rendah (dibawah 3 dimensi). Karena ukuran yang sangat kecil maka
secara umum karakteristik dari material nano adalah: kecil, ringan, properti
unggul, dan cerdas. Material nano lebih bergantung pada luas permukaan dari
komposisi partikel itu sendiri, daerah relatif permukaan adalah salah satu faktor
utama yang meningkatkan reaktivitas, kekuatan, sifat listrik dan sifat mekanik
seperti kekerasan, elastisitas dan daktilitas tergantung pada ikatan antara atom.
Material nano telah menjadi bidang pusat kegiatan ilmiah dan teknis.
Selama tahun terakhir ini minat struktur nano pada aplikasi di berbagai perangkat
elektronik, optoelektronik, bio-sensor , photodetectors, sel surya, nanodevices,
plasmonic telah meningkat pesat (Yalcin, 2012).
Hal ini disebabkan oleh sifat unik struktur nano dan kinerja luar biasa dari
perangkat nano, permukaan struktur nano mulai menunjukkan sifat baru dan
menarik terutama karena efek ukuran kuantum (Yalcin, 2012).
Menurut Sajanlal et al (2010) yang termasuk material nano adalah : 0
dimensi (spheres dan cluster ); 1 dimensi (nanofibers, kabel, dan batang/ rod); 2
dimensi (film, plates, dan jaringan); 3 dimensi Nanomaterial. Nanorod adalah
subjek baru dan menarik, desain nano dan teknologi nano mengalami perubahan
revolusioner dalam tahun terakhir (Yalcin, 2012).
1
Universitas Sumatera Utara
Penelitian terhadap material nano terus berkembang mengingat sifat khusus
nya termasuk sifat magnet suatu material nano, salah satu bahan magnet yang
banyak digunakan adalah Barium Heksaferit (BaFe12O19). BaFe12O19 merupakan
magnet permanen (Yu, 2013; Ahmed et al, 2013; Choi et al, 2014; An et al,
2014a) berbasis ferit juga dapat ditulis sebagai Ba6.(Fe2O3) oleh (Kaynar et al,
2015). Magnet permanen merupakan salah satu material yang sangat luas
penerapannya seperti : pada sistem generator listrik, sistem penggerak
listrik/motor listrik, otomatisasi industri, perangkat penyimpanan data, peralatan
gelombang mikro, transformator, speaker dan sebagainya. Penggunaan magnet
permanen sangat ditentukan oleh sifat dan kualitas material magnet (Widyan and
Hanitsch, 2012). Pada aplikasi sistem otomatisasi elektronik, otomatisasi industri
dan sejenisnya memerlukan sejumlah magnet yang tidak sedikit dan spesifikasi
sifat magnet yang berbeda untuk setiap komponennya (Sardjono dkk, 2012b).
Menurut The Freedonia Group, Inc (2015) permintaan global untuk magnet
permanen dunia diperkirakan akan naik 7,3 persen per tahun, pada tahun 2019
mencapai $ 16 billion seperti pada Tabel 1.1.
Tabel 1.1 Kebutuhan Magnet Dunia
(© 2015 by The Freedonia Group, Inc.)
Item
Magnet Demand
North America
Western Europe
Asia/Pacific
Central & South Amarica
Eastren Europe
Africa/Mideast
2009
6630
685
680
4750
120
295
100
2014
2019
11400 16200
1300 1770
1310 1730
8020 11600
150
210
480
680
140
210
% Annual Growth
200920142014
2019
11.4
7.3
13.7
6.4
14.0
5.7
11.0
7.7
4.6
7.0
10.2
7.2
7.0
8.4
Penjualan magnet dunia akan naik 4,6 persen pertahun menjadi 1,2 juta ton.
Berdasarkan Tabel 1.1 kebutuhan magnet permanet di Indonesia juga cenderung
meningkat sesuai dengan kebutuhan industri di Indonesia. Kebutuhan magnet
permanen di Indonesia masih inport dan masih tahap penelitian untuk menuju
idustri magnet, hal ini sejalan dengan strategi kebijakan Kemenristekdikti periode
2
Universitas Sumatera Utara
2015 – 2019 yakni akan dibangunnya pusat keunggulan nasional untuk magnet
permanen.
Magnet permanen yang paling banyak digunakan adalah magnet berbasis
ferit baik logam maupun keramik. Salah satu magnet permanen keramik berbasis
ferit yang paling sering digunakan dan masih menjanjikan adalah barium
heksaferit (BaFe12O19) atau BaO.6(Fe2O3) karena mempunyai sifat : unggul, biaya
produksi rendah, temperatur Curie tinggi, berkoersivitas tinggi, stabilitas kimia
dan ketahanan korosi (Kaynar et al, 2015).
Barium heksaferit juga merupakan magnet oksida karena di dalamnya
terdapat oksigen,
morfologi nya cenderung berbentuk hexagonal. Magnet
berbasis oksida memiliki semua sifat-sifat umum dikaitkan dengan magnet
berbasis logam (atau berbasis atom), seperti remanensi, saturasi dan remanen
magnetisasi dan koersivitasnya (Miller, 2014). Menurut Kanagesana et al (2011)
koersivitas barium ferit tergantung dari banyak faktor seperti komposisi kimia,
ukuran partikel, derajat kristalinitas, mikro, anisotropi magnetik, dan lain-lain.
Beberapa hasil penelitian yang relevan sebelumnya morfologi barium
heksaferit yang diperoleh, umumnya berbentuk heksagonal (Mahgoob and
Hudeish, 2012; Li et al, 2012; Tan and Chen, 2013; Zhao et al, 2013; Ahmed et
al, 2013) dan bentuk bulat (Chen et. al, 2012; Khorrami et al, 2013; An et al,
2014b; Mosleh et al, 2014; Xu et al, 2015). Berdasarkan morfologi barium ferit,
medan magnet pada morfologi berbentuk batang (nanorod) akan lebih besar dari
pada morfologi berbentuk bulat (Mohapatra et al, 2015).
Untuk mendapatkan morfologi nanorod salah satunya dapat dilakukan
melalui proses kimia-basah yakni metode sol-gel dengan menggunakan dispersant
dan templat. Dispersant berfungsi untuk memperkecil ukuran morfologi untuk
mendapatkan berukuran nano sedangkan templat berfungsi sebagai pembentuk
morfologi yang diinginkan. Metode sol-gel adalah proses teknik kimia basah
(kimia solusi deposisi), yang telah banyak digunakan dibidang ilmu material
(Tseng et al, 2010). Metode sol-gel memiliki kelebihan tidak hanya dalam
mengurangi suhu tetapi juga dapat mengendalikan homogenitas larutan (Gurbuz et
al, 2012), Sol-gel dipandang sebagai metode yang berguna untuk mempersiapkan
3
Universitas Sumatera Utara
kristal nano BaFe12O19 (Kaynar etal, 2015) dengan menggunakan metode sol-gel
kita mudah menambahkan dispersant dan templat, salah satu jenis dispersant
adalah Kitosan.
Kitosan adalah polisakarida hewani diperoleh dari deasetilasi kitin (Elsabee
and Abdou, 2013). Kitosan bertindak sebagai dispersant struktural karena
mengandung amino dan hidroksil gugus fungsional yang mampu mengikat ion
logam. Kitosan dapat digunakan sebagai dispersant (Zhang et al, 2010). Kitosan
baik untuk partikel nano besi oksida (Tsai et al, 2010). Templat yang digunakan
pada penelitian yang relevan sebelumnya adalah templat sintesis antara lain :
(Ethylene Glycol (EG), Propylene Glycol (PG), Electrospun Polyethylene
Terephthalate)/ Citric Acid (EPT/CA) microfibers dan α-FeOOH, pada penelitian
ini templat yang digunakan merupakan templat organik alam yaitu pati.
Pati merupakan glucan yang dapat larut terdiri dari dua polimer glukosa,
amilopektin dan amilosa (Corre et al, 2010). Menurut Elgadir et al (2012) pati
berasal dari berbagai sumber botani berbeda dalam komposisi, struktur dan urutan
molekul konstituen polisakarida (amilosa dan amilopektin). Amilopektin memiliki
struktur bercabang sementara amilosa memiliki struktur linear. Kandungan
amilosa dalam pati ini diharapkan dapat bertindak sebagai templat nanorod. Salah
satu pati yang mudah diperoleh dan harganya relatif murah adalah pati tapioka,
penggunaan pati tapioka sekaligus menggunakan kearifan lokal.
Penelitian relevan sebelumnya yakni sintesis barium heksaferit yang
menghasilkan morfologi nanorod telah dilakukan oleh : Cao et al (2010)
menggunakan α-FeOOH untuk oksidasi , -FeOOH untuk membentuk inti kristal
menghasilkan partikel barium heksaferit bermorfologi seperti rod berukuran
diameter 7β,β4 nm (α) dan 74,74 nm (), dengan sifat magnet Ms = 51.30 emu/g,
Mr = 26.83 emu/g, Hc = 0,55β T (α) dan Ms = 49.99 emu/g, Mr = 24.33 emu/g,
Hc = 0,330 T (). Galvao et al (2014) menggunakan templat ethylene glycol
menghasilkan partikel barium heksaferit morfologi nanorod berukuran panjang 90
nm mempunyai sifat magnet saturasi magnetisasi (Ms) = 55 emu/g; koersivitas
(Hc)= 0,49 Tesla, Septiadi, A dan , Purwasasmita, B.S. (2014) menggunakan
templat tapioka menghasilkan partikel barium heksaferit morfologi nanorod
4
Universitas Sumatera Utara
berukuran diameter = 200 nm dan (200 – 500) nm, mempunyai sifat magnet
remanensi magnetisasi (Mr) = (23,2 dan 19,6) emu/g , koersivitas = (0,14 dan
0,12) T, Xu et al (β014) menggunakan templat α-FeOOH menghasilkan partikel
barium heksaferit bermorfologi nanorod berukuran panjang 250 nm mempunyai
sifat magnet Ms = 62,5 emu/g; Hc = 0,38 Tesla.
Secara umum sifat magnetik BaFe12O19 hasil penelitian sebelumnya adalah
sebagai berikut : momen saturasi nilai terendah 40 emu/g nilai tertinggi 70,2
emu/g, momen remanensi nilai terendah 23 emu/g nilai tertinggi 35,9 emu/g,
koersivitas nilai terendah 0,16 Tesla dan nilai tertinggi 0,65 Tesla.
Penelitian terhadap barium heksaferit ini juga dilakukan dengan
penambahan atom Neodymium (Nd) sebagai atom doping sehingga objek
penelitian menjadi Ba(Nd)xFe12O19. Atom Nd merupakan salah satu logam murni
golongan Lantanida yang disebut juga logam tanah jarang. Atom Nd memiliki 4
buah elektron berspin tunggal, secara teori sifat magnet suatu atom ditimbulkan
oleh gerak orbit dan spin elektronnya yang tidak berpasangan. Semakin banyak
jumlah spin elektron yang tidak berpasangan semakin mudah dimagnetisasi untuk
menjadi magnet. Dengan demikian atom Nd banyak digunakan untuk pembuatan
magnet permanen seperti magnet NdFeB. Pada penelitian ini atom Nd diperolaeh
dari garam Neodymium (III) Chloride Hexahydrate (NdCl3.6H2O). Penggunaan
Neodymium telah meningkat secara signifikan dalam tiga dekade terakhir setelah
penemuan paduan neodymium-boron-besi merupakan magnet permanen yang
sangat kuat. (Bizimis M. and Scher H.D., 2016). Walaupun jumlahnya terbatas,
neodymium memainkan peran utama dalam magnet permanen berkekuatan tinggi
sebagai dasar dari paduan Nd2Fe14B. Magnet permanen menunjukkan performa
yang luar biasa dalam industri elektronik dalam aplikasi seperti motor listrik, hard
drive komputer, dan generator listrik, serta menjadi perhatian pada aspek
pembuatan turbin angin dan peningkatan efisiensi (Zhang, Y., 2013)
Penelitian tentang magnet tidak hanya dilakukan secara eksperimen namun
juga dilakukan secara komputasi atau yang disebut komputasi material.
Komputasi material sudah menjadi suatu kebutuhan dalam penelitan material
terlebih lagi dalam era material nano. Penggunaan komputasi material
5
Universitas Sumatera Utara
membutuhkan sumber daya komputasi yang sangat besar seperti komputer paralel
dan sistem komputer multi prosesor ditambah dukungan teoritik yang kuat. Salah
satu cara penggunaan komputasi material adalah menghitung nilai kerapatan
elektron atom pembentuk molekul dan menghitung energinya untuk mengetahui
sifat fisis molekul suatu material.
Salah satu perangkat lunak desain molekul metrial adalah Quantum
Espresso yakni untuk membuat model suatu material dengan ukuran bulk
menerapkan Density Functional Theory (DFT) untuk menghitung kerapatan
elektron pada molekul suatu matrial yang akhirnya dapat diketahui sifat fisisnya
untuk merancang bangun suatu material.
Berdasarkan latar belakang diatas perlu dilakukan penelitian sebagai
alternatif dalam pembuatan bahan magnet permanen yang telah banyak digunakan
yakni Barium heksaferit bermorfologi nanorod (guna meningkatkan sifat magnet)
yang low cost dengan menerapkan metode sol-gel menggunakan templat dari pati
tapioka (kearifan lokal) dan membuat simulasi struktur molekulnya guna
mendukung strategi kebijakan Kemenristekdikti periode 2015 – 2019 yakni akan
dibangunnya pusat keunggulan nasional untuk magnet permanen. Sehubungan
dengan hal di atas maka penelitian disertasi ini berjudul : ―Sintesis Nanorod
Ba(Nd)xFe12O19 Menggunakan Templat Dari Pati Tapioka”. Pada penelitian
ini dilakukan sintesis barium heksaferit yang didoping atom Nd dengan variasi (0;
0; 5; 1 dan 1,5) % menerapkan metode sol-gel menggunakan kitosan sebagai
dispersant dan pati tapioka sebagai templat yang dilengkapi dengan simulasi
struktur
molekul
Ba(Nd)xFe12O19 serta
menghitung
nilai
magnetiknya
menggunakan komputasi material. Hasil penelitian ini diharapkan diperoleh
serbuk Ba(Nd)xFe12O19 bermorfologi nanorod untuk meningkatkan sifat magnet
serta model simulasi struktur molekulnya.
Penelitian ini bertujuan untuk memberikan alternatif pembuatan magnet
permanen
yang
hemat
energi
guna
mendukung
strategi
kebijakan
Kemenristekdikti periode 2015 – 2019.
6
Universitas Sumatera Utara
1.2
Rumusan Masalah
Berdasarkan uraian latar belakang di atas, maka dapat dibuat beberapa
rumusan masalah yaitu :
1. Bagaimana proses yang dilakukan dalam sintesis Ba(Nd)xFe12O19, x = (0; 0,5;
1 dan 1,5) % mol berbasis metode sol-gel menggunakan kitosan sebagai
dispersant dan templat dari pati tapioka 0,5% (w/v) sebanyak (5 % ; 10 % dan
15 %) v/v.
2. Bagaimana pengaruh penggunaan templat dari pati tapioka 0,5% (w/v)
sebanyak (5 % ; 10 % dan 15 %) v/v pada sintesis Ba(Nd)xFe12O19, x = (0;
0,5; 1 dan 1,5) % mol berbasis metode sol-gel menggunakan kitosan sebagai
dispersant terhadap struktur kristal yang terbentuk.
3. Bagaimana pengaruh penggunaan templat dari pati tapioka 0,5% (w/v)
sebanyak (5 % ; 10 % dan 15 %) v/v pada sintesis Ba(Nd)xFe12O19, x = (0;
0,5; 1 dan 1,5) % mol berbasis metode sol-gel menggunakan kitosan sebagai
dispersant terhadap morfologi yang terbentuk.
4. Bagaimana pengaruh penggunaan templat dari pati tapioka 0,5% (w/v)
sebanyak (5 % ; 10 % dan 15 %) v/v.pada sintesis Ba(Nd)xFe12O19 x = (0;
0,5; 1 dan 1,5) % mol berbasis metode sol-gel dengan menggunakan kitosan
sebagai dispersant terhadap sifat magnet.
5. Bagaimana proses yang dilakukan dalam pembuatan simulasi struktur
molekul Ba2NdxFe24O38.
1.3
Batasan Masalah
Pembahasan masalah yang dilakukan pada penelitian ini memiliki batasan-
batasan sebagai berikut :
1.
Metode yang digunakan pada sintesis Ba(Nd)xFe12O19 adalah metode Sol-gel.
2.
Dispersant yang digunakan adalah kitosan 1 % w/v
3.
Templat yang digunakan adalah pati tapioka 0,5 % w/v.
4.
Temperatur kalsinasi 10000C dan ditahan selama dua jam.
7
Universitas Sumatera Utara
5.
Alat ukur karakterisasi digunakan adalah : X-Ray Diffractometer (XRD),
Scanner Electron Microscope (SEM), Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy
(EDS) dan Vibration Sample Magnetometer (VSM).
6.
Ba(Nd)xFe12O19 yang terbentuk hanya berbentuk serbuk.
7.
Model
dan
simulasi
hanya
menggambarkan
struktur
Ba2Fe24O38;
Ba2NdFe24O38; Ba2Nd2Fe24O38 ; Ba2Nd3Fe24O38 ; Ba2Nd4Fe24O38; dan sifat
magnet Ba2NdFe24O38
8.
Perangkat lunak
pembuatan model dan simulasi
Ba(Nd)xFe12O19 adalah
Quantum Espresso berbasis Density Functional Theory (DFT).
1.4
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini berdasarkan rumusan masalah yang dibuat adalah
sebagai berikut :
1. Mengetahui proses yang dilakukan pada sintesis Ba(Nd)xFe12O19, x = (0; 0,5;
1 dan 1,5) % mol berbasis metode sol-gel menggunakan kitosan sebagai
dispersant dan templat dari pati tapioka 0,5% (w/v) sebanyak (5 % ; 10 % dan
15 %) v/v.
2. Menginvestigasi pengaruh penggunaan templat dari pati tapioka 0,5% (w/v)
sebanyak (5 % ; 10 % dan 15 %) v/v pada sintesis Ba(Nd)xFe12O19 , x = (0;
0,5; 1 dan 1,5) % mol berbasis metode sol-gel menggunakan kitosan sebagai
dispersant terhadap struktur kristal yang terbentuk.
3. Menginvestigasi pengaruh penggunaan templat dari pati tapioka 0,5% (w/v)
sebanyak (5 % ; 10 % dan 15 %) v/v pada sintesis Ba(Nd)xFe12O19 , x = (0;
0,5; 1 dan 1,5) % mol berbasis metode sol-gel menggunakan kitosan sebagai
dispersant terhadap morfologi yang terbentuk.
4. Menginvestigasi pengaruh penggunaan templat dari pati tapioka 0,5% (w/v)
sebanyak (5 % ; 10 % dan 15 %) v/v pada sintesis Ba(Nd)xFe12O19 , x = (0;
0,5; 1 dan 1,5) % mol berbasis metode sol-gel menggunakan kitosan sebagai
dispersant terhadap sifat magnet.
5. Mengetahui proses yang dilakukan dalam pembuatan simulasi struktur
molekul Ba2NdxFe24O38.
8
Universitas Sumatera Utara
6. Penelitian ini juga bertujuan sebagai alternatif dalam pembuatan magnet
permanen yang hemat energi dan hemat biaya.
1.5
Manfaat Penelitian
Hasil penelitian ini bermanfaat sebagai alternatif dalam proses pembuatan
magnet permanen di indusri magnet guna mendukung kebijakan pemerintah
tentang energi yang menjadi target nasioanal tercantum pada Rencana Induk Riset
Nasioanal yang tertuang pada strategi kebijakan Kemenristekdikti menekankan
pada proses pengembangan produk dan pengolahan logam tanah jarangsertaakan
dibangun
pusat
keunggulan
nasional
untuk
magnet
permanen
karena
menghasilkan magnet yang handal, prosesnya mudah, hemat energi dan
menggunakan templat organik alam (bahan lokal), meningkatkan nilai tambah
dari kearifan lokal dan dapat menekan biaya produksi.
1.6
Asumsi : Temperatur dan kelembaban ruangan Laboratorium di anggap
kostan.
1.7
Espektasi.
Pada penelitian ini dapat dibuat espektasinya sebagai berikut :
1. Dapat dibuat magnet permanen Ba(Nd)xFe12O19 bermorfolgi nanorod yang
dapat meningkatkan nilai magnetisasinya dengan proses berbiaya rendah.
2. Dapat dibuat simulasi struktur molekul Ba2Fe24O38 dan Ba2NdFe24O38
beserta nilai magnetiknya.
9
Universitas Sumatera Utara
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Nanorod merupakan bagian dari material nano (Sajanlal et al, 2010).
Material nano dapat juga dikatakan partikel nano karena ukurannya yang kecil.
Awalnya sebutan partikel nano digunakan untuk partikel yang berukuran sampai
beberapa ratus nanometer, tetapi dalam perkembangan terakhir dalam teknologi
nano, partikel nano adalah struktur ukuran mulai dari 1 sampai 100 nm dan
setidaknya satu dimensi (Wilczewska et al, 2012).
Secara geometris, material nano dapat dikelompokkan dalam material
berdimensi rendah (dibawah 3 dimensi). Karena ukuran yang sangat kecil maka
secara umum karakteristik dari material nano adalah: kecil, ringan, properti
unggul, dan cerdas. Material nano lebih bergantung pada luas permukaan dari
komposisi partikel itu sendiri, daerah relatif permukaan adalah salah satu faktor
utama yang meningkatkan reaktivitas, kekuatan, sifat listrik dan sifat mekanik
seperti kekerasan, elastisitas dan daktilitas tergantung pada ikatan antara atom.
Material nano telah menjadi bidang pusat kegiatan ilmiah dan teknis.
Selama tahun terakhir ini minat struktur nano pada aplikasi di berbagai perangkat
elektronik, optoelektronik, bio-sensor , photodetectors, sel surya, nanodevices,
plasmonic telah meningkat pesat (Yalcin, 2012).
Hal ini disebabkan oleh sifat unik struktur nano dan kinerja luar biasa dari
perangkat nano, permukaan struktur nano mulai menunjukkan sifat baru dan
menarik terutama karena efek ukuran kuantum (Yalcin, 2012).
Menurut Sajanlal et al (2010) yang termasuk material nano adalah : 0
dimensi (spheres dan cluster ); 1 dimensi (nanofibers, kabel, dan batang/ rod); 2
dimensi (film, plates, dan jaringan); 3 dimensi Nanomaterial. Nanorod adalah
subjek baru dan menarik, desain nano dan teknologi nano mengalami perubahan
revolusioner dalam tahun terakhir (Yalcin, 2012).
1
Universitas Sumatera Utara
Penelitian terhadap material nano terus berkembang mengingat sifat khusus
nya termasuk sifat magnet suatu material nano, salah satu bahan magnet yang
banyak digunakan adalah Barium Heksaferit (BaFe12O19). BaFe12O19 merupakan
magnet permanen (Yu, 2013; Ahmed et al, 2013; Choi et al, 2014; An et al,
2014a) berbasis ferit juga dapat ditulis sebagai Ba6.(Fe2O3) oleh (Kaynar et al,
2015). Magnet permanen merupakan salah satu material yang sangat luas
penerapannya seperti : pada sistem generator listrik, sistem penggerak
listrik/motor listrik, otomatisasi industri, perangkat penyimpanan data, peralatan
gelombang mikro, transformator, speaker dan sebagainya. Penggunaan magnet
permanen sangat ditentukan oleh sifat dan kualitas material magnet (Widyan and
Hanitsch, 2012). Pada aplikasi sistem otomatisasi elektronik, otomatisasi industri
dan sejenisnya memerlukan sejumlah magnet yang tidak sedikit dan spesifikasi
sifat magnet yang berbeda untuk setiap komponennya (Sardjono dkk, 2012b).
Menurut The Freedonia Group, Inc (2015) permintaan global untuk magnet
permanen dunia diperkirakan akan naik 7,3 persen per tahun, pada tahun 2019
mencapai $ 16 billion seperti pada Tabel 1.1.
Tabel 1.1 Kebutuhan Magnet Dunia
(© 2015 by The Freedonia Group, Inc.)
Item
Magnet Demand
North America
Western Europe
Asia/Pacific
Central & South Amarica
Eastren Europe
Africa/Mideast
2009
6630
685
680
4750
120
295
100
2014
2019
11400 16200
1300 1770
1310 1730
8020 11600
150
210
480
680
140
210
% Annual Growth
200920142014
2019
11.4
7.3
13.7
6.4
14.0
5.7
11.0
7.7
4.6
7.0
10.2
7.2
7.0
8.4
Penjualan magnet dunia akan naik 4,6 persen pertahun menjadi 1,2 juta ton.
Berdasarkan Tabel 1.1 kebutuhan magnet permanet di Indonesia juga cenderung
meningkat sesuai dengan kebutuhan industri di Indonesia. Kebutuhan magnet
permanen di Indonesia masih inport dan masih tahap penelitian untuk menuju
idustri magnet, hal ini sejalan dengan strategi kebijakan Kemenristekdikti periode
2
Universitas Sumatera Utara
2015 – 2019 yakni akan dibangunnya pusat keunggulan nasional untuk magnet
permanen.
Magnet permanen yang paling banyak digunakan adalah magnet berbasis
ferit baik logam maupun keramik. Salah satu magnet permanen keramik berbasis
ferit yang paling sering digunakan dan masih menjanjikan adalah barium
heksaferit (BaFe12O19) atau BaO.6(Fe2O3) karena mempunyai sifat : unggul, biaya
produksi rendah, temperatur Curie tinggi, berkoersivitas tinggi, stabilitas kimia
dan ketahanan korosi (Kaynar et al, 2015).
Barium heksaferit juga merupakan magnet oksida karena di dalamnya
terdapat oksigen,
morfologi nya cenderung berbentuk hexagonal. Magnet
berbasis oksida memiliki semua sifat-sifat umum dikaitkan dengan magnet
berbasis logam (atau berbasis atom), seperti remanensi, saturasi dan remanen
magnetisasi dan koersivitasnya (Miller, 2014). Menurut Kanagesana et al (2011)
koersivitas barium ferit tergantung dari banyak faktor seperti komposisi kimia,
ukuran partikel, derajat kristalinitas, mikro, anisotropi magnetik, dan lain-lain.
Beberapa hasil penelitian yang relevan sebelumnya morfologi barium
heksaferit yang diperoleh, umumnya berbentuk heksagonal (Mahgoob and
Hudeish, 2012; Li et al, 2012; Tan and Chen, 2013; Zhao et al, 2013; Ahmed et
al, 2013) dan bentuk bulat (Chen et. al, 2012; Khorrami et al, 2013; An et al,
2014b; Mosleh et al, 2014; Xu et al, 2015). Berdasarkan morfologi barium ferit,
medan magnet pada morfologi berbentuk batang (nanorod) akan lebih besar dari
pada morfologi berbentuk bulat (Mohapatra et al, 2015).
Untuk mendapatkan morfologi nanorod salah satunya dapat dilakukan
melalui proses kimia-basah yakni metode sol-gel dengan menggunakan dispersant
dan templat. Dispersant berfungsi untuk memperkecil ukuran morfologi untuk
mendapatkan berukuran nano sedangkan templat berfungsi sebagai pembentuk
morfologi yang diinginkan. Metode sol-gel adalah proses teknik kimia basah
(kimia solusi deposisi), yang telah banyak digunakan dibidang ilmu material
(Tseng et al, 2010). Metode sol-gel memiliki kelebihan tidak hanya dalam
mengurangi suhu tetapi juga dapat mengendalikan homogenitas larutan (Gurbuz et
al, 2012), Sol-gel dipandang sebagai metode yang berguna untuk mempersiapkan
3
Universitas Sumatera Utara
kristal nano BaFe12O19 (Kaynar etal, 2015) dengan menggunakan metode sol-gel
kita mudah menambahkan dispersant dan templat, salah satu jenis dispersant
adalah Kitosan.
Kitosan adalah polisakarida hewani diperoleh dari deasetilasi kitin (Elsabee
and Abdou, 2013). Kitosan bertindak sebagai dispersant struktural karena
mengandung amino dan hidroksil gugus fungsional yang mampu mengikat ion
logam. Kitosan dapat digunakan sebagai dispersant (Zhang et al, 2010). Kitosan
baik untuk partikel nano besi oksida (Tsai et al, 2010). Templat yang digunakan
pada penelitian yang relevan sebelumnya adalah templat sintesis antara lain :
(Ethylene Glycol (EG), Propylene Glycol (PG), Electrospun Polyethylene
Terephthalate)/ Citric Acid (EPT/CA) microfibers dan α-FeOOH, pada penelitian
ini templat yang digunakan merupakan templat organik alam yaitu pati.
Pati merupakan glucan yang dapat larut terdiri dari dua polimer glukosa,
amilopektin dan amilosa (Corre et al, 2010). Menurut Elgadir et al (2012) pati
berasal dari berbagai sumber botani berbeda dalam komposisi, struktur dan urutan
molekul konstituen polisakarida (amilosa dan amilopektin). Amilopektin memiliki
struktur bercabang sementara amilosa memiliki struktur linear. Kandungan
amilosa dalam pati ini diharapkan dapat bertindak sebagai templat nanorod. Salah
satu pati yang mudah diperoleh dan harganya relatif murah adalah pati tapioka,
penggunaan pati tapioka sekaligus menggunakan kearifan lokal.
Penelitian relevan sebelumnya yakni sintesis barium heksaferit yang
menghasilkan morfologi nanorod telah dilakukan oleh : Cao et al (2010)
menggunakan α-FeOOH untuk oksidasi , -FeOOH untuk membentuk inti kristal
menghasilkan partikel barium heksaferit bermorfologi seperti rod berukuran
diameter 7β,β4 nm (α) dan 74,74 nm (), dengan sifat magnet Ms = 51.30 emu/g,
Mr = 26.83 emu/g, Hc = 0,55β T (α) dan Ms = 49.99 emu/g, Mr = 24.33 emu/g,
Hc = 0,330 T (). Galvao et al (2014) menggunakan templat ethylene glycol
menghasilkan partikel barium heksaferit morfologi nanorod berukuran panjang 90
nm mempunyai sifat magnet saturasi magnetisasi (Ms) = 55 emu/g; koersivitas
(Hc)= 0,49 Tesla, Septiadi, A dan , Purwasasmita, B.S. (2014) menggunakan
templat tapioka menghasilkan partikel barium heksaferit morfologi nanorod
4
Universitas Sumatera Utara
berukuran diameter = 200 nm dan (200 – 500) nm, mempunyai sifat magnet
remanensi magnetisasi (Mr) = (23,2 dan 19,6) emu/g , koersivitas = (0,14 dan
0,12) T, Xu et al (β014) menggunakan templat α-FeOOH menghasilkan partikel
barium heksaferit bermorfologi nanorod berukuran panjang 250 nm mempunyai
sifat magnet Ms = 62,5 emu/g; Hc = 0,38 Tesla.
Secara umum sifat magnetik BaFe12O19 hasil penelitian sebelumnya adalah
sebagai berikut : momen saturasi nilai terendah 40 emu/g nilai tertinggi 70,2
emu/g, momen remanensi nilai terendah 23 emu/g nilai tertinggi 35,9 emu/g,
koersivitas nilai terendah 0,16 Tesla dan nilai tertinggi 0,65 Tesla.
Penelitian terhadap barium heksaferit ini juga dilakukan dengan
penambahan atom Neodymium (Nd) sebagai atom doping sehingga objek
penelitian menjadi Ba(Nd)xFe12O19. Atom Nd merupakan salah satu logam murni
golongan Lantanida yang disebut juga logam tanah jarang. Atom Nd memiliki 4
buah elektron berspin tunggal, secara teori sifat magnet suatu atom ditimbulkan
oleh gerak orbit dan spin elektronnya yang tidak berpasangan. Semakin banyak
jumlah spin elektron yang tidak berpasangan semakin mudah dimagnetisasi untuk
menjadi magnet. Dengan demikian atom Nd banyak digunakan untuk pembuatan
magnet permanen seperti magnet NdFeB. Pada penelitian ini atom Nd diperolaeh
dari garam Neodymium (III) Chloride Hexahydrate (NdCl3.6H2O). Penggunaan
Neodymium telah meningkat secara signifikan dalam tiga dekade terakhir setelah
penemuan paduan neodymium-boron-besi merupakan magnet permanen yang
sangat kuat. (Bizimis M. and Scher H.D., 2016). Walaupun jumlahnya terbatas,
neodymium memainkan peran utama dalam magnet permanen berkekuatan tinggi
sebagai dasar dari paduan Nd2Fe14B. Magnet permanen menunjukkan performa
yang luar biasa dalam industri elektronik dalam aplikasi seperti motor listrik, hard
drive komputer, dan generator listrik, serta menjadi perhatian pada aspek
pembuatan turbin angin dan peningkatan efisiensi (Zhang, Y., 2013)
Penelitian tentang magnet tidak hanya dilakukan secara eksperimen namun
juga dilakukan secara komputasi atau yang disebut komputasi material.
Komputasi material sudah menjadi suatu kebutuhan dalam penelitan material
terlebih lagi dalam era material nano. Penggunaan komputasi material
5
Universitas Sumatera Utara
membutuhkan sumber daya komputasi yang sangat besar seperti komputer paralel
dan sistem komputer multi prosesor ditambah dukungan teoritik yang kuat. Salah
satu cara penggunaan komputasi material adalah menghitung nilai kerapatan
elektron atom pembentuk molekul dan menghitung energinya untuk mengetahui
sifat fisis molekul suatu material.
Salah satu perangkat lunak desain molekul metrial adalah Quantum
Espresso yakni untuk membuat model suatu material dengan ukuran bulk
menerapkan Density Functional Theory (DFT) untuk menghitung kerapatan
elektron pada molekul suatu matrial yang akhirnya dapat diketahui sifat fisisnya
untuk merancang bangun suatu material.
Berdasarkan latar belakang diatas perlu dilakukan penelitian sebagai
alternatif dalam pembuatan bahan magnet permanen yang telah banyak digunakan
yakni Barium heksaferit bermorfologi nanorod (guna meningkatkan sifat magnet)
yang low cost dengan menerapkan metode sol-gel menggunakan templat dari pati
tapioka (kearifan lokal) dan membuat simulasi struktur molekulnya guna
mendukung strategi kebijakan Kemenristekdikti periode 2015 – 2019 yakni akan
dibangunnya pusat keunggulan nasional untuk magnet permanen. Sehubungan
dengan hal di atas maka penelitian disertasi ini berjudul : ―Sintesis Nanorod
Ba(Nd)xFe12O19 Menggunakan Templat Dari Pati Tapioka”. Pada penelitian
ini dilakukan sintesis barium heksaferit yang didoping atom Nd dengan variasi (0;
0; 5; 1 dan 1,5) % menerapkan metode sol-gel menggunakan kitosan sebagai
dispersant dan pati tapioka sebagai templat yang dilengkapi dengan simulasi
struktur
molekul
Ba(Nd)xFe12O19 serta
menghitung
nilai
magnetiknya
menggunakan komputasi material. Hasil penelitian ini diharapkan diperoleh
serbuk Ba(Nd)xFe12O19 bermorfologi nanorod untuk meningkatkan sifat magnet
serta model simulasi struktur molekulnya.
Penelitian ini bertujuan untuk memberikan alternatif pembuatan magnet
permanen
yang
hemat
energi
guna
mendukung
strategi
kebijakan
Kemenristekdikti periode 2015 – 2019.
6
Universitas Sumatera Utara
1.2
Rumusan Masalah
Berdasarkan uraian latar belakang di atas, maka dapat dibuat beberapa
rumusan masalah yaitu :
1. Bagaimana proses yang dilakukan dalam sintesis Ba(Nd)xFe12O19, x = (0; 0,5;
1 dan 1,5) % mol berbasis metode sol-gel menggunakan kitosan sebagai
dispersant dan templat dari pati tapioka 0,5% (w/v) sebanyak (5 % ; 10 % dan
15 %) v/v.
2. Bagaimana pengaruh penggunaan templat dari pati tapioka 0,5% (w/v)
sebanyak (5 % ; 10 % dan 15 %) v/v pada sintesis Ba(Nd)xFe12O19, x = (0;
0,5; 1 dan 1,5) % mol berbasis metode sol-gel menggunakan kitosan sebagai
dispersant terhadap struktur kristal yang terbentuk.
3. Bagaimana pengaruh penggunaan templat dari pati tapioka 0,5% (w/v)
sebanyak (5 % ; 10 % dan 15 %) v/v pada sintesis Ba(Nd)xFe12O19, x = (0;
0,5; 1 dan 1,5) % mol berbasis metode sol-gel menggunakan kitosan sebagai
dispersant terhadap morfologi yang terbentuk.
4. Bagaimana pengaruh penggunaan templat dari pati tapioka 0,5% (w/v)
sebanyak (5 % ; 10 % dan 15 %) v/v.pada sintesis Ba(Nd)xFe12O19 x = (0;
0,5; 1 dan 1,5) % mol berbasis metode sol-gel dengan menggunakan kitosan
sebagai dispersant terhadap sifat magnet.
5. Bagaimana proses yang dilakukan dalam pembuatan simulasi struktur
molekul Ba2NdxFe24O38.
1.3
Batasan Masalah
Pembahasan masalah yang dilakukan pada penelitian ini memiliki batasan-
batasan sebagai berikut :
1.
Metode yang digunakan pada sintesis Ba(Nd)xFe12O19 adalah metode Sol-gel.
2.
Dispersant yang digunakan adalah kitosan 1 % w/v
3.
Templat yang digunakan adalah pati tapioka 0,5 % w/v.
4.
Temperatur kalsinasi 10000C dan ditahan selama dua jam.
7
Universitas Sumatera Utara
5.
Alat ukur karakterisasi digunakan adalah : X-Ray Diffractometer (XRD),
Scanner Electron Microscope (SEM), Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy
(EDS) dan Vibration Sample Magnetometer (VSM).
6.
Ba(Nd)xFe12O19 yang terbentuk hanya berbentuk serbuk.
7.
Model
dan
simulasi
hanya
menggambarkan
struktur
Ba2Fe24O38;
Ba2NdFe24O38; Ba2Nd2Fe24O38 ; Ba2Nd3Fe24O38 ; Ba2Nd4Fe24O38; dan sifat
magnet Ba2NdFe24O38
8.
Perangkat lunak
pembuatan model dan simulasi
Ba(Nd)xFe12O19 adalah
Quantum Espresso berbasis Density Functional Theory (DFT).
1.4
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini berdasarkan rumusan masalah yang dibuat adalah
sebagai berikut :
1. Mengetahui proses yang dilakukan pada sintesis Ba(Nd)xFe12O19, x = (0; 0,5;
1 dan 1,5) % mol berbasis metode sol-gel menggunakan kitosan sebagai
dispersant dan templat dari pati tapioka 0,5% (w/v) sebanyak (5 % ; 10 % dan
15 %) v/v.
2. Menginvestigasi pengaruh penggunaan templat dari pati tapioka 0,5% (w/v)
sebanyak (5 % ; 10 % dan 15 %) v/v pada sintesis Ba(Nd)xFe12O19 , x = (0;
0,5; 1 dan 1,5) % mol berbasis metode sol-gel menggunakan kitosan sebagai
dispersant terhadap struktur kristal yang terbentuk.
3. Menginvestigasi pengaruh penggunaan templat dari pati tapioka 0,5% (w/v)
sebanyak (5 % ; 10 % dan 15 %) v/v pada sintesis Ba(Nd)xFe12O19 , x = (0;
0,5; 1 dan 1,5) % mol berbasis metode sol-gel menggunakan kitosan sebagai
dispersant terhadap morfologi yang terbentuk.
4. Menginvestigasi pengaruh penggunaan templat dari pati tapioka 0,5% (w/v)
sebanyak (5 % ; 10 % dan 15 %) v/v pada sintesis Ba(Nd)xFe12O19 , x = (0;
0,5; 1 dan 1,5) % mol berbasis metode sol-gel menggunakan kitosan sebagai
dispersant terhadap sifat magnet.
5. Mengetahui proses yang dilakukan dalam pembuatan simulasi struktur
molekul Ba2NdxFe24O38.
8
Universitas Sumatera Utara
6. Penelitian ini juga bertujuan sebagai alternatif dalam pembuatan magnet
permanen yang hemat energi dan hemat biaya.
1.5
Manfaat Penelitian
Hasil penelitian ini bermanfaat sebagai alternatif dalam proses pembuatan
magnet permanen di indusri magnet guna mendukung kebijakan pemerintah
tentang energi yang menjadi target nasioanal tercantum pada Rencana Induk Riset
Nasioanal yang tertuang pada strategi kebijakan Kemenristekdikti menekankan
pada proses pengembangan produk dan pengolahan logam tanah jarangsertaakan
dibangun
pusat
keunggulan
nasional
untuk
magnet
permanen
karena
menghasilkan magnet yang handal, prosesnya mudah, hemat energi dan
menggunakan templat organik alam (bahan lokal), meningkatkan nilai tambah
dari kearifan lokal dan dapat menekan biaya produksi.
1.6
Asumsi : Temperatur dan kelembaban ruangan Laboratorium di anggap
kostan.
1.7
Espektasi.
Pada penelitian ini dapat dibuat espektasinya sebagai berikut :
1. Dapat dibuat magnet permanen Ba(Nd)xFe12O19 bermorfolgi nanorod yang
dapat meningkatkan nilai magnetisasinya dengan proses berbiaya rendah.
2. Dapat dibuat simulasi struktur molekul Ba2Fe24O38 dan Ba2NdFe24O38
beserta nilai magnetiknya.
9
Universitas Sumatera Utara