TUGAS AKHIR – TF141581 MABRUROTUL UYUN

TUGAS AKHIR

• – TF141581

  

SINTESIS NANOPARTIKEL TiO RUTILE DENGAN MENGGUNAKAN

  2 PREKURSOR TiCl (PROSES HIDROLISIS DAN MINERALISASI) DAN

  3 PREKURSOR TiCl

  4 MABRUROTUL UYUN NRP 2411100027 Dosen Pembimbing I : Dr. Ing. Doty Dewi Risanti, ST.MT Dosen Pembimbing II : Dyah Sawitri, ST, MT

JURUSAN TEKNIK FISIKA

  Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2015

  APLIKASI TiO

2 DSSC (Gratzel , 2003) Pigment putih untuk cat (Zhizhong Wu , 2007)

  Campuran pewarna keramik (Diebold , 2002)

  PENDAHULUAN

  Stabilitas dan Indeks bias tinggi

  Rutile Brookite

  Anatase

  Rutile Penelitian Sebelumnya : Putri, 2014  TiCl +NH OH

  3

  4 o (D=130 nm, T=1000

  C) 50-700 nm

  Budiarti, 2014 TiCl +NaCl

  3

• NH OH (D=96,72 nm,

  4 o T=1000

  C)

  Rumusan Masalah rutile dengan perkursor TiCl

  Bagaimana pertumbuhan partikel TiO untuk

  2

  3 proses hidrolisis dan mineralisasi serta prekursor TiCl dengan variasi

  4 Temperatur dan waktu pemanasan terhadap ukuran kristal dan fraksi rutile yang dihasilkan.

  Tujuan Mengetahui pengaruh proses hidrolisis Prekursor TiCl , mineralisasi prekursor

  3 TiCl , dan dengan menggunakan prekursor TiCl terhadap ukuran kristal dan

  3 4 fraksi rutile yang dihasilkan dari TiO yang telah disintesis.

  2

  1 Batasan Masalah Pada sintesis proses hidrolisis, sintesis dilakukan pada temperatur 200 o

  C selama 5 jam, dengan Temperatur kalsinasi yaitu 200 o

  C selama 0,5

  2 Pada sintesis proses

mineralisasi,

sintesis dengan dua

kali kalsinasi,

temperatur untuk kalsinasi pertama yiatu 200 o

  C selama 5 jam, temperatur pada kalsinasi yang kedua yaitu 300 o

• – 5 jam

  C

  o C untuk waktu 2-6 jam.

  3 Pada sintesis Prekursor TiCl

  4 , Temperatur kalsinasi yang digunakan yaitu 800 o

  C dengan variasi waktu 2-12 jam.

• –700

  Titanium Dioxide Bahan semikonduktor ini

• Anatase Kalsinasi pada suhu yang rendah

  tidak beracun, Struktur tetragonal

• Kalsinasi pada suhu yang tinggi
• tersedia secara

  Lebih fotoaktif dibandingkan dengan

• Struktur tetragonal
• Rutile

  luas, dan biaya fase rutile

• Bandgap sesuai dengan penyerapan Stabil pada ukuran partikel kurang

  Struktur Orthorombic

  proses Fase yang paling tidak stabil spektrum cahaya matahari dari 11 nm

• pembuatannya
• Brookite

  Stabil pada ukuran partikel 11-35

  Stabil pada ukuran partikel lebih dari

  35 nm nm cukup rendah.

  (Gratzel, 2003) Memiliki 3 struktur kristal (Zhang,dkk.,2000)

  Metode Penelitian

  Sintesis TiO

  Penarikan Kesimpulan

  Analisa Data dan Pembahasan serta

  

  Karakterisasi BET

  

  XRD

  Karakterisasi

  

  TiCl4

  2 Prekursor

  

  Selesai Start

  Mineralisasi

  2 Proses

  Sintesis TiO

  

  Hidrolisis

  2 Proses

  Sintesis TiO

  

  Persiapan Alat dan Bahan

  

  

  Metode Penelitian Prekursor TiCl

3 Hidrolisis

  Mineralisasi TiCl

  3 + HCl 37% + HNO

3 TiCl

  3 + NaCl + NH

  4 OH Prekursor TiCl

  4 TiCl

  4 + NH

4 OH

  Contoh Spektrum XRD TiO

2 Counts

  _{150 TiO2} Anatase (JCPDS 00-021-1272)

  100 Rutile (JCPDS 00-021-1276)

  FWHM ₅₀ Brookite (JCPDS 00-029-1360)

  20 ^{30 40 50 60} Position [°2Theta] (Copper (Cu))

  Ukuran Kristal dan Fraksi Fase Rutile (Hasil XRD) Fraksi fase dihitung dengan menggunakan persamaan berikut (Zhang dalam Zhu, 2005) : Ukuran kristal dihitung dengan menggunakan persamaan Scherrer 0,884

  (Sardela, 2008) : = 0,884 + 2,721 +

  = =

• 2,721 + 0,884 cos

  2,721 =

• 0,884 + 2,721

  Dimana : D = ukuran kristal suatu bahan (nm) k = konstanta (k=0,89)

  Dimana : W , W , W = fraksi fase anatase, rutile, dan brookite

  λ = panjang gelombang sinar-X (Cu Kα) bernilai

  A R B

  0,154 nm A , A , A = intensitas fase anatase (101), rutile (110) dan

  A R B

  FWHM = full Width Half Maximum (dalam radian) brookite (121) θ = sudut difraksi

  Hidrolisis) 1200

  R A : Anatase B : Brookite

  1000 R R : Rutile

  R R 800

  R

  Berdasarkan karakterisasi XRD, pada waktu

  R R

5 Jam

  kalsinasi 0,5 dan 1,5 jam, mayoritas fase

  600 sitas

4 Jam rutile, namun masih terdapat fase anatase

  ten

  dan brookite. Sedangkan pada waktu 3, 4,

  In 400 dan 5 jam menghasilkan fase rutile murni.

3 Jam

  B A 200

  1,5 Jam 0,5 Jam

  20

  30

  40

  50

  60

  70

  

80

2 

  Hidrolisis)

• r
³ (nm) r ³ -r ³

  Dimana a dan b merupakan parameter model pertumbuhan kristal. Nilai a sebesar 0,9105 dan nilai b sebesar 0,554.

  =

  1 Pertumbuhan (growth) kristal terjadi secara difusi pada permukaan partikel, dengan n sebesar 1,8 (n≈2). Dengan temperatur 200

  o C, sudah didapatkan fase rutile.

  Karena sintesis berlangsung dalam suasana asam, dengan penambahan HNO

3. Fasa rutile murni didapatkan dalam keadaan asam (Bae,2009).

  1 ^{2 3 4 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 5 1000}

  Waktu Kalsinasi (Jam) r ³

  0.0 ^{0.2 0.4 0.6 0.8 1.0} Fr

  ak si Fase Rut ile

  Fraksi Fase Rutile _{7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 1.0 1.5} ^{2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5} ln (D ) ln (t) ln D sintesis Proses Hidrolisis

  Mineralisasi) Pada waktu kalsinasi 2 jam dan 4 jam, fase brookite masih sangat tinggi.

4 Jam

  Sedangkan pada waktu 6 jam, fase rutile yang dihasilkan semakin tinggi, sedangkan fase brookite melemah. ^{20 30 40 50 60 1400 1200 1000 800 600 400 70 200}

  2 Jam _B

  R _{R R R R R} ^B _{R (110) B A (101)}

  Inte nsit as

  2

   ^{300 500 700 20 30 40 50 60 1400 1200 1000 800 600 400 70 200}

  Ti ₃ ^{O R} _{5 R R} ^{B R}

_R

^{R B} _{A (101)} ^{R (110)} Inte nsit as

  2 ^{300 500 700 20 30 40 50 60 1400 1200 1000 800 600 400 70 200}

  6 Jam

  R _{R R} ^{R R} _{Ti 3 O} ^R _{5 R B B} ^{R R R (110) A (101)}

  Intensitas 2  ^{300 500 700}

  Mineralisasi) 300 400 500 600 700 800 900 1000 ^{20 40 60 140 120 80 100}

  U ku ran P art ik el R ut ile ( nm)

  Temperature ( ^o

  C) ^{2 Jam 4 Jam Fraksi NaCl 0, 5 jam(Budiarti, 2014) 6 Jam Fraksi NaCl 0,83, 5 jam (Budiarti, 2014) Fraksi NaCl 0,91, 5 jam(Budiarti, 2014) Fraksi NaCl 0,94, 5 jam (Budiarti, 2014) 2 4 6 8 10 12 800 600 400 14 200} T e mp e ra tu r ( ^o

  C) Waktu (Jam) NaCl

  NH ₄ OH

  2 ^{4 6 8 10 12 T 1000 800 600 400 14 200 e mp e ra tu r ( o C) NaCl + NH 4 OH HCl}

  Mineralisasi) o

  Pada Temperatur 700 _o C, tingkat pertumbuhan (growth) kristal

  ln D (300

  C) terjadi secara _o difusi pada permukaan partikel, karena nilai n ≈ ln D (500

  C) ₅ = _o 2. ln D (700

  C) o o

  Sedangkan pada Temperatur 300 C dan 500 C pertumbuhan kristal secara interface dissolution (larut dipermukaan), adanya ₄ disolusi antar muka partikel, karena nilai n > 4.

  ) Temperatur Parameter a Parameter b n

  1

  ln (D

  =

  o ₃ Kalsinasi (

  C) 300 1,952 0,162 6,17 _{8.8 9.0 9.2 9.4 9.6 9.8 10.0} 500 2,165 0,113 8,85 700 1,772 0,435 2,29 ln (t)

  Mineralisasi)

  Nilai k didapatkan dari Dengan menggunakan persamaan Gibbs- persamaan Arrhenius,

  Thomson : energy aktivasi dapat

  3

  3

  − = ditentukan :

  2 Jam

  4 Jam

  ln = − ₃

  6 Jam

• ln
₂ Ea (2 Jam) = 65,25 kJ/mol ₁ Ea (4 Jam) = 61,78 kJ/mol Ea (6 Jam) = 72,39 kJ/mol

  k ln -1

• _-2
• _-3

  Energi aktivasi paling rendah adalah pada sampel _-4 dengan waktu kalsinasi 4 jam. _{0.00105 0.00120 0.00135 0.00150 0.00165 0.00180} Hal ini sesuai dengan hasil fraksi fase dari pengujian

  XRD, dimana pada waktu 4 jam merupakan transisi

1/T (K)

  dari fase brookite rutile

  (Prekursor TiCl

  C) TiCl ₃ (800 ^o

  C. Dengan menggunakan prekursor TiCl

  o

  C-900

  o

  kemungkinan berlangsung pada waktu yang lebih lama untuk temperatur pemanasan 800

  3

  Transisi fase dari anatase ke rutile dengan menggunakan prekursor TiCl

  (Jam)

  ) Waktu K alsinasi

  Fa se R util e (%

  C) Fra ksi

  C) TiCl ₃ (1000 ^o

  TiCl ₄ (800 ^o

  4 )

  TiCl3 800 T iC l3 100

  2 ^{4 6 8 1 0 1 2 20 40 60 80 100} TiC l4 80

  10 Jam (Putri, 2014)

  4 Jam (Putri, 2014)

  2 Jam (Putri, 2014)

  In ten sitas

  12 Jam R A R A R A

  10 Jam

  4 Jam

  2 Jam

  In ten sitas

  15 ^{20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 1020 680 340 1020 680 70 340 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70} A R R R R A R R R R R A

  4 pertumbuhan rutile yang dihasilkan lebih cepat.

  (Prekursor TiCl )

  4 35000

  Fraksi Fase Rutile _1.0 Pada Temperatur yang tinggi, pertumbuhan partikel ₃₀₀₀₀ Jari-jari _0.8 yang terjadi akan lebih cepat. Laju pertumbuhannya ₂₅₀₀₀

  dapat ditentukan oleh pengaruh waktu (Coronado, 2008). Semakin lama waktu pemanasan dan semakin

  ile ut m) _0.6 R

  tinggi temperatur, maka ukuran partikel dan fraksi ₃ (n ₂₀₀₀₀

  ase

  fase rutile semakin meningkat. Jika temperatur naik, ₃ -r

  F r _0.4 si ak ₁₅₀₀₀

  maka kecepatan nukleasi akan naik, sehingga jumlah

  Fr _0.2 partikel yang dihasilkan akan semakin banyak. ₁₀₀₀₀

  Dengan waktu yang lama, maka partikel tersebut _{5000 0.0} akan lebih lama memperbesar diri, sehingga ukuran _{2 4 6 8 10 12} partikel yang dihasilkan akan semakin besar.

  Waktu Kalsinasi (Jam)

  (Prekursor TiCl )

  4 ln D (Sintesis Prekursor TiCl )

  4

  6.0

5.5 Nilai parameter a yaitu sebesar 1,199

  5.0

  sedangkan untuk nilai parameter b yaitu

  4.5 sebesar 0,526.

  4.0

  1 =

  3.5 )

  Sehingga didapatkan nilai n sebesar 1,9 (n≈2),

  3.0 ln (D

  maka pertumbuhan (growth) kristal terjadi

  2.5 secara difusi pada permukaan partikel.

  2.0

  1.5

  1.0

  8.0

  8.4

  8.8

  9.2

  9.6

  10.0

  10.4

  10.8 ln (t)

  Hidrolisis) Roughness Factor

  Porositas Waktu Luas Volume Diameter Ukuran Kalsinasi Permukaa Pori Pori (nm) Partikel

  2 (Jam) n (m /g) (cc/g) BET (nm) 3 26,86 0,103 3,77 52,79

  = = 1 − −1

• 4 46,85 0,101 3,27 30,28 5 24,40 0,061 3,75 58,12 Waktu Porositas Roughness AN (50)

  Semakin lama waktu pemanasan, ukuran partikel

  Kalsinasi (%) Factor

  yang dihasilkan semakin besar, dan luas

  (Jam) (µm) permukaan akan semakin kecil.

  Semakin lama waktu pemanasan, volume pori

  3

  30,35 79,16 42,65 yang dihasilkan semakin kecil.

  4 29,93 138,85 1,96 5 20,51 82,05 2,99

  Mineralisasi) Waktu Kalsinasi (Jam) Temp. Kalsinasi ( O

C) Luas Permukaan (m

  2 /g) Volume Pori (cc/g) Diameter Pori (nm) Ukuran Partikel BET (nm)

  2 300 775,052 2,704 3,411 1,830 500 22,314 0,042 5,668 63,567 700 20,722 0,125 17,066 63,567

  4 300 8,306 0,011 3,06 170,772 500 4,555 0,006 3,322 311,402 700 1,22 0,002 3,329 1165,52

  6 300 55,937 0,396 6,066 25,357 500 50,736 0,130 6,539 27,957 700 29,26 0,122 7,041 48,477

  Temp. Kalsinasi ( O

  C) Waktu Kalsinasi (Jam) Porositas (%) Roughness Factor

  (µm) AN (50) 300 2 91,960 263,579 0,002

  4 4,446 33,572 608,739 6 62,618 88,449 4,726 500 2 15,086 80,148 1,354

  4 2,475 18,790 136,771 6 35,480 138,467 0,099 700 2 34,587 57,336 0,354

  4 0,838 5,104 896,168 6 34,587 81,63 0,064

  Nilai porositas (P) yang baik digunakan untuk DSSC adalah sekitar 0,41, karena pada porositas 0,41 daya maksimum yang dihasilkan lebih besar (Ni, dkk., 2006).

  Nilai roughness factor yang ideal untuk DSSC berkisar ~1000. ketika nilai roughness factor mendekati 1000, maka lapisan nanopartikel dapat menjebak pewarna yang cukup (Law, dkk., 2005).

  Mineralisasi) Rasio Derajat

  3 AN 50 = Aglomerasi

  3

  2 Jam

  Pada sampel dengan waktu kalsinasi 4 jam

  800

  4 Jam

  6 Jam

  memiliki nilai luas permukaan yang kecil jika dibandingkan dengan sampel dengan waktu

  600

  kalsinasi 2 jam dan 6 jam. Luas permukaan yang kecil menyebabkan adanya aglomerasi

  0)) 400

  kasar, sehingga ukuran partikel yang terbentuk

  (5 menjadi besar (Hsiang, 2007). (AN

  200 300 400 500 600 700

  o

  Temperatur Kalsinasi (

  C)

  Derjat aglomerasi tertinggi pada sintesis proses mineralisasi

  o

  dengan temperatur pemanasan 700 C dengan waktu

  TiCl )

4 Waktu Luas Volume Diameter Ukuran Waktu Porositas (%) Roughness AN (50) Kalsinasi Permukaan Pori Pori (nm) Partikel Kalsinasi Factor (µm)

  2 (Jam) (m /g) (cc/g) BET (nm) (Jam) 2 14,737 0,050 3,754 96,25 2 17,46 51,45 13,62 4 14,314 0,072 3,750 99,09 4 23,59 46,26 24,53 10 6,639 0,043 3,352 213,65

  10 15,39 23,76 44,02 12 8,229 0,039 3,309 172,37 12 14,16 29,88 21,54

  Semakin lama waktu pemanasan, ukuran partikel yang dihasilkan semakin besar, dan luas permukaan akan semakin kecil. Volume pori yang dihasilkan semakin kecil.

  KESIMPULAN Dari beberapa proses sintesis yang telah dilakukan, fase rutile murni cepat

  1 terbentuk pada keadaan asam menggunakan HNO .

  3 Ukuran partikel terbesar didapatkan pada proses mineralisasi dengan o

  2 temperatur 700 C selama 4 jam, yaitu sebesar 120,89 nm, dapat digunakan sebagai scattering layer .

  Dari hasil pengujian BET nilai porositas mendekati 0,41 terdapat pada

  3 sintesis proses mineralisasi, sehingga efektif digunakan sebagai photoanode.

DAFTAR PUSTAKA

  Universitas of Colorado. Mineral Structure and Property Data

   <ruby.colorado.edu/~smyth/min/tio2.html> Yu, I. G., Kim, Y. J., Kim, H. J., Lee, C., and Lee, W. I. 2010. “Size-dependent light-scattering effect of

   nanoporous TiO spheres in dye-sensitized solar cells”. J. Mater. Chem., 2011, 21, 532-538.

2 Grätzel, M., 2003.” Dye-sensitized solar cells”. Journal of Photochemistry and Photobiology C:

   Photochemistry Reviews, vol 4, hal 145–153 Avci, N., Smet, P.H., Poelman, H., Velde, N.V.D., Buysser, K. D., Driessche, I.V., Poelman, D., 2009.

   “Characterization of TiO2 powders and thin films prepared by non-aqueous sol–gel techniques”. J Sol-Gel

  Sci Technol DOI :10.1007/s10971-009-2028-9

  Zhang, H., Banfield, J.F., 2000. “Understanding Polymorphic Phase Transformation Behavior during

   Growth of Nanocrystalline Aggregates: Insights from TiO ”. J. Phys. Chem. B, vol 104, hal 3481-3487

2 Dinnebier, Robert E. & Friese, K. “Modern XRD Methods in Mineralogy”.

  

  TERIMA KASIH  TERIMA KASIH 

  TERIMA KASIH 

  TERIMA KASIH  TERIMA KASIH 

  TERIMA KASIH  TERIMA KASIH 

  TERIMA KASIH 

  TERIMA KASIH  TERIMA KASIH 

TERIMA KASIH 

TERIMA KASIH 

  TERIMA KASIH  TERIMA KASIH 

  TERIMA KASIH  TERIMA KASIH 

  TERIMA KASIH  TERIMA KASIH 

  TERIMA KASIH  TERIMA KASIH 

  TERIMA KASIH 

  TERIMA KASIH  TERIMA KASIH 