Stefanus Haryo Nugroho 2706 100 017 Dosen Pembimbing : Diah Susanti, ST, MT, Ph.D Hariyati Purwaningsih, SSi, MSi Jurusan Teknik Material dan Metalurgi Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember 2011 www.wondershare.com
PENGARUH KALSINASI TERHADAP PEMBENTUKAN NANOPARTIKEL TUNGSTEN TRIOKSIDA HASIL PROSES SOL-GEL
www.wondershare.com
Latar Belakang Metode sol-gel sebagai metode sintesis nanopartikel yang sederhana, murah dan mudah.
Aplikasi tungsten trioksida banyak digunakan untuk sensor gas, selain itu pembuatan kain fireproofing dan sebagai pigmen kuning pada keramik, selain itu digunakan untuk membuat tungstates untuk layar x-ray. www.wondershare.com
Sumber: _____, 2010. “File: TungstenOxideSmall.jpg”. (http://en.wikipedia.org/wiki/File: TungstenOxideSmall.jpg, diunduh tanggal 07 Desember 2010).
Gambar 2.2 Tungsten Trioksida (WO3)
Batasan Masalah • Temperatur saat holding pada kalsinasi dianggap konstan • Pada proses pengadukan, temperatur dan kecepatan dianggap konstan • Pengotor serbuk diabaikan
www.wondershare.com
Tujuan Penelitian Mempelajari pembentukan nanopartikel tungsten trioksida yang diperoleh dari reaksi WCl6 dengan alkohol menggunakan metode sol-gel
Mempelajari pengaruh temperatur kalsinasi terhadap morfologi permukaan, ukuran partikel dan struktur kristal nanopartikel dari WO3
www.wondershare.com
Manfaat Penelitian Penelitian ini bermanfaat untuk menghasilkan nanopartikel tungsten trioksida dari reaksi WCl6 dengan alkohol menggunakan metode sol-gel sehingga dapat digunakan untuk referensi pembuatan sensor gas dan penelitian lainnya.
www.wondershare.com
Teknik Sol-gel • Teknik sol-gel adalah teknik kimia basah untuk pembuatan bahan (biasanya logam oksida) mulai dari larutan kimia yang bereaksi untuk menghasilkan partikel koloid nanosized (atau sol) yang bertindak sebagai prekursor. Prekursor adalah logam alkoxides dan logam yang mengalami reaksi hidrolisis dan polycondensation. Hasilnya adalah sebuah sistem yang terdiri dari partikel padat (ukuran mulai dari 1 nm sampai 1 μm) yang tersebar dalam pelarut. www.wondershare.com
Teknik Sol-gel Beberapa keuntungan teknik sol-gel: • Dalam aplikasi penginderaan, materi sensitif dapat dihasilkan dengan menambahkan beberapa unsur dalam matriks sol-gel selama sintesis, yang tidak berinteraksi secara kimia dengan lingkungannya.
www.wondershare.com
Teknik Sol-gel • pembentukan lapisan tipis yang sangat tinggi yaitu lapisan tipis, dalam kisaran nanometer. • Metode Sol-gel sederhana, biaya yang sedikit, dan sintesa dalam temperatur relatif rendah.
www.wondershare.com
Kalsinasi • Proses kalsinasi adalah proses perlakuan panas yang diterapkan pada sebuah bahan yang bertujuan untuk dekomposisi termal, transisi fasa, dan penghapusan fraksi volatile. Proses kalsinasi terjadi pada temperatur di bawah titik lebur bahan.
www.wondershare.com
Kalsinasi • Proses ini juga berperan dalam proses penghilangan air, karbon dioksida atau gas lain. • Kalsinasi adalah thermal treatment agar terjadi dekomposisi dan juga untuk mengeliminasi senyawa yang berikatan secara kimia (Husni, 2010).
www.wondershare.com
Kalsinasi • Semakin tinggi temperatur kalsinasi semakin besar ukuran partikel seperti terlihat dalam gambar 2.4. Hal ini disebabkan karena proses kalsinasi akan menyebabkan reaksi zat padat, pengkristalan dan terjadi peleburan sehingga ikatan akan terlepas. Kalsinasi dilakukan pada suatu bahan untuk memutus ikatan molekul antar senyawa pada bahan tersebut.
Kalsinasi
Sumber: Wang, S.H., Chou, T.C., dan Liu, C.C., 2003. “Nano-crystalline tungsten oxide NO2 sensor”. Sensors and Actuators B 94 (2003) 343-351.
Gambar 2.4 pengaruh proses kalsinasi terhadap morfologi permukaan dari thin film tungsten oxide dengan variasi temperatur (a) 350 oC; (b) 450 oC; (c) 550 oC dan (d) 650
Bahan • Serbuk Tungsten (VI) Hexaklorida (>99,99%) • Ethanol • Ammonia hidroxida solution (NH4OH) • Perak nitrat solution • Surfactant (Triton X-100)
www.wondershare.com
Alat • • • •
Hot Plate Stirrer Alat Centrifuge Furnace Scaning electrone microscope (SEM) dan Transmission Electron Microscope (TEM) untuk mengetahui morfologi permukaan dan ukuran partikel • X-Ray diffraction (XRD) untuk mengetahui strutur kristal www.wondershare.com
Alat • • • • •
Neraca Analit Micropipete Gelas ukur Crucible Erlenmeyer
www.wondershare.com
Flow Chart
Start
Tungsten (VI) Chlorida dilarutkan dengan etanol dan NH4OH Melakukan pengadukan dalam temperatur es Ion chloride dihilangkan dengan Aquades Titrasi dengan perak nitrat centrifuge untuk memisahkan endapan dari larutan Peptization endapan dengan NH4OH + 50µm surfactant
Terbentuk Tungsten Oxide Gel A
Ion clmasih ada
A
Tungsten Oxide Gel dikalsinasi dengan variasi temperatur 300 oC, 400 oC, 500 oC dan 600 oC
Pengujian Identifikasi Fasa (X-ray Diffraction)
Pengamatan Morfologi Permukaan (SEM)
Analisa data dan pembahasan
Kesimpulan
End
www.wondershare.com
Pengamatan struktur mikro (TEM)
SEM (Scanning Electron Microscope) • Scanning Electron Microscope adalah jenis mikroskop elektron yang menampilkan gambar permukaan sampel dengan memindai sinar elektron berenergi tinggi dalam pola raster scan. Elektron berinteraksi dengan atom-atom menghasilkan sinyal yang berisi informasi tentang topografi permukaan sampel, komposisi dan sifat-sifat lain seperti konduktivitas listrik. www.wondershare.com
SEM (Scanning Electron Microscope) • Jenis sinyal yang dihasilkan oleh SEM termasuk elektron sekunder, backscaterred electron (BSE), karakteristik sinar-X, cahaya (cathodoluminescence) dan elektron
Sumber: _____, 2010. “Field emission scanning electron microscopes (FE-SEM) with EsB (in-column) ULTRA”. (http://www.directindustry.com/prod/carl-zeiss-smt-nano-technology-systems-division/field-emission-scanningelectron-microscope-fe-sem-with-esb-in-column-22691-57799.html, diunduh tanggal 07 Desember 2010).
Gambar 3.1Scanning Electron Microscope www.wondershare.com
X-ray Diffraction (XRD) • X-ray Diffraction (XRD) biasa digunakan untuk mempelajari struktur Kristal dan komposisi kimia nanopartikel. • Posisi puncak dalam pola difraksi sinar-X dapat digunakan untuk menentukan komposisi kimia dan fasa kristal nano partikel.
sumber: _____,. “Episode 530: X- ray diffraction”. (http://tap.iop.org/atomic/xray_neutron _diffraction/page_40431.html, diunduh tanggal 07 Desember 2010).
Gambar 3.3 difraksi sinar-X dari Kristal www.wondershare.com
Transmission Electron Microscope (TEM) • Transmission Electron Microscope (TEM) adalah sebuah mikroskop teknik dimana seberkas elektron ditembakan melalui spesimen ultra tipis. Sebuah gambar dibentuk dari interaksi elektron ditembakan melalui spesimen, gambar diperbesar dan difokuskan ke perangkat imaging, seperti layar neon, pada lapisan film fotografi, atau dideteksi oleh sensor seperti CCD kamera.
www.wondershare.com
Sumber: ____,. “Transmission electron microscopy (TEM)”. (http://nzforu.com/microscopes/transmissionelectron-microscope-tem/, diunduh tanggal 07 Desember 2010).
Gambar 3.4 Transmission Electron Microscope (TEM)
Metode Penelitian • Tungsten (VI) Hexaklorida (WCL6) dicampur dengan etanol dan 0,5M NH4OH • Larutan diaduk dalam temperatur es. Ion klorida dihapus menggunakan aquades sampai tidak ada endapan putih AgCl muncul ketika dititrasi dengan larutan 0,1M perak nitrat.
www.wondershare.com
Metode Penelitian • Endapan dipisahkan dari larutan yang tersisa menggunakan centrifuge. • Endapan kemudian dipeptized oleh ammonia hidroksida, dan surfactant (Triton X-100) ditambahkan ke dalam larutan. • Diperoleh tungsten trioksida sol.
www.wondershare.com
Metode Penelitian • Sol Tungten Trioksida di kalsinasi dengan variasi temperatur 300 oC, 400 oC, 500 oC dan 600 oC. • Serbuk hasil kalsinasi kemudian di uji dengan pengujian Scanning Electron Microscope (SEM) dan Pengujian Transmission Electron Microscope (TEM). • Fasa Kristal diperiksa oleh pengujian XRay Diffraction (XRD). www.wondershare.com
Proses Kalsinasi • Proses kalsinasi dilakukan dalam furnace dengan variasi temperatur 300 oC, 400 oC, 500 oC dan 600 oC dengan waktu tahan selama 1 jam dan dilakukan pendinginan atmosfir. T oC
t (holding) = 1 jam
t (sekon)
Gambar 3.5 grafik proses kalsinasi
Analisa XRD
www.wondershare.com
Analisa XRD • Dari pola XRD menunjukan puncak-puncak yang semakin tajam dan intensitas yang semakin tinggi dengan dengan kenaikan temperatur. Pada temperatur kalsinasi 300 oC dan 400 oC terlihat puncak dari pola XRD yang lebar dengan intensitas yang rendah yang menunjukan struktur menyerupai material yang bersifat amorphous.
www.wondershare.com
Analisa XRD • Hal ini disebabkan karena masih adanya kandungan air kimiawi (air kristal ) pada sampel tersebut. Dengan kenaikan temperatur, air kristal akan berkurang sehingga struktur material mendekati bentuk kristal seperti ditunjukan pada pola XRD untuk temperatur kalsinasi 500 oC dan 600 oC, puncak yang tajam dan intensitasnya yang tinggi.
www.wondershare.com
Analisa XRD • Ukuran kristal berbagai temperatur dihitung menggunakan rumus Scherrer Kλ D =B Cosө __
Dimana: K adalah tetapan scherrer (biasanya 0.9) λ adalah panjang gelombang (Ǻ) B adalah sudut garis difraksi di setengah tinggi maksimum difraksi (FWHM) (rad) ө adalah sudut Bragg (o) www.wondershare.com
Analisa XRD • Struktur kristal diperiksa menggunakan program Match, yang mengindikasikan bahwa pada temperatur 300 oC dan 400 oC struktur kristalnya hexagonal (kartu JCPDS 85-2459) dan pada 500 oC dan 600 oC struktur kristalnya monoklinik (kartu JCPDS 83-0950).
www.wondershare.com
Analisa XRD Temperatu r 300 oC 400 oC 500 oC 600 oC
λ(Ǻ) 1.54056 0 1.54056 0 1.54056 0 1.54056 0
B(rad)
Ө(o) Cos ө D (nm) Struktur mikro
0.018 11.61 6 0.013 11.82 7 0.006 12.1 8 6 0.004 12.1 9 6
JCPDS
0.98
7.31 Hexagonal
85-2459
0.98
9.92 Hexagonal
85-2459
0.98
20.40 Monoklinik
83-0950
0.98
28.36 Monoklinik
83-0950
Dari tabel diatas dapat kita simpulkan bahwa semakin tinggi temperatur semakin besar pula ukuran kristal serbuk WO3.
www.wondershare.com
Analisa XRD Abdullah dalam jurnalnya mengindikasikan hal yang sama seperti pada Tabel diatas. Abdullah menggunakan teknik Colloidal Gas Aphrons (CGAs) untuk mendapatkan nanopartikel WO3 dengan temperatur kalsinasi 400 oC, 500 oC, 600 oC dan 700 oC dengan holding time selama 4 jam. (Abdullah, 2004)
Temperatur Ukuran kristal (nm)
400 oC
500 oC
600 oC
700 oC
30 ± 5
50 ± 5
150 ± 10
200 ± 10
www.wondershare.com
ANALISA SEM • Morfologi permukaan dari serbuk tungsten trioksida dari hasil SEM (Zeiss EVO MA 10).
www.wondershare.com
ANALISA SEM
www.wondershare.com
ANALISA SEM
www.wondershare.com
ANALISA SEM
Temperatur Ukuran (nm)
partikel
300 oC
400 oC
500 oC
600 oC
277-780
137-550
50-500
25-125
www.wondershare.com
ANALISA SEM • Dari Gambar dan Tabel diatas mengindikasikan bahwa partikel-partikel WO3 cenderung membentuk agregat dengan partikel yang lain. Kecenderungan ini semakin berkurang dengan kenaikan temperatur. Pada Gambar hasil SEM dengan temperatur 300 oC terlihat bahwa partikel-partikel membentuk cluster yang masing-masing cluster terdiri dari 8-20 partikel. www.wondershare.com
ANALISA SEM • Wang dalam jurnalnya yang memakai raw material WCl6 dan proses sol-gel yang sama, namun hasil bentuk WO3 dalam bentuk lapisan film tipis. Wang menyimpulkan bahwa semakin tinggi temperatur semakin besar ukuran partikel pada film tipis WO3, sedangkan dalam penelitian ini menggunakan material serbuk. (Wang, 2003) www.wondershare.com
ANALISA TEM • Morfologi permukaan dan ukuran partikel dari tungsten trioksida dengan resolusi yang lebih tinggi dibandingkan dari hasil SEM didapatkan dari pengujian TEM (JEOL JEM-1400)
www.wondershare.com
ANALISA TEM
www.wondershare.com
ANALISA TEM
www.wondershare.com
ANALISA TEM • Analisa TEM pada temperatur kalsinasi 600 oC menunjukan bahwa adanya agregasi dari unit-unit partikel seperti pada gambar perbesaran skala 10nm dan 20nm. Partikel Agregasi tersebut membentuk seperti partikel yang lebih besar dapat terlihat dalam gambar perbesaran skala 50 nm. www.wondershare.com
ANALISA TEM • Agregasi ini disebabkan karena tungsten trioksida adalah material higroskopis, yang memiliki kemampuan menyerap molekul air yang baik. Hal inilah yang menyebabkan partikel-partikel tersebut berkumpul menjadi satu dan tidak homogen. • Ukuran partikel dari serbuk tungsten trioksida dengan temperatur 600 oC adalah sekitar 4-20 nm, dan satu agregasi partikel sekitar 10-60 nm. www.wondershare.com
Kesimpulan • Tungsten trioksida (WO3) nanopartikel telah dapat disintesa dengan menggunkan metode sol-gel dengan precursor WCl6, ethanol dan NH4OH • Berdasarkan hasil XRD diketahui pada temperatur kalsinasi 300 oC – 400 oC struktur kristalnya hexagonal. Pada 500 oC dan 600 oC struktur kristalnya monoklinik. Ukuran kristal didapatkan dari rumus Scherer. www.wondershare.com
Kesimpulan • Semakin besar temperatur kalsinasi semakin besar pula ukuran kristal. • Pada temperatur kalsinasi 300 oC dan 400 oC terlihat puncak dari pola XRD yang lebar dengan intensitas yang rendah yang menunjukan struktur menyerupai material yang bersifat amorphous.
www.wondershare.com
Kesimpulan • Hal ini disebabkan karena masih adanya kandungan air kimiawi (air kristal ) pada sampel tersebut. Dengan kenaikan temperatur, air kristal akan berkurang sehingga struktur material mendekati bentuk kristal seperti ditunjukan pada pola XRD untuk temperatur kalsinasi 500 oC dan 600 oC, puncak yang tajam dan intensitasnya yang tinggi. www.wondershare.com
Kesimpulan • Dari hasil foto SEM diketahui ukuran partikel pada temperatur kalsinasi 300 oC sekitar 277-780 nm, pada temperatur kalsinasi 400 oC sekitar 100-500 nm, pada temperatur kalsinasi 500 oC sekitar 50-500 nm dan pada temperatur kalsinasi 600 oC sekitar 25-125 nm.
www.wondershare.com
Kesimpulan dan Saran • partikel-partikel WO3 cenderung membentuk agregat dengan partikel yang lain. Kecenderungan ini semakin berkurang dengan kenaikan temperatur. Pada hasil SEM dengan temperatur 300 oC terlihat bahwa partikel-partikel membentuk cluster yang masing-masing cluster terdiri dari 8-20 partikel. www.wondershare.com
Kesimpulan • Dari hasil foto TEM menunjukan temperatur kalsinasi 600 oC menunjukan bahwa adanya agregasi dari unit-unit partikel seperti pada gambar dalam pembesaran 20 nm. • Partikel Agregasi tersebut membentuk seperti partikel yang lebih besar dapat terlihat dalam gambar pada pembesaran 50 nm. www.wondershare.com
Kesimpulan • Ukuran partikel dari serbuk tungsten trioksida dengan temperatur 600 oC adalah sekitar 4-20 nm, dan satu agregasi partikel sekitar 10-60 nm.
www.wondershare.com
Saran • Melakukan analisa Direct Thermal Analysis untuk mengetahui nilai temperatur saat terjadi perubahan fasa dari hexagonal ke monoklinik. • Melakukan analisa Thermal Gravimetri Analysis untuk mengetahui kandungan air kristal pada berbagai temperatur
www.wondershare.com
Saran • Melakukan analisa Fourier Transform Infrared Spectrophotometer untuk mengidentifikasi senyawa kimia yang terkandung dalam spesimen. • Melakukan analisa High Resolution – Transmission Electron Microscopy untuk mengetahui ukuran partikel, space lattice dan difraksi kristal. www.wondershare.com
