kajian tentang sintesis metode sol-gel, karakterisasi dan aplikasinya ...

Prosiding Seminar Nasional Kimia, ISBN: 978-602-0951-05-8 Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Surabaya, 3-4 Oktober 2015

C - 177

FOTOKATALIS TIO2-N : KAJIAN TENTANG SINTESIS METODE SOL-GEL,

KARAKTERISASI DAN APLIKASINYA

TIO2-N PHOTOCATALYST : STUDY ON THE SYNTHESIS SOL-GEL METHOD, CHARACTERIZATION AND APPLICATION

Emas Agus Prastyo Wibowo

Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Semarang Kel. Sekaran, Kec. Gunung Pati, Semarang, Jawa Tengah 50229

(024) 8508093 Email :[email protected]

Abstrak. Telah dilakukan kajian tentang material titanium dioksida ( ) terdoping nitrogen berkaitan dengan sintesis, sifat fisik dan aplikasinya. Fotokatalis merupakan metode alternatif untuk pengolahan air limbah dan adalah katalis yang banyak digunakan, digunakan karena inert, tidak bersifat toksik, dan murah. Berdasarkan kajian yang dilakukan, terdapat beberapa faktor yang mempengaruhi fotoaktivitas TiO terdoping nitrogen antara lain konsentrasi nitrogen terdoping dan ukuran partikel. Metode preparasi terdoping nitrogen sangat berpengaruh terhadap kedua sifat fisik tersebut, dimana metode pendekatan sol-gel menjadi teknik yang paling efektif untuk mengontrol tingkat doping nitrogen dan ukuran partikel. Adanya nitrogen yang terdoping pada mampu memberikan pergeseran serapan hingga panjang gelombang 700 nm dan semakin banyak konsentrasi nitrogen terdoping memberikan pergeseran serapan yang semakin lebar ke daerah visibel. Kata kunci: doping, fotokatalis, N- Abstract. Has conducted studies on the material titanium dioxide doped nitrogen associated with the synthesis, physical properties and applications. Photocatalyst is an alternative method for wastewater treatment and catalyst is used, it is used as an inert, non-toxic, and inexpensive. Based on the studies conducted, there are several factors that influence the nitrogen doped fotoaktivitas include doped nitrogen concentration and particle size. preparation method nitrogen is very influential on both the physical properties, which the sol-gel method of approach to be the most effective technique to control the level of doping nitrogen and particle size. The presence of nitrogen doped in capable of delivering up to shift the absorption wavelength of 700 nm and the more the concentration of nitrogen doped provide absorption shift that is widening to the visible area. Keywords: dopping, photocatalyst, N-

PENDAHULUAN

Fotokatalis pada permukaan merupakan salah satu metode alternatif untuk pengolahan air limbah. Semikonduktor digunakan secara luas sebagai fotokatalis, karena bersifat inert secara kimia maupun biologi, tidak bersifat toksik, dan tidak mahal. Pada proses fotokatalitik, ketika semikonduktor

mengabsorbsi sinar UV, yang berenergi sama atau lebih besar dari celah energinya (3-3,2 EV), maka energi foton yang akan digunakan oleh elektron untuk pindah dari pita valensi ke pita konduksi. Elektron yang telah berada di pita konduksi akan bebas bergerak, termasuk kepermukaan partikel dan berpindah ke spesi penangkap elektron disekitar partikel. Lubang postif yang terbentuk berinteraksi dengan air


C - 178

atau ion menghasilkan radikal OH. Lubang positif dan radikal hdoksil ini merupakan spesi yang sangat reaktif menyerang molekul-molekul organik, dan dapat mendegradasi zat organik menjadi dan (dan ion halida jika molekul organiknya mengandung halogen ( Linsebigler et al, 1995). Namun celah energi ( bandgap) yang lebar pada dengan struktur anatase yaitu sekitar 3,2 eV yang setara dengan cahaya UV dengan panjang gelombang 388 nm, membatasi aplikasi fotokatalitiknya, hanya pada daerah UV tetapi tidak pada daerah cahaya tampak. Padahal cahaya tampak tersedia melimpah sebagai cahaya matahari yang sampai ke bumi. ( Hoffmann et al, 1995) Akan sangat menguntungkan jika tersedia fotokatalis yang dapat diaktifkan dengan cahaya tampak yang ketersediaannya melimpah tersebut. Banyak peneliti telah melakukan usaha melakukan matrik fotokatalis agar dapat diaktifkan oleh cahaya tampak. Dianatar usaha yang dilakukan adalah dengan menyisipkan dopan pada matrik kristal dimana elemen dopan menjadikan matrik katalis baru memiliki energi celah lebih kecil, yang setara dengan energi cahaya tampak. Salah satu yang paling menjanjikan adalah doping dengan nitrogen, N-

yang menunjukkan aktifitas fotokatalitik yang signifikan pada berbagai jenis reaksi dibawah daerah sinar tampak ( Lestari, 2012). Pada 2003, Gole et al mendapatkan bahwa fotokatalis memiliki aktivitas yang signifikan dengan irradiasi sibar visible pada degradasi methylene blue dengan metode sol gel . Pada 2005 Sathish et al melakukan sintesis N-doped menggunakan prekursor titanium (IV) Klorida dan sumber nitrogen . Pada 2008, Jagadale et al berhasil membuat N-doped dengan metode sol-gel. Metode sol-gel merupakan cara yang paling sering digunakan untuk pembuatan

nanopartikel yang didoping N karena kondisi reaksi yang mudah dikontrol seperti PH, temperatur, dan laju hidrolisis. Selain itu peralatan yang dibutuhkan sederhana, biaya murah, dan mudah untuk mengubah sifat fisik dari . Pada proses sol-gel, pembuatan yang didoping N diperoleh melalui hidrolisis titanium alkoksida dan amina alifatik. Senyawa prekursor dilarutkan dalam pelarur organik membentuk sol, kemudian didoping dengan penambahan sumber nitrogen yang selanjutnya pada permukaan substrat sebelum hidrolisis disempurnakan dan dilakukannya proses kalsinasi.

Banyaknya faktor yang mempengaruhi fotoaktivitas terdoping nitrogen, maka perlu dilakukan suatu kajian mengenai metode sintesis dan karakterisasi terdoping nitrogen yang memiliki prospek menghasilkan material responsif terhadap sinar tampak. Selain itu, perlu dikaji juga mekanisme respon terdoping nitrogen berdasarkan perubahan struktur elektronik terhadap sinar tampak untuk mengetahui faktor-faktor yang mempengaruhi fotoaktivitasnya berkaitan dengan efisiensi dan efektivitas aplikasinya ( Kusumawardani, 2009).

PEMBAHASAN

1. Sintesis terdoping nitrogen

Untuk pembuatan nanosol dengan rasio hidrolisidengan menggunakan Titanium(iv) isopropoxide ( Mr 284,26 ) dengan asumsi akan dibuat 0,4 M etanol 35 ml. Maka bahan yang dibutuhkan adalah

Mol Ti

Mol air

Volum EtOH( ml )

Massa air ( gr )

Massa TTIP (gr )

0,25 0,014 0,0035 35 ml 0,063 3,980

Pertama yakni sintesis nanosol menggunakan metode sol-gel dengan

perbandingan mol yakni 4:1 yang


C - 179

merupakan rasio hidrolisis dalam sintesis ini yaitu 30 ml etanol kemudian ditambahkan sampai PH 3,5. Suasana larutan dijaga cukup asam agar hidrolisis tidak terjadi secara dini sehingga larutan prekursor yang ditambahkan ( diteteskan ) tidak berubah menjadi putih ( indikasi prekursor berubah dan tidak berukuran nanometer lagi ). Selanjutnya larutan diaduk menggunakan magnetic stirrer selama 10 menit agar yang ditambahkan terdistribusi secara merata ke dalam larutan. Selanjutnya ditambahkan 3,98 gram TTIP dengan cara meletakkan erlenmeyer berisi larutan dan magnetic bar ke atas timbangan digital dengan skala 0 dan meneteskan TTIP pelan-pelan sampai timbangan menunjukkan angka 3,97 gram. Lalu 5 ml etanol dalam gelas kimia diletakkan di timbangan digital dan ditambahkan 0,063 gram aquades. Lalu meneteskan etanol di gelas kimia tetes demi tetes sampai habis dan sembari diaduk selama 5 jam agar menjadi nanosol. Langkah kedua yakni larutan nitogen dari urea yaitu dengan melarutkan 5%,10%,15% urea kemudian diaduk selama 30 menit. Kemudian dioven selama 2 jam pada suhu 70 dan dikalsinasi pada suhu 500 selama 2 jam (Vijayalakshmi et al, 2012).

Metode sol gel dengan berbagai variasinya, merupakan metode yang paling umum digunakan untuk mensintesis nanopartikel TiO2 terdoping nitrogen, terutama karena dengan metode sol-gel lebih mudah mengontrol tingkat doping nitrogen dan ukuran partikel dengan variasi simple kondisi eksperimen seperti laju hidrolisis, pH larutan dan sistem pelarut. Pada metode ini, spesies prekursor Ti (seperti TiCl3, TiCl4 atau titanium (IV) tetraisopropoksida) dihidrolisis dan dipolimerisasi umumnya

dengan larutanprekursor N seperti amoniak dan amina organik sebagai dopan nitrogen. Gelyang diperoleh kemudian dikeringkan dan dikalsinasi baik dalam atmosferudara maupun amoniak selama waktu tertentu. Penggunaan pendekatan sol-geldapat menghasilkan nanopartikel TiO2 terdoping nitrogen dengan konsentrasidoping 1% hingga 20% (Vitiello, R 2006). Kalsinasi yang cukup dapat menghilangkan sebagian besar residu organik pada permukaan dan meninggalkan tingkat doping N yang cukup tinggi pada nanopartikel yang dihasilkan (Morikawa 2001).

Beberapa cara pembuatan fotokatalis TiO2-N berdasarkan penelitian-penelitian yang telah ada yaitu :

a. Pembuatan TiO2-N melalui precursor Ti yang ditambah ammonia memperlihatkan warna kuning pucat dan aktif pada daerah sinar tampak (Sato, 1986).

b. Pembuatan TiO2-N dengan cara kalsinasi TiO2 dalam gas NH3/Ar (Asahi et al., 2001).

c. Pembuatan TiO2-N dari hidrolisis TiCl4 dengan penambahan hidrazin hidrat (Sun et al., 2008).

d. Pembuatan TiO2-N dengan teknik sol gel dengan hidrolisis tetrabutil titanat dan urea sebagai sumber N (Cheng et al., 2008).

2. Karakterisasi fisik dan kimia terdoping nitrogen Studi teoritis struktur elektronik

terdoping nitrogen. Meskipun sebagian besar studi teoritis

dan eksperimen yang dilakukan selama dekade terakhir mengindikasikan efektivitas TiO2 terdoping nitrogen dalam meningkatkan fotoaktivitas di daerah visibel masih menjadi perdebatan tentang bagaimana prosedur doping nitrogen sesungguhnya mempengaruhi struktur pita elektronik TiO2 . Perhitungan teoritis menunjukkan bahwa nitrogen terdoping pada matriks TiO dapat mengubah struktur pita elektronik titania dengan menggabungkan


C - 180

orbital 2p nitrogen dan orbital 2p oksigen sehingga efektif memperpendek energi beda pita material secara signifikan [Ghicov et al, 2006]. Pada sisi lain, perhitungan DFT lebih mengindikasikan pada pembentukan keadaan 2p nitrogen tambahan di antara pita titania daripada efek pemendekan energi beda pita. Labih jauh lagi, dilaporkan perhitungan terdoping nitrogen tipe anatase dan rutile menunjukkan bahwa keadaan 2p nitrogen tetap terlokalisasi dan membentuk tingkat beda pita antara daripada bergabung dengan 2p oksigen [Chen et al 2004].

Telah dilaporkan juga bahwa konsentrasi N secara signifikan dapat mempengaruhi mekanisme perubahan struktur pita. Ketika tingkat doping mencapai konsentrasi kritis, pemendekan tepi pita mungkin terjadi dengan adanya hibridisasi keadaan 20 N dengan 2p O hanya ketika konsentrasi N terdoping melebihi 20% pada anatase. Kemungkinan perubahan struktur elektronik yang disebabkan oleh dopan seperti pada Gambar 1, dimana beberapa dopan yang dinyatakan sebagai a, b, c, d dan e mengindikasikan bahwa sebagian besar studi teoritis memilih pendapat bahwa orbital N terlokalisasi pada beda pita (Hong et al 2005).

Gambar 1 Beberapa skema untuk menggambarkan perubahan struktur beda pita yang mungkin pada TiO terdoping nitrogen tipe anatase dengan beberapa non logam (a) beda pita -pristin, (b) TiO dengan tingkat dopan terlokalisasi dekat pita valensi, (c) Penyempitan beda pita karena pelebaran pita valensi, (d) tingkat dopan terlokalisasi dan transisi elektronik ke pita konduksi dan (e) transisi elektronik dari tingkat doping dekat pita valensi yang berkaitan dengan keadaan tereksitasi Ti+

3. Aplikasi material terdoping nitrogen

Fotodekomposisi polutan telah terbukti sebagai fotokatalis yang

paling menjanjikan karena murah dan memiliki fotostabilitas dan fotoaktivitas tinggi( Munoz et al 2005). Oleh karena itu, salah satu aplikasi penting material TiOterdoping nitrogen adalah dekomposisi polutan yang sush dihilangkan dalam air dan udara. Aktivitas fotokatalis

terdoping nitrogen di derah visibel terbukti bekerja baik dalam larutan maupun fase gas. Perkembangan industri yang pesat di seluruh dunia menghasilkan sejumlah besar polutan organik yang terkandung dalam sistem air dan banyak dari polutan tersebut sangat berbahaya bagi seluruh sistem ekologi karena dapat terakumulasi dan tidak mudah terdekomposisi. Salah satu solusi untuk mengatasi problem tersebut adalah penggunaan fotokatalis dan sinar matahari untuk mendekomposisi polutan tersebut menjadi fotoproduk yang lebih tidakberbahaya. Material terdoping nitrogen merupakan salah satu fotokatalis yang menjanjikan di masa mendatang, terutama dekomposisi senyawa dyeorganik. Asahi, et. al. melaporkan fotodekomposisi metilen biru (MB) pada lapis tipis terdoping nitrogen di bawah radiasi sinar tampak (Che et al 1971). Material erdoping nitrogen juga dilaporkan efektif untuk dekomposisi tiga senyawa azo (asam orange 7/AO7, procion red MX-5B/MX-5B dan Reaktif black 5/RB5) , 4-klorofenol , 2-propanol , trikloroetilen, fenol dan etilen glikol .

KESIMPULAN Metode sol-gel untuk mendoping nitrogen pada

merupakan metode paling menjanjikan untuk mempreparasi material aktif di daerah sinartampak, di antara beberapa cara preparasi material terdoping nitrogen, pendekatan kimia merupakan pendekatan yang paling simpel dan efektif. Sejumlah aplikasi potensial meningkat dan menunjukkan bahwa terdoping nitrogen sangat berpotensi untuk aplikasi di bidang konversi energi dan pembersihan lingkungan.


C - 181

DAFTAR PUSTAKA Asahi, R.; Morikawa, T.; Ohwaki, T.; Aoki, K.;

Taga, Y. Visible-Light Photocatalysis in Nitrogen-Doped Titanium Oxides, Science, 2001, 293,269

Che, M.; Naccache, C. Phase-Compositional

Control and Visible Light Photocatalytic Activity of Nitrogen-Doped Titania Via Solvothermal Process Chem. Phys. Lett., 1971, 8, 45

Cheng, F., D. Changseng, G. Mingyuan, dan D.

Xiaming. 2008.Effect of Urea on The Photoactivity of Titania Powder Prepared by sol-gel Method. Material Chemistry and Physics. 107. 77-81.

Ghicov, A.; Macak, J.; Tsuchiya, H.; Kunze, J.;

Haeublein, V.; Frey, L.; Schmuki, P. NanoLett., 2006, 6, 1080 Chen, S.; Zhang, P.; Zhuang, D.; Zhu, W. Investigation of Nitrogen Doped TiO2 Photocatalytic Films Prepared by Reactive Magnetron Sputtering, Catal. Commun., 2004, 5, 677

Gole, J.L and Stout, J.D.,Highly Efficient

Formation of Visible Light Tunable -xNx Photocatalysis and Their

Transformation at the Nanosxale, J.Phys.Chem.B 2004, 108, 1230-1240

Hoffmann, M.R., Martin, S.T.,Choi, W.,&

Bahnemann, D.W. Environmental Application of Semiconductor Photocatalysis, Chem. Rev, 95, 1995, 69-96

Hong, Y.; Bang, C.; Shin, D.; Uhm, H.

Photoelectrochemical Study of Nitrogen-Doped Titanium Dioxide for Water Oxidation Chem. Phys. Lett., 2005, 413, 454

Jagadale, T.C.,Takale, S.P.,Sonawane, R.S.,N-

Doped Nanoparticles based Visible Light Photocatalyst by Modified Peroxide Sol- Gel Method,

J.Physc.Chem.C.2008,112(37), 14595-14602

Lestari, D.N. 2012. Studi Preparasi dan

Karakterisasi N-Doped dengan Metode Sol- Gel Menggunakan Prekursor Titanium Isopropoksida (TTIP) dan Diethylamine ( DEA) . Skripsi. Jakarta : Universitas Indonesia

Linsebigler, A.L, Guangquan, L. & Yates, J.T. Photocatalysis on surface : Principles, Mechanism and Selected Result, Chem. Rev, 95, 1995, 735-758

Morikawa, T.; Asahi, R.; Ohwaki, T.; Aoki, K,;

Taga, Y. Visible-Light Photocatalysis in Nitrogen-Doped Titanium Oxides Jpn. J. Appl. Phys., 2001, 40, L561

Munoz, I.; Rieraldevall, J.; Torrades, F.; Peral,

J.; Domenech, X. Solar Energy, 2005, 79, 369

Sathish, M, Viswanathan, B, Viswanath, R,P,

and Ghpinath, C.S, Synthesis, Caracterizaton, Electronic Structure and Photocatalytic Activity of Nitrogen- Doped Nanocatalyst, Chem. Mater.,2005,17(25), 6349-6353

Vijayalakshmi, R and Rajendran, V. 2012.

Synthesis and Characterization of nano- Via Different Methods. Archives of

Applied Science Research Volume 4, 1183-1190

Vitiello, R.; Macak, J.; Ghicov, A.; Tsuchiya,

H.; Dick, L.; Schmuki, P. Ndoped TiO2 Nanotube With Visible Light Activity Electrochem.Commun., 2006, 8, 544

kajian tentang sintesis metode sol-gel, karakterisasi dan aplikasinya ...

Documents

Transcript of kajian tentang sintesis metode sol-gel, karakterisasi dan aplikasinya ...