Laporan Akhir Penelitian Tahun I

H I B A H K E R J A S A M A A N T A R P E R G U R U A N T 1 N G G I (Hibah Pekerti)

Preparasi dan karakterisasi material konduktor ionik berbasis ion Na sebagai komponen sensor gas NOx dan peluang aplikasinya

Dr. Agus Setiabudi M . S i Angkatan I I I

Dibiayai oleh Direktorat Penibinaan Penelitian dan Pengabdian Kepada Masyarakat Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi Dengan Nomor Kontrak: 029/SPPP/PP/DP3M/IV/2005 tanggal 11 April 2005

F A K U L T A S ^ P E N D I D I K A N M A T E M A T I K A D A N I L M U P E N G E T A H U A N A L A M

U N I V E R S I T A S P E N D I D I K A N I N D O N E S I A 2005

pengesahan 1. Judul: Preparasi dan karakterisasi material konduktor ionik berbasis ion natrium

sebagai komponen sensor gas NOx dan peluang aplikasinya

2. Tim Penelitian

a. Nama Ketua T P P Pekerjaan/Jabatan

b. Nama Anggota T P P Pekerjaan/Jabatan

Alamat T P P

c. Nama Ketua T P M Pekerjaan/Jabatan

d. Nama Anggota T P M Pekerjaan/Jabatan

Alamat T P M

3. Perguruan Tinggi T P P Universitas

4. Jangka Waktu Penelitian Biaya yang.disetujui untuk tahun 1:

Dr. Agus Setiabudi M.Si Dosen-Peneliti UPI/Lektor Drs. Nahadi M.Si Dosen-Peneliti UPI/Assisten ahli Jur. Kimia U P I J l . Dr. Setiabudhi 229, Bandung 40154 Tlp./Fax. 022 2000579

Dr. Bambang Sugijono Dosen Peneliti PS Material Sciences, U I Dr. Achmad Hanafi Setiawan Dosen-Peneliti PS Material Sciences, U I J l . Salemba Raya No. 4, Jakarta 10430 Te l . 021 3927554, Fax (021) 31938136

Pendidikan Indonesia ( U P I )

2 (dua) tahun Rp. 68.000.000

Ketua T P M

(Dr. Bambang Soegijono) NIP. 131 103 737

Bandung, 24 Oktober 2005 Ketua T P P ,

(Dr. Agus Setiabudi) NIP. 131 993 865

MengetabiA^ Menyetujui, Ketua Lembaga Penelitiam

Daftar Isi

Hal

Daftar Isi 5 1

Daftar Gambar 1 1

Ringkasan Hasil Penelitian 1 1 1

Bab I . Pendahuluan '

Bab EL Tinjauan Pustaka 3

Bab I I I . Metode Penelitian 9

Bab I V . Hasil dan Pembahasan 1 2

Bab V . Kesimpulan 2 2

Daftar Pustaka 2 8

Lampiran 1 Proposal Kegiatan Penelitian Tahun I I 29

iii

Daftar Gambar Hal

Gambar 2 .1 . Sema umum sel sensor amperometrik 4

Gambar 2.2. Diagram alir preparasi Na3Zr2Si2POi2 ( N A S I X O N ) dengan 8 methode sol-gel

Gambar 3. 1. Skema fahap-tahap preparasi dan karakterisasi katalis ^

Gambar 4 .1 . Difraktogram bahan baju, N a 3 P 0 4 dan Z r S i 0 4 j 2

Gambar 4. 2. K u r v a T G - D T A pemanasan campuran natrium fosfat dan , ~ zirkonium silikat; pemanasan dilakukan dengan laju pemanasan 10 C/menit dengan atmosper udara sintetis.

Gambar 4.3. K u r v a T G - D T A natrium fosfat; pemanasan dilakukan dengan laju pemanasan 10 C/menit dengan atmosper udara sintetis.

Gambar 4.4. Gambar spektra F T I R campuran natrium fosfat-zirkonium silikat

Gambar 4.5. Spektra F T - I R Natrium fosfat

Gambar 4.6. Gambar spektra F T I R Z r S i 0 4

Gambar 4.7. Difraktogram X R D variasi suhu sintering

Gambar 4. 8. Difraktogram X R D material N a 3 Z r 2 S i 0 4 yang dipeparasi melalui variasi waktu sintering

Gambar 4. 9. Difraktogram X R D material N a 3 Z r 2 S i 0 4 pada berbagai bentuk 21

Gambar 4. 10. Difraktogram X R D variasi proses penggerusan 22

Gambar 4. 11. Difraktogram X R D variasi komposisi 23

Gambar 4.12. Difraktogram X R D variasi waktu penggerusan 23

Gambar 4.13. Mikrograf S E M sampel N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 ; temperatur sintering 1000 24 C , waktu sintering 1 jam.

Gambar 4.14. Mikrograf S E M material N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 hasil preparasi pada temperatur sintering 1000 °C waktu sintering 2 jam, dengan waktu penggerusan 15 menit (a) perbesaran 2000x (b) perbesaran 7500x

Gambar 4.15. Mikrograp S E M material Na3Zr2Si2POi2 hasil preparasi pada temperatur sintering 1000 °C waktu sintering 2 jam, dengan waktu penggerusan 45 menit. (a) perbesaran 2000x (b) perbesaran 7500x

Gambar 4. 16. Mikrograp S E M material N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 hasil preparasi pada temperatur sintering 1000 °C waktu sintering 2 jam, dengan waktu penggerusan 45 menit. . (a) perbesaran 2000x (b) perbesaran 7500x

IV

Ringkasan Hasil Penelitian

Pengukuran gas N 0 X sebagai komponen polusi udara penyebab kabut fotokimia pada umumnya dilakukan dengan instrument spectroscopy dengan prinsip kerja luminisensi kimia atau absorpsi sinar infra merah. Tetapi peralatan-peralatan tersebut bisanya tidak cocok digunakan seba'gai sistem kontrol 'on-site' karena waktu pengukuran yang relatif lama, ukuran peralatan yang besar, dan biaya yang mahal. Cara lain untuk mendeteksi keberadaan gas NOx adalah dengan menggunakan prinsip elektrokimia dengan konsentrasi gas NOx sebagai parameter arus/voltage. Salah satu komponen dalam pembuatan sensor ampherometric ini adalah material konduktor ionic, misalnya Na 3 Zr2Si2P0 1 2 .

Laporan penelitian ini menguraikan hasil-hasil penelitian pengembangan sensor gas NOx pada tahap preparasi material konduktor ionik pada tahun L Material Na3Zr2Si2POi2 telah dipreparasi dari Z r S i 0 4 dan N a 3 P 0 4 melalui reaksi padat-padat. Untuk mendapatkan material yang diharapkan, telah dilakukan variasi pretreatment, temperatur dan waktu sintering. Material hasil preparasi dikarakterisasi dengan menggunakan X - R a y Difraktometri ( X R D ) . Morfologi material Na3Zr2Si2POi2 dipelajari dengan Scanning elctron Microscopy ( S E M ) . Studi dengan menggunakan T G - D T A dan F T I R telah dilakukan untuk mempelajari perubahan struktur dan sifat fisik yang terjadi selama pemanasan bahan baku membentuk Na3Zr2Si2POi2-

Hasil-hasil yang telah dicapai sampai akhir tahun pertama adalah sebagai berikut: • Studi T G - D T A menunjukan bahwa temperatur reaksi natrium fospat dengan zirkonium

silikat membentuk Na 3 Zr 2 Si 2 POi2 terjadi pada temperatur di atas 900 C dan waktu sintering minimum 2 jam

• Sebagaimana ditunjukan oleh data F T I R , material N a 3 Z r 2 S i 2 P 0 1 2 hasil preparasi memil iki struktur P04 3 " , Z r 0 6 , dan S i 0 2 .

• Data X R D menunjukan bahwa material N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 yang dipreparasi pada 1000 °C memiliki pola difraksi yang serupa dengan N A S I C O N rujukan. Struktur N A S I C O N pada difraktogram ditunjukkan pada 20 = 12, 18, 19, 27, 3 1 , dan 34. Semua pola X R D menunjukan adanya pengotor pada sudut 29 = 23.5. Penambahan aseton pada saat pencampuran, asam oksalat pada campuran, waktu sintering dapat mengurangi intensitas puncak pengotor.

• Hasil analisa S E M menunjukan bahwa material N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 tersusun atas partikel dengan ukuran 1-2 pm yang bentuknya relatif homogen. Walaupun data S E M tidak dapat memberikan informasi tentang struktur dan jenis kristal, tetapi homogenitas bentuk mengindikasikan bahwa metode preparasi yang diterapkan telah menghasilkan material dengan bentuk partikel yang homogen.

• Untuk menentukan potensi dan keberhasilan metode preparasi yang digunakan, material Na3Zr2Si2POi2 hasil preparasi perlu diuji sifatkonduktansi dengan impedance spektroskopi. Sampai saat laporan ini dibuat, uji konduktansi dengan impedance spektroskopi sedang dipersiapkan.

i i i

Hasil X R D dan hasil S E M mengidikasikan bahwa material N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 yang dibuat dengan cara reaksi padat-padat menunjukan pola difraksi yang serupa dengan N A S I C O N yang pada umumnya dibuat dengan metode sol-gel dan morfologi yang homogen. Untuk mengevaluasi peluang aplikasi dari material N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 yang dibuat, penentuan si fat konduktansinya sedang dilakukan secara sistematis.

i v

BAB I PENDAHULUAN

A . Pendahuluan

Oxida nitrogen ( N O x ) merupakan komponen polusi udara yang menyebabkan

terjadinya hujan asam dan kabut fotokimia. Senyawa oksida ini juga dapat menyebabkan

gangguan syaraf dan organ pemapasan. NOx di udara terutama bersumber dari emisi gas

buang kendaraan bermotor dan fasilitas mesin bakar tak bergerak seperti tungku bakar

dan mesin diesel [1] .

Pengukuran konsentrasi NOx sejauh ini dapat dilakukan dengan instrumen

spektroskopi yang bekerja berdasarkan luminisensi kimia atau absorpsi sinar infra merah.

Tetapi peralatan-peralatan tersebut biasanya tidak cocok untuk digunakan sebagai sistem

kontrol 'on-site' karena waktu pengukuran yang lama, ukuran peralatan yang besar dan

biayanya mahal [2,3].

Altematif pengukuran gas NOx yang lain adalah menggunakan sensor

amperometric. Sensor ini bekerja atas dasar prinsip sel elektrokimia dengan konsentrasi

gas NOx sebagai parameter arus/voltage. Salah satu komponen dalam pembuatan sensor

amperometric untuk deteksi NOx adalah N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 . Selain berperan sebagai

konduktor ionik, material ini berperan sebagai membran yang memisahkan dua setengah

sel elektrokimia [2-4].

Penelitian yang sedang dilakukan bertujuan untuk mengembangkan metode

pembuatan material konduktor ionic berbasis ion natrium yaitu N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 yang akan

menjadi komponen dari perangkat sensor gas NOx. Metode preparasi N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 yang

umum adalah metode sol-gel [5] . Disamping keunggulan sebagai metode yang dapat

menghasilkan N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 dengan porositas tinggi, metode sol-gel memerlukan bahan

baku yang berharga mahal.

Pada laporan kemajuan penelitian ini, dilaporkan hasil penelitian yang telah

dilakukan, yaitu pengembangan metode preparasi N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 melalui reaksi padat-

padat. Metode preparasi yang digunakan dikembangkan dengan cara mnerapkan beberapa

variasi parameter reaksi seperti temperatur, ukuran partikel, dan perlakuan awal terhadap

bahan baku telah diujicobakan. Material N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 yang dibuat telah dikarakterisasi

dengan Thermo Gravimetry-Defferensial Thermal Analysis ( T G - D T A ) , X-ray

1

Difraktometry ( X R D ) , Fourier Transformed Infra-Red Sepectroscopy ( F T T I R ) , dan

Scanning Elektron Microscopy ( S E M ) .

B. Masalah Penelitian

Permasalahan yang menjadi fokus dalam penelitian ini adalah:

1. Bagaimanakah kondisi optimum bagi reaksi padat-padat pada pembuatan material

konduktor ionik berbasis ion natrium, Na 3 Zr2Si2POi2?

2. Bagaimanakah sifat morfologi dari material Na 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 ?

3. Bagaimanakah sifat konduktansi material Na 3 Zr2Si2POi2 ?

C . Tahapan Penelitian

Penentuan kondisi optimum sebagaimana dimaksud pada permasalahan penelitian

ini, dilakukan melalui tahap-tahap:

1. Studi perilaku termal preparasi Na 3 Zr2Si2POi2 dari bahan baku N a 3 P 0 4 dengan

Z r S i 0 4

2. Studi perubahan struktur ikatan yang terjadi pada reaksi N a 3 P 0 4 dengan Z r S i 0 4

menjadi N a 3 P 0 4 .

Selanjutnya variabel reaksi padat-padat diteliti untuk mendapatkan kondisi optimum

reaksi adalah:

1. Pengaruh variabel temperatur sintering terhadap fasa kristal N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 hasil

preparasi.

2. Pengaruh variabel waktu sintering terhadap fasa kristal N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 hasil

preparasi.

3. Pengaruh tekanan sintering terhadap fasa kristal Na 3 Zr2Si2POi2

4. Pengaruh adititf zat organik terhadap fasa kristal N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2

5. Pengaruh adititf pencampuran terhadap fasa kristal N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2

6. Penentuan sifat morfologi permukaan dan sifat konduktor material N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2

2

BAB II

TELAAH KEPUSTAKAAN

Sensor Elektrokimia

Sensor elektrokimia dengan elektrolit padatan dapat mengkonversi potensial suatu

spesies kimia tertentu yang tidak diketahui kedalam signal elektris yang terukur

mengikuti persamaan Nernst yang menerangkan bahwa bila terdapat gradient konsentrasi

kimia melewati suatu elektrolit maka akan terbentuk potensial elektris:

Dalam sel elektrokimia, elektrolit padat dapat digunakan bersama sama dengan

reaktan kimia baik dalam bentuk gas maupun cairan. Elektolit padat yang digunakan

E=*L\n& {112) nF ^

dalam sensor galvanik menghasilkan beberapa fungsi kritis antara lain: (a) memisahkan

reaktan; (b) voltage pada circuit terbuka melalui elektrolit padatan adalah suatu ukuran

potensial kimia dan(c) muatan yang melewati elektrolit padatan ditentukan oleh transport

ion. Dengan konsep sel galvanik ini, pemanfaatan elektrolit padat semakin berkembang

[6-11].

Jenis sensor elektrokimia:

Sistim elektrik yang digunakan dalam sensor elektrokimia dengan pemanfaatan

elektrolit padat dapat berupa potensiometer atau amperometer. Pada sensor

potensiometri, yang diukur adalah voltase dari sel, EMF(gaya gerak listrik), dari sel

galvanik yang merupakan fungsi logaritma dari rasio P2/P1, dimana P 1 dan P 2 adalah

tekanan gas parsial dari komponen aktif pada kedua elektroda. Sebagaimana diterangkan

sebelumnya, hubungan antara logaritma tekanan parsial dan E M F dikenal sebagai

persamaan Nemst. Biasanya sensor potensiometri digunakan untuk mengukur rentang

konsentrasi yang begitu rendah [11].

Sensor elektrokimia dapat dikelompokan menjadi sensor potensiometri dan sensor

amperometri. Sensor potensiometri bekerja berdasasarkan keadaan kesetimbangan pada

interface konduktor padatan ionic dengan medium yang dinanalisa, melalui pertukaran

speci elektrokimia. Pada sensor potensiometri, besaran yang diukur adalah beda

potensial, E M F (gaya gerak listrik), dari sel galvanik yang merupakan fungsi logaritma

dari rasio P2/P1, dimana Pi dan P2 adalah tekanan gas parsial dari komponen aktif pada

kedua elektroda. Sebagaimana diterangkan sebelumnya, hubungan antara logaritma

tekanan parsial dan »;EMF dikenal sebagai persamaan Nemst. Biasanya sensor

potensiometri digunakan untuk mengukur rentang konsentrasi yang begitu rendah [6] .

Sensor amperometric bekerja berdasarkan reaksi elektrokimia yang tergantung

pada difusi spesi elektroaktif melalui suatu barier [7] . Barier ini biasanya terdiri atas

suatu lapisan porous yang netral. Tegangan sel dibuat tetap pada nilai plateu diffusi dari

kurva I ( V ) . Struktur umum rakitan sel sensor elektrokimia ditunjukan pada Gambar 4.

r l

Conductor Gambar 2 .1 . Sema umum sel sensor amperometrik

Dalam sensor amperometer, limit arus yang mengalir, I ( V ) melalui elektrolit

padatan diukur sebagai nilai preset dari voltage yang digunakan. Besarnya limit arus

proporsional dengan tekanan parsial dari komponen aktif gas [8] . Kondisi operasi

pengukuran biasanya pada temperatur tinggi [9] . Karena respon dari sensor amperometrik

adalah linier, dimana signal elektrik menunjukkan besarnya tekanan parsial gas, maka

perubahan tekanan parsial yang kecil sekalipun dapat diamati. Sehingga pengukuran

dengan sensor ini mempunyai presisi yang sangat tinggi [10].

Dalam sel elektrokimia, elektrolit padat dapat digunakan bersama-sama dengan

reaktan kimia baik dalam bentuk gas maupun cairan. Elektolit padat yang digunakan

dalam sensor galvanik menghasilkan beberapa fungsi kritis antara lain: (a) memisahkan

4

reaktan; (b) voltage pada circuit terbuka melalui elektrolit padatan adalah suatu ukuran

potensial kimia dan(c) muatan yang melewati elektrolit padatan ditentukan oleh transport

ion. Dengan konsep sel galvanik ini, pemanfaatan elektrolit padat semakin berkembang

[6, 11-16].

» *

Elektrolit Padat

Elektrolit padat didefinisikan sebagai material bukan logam yang dapat

menghantarkan muatan listriknya melalui konduktifitas ionik. Dengan demikian,

pembawa muatan elektrisnya adalah suatu ion yang mungkin dalam bentuk kation

maupun anion. Material yang umumnya dapat memperlihatkan sifat ini adalah dari jenis

keramik dan beberapa jenis polimer ionik. Fenomena konduksi elektris yang

menyebabkan pergerakan ion didalam padatan telah diketahui sejak pertengahan abad 19,

akan tetapi penelitian secara intensif berlang&ung setelah tahunl960. Elektrolit padatan

kadang disebut juga sebagai high conductivity solid ionic conductor atau fast ion

conductors atau pula super ionic. Elektrolit ini dapat menunjukkan konduktifitas

ioniknya pada suhu yang lebih rendah dari titik lelehnya. Perilaku elektrolit padat ini

telah diteliti dalam cakupan ilmu material yang sangat luas dan ditentukan oleh besarnya

jumlah ion yang bergerak.

Konduktifitas dari material terdiri dari jenis konduktifitas elektronik dan ionik.

Sifat keduanya dimiliki oleh hampir semua keadaan bahan dan yang membedakannya

adalah rasio dari campuran konduktifitas tersebut. Elektrolit padat akan dapat berfungsi

sebagai konduktor ionik bila rasio konduktifitas ionik terhadap konduktifitas total sama

dengan atau lebih besar dari 0.99. Material padatan keramik yang mempunyai

konduktifitas ionik lebih tinggi akan mempunyai ikatan elektron yang kuat sehingga

elektrolit padatan memiliki gap energi yang lebar, meskipun pada temperatur kamar

umumnya merupakan insulator elektrik [16].

Elektrolit padat dikembangkan dari hasil penelitian Faraday pada tahun 1833.

Akan tetapi penggunaannya secara luas dalam pengukuran sifat termodinamik dari

material dimulai oleh Kiukkola dan Wagner [17,18] pada tahun 1957. Elektrolit padat

dapat dikelompokkan dalam berbagai klasifikasi, diantaranya:

5

a) Klasifikasi menurut temperatur, dimana konduktor ionik mempunyai nilai

tertentu pada suatu rentang temperatur;

b) Klasifikasi dengan dasar jenis ion, didasarkan pada mobilitas yang paling

tinggi antara kation atau anion.

Klasifikasi (b) lebih sering digunakan pada area sensor kimia, sebagian elektrolit

padatan anorganik secara signifikan hanya memperlihatkan konduktivitas ioniknya pada

temperatur elevasi. Hal ini ditunjukkan dengan besarnya energi aktifitas sebagai energi

minimal yang dibutuhkan untuk menggerakkan ion. Sedangkan beberapa elektrolit

polimer mempunyai kelebihan mampu bekerja pada temperatur yang lebih rendah dan

telah diteliti secara intensif dalam beberapa dekade ini.

Dibandingkan dengan elektrolit larutan, penggunaan elektrolit padatan lebih

praktis, sebagai contoh adalah bahwa elektrolit larutan selalu membutuhkan kontainer

sedangkan hal tersebut tidak dibutuhkan pada pemakaian elektrolit padatan, sehingga

kepraktisan ini dapat memudahkan dalam rancang bangun sensor dan sangat cocok untuk

teknologi pembuatan produk secara mikro, seperti ditunjukkan dalam penggunaan

elektrolit padat pada mikrosensor elektrokimia, perangkat peubah energi seperti sel

baterai dan fuel-cell, electrochromik display [19-21].

Didalam konduktor elektronik, elektron dapat bergerak relatif bebas dengan

adanya pengaruh medan listrik, akan tetapi lain halnya pada konduktor ionik dimana

posisi ion dibatasi oleh struktur kristal ionik tertentu. Muatan yang berlawanan dari ion

terdekat pada suatu padatan ionik akan berusaha mempertahankan posisi ion dalam

kesetimbangan dengan membentuk energi barrier. Agar ion dapat bergerak, dibutuhkan

penambahan energi diatas energi barrier agar dapat menekan ion. Cacat titik dan posisi

kisi terbuka akan menambah kemudahan ion untuk bergerak atau berdifusi melalui

elektrolit padat. Mekanisme konduksi ionik pada elektrolit padat disebabkan oleh adanya

defek, sehingga konsep mekanismenya berdasarkan intertisial dan vakansi.

Pada migrasi vakansi, sejumlah tempat yang akan diduduki secara ideal (struktur

bebas cacat) temyata kosong. Hal ini disebabkan adanya pertambahan kation akibat

panas, yang kemudian berpasangan dengan vakansi anion menhasilkan cacat schottky

ataupun dengan adanya muatan impuritas. Ion yang terletak bersebelahan dengan

vakansi dapat meloncat kedalam vakansi yang lain dan akan meninggalkan suatu tempat

kosong.

Pada migrasi intertisial, tempat intertisi didefinisikan sebagai selalu kosong pada

struktur yang ideal. Pada struktur sebenamya, ion dapat menduduki tempat intertisial

dengan adanya dopingT atau penggantian ion dari kisi kedalam tempat intertisial

sebelahnya. Loncatan ini bisa merupakan hanya satu tahapan dalam suatu proses

konduksi long-range. Kedua mekanisme tersebut dikategorikan sebagai alokasi loncatan

ion. Pada umumnya proses pemindahan ion berlangsung dengan mengikuti mekanisme

intertisial [14].

Konduktor Ionik Sensor gas Nox dan Metode preparasinya

Terdapat beberapa pilihan material sensor untuk gas Nox. Telah dilaporkan dalam

literature bahwa Ago 4 Na 7 .6 (AlS i0 4 )6 (NO )2 dapat digunakan sebagai konduktor ionic pada

peralatan sensor gas N O x [2 ] . Akan tetapi tidak ditemukan literature-literatur yang

menunjukan pengembangan material ini sebagi sensor.

Material konduktor ionic lain yang banyak diteliti adalah, konduktor ionic

berbasis ion Natrium (Natrium Superionik Konduktor/ N A S I C O N ) [3-5]. Material ini

memiliki rumus kimia Na 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 ) . Untuk mendapatkan N A S I C O N yang memiliki

porositas yang tinggi, telah dikembangkan metode preparasi Sol-gel [5] . Metode sel yang

dikembangkan ditunjukkan pada alur preparasi sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1.

Metode ini terbukti menghasilkan material dengan porositas yang tinggi, tetapi harga

bahan baku metal organic yang sangat mahal mendorong dipilihnya reaksi padat-padat

sebagai metode preparasi N A S I C O N . Gambar 2.2 menunjukan hasil analisis dengan

difraksi sinar-x dari material yang dibuat dengan cara sol gel.

Preparasi konduktor ionic dapat juga dilakukan dengan reaksi padat-padat.

Beberapa literature melaporkan bahwa N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 [3,4] dapat dibuat melalui alur

reaksi tersebut. Secara teoritis, luas kontak antara precursor zat padat yang bereaksi {luas

permukaan padatan), prosedur pencampuran dan perlakuan panas. Dalam literature tidak

pernah ditunjukan prosedur rinci terkait kondisi optimum badi proses pencampuran dan

perlakuan panas. Salah satu alternative metode pencampuran yang dilakukan pada

7

pembuatan M g Z r 4 ( P 0 4 ) 6 adalah penambahan acetone pada saat pencampuran padatan

precursor yaitu MgO, ZrO, dan N H 4 H 2 P 0 4 [22 ] .

Larutan NaOH N H 4 H 2 P 0 4

Pada suhu 80°C Larutan NajO.3SiOj.HjO

Larutan logam organik

Z r ( O C 3 H 7 ) 4 70% dalam metanol

•

Hidrolisis dan Polikondensasi

i •

Gel Alkohol

Evaporasi dg lambat

Serogel

Perlakuan Thermal

Gambar 2.2. Diagram alir preparasi Na3Zr2Si2POi2 (NASIXON) dengan methode sol-gel

8

BAB I I I

M E T O D E PENELITIAN

1. Alat dan Bahan .*

1.1 Alat

Peralatan preparasi material yang digunakan dalam penelitian ini adalah:

peralatan kimia biasa, dan tungku (Uchida, IMF-72) untuk memanaskan campuran.

Analisis material bahan baku dan hasil preparasi yang dilakukan dengan menggunakan,

diffaktometer sinar-X ( X R D - P W 3 7 1 0 ) digunakan untuk menganalisa fasa kristal hasil

preparasi, X - R a y Fluorometer/XRF digunakan untuk menganalisa kandungan Natrium

fosfat dan Zirkonium silikat, F T - I R ( S H I M A D Z U , F T I R - 8 4 0 0 ) digunakan untuk

mengetahui gugus fungsi material, dan T G - D T A ( T G A / S D T A 85 l e from Mettler

Toledo) digunakan untuk mempeajari perilaku termal pada proses preparasi. Analisis

dengan Scanning Electron Microscopy ( S E M ) dilakukan pada peralatan S E M JEOL-530 .

1.2 Bahan

Bahan-bahan utama yang digunakan pada preparasi material Na3Zr2Si2POi2

adalah

1. Z r S i 0 4 (Sigma Aldrich P . A )

2. N a 3 P 0 4 (Sigma Aldrich P . A )

3. H 2 C 2 0 4 (Sigma Aldrich P . A )

4. Aseton. (Sigma Aldrich P . A )

2. Metode Penelitian

Kegiatan penelitian ini terdiri dari dua tahap utama yaitu tahap preparasi dan

tahap karakterisasi Na3Zr2Si2POi2-

/. Preparasi Na 3 Zr 2 Si 2 POi2

Kegiatan penelitian pada tahap preparasi dilakukan dengan teknik reaksi padat-

padat. Bahan dasar pembuatan material adalah Zirconium silikat ( Z r S i 0 4 ) dan Natrium

9

pospat ( N a 3 P 0 4 ) . Campuran stoikhiometris Z r S i 0 4 dan N a 3 P 0 4 ( 2 : 1 ) dicampurkan

secara mekanik (agate mill/digiling) untuk mendapatkan campuran yang relatif homogen.

Selanjutnya campuran dipanaskan pada temperatur sinteringnya.

Optimasi metoda dilakukan dengan melakukan berbagai variasi yaitu: temperatur

sintering, waktu sintering, penambahan zat organic (asam oksallat) pada proses sintering,

dan penambahan aseton pada proses pencampuran. Dalam bentuk skema tahap penelitian

ini ditunjukan pada Gambar 1. Material hasil preparasi selanjutnya dikarakterisasi dengan

F T I R dan X R D . Sampai saat ini karakterisasi dengan S E M dan Impedance spektroskopi

belum dapat dilakukan sampai hasil interpretasi X R D selesai dilakukan, sehingga dapat

ditentukan material hasil preparasi yang akan diuji.

Bahan baku Na3PQ4 dan ZrSiQ4

Anal isa FTIR «

Pencampuran mekanis (Agate mill)

Anal isa FTIR «— -) Studi perilaku thermal

dengan TG-DTA

Reaksi/Sintering (Variasi: Temperature, waktu sintering, aditif zat organik, dan

penambahan aditif pencampuran)

FTIR XRD SEM Impedance Spectroscopy

Gambar 3. 1. Skema tahap-tahap preparasi dan karakterisasi katalis

Preparasi Material

Preparasi N A S I C O N dilakukan dengan cara mencampurkan N a 3 P 0 4 dan Z r S i 0 4

dengan perbandingan mol 1:2 kemudian campuran digerus dan dipanaskan pada suhu

tinggi. Variasi-variasi yang dilakukan dalam preparasi adalah suhu sintering, waktu

sintering, bentuk pelet dan serbuk, waktu penggerusan, penggunaan aseton pada saat

penggerusan dan penambahan asam oksalat pada campuran.

10

1. Variasi suhu sintering

Untuk mencari suhu pemanasan yang tepat, sampel disintering pada suhu 800, 900

dan 1000 °C.

2. Variasi waktu sintering

Variasi waktu sintering dilakukan pada kondisi suhu 1000 °C dengan campuran

berbentuk pelet. Variasi dilakukan untuk 1, 2, dan 3 jam.

3. Variasi bentuk

Untuk variasi ini campuran disintering pada 1000 °C selama 2 jam.

4. Variasi waktu penggerusan

Waktu penggerusan divariasikan selama 15, 30 dan 45 menit dengan waktu waktu

sintering selama 2 jam pada suhu 1000°C.

5. Variasi proses penggerusan

Untuk membandingkan proses penggerusan campuran digerus dengan aseton dan

tanpa aseton dengan suhu sintering 1000 °C selama 2 jam.

6. Variasi komposisi

Variasi dilakukan dengan menambahkan Asam oksalat dan tanpa penambahan Asam

oksalat terhadap campuran Zirkonium silikat dan Natrium fosfat (1:2 mol).

Sinteringnya sendiri dilakukan pada suhu 1000° selama 2 jam.

2. Karakterisasi: Na 3 Zr2Si2POi2

Material hasil preparasi ini akan dikarakterisasi fasa kristalnya dengan metode

difraksi sinar-X ( X R D ) . Sampai tahap ini, karakterisasi terhadap material N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2

telah dilakukan dengan X R D dan F T I R . Tahap karakterisasi lain yang masih harus

dilakukan adalah penentuan morphologi materi dengan menggunakan S E M . Micrograp

image diharapkan dapat memberikan gambaran tentang struktur (permukaan) dan

porositas dari material yang dibuat. Sedangkan konduktivitasnya akan diukur dengan

peralatan impedance spektrometer.

1 1

B A B I V H A S I L DAN P E M B A H A S A N

4.1. Karekterisasi Bahan Baku

Sebelum dilakukan prosedur preparasi material Na3Zr2Si2POi2 dilakukan analisa

X R D terhadap natrium fosfat ( N a 3 P 0 4 ) dan dan zirkonium silikat ( Z r S i 0 4 ) , sebagai

kontrol atas bahan baku yang digunakan. Hasil analisa X R D untuk kedua bahan baku

tersebut ditunjukan pada Gambar 4 .1 . Hasil analisis Hanowath menunjukan bahwa

natrium fosfat dan dan zirkonium silikat yang digunakan merupakan fasa mumi.

1 ZrSiO,

.1 1 i . 1 A , 1 A I i l .

L L L L L u ^ ^ ^ ^

—1 1 1

10 20 30 40 50 60

2theta

Gambar 4.1. Difraktogram bahan baju, N a 3 P 0 4 dan Z r S i 0 4

4. 2. Studi T G - D T A preparasi material 'sensor' N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2

Thermal Gravimetry dan Deffrensial Thermal Analysis (TG-DTA) dilakukan

terhadap campuran natrium fosfat dan zirkonium silikat untuk mengetahui perilaku

termalnya pada saat dipanaskan. Hasil analisa T G - D T A ini ditunjukan pada Gambar 4.2.

Pada kurva T G A dapat diamati bahwa terjadi dua tahap pengurangan massa, yaitu pada

temperatur 200-260 C dan 280-380 C dengan pengurangan massa sebesar 0.427 mg dan

9.2753 mg atau 0.67% dan 14.56%. Kedua proses ini merupakan proses yang endotermal

12

sebagaimana ditunjukkan oleh kurva D T A . Pada temperatur 650 °C, 820 °C, dan 900 °C

kembali terjadi proses-proses endotermis tetapi tidak disertai dengan perubahan massa.

0 200 400 600 800 1000

Temperatur (°C)

Gambar 4. 2. Kurva T G - D T A pemanasan campuran natrium fosfat dan zirkonium silikat; pemanasan dilakukan dengan laju pemanasan 10 C/menit dengan atmosper udara sintetis.

13

0 200 400 600 800 1000

Temperatur (°C)

Gambar 4.3. Kurva T G - D T A natrium fosfat; pemanasan dilakukan dengan laju pemanasan 10 C/menit dengan atmosper udara sintetis.

Analisa T G - D T A juga dilakukan terhadap Natrium fosfat untuk mengetahui

proses yang terjadi pada saat pemanasan sebelum dilakukan pencampuran dengan

zirkonium silikat. Kurva T G - D T A untuk natrium fosfat ditunjukkan pada Gambar 4.3.

Pada kurva tersebut tampak bahwa kenaikan temperatur sampel dari temperatur ruang ke

280 °C diikuti dengan perubahan massa yang landai. Pada temperatur 280-390 °C terjadi

pengurangan massa yang sangat tajam (2.098 l m g atau 6.9% dari massa awal). Diatas

temperatur 390 C perubahan massa yang terjadi hampir tidak teramati. Perubahan ini

serupa dengan hasil T G dari campuran natrium fosfat-zirkonium silikat. Kemiripan lain

juga diamati pada kurva D T A pemanasan natrium fosfat yang menunjukan adanya reaksi

endoterm pada temperatur 280-390 °C, 520-580 °C, dan 600-650 °C. Sedangkan puncak

endoterm pada temperatur 850 dan 900 °C yang terdapat pada kurva D T A campuran

tidak tampak pada kurva D T A natrium fosfat ini.

Karena perubahan yang terjadi pada temperatur 200-260 °C, 280-380 °C, dan 650

°C terjadi pada pemanasan natrium fosfat dan pada campuran natrium fosfat-zirkonium

14

silikat, maka pada temperatur-temperatur tersebut belum ada indikasi terjadinya reaksi

antara N a 3 P 0 4 dengan Z r S i 0 4 . Dengan demikian diduga, reaksi antara N a 3 P 0 4 dengan

Z r S i 0 4 kemungkinan terjadi pada temperatur di atas 800 C sebagaimana ditunjukan oleh

hasil D T A yang menunjukan adanya proses-proses endotermal pada pemanasan

campuran

4. 3 Analisa F T I R

Untuk mengetahui perubahan 'struktur' pada proses preparasi material 'sensor'

Na3Zr2Si2POi2, dilakukan analisa masing-masing terhadap campuran dan bahan baku

secara terpisah. Pengukuran spectra I R dilakukan terhadap campuran natrium fosfat-

zirkonium silikat: (1) sebelum mendapat perlakuan panas, (2) setelah dipanaskan pada

temperature 700 °C, dan (3) setelah dipanaskan pada 1000 °C. Temperatur-temperatur ini

dipilih berdasarkan pengamatan terhadap kurva T G - D T A yang mengindikasikan

perubahan pada temperatur tersebut. Hasil pengukuran dengan F T I R ini ditunjukan pada

Gambar 4.4.

Tampak bahwa pemanasan campuran natrium fosfat-zirkonium silikat

mengakibatkan perubahan pola spektra F T I R . Campuran N a 3 P 0 4 - Z r S i 0 4 sebelum

dipanaskan, memiliki puncak-puncak yang kompleks pada bilangan gelombang 800-1100

cm' 1 . Kompleksitas spektra pada rentang temperatur tersebut hilang setelah sampel

dipanaskan pada temperatur 700 °C. Spektra F T I R untuk campuran yang dipanaskan pada

suhu 700 °C memperlihatkan puncak-puncak pada 1157 cm' 1 , 1053 cm"1, 918 cm"1, 794

cm"1, dan beberapa puncak pada rentang 600-370.

Pada campuran dengan pemanasan 1000 °C terjadi perubahan puncak j ika

dibandingkan dengan pemanasan 700 °C. Puncak pada 1157 cm' 1 bergeser menjadi 1126

cm"1. Analisa F T I R terhadap material serupa yang dibuat dengan metode sol-gel [6]

mengidentifikasi puncak inffamerah pada rentang 800-1091 cm' 1 sebagai vibrasi ulur dari

Z r 0 6 , S i 0 44 " , dan P 0 4

3 " dan serapan pada 420-750 cm"1 sebagai vibrasi tekuk dari Z r 0 6 ,

S i 0 44 " , dan P Q 4

3 " .

15

2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400

Bilangan Gelombang (cm"1)

Gambar 4.4. Gambar spektra F T I R campuran natrium fosfat-zirkonium silikat

Untuk mengetahui apakah perubahan spectra yang terjadi hanya merupakan

proses yang terjadi pada bahan baku yang dipanaskan dilakukan pula analisa terhadap

bahan baku secara terpisah. Analisa dilakukan pada sample sebelum dan sesudah

dipanaskan pada suhu 260 dan 380 °C. Pemanasan pada temperatur ini dipilih

berdasarkan hasil experimen dengan T G A yang menunjukan terjadinya perubahan massa

yang tajam dengan reaksi yang endotermis. Hasil spektra F T I R untuk N a 3 P 0 4 ditunjukan

pada Gambar 4.5. Tampak bahwa terdapat perbedaan antara spektra N a 3 P 0 4 sebelum dan

setelah pemanasan. Pada spektra tanpa pemanasan terlihat puncak-puncak kompleks.

Kompleksitas spektra ini biasanya diakibatkan oleh kandungan air pada sample. Puncak

pada bilangan gelombang 1350 cm"1 dan 1400 cm'1 hilang setelah pemanasan dan timbul

puncak baru pada bilangan gelombang 1100 cm' 1 . Hasil yang serupa ditunjukkan pada

literatur [ 7] .

16

2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400

Bilangan Gelombang (cm 1 )

Gambar 4.5. Spektra F T I R Natrium fosfat

Spectra F T I R untuk zirkonium silikat ditunjukkan apada Gambar 4.6 yang

memperlihatkan adanya puncak serapan yang lebar pada pada 800-1299 dan 613 cm"1.

Tidak ada perbedaan spektra F T I R antara zirkonium silikat yang dipanaskan dengan

zirkonium silikat asal, yang berarti tidak ada perubahan yang terjadi pada pemanasan

zirkonium silikat sampai suhu 380 °C. Hal ini juga berarti bahwa perubahan yang terjadi

pada pemanasan campuran natrium fosfat-zikonium silikat sampai dengan temperatur

380 merupakan perubahan yang terjadi pada natrium fosfat dan bukan menunjukkan

adanya reaksi. Puncak serapan yang lebar antara 850-1250 cm' 1 juga diamati pada [7]

dan merupakan vibrasi untuk S i - 0 atau O-Si-O.

Dari hasil analisa F T E R ini bisa dilihat karakteristik dari gugus fosfat masih

terdapat pada F T I R campuran yang dipanaskan pada temperatur 1000°C. Hal ini terlihat

dari adanya serapan pada 1161 cm"1 untuk fosfat awal yang bergeser menjadi 1157 cm'1

pada fosfat yang merupakan serapan dari P O 4 3 " . Seperti pada fosfat, pita serapan dari

zirconium silikat juga masih teramati pada campuran yaitu pada bilangan gelombang 794

cm"1 dimana pada Zirkonium silikat puncak ini teramati pada 798 cm" . Hasil-hasil FTER

17

pada campuran yang dipanaskan pada 1000 °C menunjukkan adanya gugus Zr06, S i 0 44 " ,

dan P 0 43 " .

2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400

Bilangan Gelombang ( cm 1 )

Gambar 4.6. Gambar spektra F T I R Z r S i 0 4

4. 4 Analisa X R D Material N a 3 Z r 2 P 0 1 2 Hasil Preparasi

Sebagaimana telah diuraikan tujuan dari penelitian ini adalah mengembangkan

metode preparasi konduktor ionic berbasis ion N a + , yaitu N a 3 Z r S i 0 4 P O i 2 , dan dikenal

dengan sebutan N A S I C O N . Preparasi material N a 3 Z r S i 0 4 P O i 2 direkayasa melalui

berbagai variasi perlakuan, yaitu: variasi suhu sintering, waktu sintering, bentuk, waktu

penggerusan, proses penggerusan dan komposisi. Pada bagian ini ditampilkan

difraktogram-difraktogram X R D dari N a 3 Z r S i 0 4 P O i 2 hasil preparasi. Untuk

mengevaluasi keberhasilan dari setiap variasi preparasi, difraktogram X R D dibandingkan

dengan pola X R D N A S I C O N literature [8,9].

4.4.1 Variasi suhu sintering

Gambar 4.7 memperlihatkan difraktogram X R D material N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 hasil

preparasi pada suhu sintering 800, 900 dan 1000 ° C . Symbol lingkaran-lingkaran kecil

18

merupakan puncak-puncak N A S I C O N yaitu senyawa N a 3 Z r 2 S i 2 P O ] 2 yang memiliki sifat

konduktor ionik. Difraktogram X R D pada suhu 800 °C mulai menunjukkan adanya

puncak-puncak N A S I C O N , walaupun pada 26 53,5 dan 56 masih terdapat puncak

Z r S i 0 4 . Puncak-puncak khas N A S I C O N pada 26 = 13, dua puncak disekitar 19, 23, 27.5,

dan 30 sudah mulai muncul. Hal ini menunjukkan bahwa pada suhu 800 °C sudah mulai

terjadi reaksi antara N a 3 P 0 4 dan Z r S i 0 4 membentuk N A S I C O N tetapi masih memiliki

fasa Z r S i O sebagai bahan baku.

Pada temperatur yang lebih tinggi, 900 °C, pola difraksi X R D N A S I C O N

tampak lebih jelas, walaupun puncak Z r S i 0 4 pada 26 = 53 masih teramati. Puncak sekitar

28 menunjukkan puncak dari Natrium fosfat. J ika dibandingkan dengan difraktogram

X R D yang diperoleh dengan metode sol-gel [8] maka puncak-puncak N A S I C O N sudah

terdapat pada material hasil preparasi melalui sintering pada 1000 °C. , tetapi masih ada

satu puncak interferece pada 26 = 21.5 derajat.

9 0 ?

, 1 1 1 1

10 20 30 40 50 60

2 theta

Gambar 4.7. Difraktogram X R D variasi suhu sintering

19

4.4.2 Variasi Waktu Sintering

Selain temperatur sintering, variabel yang juga penting untuk diperhitungkan

adalah waktu sintering. Hasi l preparasi material N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 dengan waktu sintering 1,

2, dan 3 jam diperlihatk^n pada Gambar 4.8. Difraktogram sinar-X menunjukkan pada

suhu 1000 °C untuk waktu sintering 1 j am puncak pada 20 sekitar 13 belum muncul.

Puncak pada 21.5 untuk waktu sintering 3 jam intensitasnya berkurang j i k a dibandingkan

dengan waktu sintering 2 j am.

i — i L .

)

\ L 1 2 Jam

1 — 1 1 1 I

10 20 30 40 50 60

2 theta

Gambar 4. 8. Difraktogram X R D material N a 3 Z r 2 S i 0 4 yang dipeparasi melalui variasi waktu sintering

4.4.3 Pemberian Tekanan (Bentuk Pelet dan Serbuk)

Variabel yang dipelajari melalui variasi bentuk (Pelet/Serbuk) adalah perlakuan

pemberian tekanan pada bahan baku setelah pencampuran. Material N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2

dibentukdalam pelet dengan memberi tekanan sebesar 60 psi. Hasi l analisa dengan X R D

untuk sampel serbuk dan pelet, ditunjukkan pada Ganbar 4.10. Perbedaan difraktogram

pelet dan serbuk untuk sintering pada suhu 1000 °C dengan waktu sintering 2 jam tidak

20

berbeda pada pola difraktogramnya. Perbedaan yang terjadi adalah adanya pergeseran

puncak-puncak.

10 20 30 40 50 60

2 theta

Gambar 4. 9. Difraktogram X R D material N a 3 Z r 2 S i 0 4 pada berbagai bentuk

4.4.5 Aditif pada proses pencampuran

Difraktogram untuk material N a 3 Z r 2 S i 0 4 yang dipreparasi dengan penambahan

aseton pada saat pencampuran, ditunjukan pada Gambar 4.10. Aseton digunakan sebagai

"alat bantu" untuk lebih menghomogenkan campuran. Aseton digunakan pada saat

penggerusan dengan lumpang alu. Hasil difraksi sinar-X menunjukkan adanya

pengurangan puncak "pengotor" pada 2d 21.5.

21

10 20 30 40 50 60

2 theta

Gambar 4. 10. Difraktogram X R D variasi proses penggerusan

4.4.6 Penggunaan aditif organik (As. Oksalat)

Penggunaan asam oksalat untuk sintering pada 1000 °C tidak berpengaruh

terhadap hasil sintering. Tidak ada pengaruh yang cukup signifikan yang ditunjukkan

oleh difraksi sinar-X. Tetapi kedua metode menghasilkan pola difraksi yang

mengindikasikan terbentuknya N A S I C O N .

4.4.7 Pengaruh Waktu Penggerusan

Experiment melalui variasi waktu pengerusan menghasilkan trend difraktogram

yang sulit diintepretasi. Walau demikian pola difraksi N A S I C O N masih tetap tampak dan

intensitas "puncak" pengotor juga makin berkurang.

22

Gambar 4 .11 . Difraktogram X R D variasi komposisi

45 menit ^ -

15 Menit

10 20 50 30 40

2 t he ta

Gambar 4.12. Difraktogram X R D variasi waktu penggerusan

60

23

4.5 Studi Morfologi Material N a 3 Z r 2 S i P O i 2 dangan S E M

Gambar 4.13 memperlihatkan mikrograf S E M dari sample material

Na3Zr 2 Si 2 POi 2 yang dipreparasi pada temperatur 1000 °C, waktu sintering 1 jam dengan

pebesaran (a) 150x, (b) 2000x, dan (c) 7500x. Pada perbesaran 150x tampak bahwa

permukaan material N a j Z r 2 S i 0 4 P O i 2 hasil preparasi memiliki bagian yang masif dengan

beberapa bagian berlubang yang terdistribusi secara tidak merata. Apabila bagian masif

material diperbesar sampai 2000x, tampak bahwa N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 hasil preparasi tersusun

atas partikel-partikel dengan bentuk dan ukuran yang relatif homogen. Pada perbesaran

7500x tampak bahwa partikel-partikel tersebut berbentuk balok dengan ukuran sekitar 1

s.d 2 pm.

(a) (b) (c) Gambar 4.13. Mikrograf S E M sampel N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 ; temperatur sintering 1000 C , waktu sintering 1 jam.

Gambar serupa untuk material N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 yang dipreparasi pada temperatur

1000 °C dan waktu sintering 2 jam ditunjukan pada Gambar 4.14. Waktu penggerusan

pada pencampuran bahan baku untuk sampel ini adalah 15 menit. Sedangkan untuk

material N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 yang dipersiapkan dengan waktu penggerusan 45 menit

ditunjukan pada Gambar 4.15.

24

(a) (b) (c)

Gambar 4.14. Mikrograf S E M material Na3Zr 2 Si 2 POi 2 hasil preparasi pada temperatur sintering 1000 °C waktu sintering 2 jam, dengan waktu penggerusan 15 menit (a) perbesaran 2000x (b) perbesaran 7500x

(a) (c) Gambar 4.15. Mikrograp S E M material Na3Zr 2 Si 2 POi 2 hasil preparasi pada temperatur sintering 1000 °C waktu sintering 2 jam, dengan waktu penggerusan 45 menit. (a) perbesaran 2000x (b) perbesaran 7500x

Walaupun kedua material yang dibuat dengan waktu penggerusan berbeda

menunjukkan morfologi yang mirip, tetapi N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 hasil preparasi dengan waktu

penggerusan 45 menit memiliki homogenitas textur dibanding hasil preparasi dengan

waktu penggerusan 15 menit.

Material N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 hasil preparasi pada temperatur sintering 1000 °C waktu

sintering 2 jam dengan penambahan asam oxalat menunjukan morfologi permukaan yang

25

berbeda dari Material N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 yang lainnya. Mikrograf S E M untuk sampel yang

dipreparasi dengan penambahan asam oksalat ditunjukan pada Gambar 4.16. Perbedaan

yang paling nyata dari material ini adalah, terbentuknya agregasi partikel-partikel.

Gambar 4. 16. Mikrograp S E M material N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 hasil preparasi pada temperatur sintering 1000 °C waktu sintering 2 jam, dengan waktu penggerusan 45 menit. . (a) perbesaran 2000x (b) perbesaran 7500x

Hasil analisis morfologi dengan S E M , secara keseluruhan menunjukkan bahwa

material hasil preparasi pada skala mikro bagian masif material memiliki homogenitas

bentuk dan ukuran partikel tetapi masih memiliki pori-pori dengan ukuran sekitar 1 s.d

2 pm. Sedangkan hasil preparasi dengan metode sol-gel yang dilaporkan pada literatur

menunjukkan ukuran partikel sebesar 0.01 s.d 0.1 pm [23,24]. Pori-pori ini diperlukan

j i k a material N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 digunakan sebagai material sensor. Dengan adanya pori

pada material gas yang dideteksi dapat berdifusi dari satu sisi ke sisi lainnya.

26

B A B V K E S I M P U L A N

Metode reaksi padat-padat yang dimodifikasi telah dicobakan untuk

mempreparasi material Na3Zr 2 Si 2 POi 2 . Material N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 hasil preparasi memiliki

pola difraksi yang sangat mirip dengan N A S I C O N yang umumnya dibuat melalui metode

preparasi sol-gel. Kondisi reaksi yang dapat menghasilkan material dengan pola difraksi

serupa N A S I C O N adalah temperatur sintering 1000 °C, waktu sintering minimal 2 jam.

Modifikasi pada proses pencampuran seperti penambahan aseton dan penambahan asam

oksalat dapat mengurangi intensitas difraksi pengotor yang masih tampak.

Analisis morfologi pada material hasil preparasi menunjukkan bahwa material

N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 hasil preparasi memiliki bentuk dan partikel yang homogen yaitu bentuk

persegi dengan ukuran antara 1 sd 2 mikron. Peluang aplikasi material Na3Zr 2 Si 2 POi 2

hasil preparasi dapat ditentukan setelah Sifat konduktansinya dievaluasi.

27

7. Daftar Pustaka

[ I ] N . Miura, S. Yao , Y . Shimizu, and N Yamazoe, New auxiliary sensing material for solid electrolyte N02 sensors, Solid State Ionic, 70/71 (1994) 572-577

[2] M . R . M . Jiang and M . T Weller, A nitrite solidate N 0 2 gas sensor, Sensors and Actuator B : Chemical 30 (1996) 3-6

[3] N . Miura, M . Ono>- K Shimanoe, and N . Yamazoe, A compact amperometric NO2 sensor based on Na+ conductive solid electrplyte, Journal o f Applied Electrochemistry 28 (1998) 863-865

[4] Y . Yang and C - C L i u , Development of a NASICON based aperometric carbon dioxide sensor, Sensor and Actuators B : 62 Chemical (2000) 30-34

[5] E . Traversa, H . Aono, Y . Sadaoka, and L Montanaro, Electrical properties of sol-gel processed NASICON having new composition, Sensor and Actuators B : 65 Chemical (2000)204-20

[6] W . Weppner, Sensors and Actuators 12 (1987) 107. [7] P. Fabry and E . Siebert, Electrochemical Sensor, in P. J . Gellings and H.J .M. ,

Bouwmeester, The C R C Handbook of Solid State Electrochemistry, C R C Press, Bocaraton: 1997

[8] K . T . Jacob and X Mathews, High Conductivity Solid Ionic Conductors (Elsevier, North Holland Inc., Amsterdam, 1989) 513-563.

[9] H . Dietz, Solid State Ionics 6 (1982) 175. [10] D . J . Fray, Solid State Ionics 86-88 (1996) 1045-1054. [ I I ] P .G . Bruce, Solid State Electrochemistry (Cambridge University Press, Camridge,

(1995) 1-4. [12] K . S . Goto, Anal . Chem. Symp. Ser. 17 (1983) 388. [13] K . S . Goto, Nippon Kuizoku Gakkai Kaiho 23 (1984) 978. [14] D . E . Will iams and P.Mc. Geehim, J . Electrochem. 9 (1984) 246. [15] W . C . Maskell and B . C . H . Steele, J . Appl. Electrochem. 16 (1986) 475. [16] K . Kiukkola and C . Wagner, J . Electrochem. Soc. 1045 (1957) 308-316. [17] J .N . Pratt, Metall. Trans. A 21A (1990) 1223-1250. [18] M . Klettz and A . Pelloux, Fast Ion Transport in Solid (Elsevier North Holland, I N C , Amsterdam, 1979) 69. [19] C . C . L i u , Mat. Chem. Phys. 42 (1995), 87-90. [20] J . M . Rean and J . Portier, Solid Electrolytes (Acad. Press, New Y o r k , 1978) 313-333. [22] L . Wang, R . V . Kumar, A new S02 gas Sensor based on an Mg2+ conducting solid

electrolyte, Journal of Electroanalytical Chemistry 543 (2003) 109-114 [23] S. Zhang, B . Quan, Z . Zhao, Z . Zhao, B . Zhao, Y . He, W . Chen, Preparation and

characterization of NASICON with a new sol-ge, process, Material Letters 58 (2003) 226-229

[24] F . Qui, Q. Zhu, X . Yang, Y . Quan, B X u , Preparation of planar CO2 sensor based on solid-electrolyte NASICON synthesized by sol-gel process, 83 (2004) 193-198

[25] Y Yang, C - C L i u , Development of NASICON-based ampherometric carbon dioxide sensor, Sensor and Actuators B 62 (2000) 30-34

28

Lampiran 1

Proposal Kegiatan Penelitian Tahun Ke Dua

Preparasi dan karakterisasi material konduktor ionik berbasis ion Na sebagai komponen sensor gas NOx dan peluang aplikasinya

A. Capaian Penelitian Tahun Pertama

Metode reaksi padat-padat yang dimodifikasi telah dicobakan untuk membuat

N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 sebagai material sensor gas NOx. Material Na3Zr 2 Si 2 PO] 2 hasil preparasi

memiliki pola difraksi yang sangat mirip dengan N A S I C O N rujukan yang umumnya

dibuat melalui metode preparasi sol-gel. Kondisi reaksi yang dapat menghasilkan

material dengan pola difraksi serupa N A S I C O N adalah temperatur sintering 1000 °C dan

waktu sintering minimal 2 jam. Modifikasi pada proses pencampuran seperti penambahan

aseton dan penambahan asam oksalat dapat mengurangi intensitas difraksi pengotor yang

masih tampak pada material hasil preparasi. Analisis morfologi pada material hasil

preparasi menunjukkan bahwa material N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 hasil preparasi memiliki bentuk

dan partikel yang homogen yaitu bentuk persegi dengan ukuran antara 1 sd 2 mikron.

Untuk menentukan potensi dan keberhasilan metode preparasi yang digunakan,

material Na3Zr 2 Si 2 POi 2 hasil preparasi perlu diuji sifat konduktansi dengan impedance

spektroskopi.

B. Masalah Penelitian Tahun ke Dua

Pada tahun ke dua akan diselesaikan permasalahan penelitian sebagai berikut:

1. Bagaimanakah sifat konduktansi material Na3Zr 2 Si 2 POi 2 hasil preparasi dengan

metode reaksi padat-padat yang dimodifikasi?

2. Kondisi preparasi optimum apakah yang dapat menghasilkan material

Na3Zr 2 Si 2 POi 2 dengan sifat konduktansi yang disyaratkan?

3. Bagaimanakah peluang aplikasi material N a 3 Z r 2 S i 2 P O i 2 hasil preparasi dengan

metode reaksi padat-padat yang dimodifikasi?

29

C. Rencana Kegiatan Penelitian Tahun Ke Dua

1. Evaluasi sifat konduktansi sebagai fungsi dari variasi metode preparasi

2. Optimasi metode preparasi untuk menghasilkan material untuk mendapatkan

konduktansi yang disyaratkan

3. Penelusuran metode perakitan sel sensor

D. Usulan dan Justifikasi Anggaran Tahun Ke dua

Dana yang diusulkan untuk tahun ke dua: Rp. 75.000.000

Biaya T P P a. Bahan Habis Pakai

Nama Barang Kegunaan kuantitas Harga total ( R P )

N a N 0 2 Auxilary sel sensor 500 g 594.000 Kawat Platina Elektroda sel sensor 20 cm 5.000.000 Sputering A u Auxi lary sel sensor 10 kal i 2.000.000 Tabung Quartz Saluran gas sample 1 m 1.750.000 Ceramabond Pengeleman pada perakitant 100 g 1.750.000 Jumlah 12.000.000

b. Instrumentasi Jenis Peralatan/Pengukuran Pengukuran/

pembelian Biaya Satuan

( R P )

Jumlah (Rp

X R D di tempat T P P 12 kali 250.000 3.000.000 Pemeliharaan Furnace 2 kali 500.000 1.000.000 Jumlah 4.000.000

Jenis perjalanan Kepentingan Total (Rp) Antar Kota (Bandung-Jakarta-Bandung) 1 kal i x 2 orang x Rp. 500.000/rang 1.000.000

Jumlah 1.000.000

Jenis pengeluaran Kepentingan Total (Rp) Biaya hidup T P P di T P M 2 orang x 4 bulan x Rp. 1.500.000/bulan/orang Pelaksanaan penelitian 12.000.000 Jumlah 12.000.000

30

e. Honorarium jcms pengeluaran 1 otal (Kp) rionoranum iveiua oan anggota l r r / n r ' i n o v 1 fl r v i i l o n v I?r*\ A A A A A A / V i n l o n / z - i r o T i r r Z. U l d l l g A 1U U U l d l l A I\p. O O U . U U U / D U l d l l / O r d l l g 1 1 C\(\(\ A A A 1 Z . U U U . U U U 111 m I o ri j umidn

1 A A A A A A 1 Z.UUU.UUU

f. Seminar dan Laporan Jenis pengeluaran Total (Rp)

Seminar 2.000.000 Laporan 2.000.000 Jumlah 4.000.000 Total Biaya T P P : Rp. 45.000.000 (Empat puluh lima juta rupiah)

Justifikasi anggaran T P M a. Instrumentasi

Jenis Peralatan/Pengukuran Pengukuran/ Biaya Jumlah (Rp pembelian Satuan (Rp)

X R D 10 kali 250.000 2.000.000 S E M 10 kali 400.000 3.000.000 Impedance Spectrometer 10 kali 500.000 4.000.000 Jumlah 9.000.000

b. Perjalanan Jenis perjalanan Kepentingan Total (Rp)

Antar Kota (Bandung-Depok-Bandung) 1 kali x 2 orang x Rp. 500.000/rang

Tinjauan T P M ke T P P

1.000.000 Jumlah 1.000.000

c. Akomodasi Jenis pengeluaran Kepentingan Total (Rp)

Akomodasi T P M di T P P 1 kali x 1 orang x 3 hari x Rp. 250.000/bulan/orang 1 kali x 1 orang x 4 hari x Rp . 250.000/bulan/orang

Tinjauan T P M ke T P P 750.000

1.000.000

Jumlah

d. Honorarium

1.750.000

Jenis pengeluaran Total (Rp) Honorarium Ketua dan anggota T P P 1 orang x 6 bulan x Rp. 1.000.000/bulan/orang 1 orang x 6 bulan x Rp. 750.000/bulan/orang

6.000.000 4.500.000

3 1

Jumlah 10.500.000

e. Seminar dan Laporan Jenis pengeluaran Total (Rp)

Seminar Laporan

2.000.000 2.000.000

Jumlah 4.000.000 Total Biaya T P M : Rp. 26.250.000

(Dua puluh enam juta dua ratus lima puluh ribu rupiah rupiah)

Institutional fee: Rp. 4.750.000

(Empat juta tujuh ratus limapuluh ribu rupiah)