SINTESIS DAN KARAKTERISASI NANOTITANIA YANG DIDOPING

FLUOR MENGGUNAKAN METODE SOL-GEL

Tesis

Oleh

LAURA MEGADIA SARI

PROGRAM PASCASARJANA MAGISTER FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS LAMPUNG

BANDAR LAMPUNG

2017

i

ABSTRAK

SINTESIS DAN KARAKTERISASI NANOTITANIA YANG DIDOPINGFLUOR MENGGUNAKAN METODE SOL-GEL

Oleh

LAURA MEGADIA SARI

Telah dilakukan sintesis dan karakterisasi nanotitania menggunakan metode sol-gel. Sebagai sumber titania digunakan titanium tetraisopropoxide (TTIP) danisoprophyl alcohol sebagai pelarut. Dalam mensintesis digunakan tween-80sebagai surfaktan dan NH4F sebagai sumber doping fluor (F). Jumlah sampel yangdisintesis sebanyak satu sampel nanotitania murni dan empat sampel F-TiO2

dengan variasi doping F masing-masing 0,4 g; 0,6 g; 0,8 g dan 1 g. Sampeldikalsinasi pada suhu 500 ℃ selama 4 jam. Seluruh sampel berbentuk bubuk dandikarakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD), Transmission ElectronMicroscope (TEM), Ultra Violet Visible (UV-Vis) Spectroscopy dan uji aktivitaskatalitik pada larutan fenol 100 ppm. Hasil uji XRD menunjukkan bahwa sampelnanotitania dan F-TiO2 memiliki fasa murni anatase dengan ukuran partikelmasing-masing sebesar 16,8 nm dan 23,8 nm. Penambahan doping F dipandangdapat meningkatkan kristalinitas nanotitania. Hasil uji TEM didapatkan ukuranpartikel nanotitania 22,6 nm dan 21,1 nm untuk F-TiO2. Hasil uji aktivitas katalismenunjukkan bahwa dengan penambahan doping F pada nanotitaniamengakibatkan kemampuan fotokatalitik nanotitania mengalami peningkatan dibawah sinar matahari (visible light).

Kata kunci: Fenol, metode sol-gel, NH4F, titania, uji aktivitas katalis.

ii

ABSTRACT

SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF NANOTITANIA DOPEDFLUOR USING SOL-GEL METHOD

By

LAURA MEGADIA SARI

The synthesis and characterization of nanotitania has been carried out by sol-gelmethod. Titanium tetraisopropoxide (TTIP) used as a source of titania andisoprophyl alcohol as a solvent. In the synthesis, tween-80 was added as asurfactant and as a source of fluor (F) doping was used NH4F with variation of0,4; 0,6; 0,8 and 1 gram. Samples were calcined at 500 ℃ for 4 hours. The wholesample were characterized using X-Ray Diffraction (XRD), TransmissionElectron Microscope (TEM), Ultra Violet Visible (UV-Vis) spectroscopy and testcatalytic activity at 100 ppm phenol solution. XRD test results showed that thesamples nanotitania and F- TiO2 has a pure anatase phase with particle sizes of16.8 nm and 23.8 nm. The addition of F doping can improve the crystallinity ofnanotitania. TEM results showed that particle size of 22.6 nm for nanotitania and21.1 nm for F-TiO2. The results of the catalyst activity test showed that theaddition of F doping on nanotitania enhanced photocatalytic ability of nanotitaniain sunlight (visible light).

Keywords: Catalyst activity test, NH4F, phenol, sol-gel method, titania.

SINTESIS DAN KARAKTERISASI NANOTITANIA YANG DIDOPING

FLUOR MENGGUNAKAN METODE SOL-GEL

Oleh

LAURA MEGADIA SARI

Tesis

Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar

MAGISTER SAINS

Pada

Program Pascasarjana Magister Fisika

Fakultas Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam

PROGRAM PASCASARJANA MAGISTER FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS LAMPUNG

BANDAR LAMPUNG

2017

v

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Padang Tujuh, Nagari Aua Kuniang,

Kecamatan Pasaman, Kabupaten Pasaman Barat, Sumbar pada

tanggal 28 September 1985. Penulis merupakan putri ketiga dari

tiga bersaudara anak pasangan Syaiful Arifin dan Yultra Harce

yang diberi nama Laura Megadia Sari dengan nama kecil Oya.

Penulis memulai pendidikan dasar di Sekolah Dasar (SD) Negeri 39 Padang Tujuh

pada tanggal 15 Juli 1991 dan tamat pada tanggal 14 Juni 1997 dengan nilai

kelulusan 35,19 pada skala 50,00. Kemudian melanjutkan pendidikan menengah

pertama di Sekolah Lanjutan Tingkat Pertama (SLTP) Negeri 4 Pasaman pada

tanggal 21 Juli 1997 dan selesai pada tanggal 23 Juni 2000 dengan nilai kelulusan

35,53 pada skala 50,00. Diteruskan dengan menempuh pendidikan menengah atas

di Sekolah Menengah Umum (SMU) Negeri 1 Pasaman pada tanggal 17 Juli 2000

dan selesai pada tanggal 09 Juni 2003 dengan angka kelulusan 76,88 pada skala

100,00.

Penulis mendaftar sebagai mahasiswa pada tanggal 08 September 2003, dengan

mengambil konsentrasi belajar Fisika Bumi (Geofisika) di Jurusan Fisika Fakultas

MIPA di Universitas Negeri Padang (UNP). Selama perkuliahan, penulis pernah

menjadi Asisten Praktikum Pemograman Komputer berbasis bahasa Pascal.

vi

Penulis juga pernah aktif sebagai anggota organisasi Himpunan Mahasiswa Fisika

(HIMAFI) dan Badan Eksekutif Mahasiswa (BEM). Pada tahun 2006, Penulis

melakukan Kerja Lapangan (KL) di Departemen Pertambangan Energi dan

Mineral (DPEM) Provinsi Sumatera Barat. Ditahun yang sama, penulis juga

melakukan penelitian yang berhubungan dengan pasir besi. Penulis menyelesaikan

perkuliahan dan memperoleh gelar Sarjana Sains dengan skripsi berjudul Studi

Tentang Karakteristik Magnetik pada Lapisan Pasir Besi di Pantai Sunur

Pariaman, Pantai Masang dan Durian Kapeh Agam Melalui Metoda Magnetik

pada tanggal 01 September 2007 dengan Indeks Prestasi Kumulatif (IPK) 3,57

pada skala 4,00.

Penulis pernah bekerja di Menara Agung main dealer sepeda motor Honda di

Padang sebagai Sales Analyst pada bulan Januari 2008 sampai dengan bulan Juli

2008. Kemudian pada bulan Nopember 2008 sampai dengan bulan Januari 2013,

Penulis bekerja di PT. Bank Rakyat Indonesia (Persero) Tbk di Tembilahan,

Kabupaten Indragiri Hilir, Riau dengan jabatan terakhir sebagai Account Officer.

Penulis juga pernah mengenyam Pendidikan Profesi Guru (PPG) pada tahun 2010

di Universitas Islam Riau (UIR) Pekanbaru dengan IPK 3,98 pada skala 4,00.

Kemudian pada tanggal 17 Agusutus 2012, penulis menikah dengan suami

bernama Zulfa dan dikarunia seorang putra bernama Alkhalifi Athallah Zulfa.

Selanjutnya pada tanggal 08 September 2014, penulis mendaftar sebagai

mahasiswa Magister Fisika dengan konsentrasi belajar Fisika Material di Jurusan

Fisika Fakultas MIPA Universitas Lampung (Unila).

vii

MOTTO

“Maka nikamat Tuhan-mu yang manakah yang kamu dustakan?”. (QS. Ar-Rahman:13)

“Bahaya kepandaian adalah berbuat sekehendak hati. Bahaya keberanian adalah melampaui

batas. Bahaya toleransi adalah menyebut-nyebut kebaikannya. Bahaya kecantikan adalah

sombong. Bahaya ucapan adalah dusta. Bahaya ilmu adalah lupa. Bahaya pemurah adalah

berlebih-lebihan”. (Tengku Abdul Wahab)

“Entah akan berkarir atau menjadi ibu rumah tangga, seorang wanita wajib berpendidikan

tinggi karena ia akan menjadi ibu. Ibu-ibu cerdas akan menghasilkan anak-anak cerdas”.

(Dian Sastro)

“Melangkah tidak selalu harus ke depan, berhenti belum tentu diam, tak terlihat bukan

berarti tidak ada”. (Penulis)

viii

Alhamdulillahirabbil’alamin, dengan rahmat Allah SWT karya kecil ini Penulis sembahkan

kepada:

“Ama dan Apa tercinta, terima kasih yang teramat sangat atas segala kasih sayang yang

Ama dan Apa berikan hingga Oya sampai di titik ini”.

“Suami terkasih, junjuangan diri, pautan hati labuahan kasiah”.

“Anak tersayang, buah cinta Abak jo Bundo, sibiran tulang, ubek jariah palarai damam”.

“Abang dan Teta atas support dan semangatnya”.

“Almamater Tercinta”

ix

K ATA PENGANTAR

Alhamdulillahirabbil’alamin penulis sembahkan kehadirat Allah SWT, atas

karunia yang dilimpahkan sebagai sumber dari segala solusi dan rahmat yang

dicurahkan sebagai peneguh hati, penguat niat sampai akhirnya penulis dapat

menuntaskan tesis dengan judul “Sintesis dan Karakterisasi Nanotitania yang

Didoping Fluor Menggunakan Metode Sol-Gel” sebagai salah satu syarat untuk

menyelesaikan perkuliahan dan memperoleh gelar Magister Sains di Program

Studi Magister Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,

Universitas Lampung. Rasa terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Posman

Manurung dan Ibu Dwi Asmi atas bimbingannya serta Bapak Simon Sembiring

atas kritik dan sarannya dalam penelitian ini.

Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada suamiku kanda Zulfa yang dengan

penuh kesabaran mendampingi penulis dalam menyelesaikan tesis ini dan tawa

manja anakku Alkhalifi Athallah Zulfa (Biru). Kepada seluruh keluarga besarku,

penulis mengucapkan terima kasih atas segala dukungan dan motivasi yang

diberikan.

x

Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih kepada segenap pihak yang terlibat

dalam penulisan tesis ini. Semoga tesis ini bermanfaat bagi pembaca.

Bandar Lampung, Januari 2017

Laura Megadia Sari

xi

SANWACANA

Alhamdulillahirabbil’alamin penulis sembahkan kehadirat Allah SWT, atas

rahmat dan karuniaNya hingga akhirnya penulis dapat menyelesaikan tesis yang

berjudul “Sintesis dan Karakterisasi Nanotitania yang Didoping Fluor

Menggunakan Metode Sol-Gel”. Shalawat kepada Nabi Muhammad SAW, dian di

kegelapan dan pelopor kemajuan seluruh umat di muka bumi.

Tesis ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan perkuliahan dan

memperoleh gelar Magister Sains di Program Studi Magister Fisika, Fakultas

Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Lampung. Dalam penulisan

dan penyusunan tesis ini, penulis telah banyak diberi motivasi, arahan, bimbingan

dan nasehat oleh berbagai pihak. Pada kesempatan ini dengan segenap ketulusan

penulis mengucapkan terima kasih kepada yang terhormat:

1. Bapak Posman Manurung, sebagai dosen pembimbing pertama yang telah

memberikan bimbingan, arahan, saran, solusi, waktu dan bantuan serta

semangat hingga tesis ini dapat diselesaikan dengan baik.

2. Ibu Dwi Asmi, sebagai dosen pembimbing kedua yang telah meluangkan

waktu untuk memberikan arahan dan saran kepada penulis dalam

menyelesaikan tesis ini.

xii

3. Bapak Simon Sembiring, sebagai dosen penguji yang telah memberikan

saran dan motivasi kepada penulis demi kesempurnaan tesis ini.

4. Kedua orangtua tercinta yang telah mencurahkan segenap kasih sayang serta

semangat kepada penulis.

5. Suamiku, kanda Zulfa yang dengan penuh kesabaran mendampingi penulis

dalam menyelesaikan tesis ini.

6. Anakku, Alkhalifi Athallah Zulfa (Biru) sebagai penghilang penat dan

pemantik semangat dalam menyelesaikan tesis ini.

7. Abang Rhuhendo Saputra dan Teta Putri Andania Veronica atas motivasi

yang diberikan kepada penulis.

8. Kadek Ceria Sukma Putri, teman berbagi suka dan duka dalam penelitian.

9. Fitria Yunita dan Alfian Sinaga, teman angkatan 2014 atas kebersamaan

selama perkuliahan.

Bandar Lampung, Januari 2017Penulis

Laura Megadia Sari

xiii

DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRAK ................................................................................................. i

HALAMAN PERSETUJUAN ................................................................. iii

HALAMAN PENGESAHAN ................................................................... iv

RIWAYAT HIDUP ................................................................................... v

MOTTO ..................................................................................................... vii

PERSEMBAHAN...................................................................................... viii

KATA PENGANTAR ............................................................................... ix

SANWACANA .......................................................................................... xi

DAFTAR ISI.............................................................................................. xiii

DAFTAR GAMBAR ................................................................................. xv

DAFTAR TABEL ..................................................................................... xix

I. PENDAHULUAN ............................................................................... 1

A. Latar Belakang ................................................................................ 1B. Perumusan Masalah......................................................................... 4C. Pembatasan Masalah ....................................................................... 5D. Tujuan Penelitian ............................................................................ 5E. Kontribusi Penelitian ....................................................................... 6

II. TINJAUAN PUSTAKA ..................................................................... 7

A. Semikonduktor Titanium Dioksida (TiO2) ..................................... 7B. NanoTiO2 sebagai Fotokatalis ......................................................... 10C. Efek Doping pada NanoTiO2 .......................................................... 16

xiv

D. Meknisme Fotokatalis ..................................................................... 17E. Beberapa Karakterisasi NanoTiO2................................................... 20

III. METODOLOGI PENELITIAN ...................................................... 28

A. Waktu dan Tempat Penelitian ......................................................... 28B. Alat dan Bahan Penelitian ............................................................... 28C. Preparasi Sampel ............................................................................. 29D. Karakterisasi Sampel....................................................................... 34

1. XRD ............................................................................................ 352. TEM ............................................................................................ 383. Uji Aktivitas Katalis.................................................................... 404. Spektrofotometer UV-Vis. .......................................................... 42

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN.......................................................... 44

A. Sintesis TiO2 dan F-TiO2 ................................................................ 44B. Hasil Karakterisasi XRD Sampel O-0F dan O-1F .......................... 50C. Hasil Analisis TEM Sampel O-0F dan O-1F .................................. 60D. Hasil Uji Aktivitas Katalis .............................................................. 65

V. KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................... 76

A. Kesimpulan ..................................................................................... 76B. Saran................................................................................................ 77

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................ 78

LAMPIRAN............................................................................................... 85

xv

DAFTAR GAMBAR

Gambar Halaman

2.1 E = energi elektron, k = bilangan gelombang, gE = energi

gap, T = suhu, Conduction band = pita konduksi,Valence band = pita valensi. (a) Pada T = 0 K pitavalensi terisi penuh dan pita konduksi kosong. (b)Eksitasi elektron ke pita konduksi meninggalkan tempatkosong (Margaritondo, 2005) ....................................................... 8

2.2 (a) Semikonduktor murni. (b) Ikatan kimia pada arsenikkotor dalam kisi silikon. (c) Keadaan arsenik yangmendapatkan atom donor. (d) Hampir sama dengankeadaan (b), tetapi terjadi pada galium yang memilikielektron valensi tiga (Margaritondo, 2005) .................................. 9

2.3 Pita energi beberapa semikonduktor (Liu et al, 2014).................. 10

2.4 Struktur bulk anatase titanium dioksida. Sel satuan bulktetragonal anatase memiliki dimensi a = b = 3,782 , c= 9,502 Å (Diebold, 2003)............................................................ 12

2.5 Struktur bulk rutile titanium dioksida. Sel satuan bulktetragonal rutile memiliki dimensi a = b = 4,587 , c =2,953 Å (Diebold, 2003) ............................................................... 13

2.6 Struktur kristal brookite titanium dioksida (Carp et al, 2004) ...... 14

2.7 Skema proses fotokatalisis (Carp et al, 2004)............................... 18

2.8 Skema degradasi fenol (Guo et al, 2006)...................................... 20

2.9 Ilustrasi hukum Bragg. S0 = sinar datang, S1 = sinar pantul,θ sudut sinar datang/pantul, A1 = bidang kristal 1, A2 =bidang kristal 2, d = jarak antar bidang......................................... 21

2.10 Alat XRD ...................................................................................... 22

xvi

2.11 Bagian-bagian SEM ...................................................................... 24

2.12 Alat SEM....................................................................................... 24

2.13 Bagian-bagian TEM...................................................................... 25

3.1 Prosedur kerja untuk mendapatkan sampel TiO2 .......................... 30

3.2 Prosedur kerja untuk mendapatkan sampel F-TiO2 ...................... 31

3.3 Furnace Nabertherm ..................................................................... 33

3.4 Mortar akik.................................................................................... 34

3.5 X’PERT Powder PANalytical Diffractometers ............................ 35

3.6 TEM JEOL JEM 1400 .................................................................. 38

3.7 Spektrofotometer UV-Vis Cary 100 ............................................. 42

4.1 Pengadukan larutan sampel O-0F ................................................. 45

4.2 Hasil pengeringan/oven sampel (a) O-0F (b) O-0,4F (c)O-0,6F (d) O-0,8F (e) O-1F .......................................................... 46

4.3 Pemindahan sampel ke wadah porselen (a) O-0F (b) O-0,4F (c) O-0,6F (d) O-0,8F (e) O-1F ............................................ 46

4.4 Hasil kalsinasi sampel (a) O-0F (b) O-0,4F (c) O-0,6F (d)O-0,8F (e) O-1F ............................................................................ 47

4.5 Hasil penggerusan sampel (a) O-0F (b) O-0,4F (c) O-0,6F(d) O-0,8F (e) O-1F....................................................................... 48

4.6 Difraktogram hasil analisis XRD sampel O-0F denganpanjang gelombang sinar-X yang digunakan λ = 1.54060 ........... 51

4.7 Hasil refinement sampel O-0F. Warna hitam adalah datapengukuran, merah adalah hasil perhitungan, birumerupakan posisi puncak difraksi dan hijau adalahselisih data pengukuran dengan data perhitungan........................ 54

4.8 Difraktogram hasil analisis XRD sampel O-1F denganpanjang gelombang sinar-X yang digunakan λ = 1.54060 ........... 56

xvii

4.9 Hasil refinement sampel O-1F. Warna hitam adalah datapengukuran, merah adalah hasil perhitungan, birumerupakan posisi puncak difraksi dan hijau adalahselisih data pengukuran dengan data perhitungan........................ 58

4.10 Difraktogram sampel O-0F dan O-1F........................................... 59

4.11 Hasil foto TEM sampel O-0F dan teknik pengukurandiameter partikelnya...................................................................... 61

4.12 Hasil foto TEM sampel O-1F dan teknik pengukurandiameter partikelnya...................................................................... 64

4.13 Hasil uji aktivitas katalis sampel O-0F pada waktu 0, 10,20, 30, 40 dan 50 menit (kanan ke kiri) (a) sinarmatahari (visible light) (b) sinar UV............................................. 67

4.14 Grafik hubungan antara panjang gelombang (nm) sampel(1) O-0F (2) O-0,4F (3) O-1F terhadap absorbansi (a) dibawah sinar matahari (b) di bawah sinar UV selama 50menit ............................................................................................. 69

4.15 Hasil uji aktivitas katalis sampel O-1F pada waktu 0, 10,20, 30, 40 dan 50 menit (kanan ke kiri) (a) sinarmatahari (visible light) (b) sinar UV............................................. 70

4.16 Skema degradasi fenol (Guo et al, 2006)...................................... 73

4.17 Meknisme degradasi fenol oleh TiO2 (Grabowska et al, 2012).... 74

xix

DAFTAR TABEL

Tabel Halaman

2.1 Karakteristik anatase, rutile dan brookite (Carp et al, 2004) ......... 15

2.2 Karakteristik doping permukaan dan homogen (Liu et al, 2010) ... 17

3.1 Variasi doping pada tiap sampel ..................................................... 30

4.1 Selisih nilai 2θ/d (Å) antara data standar dengan dataXRD Sampel O-0F. ......................................................................... 53

4.2 Selisih nilai 2θ/d (Å) antara data standar dengan dataXRD Sampel O-1F .......................................................................... 57

4.3 Ukuran partikel sampel O-0F dengan metode perbandingan.......... 62

4.4 Ukuran partikel sampel O-1F dengan metode perbandingan.......... 64

4.5 Absorbansi fenol di bawah sinar matahari dan UV ........................ 68

1

I. PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Pengembangan material yang memiliki fungsi sebagai katalis telah banyak

dilakukan melalui pembuatan material anorganik. Salah satu katalis yang telah

banyak diaplikasikan terhadap lingkungan adalah titania (TiO2). TiO2 merupakan

salah satu oksida semikonduktor yang berpotensi sebagai foto katalis karena

bahan dapat aktif saat dikenai cahaya. Ini yang menyebabkan TiO2 banyak

digunakan sebagai fotokatalis. TiO2 banyak digunakan karena tidak beracun, tidak

larut air, murah, stabil dan anti fotokorosi (Li, 2013). Katalis ini bermanfaat untuk

pemurnian air dan udara, menghancurkan mikroorganisme seperti bakteri dan

virus (Naimah dan Ermawati, 2011), inaktivasi sel kanker dan pemisahan air

untuk menghasilkan gas hidrogen (Hoffmann et al, 1995; Zaleska, 2008; Li,

2013).

Selain itu, TiO2 memiliki sifat optik dan stabilitas kimia yang baik (Vu et al,

2010). Stabilitas kimia TiO2 hanya pada kondisi gelap, bahkan cenderung aktif di

bawah sinar UV (Hashimoto et al, 2005; Prasetyowati et al, 2011). TiO2 tidak

dapat melakukan penyerapan pada daerah tampak (visible region), hal ini

berhubungan dengan nilai energi sela.

2

Belakangan ini, penelitian tentang TiO2 semakin berkembang, diantara manfaat

yang banyak diaplikasikan yaitu untuk pengolahan air dan limbah (Arief dkk,

2008; Slamet dkk, 2007). TiO2 juga dapat dijadikan sensor yang ukurannya makin

lama semakin kecil sehingga sekarang banyak dikembangkan material berukuran

nano termasuk salah satunya nanotitania. Untuk mendapatkan material berukuran

nano diperlukan serangkaian prosedur yang harus diikuti. Banyak cara diusulkan

orang dengan salah satunya adalah dengan cara sol-gel. Belakangan juga ablasi

laser telah banyak dilakukan untuk memperoleh nanopartikel.

Secara umum ukuran nanopartikel berkisar dari 1-100 nm. Ukuran ini sangat

penting karena ketika dimensi material menuju nilai beberapa nanometer (kurang

dari 10 nm), banyak sifat-sifat fisis maupun kimia ikut terpengaruhi (Abdullah

dan Khairurrijal, 2009). Nanopartikel memiliki sifat fisis dan kimia yang berbeda

dari bentuk limpahannya (bulk), seperti titik leleh yang lebih rendah, luas

permukaan spesifik yang lebih tinggi, sifat optik spesifik, kekuatan mekanik, dan

magnetis spesifik (Horikoshi and Serpone, 2013). Inilah yang menghasilkan

kekayaan sifat dan kemungkinan memanipulasi sifat-sifat baru yang tidak ditemui

pada material berukuran partikel yang besar.

Sifat fotokatalis juga dipengaruhi oleh ukuran partikel selain variabel fisikokimia

lainnya seperti volume pori, luas permukaan dan kristalinitas (Raj and

Viswanathan, 2009). Sehingga dimungkinkan untuk melakukan berbagai

perlakuan pada suatu partikel (dalam hal ini titania) untuk mendapatkan ukuran

yang lebih kecil yaitu dalam skala nano guna meningkatkan aktivitas fotokatalis

dan fotoelektrokimia (Wu et al, 2008).

3

TiO2 menunjukkan reaktivitas yang relatif tinggi dan kestabilan kimia di bawah

sinar UV dengan panjang gelombang ( ) < 387 nm (Zaleska, 2008) dengan energi

sela (band gap) pada fasa anatase sebesar 3,2 eV dan 3,0 eV pada fasa rutile

dengan panjang gelombang 415 nm (Milićević et al, 2015). Hal ini

mengakibatkan aktivitas fotokatalitik TiO2 terbatas pada daerah UV bukan pada

cahaya tampak dengan panjang gelombang ( ) > 400 nm. Sedangkan ketersediaan

cahaya tampak sangat melimpah dalam bentuk sinar matahari yang sampai ke

bumi. Akan lebih efektif apabila ada fotokatalis yang dapat aktif pada cahaya

tampak.

Hal ini yang memberi inspirasi bagi para peneliti untuk melakukan modifikasi

matriks fotokatalis TiO2 pada cahaya tampak. Tidak hanya senyawa murninya saja

yang digunakan tetapi juga dilakukan perlakuan diantaranya dengan

menambahkan/menyisipkan (doping) bahan lain. Bahan lain yang disisipkan ini

disebut dengan dopan. Penyisipan dopan pada matriks kristal TiO2 ini bertujuan

untuk membentuk matriks katalis baru dengan energi sela lebih kecil yang setara

dengan energi cahaya tampak. Telah banyak studi yang dilakukan dengan

berbagai jenis dopan diantaranya dapat berupa logam (Fe, Cr, Co, Ni, Al, Cu)

(Lee et al, 2008; Rilda dkk, 2010; Asilturka et al, 2009; Aziz dan Purwaningsih,

2014; Riyani dkk, 2012) maupun nonlogam seperti N, S, B, C, F (Diker et al,

2011; Effendi dan Bilalodin. 2012; Lestari, 2009; Wang et al, 2014; Kılınça et al,

2013; Ortega et al, 2013).

Dalam penelitian ini dipilih salah satu dopan nonlogam yaitu fluor. Fluor dipilih

karena merupakan unsur nonlogam yang paling elektronegatif, sehingga sangat

reaktif. Oleh karena itu, penulis tertarik untuk melakukan penelitian untuk

4

mengetahui bagaimana pengaruh penambahan doping F terhadap nanotitania

dengan berbagai variasi konsentrasi terhadap bentuk fasa kristal, struktur kristal

dan ukuran partikel serta aktivitas fotokatalitiknya yang disintesis melalui metode

sol-gel. Metode ini dipilih sebab sol-gel merupakan metode sintesis dengan

langkah yang sederhana, tidak memerlukan peralatan khusus dan tidak

menghasilkan produk beracun (Yu et al, 2014). Dalam penelitian ini, hasil

nanotitania doped-F yang diperoleh akan dikarakterisasi menggunakan X-Ray

Diffraction (XRD), Transmission Electron Microscope (TEM), Ultra Violet

Visible (UV Vis) Spectroscopy dan uji aktivitas katalitik pada larutan fenol 100

ppm.

B. Perumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang masalah yang telah dikemukakan, maka dapat

dirumuskan beberapa masalah dalam penelitian ini antara lain:

1. Bagaimanakah pengaruh penambahan doping F terhadap pembentukan

fasa dan struktur TiO2?

2. Bagaimanakah pengaruh penambahan doping F terhadap ukuran partikel

TiO2?

3. Bagaimanakah pengaruh variasi konsentrasi F terhadap aktivitas

fotokatalitik TiO2?

5

C. Pembatasan Masalah

Agar permasalahan yang dikemukakan lebih terarah, penulis membatasi masalah

pada:

1. Metode yang digunakan dalam mensintesis TiO2 dengan penambahan

doping F adalah melalui metode sol-gel.

2. Variasi konsentrasi F yang dipakai dalam penelitian ini adalah 0,4; 0,6; 0,8

dan 1 gram.

3. TiO2 doped-F dengan variasi konsentrasi F dikarakterisasi menggunakan

XRD, TEM, UV Vis Spectroscopy dan uji katalis pada larutan fenol 100

ppm.

D. Tujuan Penelitian

Berdasarkan perumusan dan pembatasan masalah yang dikemukakan di atas maka

disusunlah tujuan penelitian sebagai berikut:

1. Mengetahui pengaruh penambahan doping F terhadap pembentukan fasa

dan struktur TiO2.

2. Mengetahui pengaruh penambahan doping F terhadap ukuran partikel

TiO2.

3. Mengetahui pengaruh variasi konsentrasi F terhadap aktivitas fotokatalitik

TiO2.

6

E. Kontribusi Penelitian

Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan kontribusi, diantaranya:

1. Pengembangan pengetahuan material berbasis TiO2 dalam bidang

fotokatalitik.

2. Memberikan nilai konsentrasi F sebagai doping ke TiO2 untuk

mendapatkan aktivitas fotokatalitik yang baik.

3. Sebagai bahan acuan untuk penelitian yang akan dilakukan selanjutnya,

terutama pada bidang fotokatalis TiO2 dengan doping F.

4. Sebagai aplikasi ilmu fisika khususnya pada bidang fisika material dan

ilmu pengetahuan pada umumnya.

7

II. TINJAUAN PUSTAKA

A. Semikonduktor Titanium Dioksida (TiO2)

Semikonduktor merupakan bahan dengan konduktivitas listrik yang berada

diantara isolator dan konduktor. Disebut semi atau setengah konduktor, karena

bahan ini memang bukan konduktor murni. Suatu semikonduktor akan bersifat

sebagai isolator pada temperatur yang sangat rendah, namun pada temperatur

ruang akan bersifat sebagai konduktor. Semikonduktor sangat berguna dalam

bidang elektronik, karena konduktivitasnya dapat diubah-ubah dengan

menyisipkan materi lain (yang biasa disebut doping). Berdasarkan kemurniannya,

semikonduktor dapat dibedakan menjadi dua jenis, yaitu semikonduktor intrinsik

dan ekstrinsik.

1. Semikonduktor Intrinsik

Semikonduktor instrinsik (murni) adalah semikonduktor yang tidak ataupun

belum terkotori oleh atom-atom asing. Pada suhu 0 K, pita valensi penuh dan

pita konduksi kosong sehingga bersifat sebagai isolator. Pada suhu yang lebih

tinggi yaitu pada suhu kamar, ada elektron pada pita valensi yang energinya

melebihi energi sela sehingga elektron dapat meloncat dari pita valensi ke pita

konduksi. Elektron yang meloncat ini menjadi elektron bebas dengan

meninggalkan kekosongan pada pita valensi. Kekosongan ini disebut hole

8

(lubang) dan dianggap bermuatan positif sebesar muatan elektron. Keadaan ini

dapat ditunjukkan seperti pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1. E = energi elektron, k = bilangan gelombang, gE = energi gap,

T = suhu, Conduction band = pita konduksi, Valence band =pita valensi. (a) Pada T = 0 K pita valensi terisi penuh dan pitakonduksi kosong. (b) Eksitasi elektron ke pita konduksimeninggalkan tempat kosong (Margaritondo, 2005).

2. Semikonduktor Ekstrinsik.

Semikonduktor ekstrinsik merupakan semikonduktor yang telah terkotori

(tidak murni lagi) oleh atom dari jenis lainnya. Proses penambahan atom

pengotor pada semikonduktor murni disebut pengotoran (doping).

Terdapat dua jenis semikonduktor ekstrinsik yaitu semikonduktor tipe-n dan

semikonduktor tipe-p.

a. Semikonduktor Ekstrinsik Tipe-n.

Semikonduktor ekstrinsik tipe-n memiliki konsentrasi elektron lebih besar

dibandingkan konsentrasi hole. Semikonduktor tipe-n menggunakan

semikoduktor intrinsik dengan menambahkan atom donor yang berasal dari

kelompok V pada susunan berkala, misalnya As (arsenic), Sb (Antimony),

0 K 0 K

9

phosphorus (P). Atom campuran ini akan menempati lokasi atom intrinsik di

dalam kisi kristal semikonduktor seperti terlihat pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2. (a) Semikonduktor murni.(b) Ikatan kimia pada arsenik kotor dalam kisi silikon.(c) Keadaan arsenik yang mendapatkan atom donor.(d) Hampir sama dengan keadaan (b), tetapi terjadi

pada galium yang memiliki elektron valensi tiga.(Margaritondo, 2005)

Pada Gambar 2.2 (c) terlihat terjadi penambahan atom donor pada level

energi pita konduksi yang berada di atas energi sela sehingga mempermudah

elektron untuk menyeberang ke pita konduksi. Oleh sebab itu, elektron di

dalam semikonduktor tipe-n disebut pembawa muatan mayoritas, dan hole

disebut sebagai pembawa muatan minoritas.

10

b. Semikonduktor ekstrinsik tipe-p.

Pada semikonduktor tipe-p, konsentrasi hole lebih tinggi dibanding dengan

elektron. Ini dapat diperoleh dengan menambahkan atom akseptor, seperti

pada Gambar 2.2 (d). Lubang (hole) merupakan pembawa muatan yang utama,

sehingga disebut pembawa muatan mayoritas dan elektron bebas merupakan

pembawa muatan minoritas.

Oksida logam dan sulfida mewakili sebagian besar kelompok semikonduktor yang

sesuai untuk reaksi fotokatalis. Pada Gambar 2.3 terlihat beberapa macam bahan

semikonduktor beserta energi selanya yang memberikan gambaran wilayah reaksi

fotokatalis yang dapat diakomodir.

Gambar 2.3. Pita energi beberapa semikonduktor (Liu et al, 2014).

B. NanoTiO2 sebagai Fotokatalis

Titanium dioksida juga bisa disebut titania atau titanium (IV) oksida yang

merupakan bentuk oksida dari titanium, secara kimia dapat dituliskan dengan

11

TiO2. Senyawa ini dimanfaatkan secara luas sebagai pigmen putih dalam cat dan

penggunaan sehari-hari sebagai pemutih dalam pasta gigi dan UV absorber dalam

tabir surya (Zallen and Moret, 2006). TiO2 dapat dihasilkan dari reaksi antara

senyawa titanium tetraklorida (TiCl4) dan O2 yang dilewatkan melalui lorong

silika pada suhu 700 . Senyawa TiO2 bersifat amfoter, terlarut secara lambat

dalam H2SO4(aq) pekat, membentuk kristal sulfat dan menghasilkan produk

titanat dengan alkali cair. Sifat senyawa TiO2 yang merupakan semikonduktor

transparan dalam daerah tampak, diantaranya, bahan yang sangat berpori sehingga

dapat meningkatkan luas permukaan (~1000) kali. Afinitas permukaan TiO2 yang

tinggi dengan banyak molekul sehingga permukaannya mudah dimodifikasi, tidak

beracun, mudah untuk diproduksi dalam jumlah besar, kimia inert, biokompatibel

dan harganya relatif murah. Titanium dioksida dapat dihasilkan dari proses sulfat

ataupun klorin (Carp et al, 2004).

Titanium dioksida merupakan padatan ionik yang tersusun atas ion Ti4+ dan O-2

dalam konfigurasi oktahedron. TiO2 memiliki tiga fasa struktur kristal, yaitu

anatase, rutile dan brookite. TiO2 dimanfaatkan secara komersil dalam dua

struktur kristal, anatase dan rutile. Kemampuan fotoaktivitas semikonduktor

TiO2 dipengaruhi oleh morfologi, luas permukaan, kristalinitas dan ukuran

partikel. Anatase diketahui sebagai kristal titania yang lebih fotoaktif daripada

rutile. Hal ini disebabkan oleh nilai Eg TiO2 jenis anatase yang lebih tinggi yaitu

sebesar 3,2 eV sedangkan rutile sebesar 3,0 eV. Nilai Eg yang lebih tinggi akan

menghasilkan luas permukaan aktif yang lebih besar sehingga menghasilkan

fotoaktivitas yang lebih efektif. Rutile memiliki densitas 4,2 g/cm3 dan anatase

memiliki densitas 3,9 g/cm3. Bentuk titanium dioksida yang stabil adalah rutile,

12

dimana berubah ke bentuk lain pada suhu tinggi. Rutile mempunyai struktur

kristal mirip dengan anatase. Struktur rutile dan anatase dapat digambarkan

sebagai rantai oktahedral TO6 kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi

oktahedral dan pola susunan rantai oktahedralnya. Penataan tersebut

menghasilkan terbentuknya rantai yang tersusun dalam simetri empat lipat seperti

ditunjukkan pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4. Struktur limpahan anatase. Sel satuan tetragonal anatasememiliki dimensi a = b = 3,782 Å, c = 9,502 Å(Diebold, 2003).

Anatase cenderung lebih stabil pada suhu rendah, pada pemanasan sol TiO2 dari

120 dan mencapai sempurna pada suhu 500 . Anatase mengalami distorsi

orthorombik yang lebih besar dibanding rutile, setiap oktahedron dikelilingi

delapan oktahedron tetangga. Luas permukaannya lebih luas dibanding rutile

sehingga lebih banyak menyerap cahaya. Secara termodinamika kristal anatase

lebih stabil dibandingan rutile pada ukuran nanopartikel <11 nm (Wang et al,

2010).

13

Dapat diamati perbedaan struktur kristal anatase dengan kristal rutile pada

Gambar 2.5.

Gambar 2.5. Struktur limpahan rutile. Sel satuan tetragonal rutilememiliki dimensi a = b = 4,587 Å, c = 2,953 Å(Diebold, 2003).

Rutile cenderung lebih stabil pada suhu tinggi sehingga sering terdapat dalam

batuan igneous (beku karena perapian). Pada suhu 700 mulai terbentuk kristal

dan mulai terjadi penurunan luas permukaan serta pelemahan aktivitas fotokatalis

secara drastis. Setiap oktahedron dikelilingi sepuluh oktahedron tetangga serta

mempunyai sistem kristal tetragonal. Secara termodinaka rutile akan stabil pada

ukuran >35 nm (Wang et al, 2010).

Struktur kristal dari TiO2 yang ketiga dalah brookite. Bentuk struktur kristal

brookite dapat dilihat pada Gambar 2.6. Brookite sulit diamati karena tidak stabil

dan biasanya hanya terdapat dalam mineral dan mempunyai struktul kristal

orthorombik. Energi sela brookite belum diketahui. Brookite akan stabil secara

termodinamika pada ukuran antara 11 nm dan 35 nm (Wang et al, 2010).

14

Gambar 2.6. Struktur kristal brookite titanium dioksida (Carp et al, 2004).

Anatase TiO2 lebih fotoaktif dari pada jenis rutile. Ini disebabkan luas permukaan

anatase lebih luas sehingga sisi aktif per unit anatase lebih besar daripada rutile.

Struktur brookite paling tidak stabil dan paling sulit dipreparasi sehingga jarang

digunakan dalam proses fotokatalitik. Perbandingan karakteristik struktur TiO2

jenis anatase, rutile dan brookite dapat dilihat pada Tabel 2.1.

Energi pita valensi untuk anatase dan rutile hampir mirip, yaitu sangat rendah

dalam diagram energi. Hal ini menandakan kedua struktur tersebut dapat

menghasilkan lubang dengan daya oksidasi yang besar. Adanya lubang dapat

menyebabkan terjadinya reaksi oksidasi apabila lubang ini mencapai permukaan,

karena lubang merupakan oksidator yang kuat. Lubang yang bereaksi dengan air

atau gugus hidroksil dapat menghasilkan radikal hidroksil (•OH), radikal hidroksil

juga berperan sebagai oksidator kuat.

15

Tabel 2.1. Karakteristik anatase, rutile dan brookite (Carp et al, 2004).

Struktur Kristal Sistem Grup RuangParameter Sel (nm)

a b c c/a

Rutile Tetragonal mmm/2P4144hD 0,4584 - 0,2953 0,644

Anatase Tetragonal amd/1I4194hD 0,3733 - 0,937 2,51

Brookite Rombohedral Pbc152hD 0,5436 0,9166 - 0,944

Kerapatan (kg/m3)Rutile 4240Anatase 3830Brookite 4170

Sifat Dielektrik Frekuensi (Hz) Suhu (K)KonstantaDielektrik

Rutile, tegak lurusterhadap optikal sumbuc

108 290-295 86

Rutile, sejajar terhadapoptikal sumbu c

- 290-295 170

Rutile, tegak lurusterhadap optikal sumbuc

104 298 160

Rutile, sepanjangsumbu c

107 303 100

Anatase, rata-rata 104 298 55Energi Sela (eV)Rutile 3,05Anatase 3,26Indeks Bias ng np

Rutile 2,9467 2,6506Anatase 2,5688 2,6584Brookite 2,809 2,677

Adanya lubang ini dapat mengoksidasi sebagian besar zat organik. Energi pita

konduksi untuk rutile nilainya mendekati potensial yang diperlukan untuk

mereduksi air menjadi gas hidrogen secara elektrolisis, tetapi anatase memiliki

tingkat energi konduksi yang lebih tinggi, sehingga elektron konduksinya mampu

mereduksi molekul oksigen (O2) menjadi superoksida (•O2) secara elektrolisis.

Superoksida memilki sifat yang mirip dengan radikal hidroksil dalam

mendegradasi material organik.

16

C. Efek Doping pada NanoTiO2

Doping merupakan suatu proses memasukkan atom lain (dopan) yang bertujuan

untuk memperbaiki sifat-sifat bahan sesuai peruntukannya, diantaranya

meningkatkan konduktivitas semikonduktor dan memperoleh semikonduktor

dengan hanya satu pembawa muatan (elektron atau hole) saja, atau mendapatkan

semikonduktor yang memiliki energi sela lebih rendah dari asalnya. Atom-atom

dopan pada semikonduktor tipe-n adalah atom-atom pentavalen yang dinamakan

atom donor, sedangkan pada semikonduktor tipe-p trivalen dan dinamakan atom

akseptor. Penyisipan dopan pada semikonduktor bertujuan untuk menghindari

rekombinasi muatan photohole dan photoelectron sehingga akan menghasilkan

quantum yield yang baik dan efisiensi reaksi fotokatalitik yang besar.

Dopan yang digunakan dapat berupa logam ataupun non logam. Dopan non logam

memiliki kemampuan lebih besar pada fotoaktivitas cahaya tampak (Liu et al,

2010). Proses pendopingan dapat dilakukan pada permukaan dan menyeluruh

(homogen). Perbedaan karakteristik doping permukaan dan doping homogen

terlihat pada Tabel 2.2.

Berbagai studi telah dilakukan dengan berbagai jenis dopan seperti N, C, S, B, F,

Br, I, dan P. Sampel TiO2 yang berisi ion F- yang tinggi menunjukkan penyerapan

yang tinggi di kisaran UV-tampak dengan pergeseran ke panjang gelombang yang

lebih panjang dalam energi sela transisi dan menunjukkan aktivitas fotokatalitik

yang tinggi (Yu et al, 2008). Nonmetal doping juga dapat meningkatkan

penyerapan cahaya tampak (Yang et al, 2011).

17

Tabel 2.2. Karakteristik doping permukaan dan homogen (Liu et al, 2010).

Doping Permukaan Doping Homogen

1. Penyerapan cahaya tampakyang rendah.

2. Sisi/tepi penyerapan cahayalebar.

3. Pembawa mobilitas muatanyang rendah.

4. Pembawa potensial muatanredox lebih rendah padacahaya tampak dari pada UV.

5. Lebih fleksibel dalam keadaanmodulasi kimia permukaandopan.

6. Mudah diaplikasikan.

1. Penyerapan cahaya tampakyang tinggi.

2. Sisi/tepi penyerapan yangcuram.

3. Pembawa mobilitas muatanyang tinggi.

4. Pembawa potensial muatanredox sama pada cahayatampak dan UV.

5. Kurang fleksibel dalamkeadaan modulasi kimia bulk(curah) dopan.

6. Sulit diaplikasikan.

D. Mekasnisme Fotokatalis

Fotokatalis merupakan suatu bahan atau unsur yang digunakan dalam

meningkatkan laju reaksi oksidasi dan reduksi yang dibantu oleh cahaya. Salah

satu bahan yang menjanjikan untuk dijadikan sebagai bahan fotokatalis adalah

titania. Dari tiga bentuk struktur kristal yang dimiliki titania, anatase adalah

polimorf utama dan merupakan fase yang paling aktif dalam hal aktivitas

fotokatalis (Stucchi et al, 2014).

Dalam fotokatalisis, energi cahaya lebih besar dari celah pita semikonduktor

sehingga elektron tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi (ecb-) menghasilkan

lubang positif di pita valensi (hVB+). Untuk titania, karena besar celah pitanya 3,2

eV maka dibutuhkan sinar UV. Lubang positif dapat mengoksidasi OH- atau air

pada permukaan untuk menghasilkan radikal •OH yang merupakan oksidan kuat.

18

Proses terjadinya fotokatalisis oleh titania dapat dilihat dalam skema pada Gambar

2.7 berikut.

Gambar 2.7. Skema proses fotokatalisis (Carp et al, 2004).

Pada Gambar 2.7 terjadi proses fotofisika dan fotokimia yang dipicu oleh foton

pada semikonduktor (P) sehingga menghasilkan pasangan elektron/lubang. q

merupakan rekombinasi permukaan, r adalah rekombinasi limpahan, s adalah

difusi penerima dan reduksi pada permukaan semikonduktor dan t merupakan

oksidasi donor pada permukaan partikel semikonduktor.

Reaksi fotokatalisis dimulai ketika elektron terksitasi (photoexited) dari pita

valensi yang terisi pada fotokatalis semikonduktor (SC) ke pita konduksi yang

kosong dengan menyerap energi foton (hν), dimana foton yang diserap besarnya

sama atau melebihi energi celah pita semikonduktor fotokatalis dan meninggalkan

lubang pada pita valensi sehingga menghasilkan pasangan elektron dan lubang (e-

dan h+).

19

Beberapa rekasi yang terjadi pada proses fotokatalis (Gaya and Abdullah, 2008).

Reaksi pada photoexcited: TiO2/SC + hν e- + h+ (1)

Penyerapan ion oksigen: (O2)ads + e- O2•- (2)

Ionisasi air: H2O OH- + H+ (3)

Protonisasi superoksida: O2•- + H+ HOO• (4)

Radikal hidroperoksil yang dibentuk pada persamaan (4) memiliki sifat seperti O2

sehingga melipatgandakan waktu hidup photohole:

HOO• + e- HO2- (5)

HOO- + H+ H2O2 (6)

Oksidasi dan reduksi terjadi pada permukaan fotokatalis semikonduktor.

Rekombinasi antara elektron dan lubang dapat terjadi kecuali jika oksigen

bereaksi dengan elektron membentuk superoksida (O2•-) dan mengalami

protonisasi membentuk radikal hidroperoksil (HO2-) dan H2O2.

Dalam hal mendegradasi fenol (C6H5OH), saat terjadinya degradasi radikal OH

yang dihasilkan fotokatalis menyerang cincin fenil, menghasilkan catechol,

resorcinol dan hydroquinone sehingga cincin fenil dalam senyawa ini putus untuk

memberikan malonic acid, kemudian rantai pendek asam organik seperti maleic,

oxalic, acetic, formic dan akhirnya CO2 (Guo et al, 2006). Rangkaian proses ini

dapat dilihat pada Gambar 2.8 berikut.

20

Gambar 2.8. Skema degradasi fenol (Guo et al, 2006).

Sehingga dalam proses degradasi fenol diperlukan waktu penyinaran yang lama

untuk memutus seluruh rantai fenol dan turunannya.

E. Beberapa Karakterisasi pada NanoTiO2

Untuk mengetahui karakteristik dari nanoTiO2 dapat dilakukan dengan beberapa

cara, diantaranya:

1. XRD

Difraksi sinar-X adalah teknik analitik yang serbaguna untuk mengetahui

struktur kristal suatu padatan, seperti keramik, logam, material elektronik,

organik dan polimer. Difraksi sinar-X terjadi pada hamburan elastis foton-foton

sinar-X oleh atom dalam sebuah kisi periodik. Hamburan monokromatis sinar-

X dalam fasa tersebut memberikan interferensi yang konstruktif.

Dasar dari penggunaan difraksi sinar-X untuk mempelajari kisi kristal adalah

berdasarkan persamaan Bragg:

λ = 2.d.sinθ (7)

21

Dengan λ adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan, d adalah jarak

antara dua bidang kisi, θ merupakan sudut antara sinar yang terjadi dengan

penampang lapisan sehingga lebih dikenal sebagai sudut Bragg, dan n adalah

bilangan bulat yang disebut sebagai orde pembiasan. Ketika panjang garis edar

kristal (2d sin θ) merupakan multi panjang gelombang, interferensi yang

menguatkan terjadi dan intensitas difraksi dapat ditentukan. Intensitas difraksi

berhubungan dengan puncak yang akan menentukan tipe dan pengaturan atom-

atom pada setiap lapisan.

Berdasarkan persamaan Bragg, jika seberkas sinar-X dijatuhkan pada sampel

kristal, maka bidang kristal itu akan membiaskan sinar-X yang memiliki

panjang gelombang yang sama dengan jarak antar kisi dalam kristal tersebut.

Sinar yang dibiaskan akan ditangkap oleh detektor kemudian diterjemahkan

sebagai sebuah puncak difraksi. Makin banyak bidang kristal yang terdapat

dalam sampel, makin kuat intensitas pembiasan yang dihasilkannya. Tiap

puncak yang muncul pada pola XRD mewakili satu bidang kristal yang

memiliki orientasi tertentu dalam sumbu tiga dimensi. Ilustrasi Hukum Bragg

dapat dilihat pada Gambar 2.9.

Gambar 2.9. Ilustrasi hukum Bragg. S0 = sinar datang, S1 = sinar pantul, θsudut sinar datang/pantul, A1 = bidang kristal 1, A2 =bidang kristal 2, d = jarak antar bidang.

22

Puncak yang melebar menunjukkan kristalinitas rendah (amorf), sedangkan

puncak yang meruncing menunjukkan kristalinitas yang lebih baik. Difraksi

sinar-X sangat penting pada identifikasi senyawa kristalin. Kekuatan dari

cahaya yang terdifraksi tergantung pada kuantitas material kristalin yang sesuai

di dalam sampel sehingga sangat mungkin mendapatkan analisa kuantitatif dari

sejumlah relatif konstituen dari campuran senyawa padatan. Alat yang

digunakan dalam karakterisasi XRD terlihat pada Gambar 2.10.

Gambar 2.10. Alat XRD.

2. SEM

SEM merupakan suatu alat yang dapat digunakan untuk mengamati dan

menganalisis karakteristik mikrostruktur dari bahan padat seperti logam,

keramik, polimer, dan komposit. SEM memiliki resolusi (daya pisah) dan

ketajaman gambar yang tinggi yaitu sekitar 0,5 nm dengan perbesaran

maksimum sekitar 5x105 kali. Selain itu cara analisis SEM tidak merusak

bahan. SEM menggunakan pancaran sinar yang timbul akibat eksitasi elektron

untuk melihat partikel berukuran mikron. Sejak tahun 1950, SEM telah banyak

23

dikembangkan dan banyak digunakan dalam dunia medis maupun dalam

pengembangan ilmu pengetahuan.

Pada prinsipnya SEM terdiri dari beberapa komponen yaitu kolom elektron

(electron column), ruang sampel (specimen chamber), sistem pompa vakum

(vacuum pumping system), kontrol elektronik dan sistem bayangan. Kolom

elektronik terdiri dari senjata elektron dan beberapa lensa. Bagian dari electron

gun adalah katoda, yaitu filamen berbentuk V yang terbuat dari bahan tungsten

atau lanthanum hexaboride (LaB6) dan plat anoda. Electron gun berfungsi

sebagai sumber untuk menghasilkan berkas elektron atau elektron primer yang

dipancarkan dari katoda dan digunakan untuk menganalisis bahan. Berkas

elektron tersebut dipercepat oleh medan listrik dan difokuskan pada gambar

pertama dari sumber, yaitu sebuah lensa magnetik yang terdiri dari dua buah

lensa kondensor sehingga bentuk dan ukuran sampel terlihat dalam bentuk

berkas bayangan (imaging beam). Faktor yang menentukan penampilan dan

resolusi dari SEM adalah arus dan berkas pemercepat. Skematik dan bentuk

alat SEM terlihat pada Gambar 2.11 dan 2.12.

24

Gambar 2.11. Bagian-bagian SEM.

3. TEM

TEM merupakan mikroskop elektron yang cara kerjanya mirip dengan

proyektor slide, dimana elektron ditembuskan ke dalam objek. TEM digunakan

untuk menentukan bentuk dan ukuran partikel yang sangat teliti karena

memiliki resolusi yang tinggi serta untuk mengetahui keteraturan lapisan tipis

Gambar 2.12. Alat SEM.

25

pada permukaan partikel. Partikel dengan ukuran beberapa nanometer dapat

diamati dengan jelas menggunakan TEM.

Prinsip kerja dari TEM adalah sampel ditempatkan di mikroskop dan kemudian

dibombardir dengan elektron yang berenergi tinggi. Ukuran sampel biasanya

harus lebih tipis dari ~2000 Å. Skematik alat SEM terlihat pada Gambar 2.13.

Gambar 2.13. Bagian-bagian alat TEM.

Komponen dasar dari TEM terdiri dari electron gun, lensa kondensor, sampel,

objek lensa, bidang difraksi, intermediate image, lensa proyektor, dan layar

fluorescen. Elekton dipancarkan dari filamen tungsten (electron gun) yang

dipercepat melalui tegangan tinggi (dari 50 ke 1000 kV). Hubungan panjang

gelombang dengan percepatan tegangan adalah:

λ = һ (2meV)-1/2 (8)

Senjata elektron

anoda

Lensa kondensorcuplikan

Lensa bukaanobjektif

Lensa pertengahan

Lensa proyektor

Layar fluoresen

26

dimana m dan e adalah massa dan muatan elektron. Pada tegangan tinggi

kecepatan elektron mendekati kecepatan cahaya, m meningkat karena adanya

efek relativistik.

4. UV-Vis Spectroscopy

UV-Vis Spectroscopy merupakan suatu alat yang melibatkan spektrum energi

dan spektrofotometri. Prinsip dasar spektroskopi UV-Vis yaitu saat suatu

material disinari dengan gelombang elektromagnetik maka foton akan diserap

oleh elektron dalam material. Setelah menyerap foton, elektron akan berusaha

meloncat ke tingkat energi yang lebih tinggi. Dengan catatan energi foton yang

diberikan haruslah lebih besar dari energi celah dari material. Inilah yang

disebut absorbsi oleh material. Ketika frekuensi gelombang elektromagnetik

yang dikenai pada material maka energi yang diserap oleh material akan

bersesuaian dengan lebar celah pita energi material tersebut.

Panjang gelombang cahaya UV-Vis bergantung pada mudahnya perpindahan

elektron. Senyawa yang menyerap cahaya pada daerah tampak (yaitu senyawa

yang berwarna) mempunyai elektron yang lebih mudah pindah dibanding

senyawa yang menyerap pada panjang gelombang UV yang lebih pendek.

Pergeseran pada spektra UV-Vis dibedakan menjadi dua, yaitu pergeseran

merah (red shift) dan pergeseran biru (blue shift). Pergeseran merah berarti

pergeseran ke panjang gelombang yang lebih besar atau menuju tingkat energi

yang lebih rendah dan pergeseran biru ialah pergeseran ke panjang gelombang

yang lebih pendek atau menuju ke tingkat energi yang lebih tinggi.

27

Intensitas penyerapan dijelaskan dengan hukum Lambert-Beer. Hukum

Lambert menyatakan bahwa proporsi berkas cahaya datang yang diserap oleh

suatu bahan tidak bergantung pada intensitas berkas cahaya yang datang.

Hukum Lambert hanya berlaku jika di dalam bahan tidak ada reaksi kimia

ataupun proses fisis yang dapat dipicu atau diimbas oleh berkas cahaya datang

tersebut. = (9)

Keterangan: = absorbansi

= absorptivitas molar (dalam L mol-1 cm-1)

= ketebalan bahan/medium yang dilintasi oleh cahaya (cm)

= konsentrasi molar (mol L-1)

Dari persamaan (9) tampak bahwa absorbansi berbanding lurus dengan

konsentrasi molar. Ini artinya jika nilai absorbansi menurun mendekati nol

maka konsentrasi bahan/larutan yang dilalui juga akan mendekati nol.

Dengan kata lain bahan/larutan telah terdegradasi sempurna.

25

III. METODOLOGI PENELITIAN

A. Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian ini dilaksanakan mulai bulan April 2016 sampai bulan Mei 2016. Untuk

preparasi dan pembuatan sampel dilakukan di Laboratorium Fisika Material

FMIPA Universitas Lampung. Dalam melakukan kalsinasi sampel dilaksanakan

di Laboratorium Kalsinasi Balai Riset dan Standardisasi (Baristand) Industri

Bandarlampung. Untuk uji XRD dilakukan di Jurusan Fisika Universitas Negeri

Padang dan untuk analisa struktur kristal dilakukan di Jurusan Kimia Universitas

Gajah Mada. Sedangkan untuk uji UV-Vis Spectroscopy dilakukan di

Laboratorium Kimia Anorganik/Kimia Fisik Jurusan Kimia FMIPA Universitas

Lampung.

B. Alat dan Bahan Penelitian

1. Alat

Peralatan-peralatan yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari:

a. Pipet makro (0-5) mL.

b. Gelas sampel.

c. Gelas ukur.

d. Batang magnet.

e. Magnetic stirer.

f. Cawan petri.

g. Neraca.

h. Mortar.

29

i. Spatula.

j. Botol plastik 100 mL.

k. Furnace.

l. Oven.

m. Lemari asam.

n. Kertas lakmus.

o. XRD.

p. TEM.

q. UV Vis Spectroscopy.

2. Bahan

Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain:

a. Asam klorida (HCl).

b. Air deionisasi.

c. Tween-80 (C64H124O26).

d. Isoprophyl alcohol (i-PrOH/

C3H8O).

e. Asam asetat (C2H4O2).

f. Titanium tetraisopropoxide

(TTIP/C12H28O4Ti).

g. Ammonium florida (NH4F).

h. Fenol (C6H5OH).

C. Preparasi Sampel

Sebelum dilakukan pembuatan sampel, terlebih dahulu dibuat larutan HCl dan air

deionisasi dengan konsentrasi 10% dalam ember tertutup. Cuci gelas sampel

beserta tutupnya, gelas ukur dan cawan petri kemudian rendam dalam larutan HCl

tersebut selama ±5 jam. Kemudian angkat dan biarkan sampai kering dengan

sendirinya selama ±12 jam.

Jumlah sampel yang dipreparasi dalam penelitian ini sebanyak 5 (lima) sampel.

Masing-masing sampel diberi perlakuan yang sama hanya saja diberikan jumlah

30

penambahan doping F yang berbeda. Variasi doping pada tiap-tiap sampel dapat

dilihat pada Tabel 3.1.

Tabel 3.1. Variasi doping pada tiap sampel.

Nama Tween-80 i-PrOH Asam Asetat TTIP NH4F

Sampel (g) (mL) (mL) (mL) (g)O-0F 20 60 6 15 0,0O-0,4F 20 60 6 15 0,4O-0,6F 20 60 6 15 0,6O-0,8F 20 60 6 15 0,8O-1F 20 60 6 15 1,0

Untuk proses persiapan preparasi sampel TiO2 murni, ringkasan langkah kerjanya

dapat diperhatikan diagram alir pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1. Prosedur kerja untuk mendapatkan sampel TiO2.

Stir selama ±10 menit.

6 mL C2H4O2

+15 mL TTIP

Stir selama ±24 jam.

Oven (±100℃) ±24 jam.

Kalsinasi (250℃) 2 jam, tahan 3 jam.

Kalsinasi (500℃) 2 jam, tahan 4 jam.

Gerus selama ±30 menit.

20 g Tween 80+

60 mL i-PrOH

TiO2

31

Selanjutnya dalam pembuatan sampel TiO2 dengan penambahan doping F

dilakukan prosedur kerja seperti dalam diagram alir pada Gambar 3.2.

1. Pengukuran dan penimbangan.

Bahan-bahan yang akan digunakan terlebih dahulu diukur volume dan

massanya. Tween-80 ditimbang sebanyak 20 g menggunakan neraca Electronic

Balance BL-2200H dan langsung ditempatkan pada masing-masing gelas

Stir selama ±10 menit.

6 mL C2H4O2

+15 mL TTIP

Stir selama ±30 menit.

20 g Tween 80+

60 mL i-PrOH

+NH4F dengan variasi0,4 g, 0,6 g, 0,8 g, 1 g

Stir selama ±24 jam.

Oven (±100℃) ±24 jam.

Kalsinasi (250℃) 2 jam, tahan 3 jam.

Kalsinasi (500℃) 2 jam, tahan 4 jam.

Gerus selama ±30 menit.

F-TiO2

Gambar 3.2. Prosedur kerja untuk mendapatkan sampel F-TiO2.

32

sampel kemudian tutup dan diberi label sesuai dengan nama- nama sampel

pada Tabel 3.1 di atas.

Untuk i-PrOH diukur sebanyak 60 mL menggunakan gelas ukur. Kemudian

ukur 3 mL asam asetat menggunakan pipet ukur mikro. Khusus untuk TTIP

diukur sesaat sebelum proses penambahan ke dalam larutan sampel. Ini

dikarenakan sifat TTIP yang akan membentuk padatan putih seperti salju jika

terlalu lama terpapar udara. TTIP diukur sebanyak 15 mL menggunakan pipet

ukur mikro. Lalu timbang NH4F sebagai sumber doping F dengan massa

masing-masing 0,4 g; 0,6 g; 0,8 g dan 1 g. Tempatkan semua bahan yang telah

diukur pada wadah yang berbeda kemudian tutup dengan plastik press untuk

menghindari kontaminasi dari bahan lain maupun udara.

2. Stirring.

Setelah proses pengukuran semua komposisi bahan-bahan dasar, maka langkah

pertama yang dilakukan adalah mengambil tween-80 yang telah ditempatkan

dalam gelas sampel, kemudian masukkan batang magnet dan letakkan di atas

magnetic stirrer. Nyalakan stirrer dengan kecepatan putaran yang sesuai

dengan banyaknya campuran yang ada dalam gelas sampel, lalu tambahkan i-

PrOH. Stir sampai tercampur merata selama ±10 menit. Kemudian tambahkan

asam asetat sambil terus distir. Selanjutnya tambahkan TTIP secara dropwise

dengan tetap distir dan biarkan selama ±24 jam. Kemudian letakkan sampel

dalam oven yang diatur pada suhu ±100℃ selama ±24 jam. Rangkaian proses

ini bertujuan untk memperoleh sampel TiO2 murni (O-0F).

33

Sedangkan untuk mendapatkan sampel F-TiO2, prosesnya sama dengan sampel

O-0F tetapi setelah penambahan TTIP secara dropwise dan distir selama ±30

menit maka harus ditambahkan NH4F sebagai doping dengan variasi yang telah

ditentukan. Kemudian distir lagi selama ±24 jam. Setelah itu masukkan sampel

dalam oven pada suhu ±100 ℃ selama ±24 jam. Proses ini nanti akan

menghasilkan sampel O-0,4F; O-0,6F; O-0,8F dan O-1F.

3. Kalsinasi.

Pada proses ini, kalsinasi dilakukan menggunakan tungku/furnace pembakaran

Nabertherm berkapasitas sampai dengan 2000℃ seperti pada Gambar 3.3.

Gambar 3.3. Furnace Nabertherm.

Alat ini dilengkapi dengan pengaturan suhu yang dikendalikan secara otomatis

menggunakan sistem digital. Semua sampel dimasukkan dengan disusun secara

beraturan dalam furnace. Setelah furnace ditutup, lakukan penyetelan suhu

pertama pada 250 ℃ dengan waktu selama 2 jam dan tahan selama 3 jam.

Kemudian suhu kalsinasi dinaikkan menjadi 500 ℃ untuk suhu kedua selama 2

jam dan ditahan selama 4 jam. Proses dikalsinasi ini berguna untuk

menghilangkan senyawa-senyawa yang tidak diperlukan pada sampel.

34

4. Penggerusan.

Setelah proses kalsinasi, sampel yang telah berbentuk padatan digerus secara

manual menggunakan mortar yang terbuat dari batu akik seperti pada Gambar

3.4.

Gambar 3.4. Mortar akik.

Mortar ini dipilih sebab tidak mudah terkelupas dan gores sehingga diharapkan

sampel hasil gerusan tidak terkontaminasi. Penggerusan dilakukan sampai

sampel dirasa benar-benar halus selama ±30 menit. Ini bertujuan untuk

meningkatkan homogenitas bahan dan agar lebih mudah diamati struktur dan

bentuknya.

D. Karakterisasi Sampel

Setelah seluruh sampel disintesis kemudian dikarakterisasi menggunakan XRD,

TEM dan dilakukan uji aktivitas katalis.

35

1. XRD

Karakterisasi menggunakan difraksi sinar-X bertujuan untuk mengetahui

struktur kristal yang terbentuk pada sampel, menganalisa kemurnian serta jenis

impuritas yang terdapat pada sampel berdasarkan intensitas penyerapan sudut

2 yang terbentuk. Pada penelitian ini dipakai X’PERT Powder PANalytical

Diffractometers untuk karakterisasi XRD seperti pada Gambar 3.5.

Gambar 3.5. X’PERT Powder PANalytical Diffractometers.

Logam target yang digunakan adalah Cu dengan panjang gelombang

K- 1 = 1,54060 Å dan K- 2 = 1,54443 Å serta K- = 1,39225 Å. Alat ini

dioperasikan pada temperatur 25 ℃ dengan tegangan 40 kV dan kuat arus 30

mA. Sudut difraksi (2 ) yang dipakai mulai dari 20,0066° sampai 79,9886°

dengan step size 0.0130° dan scan step time selama 8,6700 detik. Sampel yang

dilakukan uji XRD ini adalah sampel O-0F dan O-1F.

36

Sampel diletakkan pada tempat sampel (sample holder) kemudian diratakan

menggunakan kaca. Setelah itu masukkan sampel ke dalam difraktometer

untuk kemudian dilakukan penembakan dengan sinar X. Sebelum memulai

pengujian difraksi (menekan tombol “start” pada menu di komputer) terlebih

dahulu diatur sudut 2 dan variabel-variabel lainnya seperti yang telah

dipaparkan di atas. Setelah pengukuran selesai maka akan diperoleh data hasil

difraksi dalam bentuk soft data yang dapat disimpan dalam bentuk excel

(extension xlsx). Data ini dapat dikonversi ke bentuk extension xy (file.xy)

untuk memudahkan dalam pengolahan data. Selanjutnya data yang diperoleh

akan diolah menggunakan software PCPDFWIN untuk mengetahui fasa apa

saja yang terkandung dalam sampel. Kemudian dilanjutkan dengan

penghalusan data menggunakan perangkat lunak Rietica dengan metode

Rietveld.

Faktor-faktor yang menentukan dalam melakukan pencocokan antara data hasil

penelitian dengan data hasil perhitungan, diantaranya:

a. Profil ( pR )

io

iciop yΣ

yyΣR

(10)

Dimana ioy merupakan intensitas pengamatan pada setiap pola difraksi

dan icy adalah intensitas perhitungan pada setiap pola difraksi.

b. Weighted Profile ( wpR )

21

2ioi

2icioi

wp ywΣyywΣ

R

(11)

37

Dimana iw adalah weight/bobot pada setiap pengamatan.

c. Bragg ( BR )

ko

kckoB IΣ

IIΣR

(12)

Dimana koI merupakan intensitas pengamatan terintegrasi refleksi k

dihitung pada akhir refinement setelah pembagian setiap ioy antara

puncak kontribusi (dan latar belakang saat refinement) sesuai dengan

intensitas hasil perhitungan kcI .

d. Expected ( expR )

21

2ioi

exp ywΣPN

R

(13)

Dimana N adalah jumlah pengamatan (yaitu jumlah total ioy ketika

refinement latar belakang) dan P adalah jumlah parameter yang

disesuaikan.

e. Goodness of Fit ( 2 )

2

exp

wp2

icioi2

R

R

P-N

yywΣ

(14)

Dalam melakukan penghalusan difraktogram menggunakan metode Rietveld

ini perlu diperhatikan nilai GoF (Goodness of Fit). Huot and Černý (2016)

mengatakan bahwa indikator yang baik adalah GoF. Jika nilai GoF >1 model

struktural atau pemodelan profil harus tetap ditingkatkan, tetapi nilai GoF <2

ini sudah memuaskan. Nilai GoF yang disimbolkan dengan 2 ≤4 pun sudah

dapat diterima (Kisi, 1994).

38

Pengujian ini juga dapat menentukan ukuran bulir sampel dengan

menggunakan persamaan Scherrer berikut:

= (15)

dimana adalah ukuran partikel, adalah konstanta numerik (~0,9), adalah

panjang gelombang sinar X, adalah maksimum setengah lebar puncak

(FWHM) dalam radian dan adalah sudut difraksi.

2. TEM

Sampel yang telah terbentuk juga dikarakterisasi menggunakan TEM.

Karakterisasi TEM ini bertujuan untuk menentukan bentuk dan ukuran partikel

serta distribusi atom dalam sampel dengan sangat teliti karena memiliki

resolusi yang tinggi. Resolusi yang dihasilkan hingga 0,1 nm (1 Angstrom)

atau sama dengan perbesaran sejuta kali. Alat TEM yang digunakan adalah

merek JEOL JEM 1400 yang terlihat pada Gambar 3.6.

Gambar 3.6. TEM JEOL JEM 1400.

39

Elektron ditembakkan dari electron gun kemudian difokuskan dengan lensa

kondensor dan menembus sampel. Selanjutnya diterima oleh lensa proyektor

dan akan ditampilkan pada layar fluorescen. Untuk karakterisasi menggunakan

TEM ini dilakukan pada sampel O-0F dan O-1F.

Untuk mengetahui ukuran partikel sampel yang diuji menggunakan TEM,

dapat dipakai 2 (dua) cara. Cara pertama dengan menggunakan software

Image-J. Image-J merupakan salah satu media pengolah data digital hasil

karakterisasi SEM/TEM sehingga diperoleh distribusi ukuran partikel dari

sampel (Kurniawan dkk, 2011). Ada beberapa media pengolahan data digital

untuk analisis partikel yang didapat dari public domain, diantaranya adalah

NIH-image, Scion Image, dan Image-J. NIH-image dan Scion Image

digunakan pada sistem operasi komputer Machintosh dan Windows, sedangkan

Image-J yang berbasis pemrograman Java yang dapat digunakan untuk sistem

operasi komputer Windows, Linux, maupun Machintosh (Woehrle et al, 2006).

Image-J merupakan software gratis (free software) untuk pengolahan gambar

digital berbasis Java yang dibuat oleh Wayne Rasband dari Research Services

Branch, National Institute of Mental Health, Bethesda, Maryland, USA

(Podlasov and Ageenko, 2003). Software ini dapat didownload secara bebas di

http://imagej.nih.gov/ij/ (Ferreira and Rasband, 2012).

Cara kedua dalam menentukan ukuran partikel (D) sampel adalah melalui

perbandingan skala. Cara ini diaplikasikan dengan mengukur diameter secara

vertikal (dv) dan horizontal (dh) kemudian dijumlahkan dan dibagi dua (rata-

rata). Hasil rata-rata diameter ini dibandingkan dengan panjang skala bar (l)

40

hasil foto TEM dan dikalikan dengan skala perbesaran foto TEM (S) tersebut

atau dapat ditulis seperti Persamaan 16 berikut.

Sxl

dd

D

vh

2

(16)

3. Uji Aktivitas Katalis

Dalam melakukan uji katalis ini digunakan fenol sebagai polutan atau bahan

yang akan diuraikan (degradasi). Proses degradasi menggunakan ini

melibatkan cahaya sebagai pemercepat reaksi yang biasa disebut fotodegradasi.

Tahapan-tahapan dalam uji aktivitas katalis pada fenol ini dibagi menjadi 2

(dua) tahap. Tahap pertama dilakukan di bawah sinar matahari langsung

(visible light) dan tahap kedua dilakukan di bawah sinar ultraviolet (UV)

dengan lampu Osram Ultra Vitalux 230V-E27/ES berdaya 300 W sebagai

sumber sinar UV. Proses uji ini dilakukan sebanyak 6 (enam) kali pengambilan

cuplikan untuk masing-masing sampel dengan rincian waktu dalam satuan

menit yaitu 0, 10, 20, 30, 40, dan 50. Sampel-sampel yang dilakukan uji

aktivitas katalis ini adalah sampel O-0F; O-0,4F; O-0,6F; O-0,8F, dan O-1F.

Sebelum memulai tahapan demi tahapan, terlebih dahulu dibuat larutan fenol

dengan konsentrasi 100 ppm. Larutan ini diperoleh dengan cara menimbang

fenol sebanyak 0,1 gram kemudian dilarutkan ke dalam 1000 mL air

deionisasi. Distir selama ±10 menit untuk mendapatkan larutan yang homogen.

Setelah itu dimulailah tahapan pertama. Pengujian dilakukan antara pukul

11.00 WIB sampai dengan pukul 13.00 WIB.

41

Proses tahapan pertama dimulai dengan mengambil sebanyak 300 mL larutan

fenol 100 ppm dan masukkan ke dalam gelas ukur kemudian diletakkan pada

magnetic stirrer. Masukkan sebanyak 0,5 gram sampel O-0F kemudian

nyalakan stirrer. Untuk cuplikan dengan waktu 0 menit, penyetiran sampel

dilakukan ditempat yang terlindung dari sinar matahari kemudian stir selama

±10 menit. Setelah 10 menit ambil sebanyak 60 mL cuplikan tempatkan ke

dalam botol plastik dan beri label O-0F.0V.

Untuk cuplikan selanjutnya stirrer dipindahkan ke tempat yang terkena sinar

matahari langsung. Stir selama ±10 menit kemudian ambil cuplikan sebanyak

60 mL dan masukkan ke dalam botol plastik kemudian beri label O-0F.10V.

Langkah ini diulangi untuk pengambilan cuplikan O-0F.20V; O-0F.30V; O-

0F.40V dan O-0F.50V. Semua tahapan ini dilakukan juga pada sampel O-0,4F;

O-0,6F; O-0,8F, dan O-1F.

Tahapan kedua hampir sama dengan proses tahapan pertama hanya saja

tahapan ini dilakukan di dalam ruangan dan menggunakan lampu UV sebagai

cahaya. Lampu UV tersebut diikatkan pada tiang penyangga yang terbuat dari

besi dengan ketinggian dari stirrer ±45 cm. Lampu UV ini diselubungi dengan

kertas tebal yang dilapisi aluminium foil agar sinarnya lebih terarah.

Larutan fenol yang digunakan masih sama yaitu 100 ppm dengan proses

pembuatan sama dengan tahap pertama. Ambil sebanyak 300 mL dalam gelas

ukur larutan fenol 100 ppm kemudian tempatkan di atas stirrer, masukkan 0,5

gram sampel O-0F kemudian stir selama ±10 menit. Untuk pengambilan

cuplikan pada waktu 0 menit, pengadukan dilakukan sebelum lampu UV

42

dinyalakan. Setelah itu ambil cuplikan sebanyak 60 mL dan masukkan ke

dalam botol plastik kemudian beri label O-0F.0UV. Untuk cuplikan dengan

waktu 10 menit, tempatkan stirrer di bawah lampu UV kemudian stir selama

±10 menit. Ambil cuplikan sebanyak 60 mL dan masukkan ke dalam botol

plastik kemudian beri label O-0F.10UV. Ulangi langkah ini untuk pengambilan

cuplikan O-0F.20UV; O-0F.30UV; O-0F.40UV dan O-0F.50UV. Ulangi

seluruh rangkaian langkah ini untuk sampel O-0,4F; O-0,6F; O-0,8F, dan O-

1F.

4. Spektrofotometer UV-Vis

Untuk mengetahui kemampuan absorbansi sampel maka sampel dikarakterisasi

menggunakan Spektrofotometer UV Vis. Pengujian sampel dilakukan dengan

menggunakan Spektrofotometer UV-Vis Cary 100 seperti terlihat pada Gambar

3.7.

Gambar 3.7. Spektrofotometer UV-Vis Cary 100.

Pengujian ini dapat membantu dalam mengetahui berapa konsentrasi polutan

yang digunakan. Dalam penelitian ini zat yang dipakai sebagai bahan uji adalah

fenol.

43

Sebelum pengujian dimulai, nyalakan alat UV Vis dan biarkan selama ±15

menit. Bersihkan kuvet blanko dan kuvet tempat sampel. Kuvet blanko diisi

dengan bahan pelarut, dalam penelitian ini dipakai air deionisasi. Masukkan

kuvet blanko pada tempatnya. Untuk kuvet sampel, pada pengujian pertama

diisi dengan bahan pelarut. Kemudian masukkan ke dalam alat dan lakukan

pengujian dengan terlebih dahulu menentukan panjang gelombang untuk

pengujian yaitu 200 nm sampai 300 nm. Tekan tombol “start” pada menu di

komputer untuk memulai pengukuran. Setelah itu keluarkan kuvet sampel,

bersihkan dengan cara membilas dengan cuplikan sampel kemudian isi dengan

cuplikan dan masukkan kembali ke dalam alat. Lakukan pengukuran untuk

setiap cuplikan sampel. Sampel-sampel yang diuji antara lain sampel O-0F;

O-0,4F dan O-1F.

75

V. KESIMPULAN DAN SARAN

A. Kesimpulan

Setelah melakukan penelitian maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:

1. Fasa yang terbentuk pada F-TiO2 sama dengan fasa yang terbentuk pada

nanotitania yaitu murni anatase. Adanya penambahan doping F pada

nanotitania mengakibatkan kristalinitas F-TiO2 meningkat dibandingkan

nanotitania murni seperti yang terdapat pada hasil uji XRD.

2. Ukuran partikel pada nanotitania sebesar 16,77 nm berdasarkan hasil uji

XRD, berdasarkan uji TEM melalui metode perbandingan didapatkan

ukuran nanopartikel sebesar 22,58 nm dan 27,23 nm hasil pengolahan

menggunakan software ImageJ. Sedangkan ukuran nanopartikel F-TiO2

berdasarkan hasil uji XRD adalah 23,77 nm, hasil uji TEM melalui metode

perbandingan sebesar 21,09 nm dan hasil olahan software ImageJ sebesar

21,48 nm. Penambahan doping F pada TiO2 tidak menyebabkan

pengurangan ukuran partikel yang berarti.

3. Aktivitas fotokatalitik pada nanotitania yang diberi tambahan doping F

mengalami peningkatan di bawah sinar matahari (visible light) seperti

yang terdapat pada hasil uji spektrofotometer UV-Vis.

76

B. Saran

1. Bagi peneliti selanjutnya dapat melakukan sintesis nanotitania dengan

doping fluor dengan variasi massa surfaktan yang dipakai.

2. Dalam melakukan uji aktivitas katalis nanotitania doped F dapat dilakukan

pada polutan jenis lain seperti Rhodamin B (RhB) maupun Methyl Orange

(MO).

78

DAFTAR PUSTAKA

Abdullah, M., dan Khairurrijal. (2009). Review: Karakterisasi Nanomaterial.Jurnal Nanosains & Nanoteknologi, Vol. 2, No. 1, Hal. 1-9.

Antonopoulou, M., Karagianni, P., Giannakas, A., Makrigianni, V., Mouzourakis,E., Deligiannakis, Y., and Konstantinou, I. (2017). PhotocatalyticDegradation of Phenol by Char/N-TiO2 and Char/N-F-TiO2

Composite Photocatalysts. Catalysis Today, Vol. 280, Part 1, pp.114-121.

Arief, S., Alif, A., dan Willian, N. (2008). Pembuatan Lapisan Tipis TiO2 -DopedLogam M (M= Ni, Cu dan Zn) dengan Metode Dip-Coating danAplikasi Sifat Katalitiknya pada Penjernihan Air Rawa Gambut.Jurnal Riset Kimia, September, Vol. 2, No. 1, Hal 69-74.

Asilturka, M., Sayılkana, F., and Arpaç, E. (2009). Effect of Fe3+ Ion Doping toTiO2 on The Photocatalytic Degradation of Malachite Green DyeUnder UV and Vis-Irradiation. Journal of Photochemistry andPhotobiology A: Chemistry, Vol. 203, pp. 64–71.

Aziz, M., dan Purwaningsih, H. (2014). Pengaruh Penambahan Al (Doping Al)terhadap Struktur Mikro dan Fasa TiO2 Hasil Proses Sol-Gel.Jurnal Teknik Pomits, Vol. 1, No. 1, Hal. 1-4.

Carp, O., Huisman, C. L., and Reller, A. (2004). Photoinduced Reactivity ofTitanium Dioxide. Progress in Solid State Chemistry, Vol. 32, pp.33–177.

Dastan, D., and Chaure, N. B. (2013). Influence of Surfactants on TiO2

Nanoparticles Grown by Sol-Gel Technique. International Journalof Materials, Mechanics and Manufacturing, Vol. 2, Iss 1, pp. 21-24.

Diebold, U. (2003). The Surface Science of Titanium Dioxide. Surface ScienceReports, Vol. 48, pp. 53-229.

79

Diker, H., Varlikli, C., Mizrak, K., and Dana, A. (2011). Characterizations andPhotocatalytic Activity Comparisons of N-Doped NC-TiO2

Depending on Synthetic Conditions and Structural Differences ofAmine Sources. Energy, Vol. 36, pp. 1243-1254.

Djerdj, I., and Tonejc, A. M. (2006). Structural Investigations of NanocrystallineTiO2 Samples. Journal of Alloys and Compounds, Vol. 413, pp.159–174.

Effendi, M., dan Bilalodin. (2012). Analisis Sifat Optik Lapisan Tipis TiO2

Doping Nitrogen yang Disiapkan dengan Metode Spin Coating.Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng dan DIY, ISSN:0853-0823.

Gaya, U. I., and Abdullah, A. H. (2008). Heterogeneous PhotocatalyticDegradation of Organic Contaminants over Titanium Dioxide: AReview of Fundamentals, Progress and Problems. Journal ofPhotochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews,Vol. 9, pp. 1–12.

Giannakas, A. E., Seristatidou, E., Deligiannakis, Y., and Konstantinou, I. (2013).Photocatalytic Activity of N-doped and N–F Co-Doped TiO2 andReduction of Chromium(VI) in Aqueous Solution: An EPR Study.Applied Catalysis B: Environmental, Vol. 132–133, pp. 460– 468.

Grabowska, E., Reszczyńska, J., and Zaleska, A. (2012). Mechanism of PhenolPhotodegradation in The Presence of Pure and Modified-TiO2: AReview. Water Research, Vol. 46, pp. 5453-5471.

Guo, Z., Ma, R., and Li, G. (2006). Degradation of Phenol by Nanomaterial TiO2

in Wastewater. Chemical Engineering Journal, Vol. 119, pp. 55–59.

Hashimoto, K., Irie, H., and Fujishima, A. (2005). TiO2 Photocatalysis: AHistorical Overview and Future Prospects. Japanese Journal ofApplied Physics, Vol. 44, No. 12, pp. 8269-8285.

Hoffman, M. R., Martin, S. T., Choi, W., and Bahneman, D. W. (1995).Environmental Aplication of Semiconductors Photocatalysis.Chemical Review, Vol. 95, No. 1, pp. 69-96.

Horikoshi, S., and Serpone, N. (2013). Microwaves in Nanoparticle Synthesis,First Edition. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. ISBN: 978-3-527-33197-0.

80

Huot, J., and Černý, R. (2016). Neutron Powder Diffraction. Neutron Scatteringand Other Nuclear Techniques for Hydrogen in Materials, NeutronScattering Applications and Techniques, Springer InternationalPublishing Switzerland, Iss. Chapter 3, pp. 31-89, doi:10.1007/978-3-319-22792-4_3.

Jyothi, M. S., Laveena, P. D., Shwetharani, R., and Balakrishna, G. R. (2016).Novel Hydrothermal Method for Effective Doping of N and F intoNano Titania for Both, Energy and Environmental Applications.Materials Research Bulletin, Vol. 74, pp. 478–484.

Kisi, E. H. (1994). Rietveld Analysis of Powder Diffraction Pattern. MaterialForum. Vol. 18, pp. 135-153.

Kurniawan, C., Waluyo, T. B., dan Sebayang, P. (2011). Analisis Ukuran PartikelMenggunakan Free Software Image-J. Seminar Nasional Fisika,Pusat Penelitian Fisika-LIPI, Serpong, ISSN: 2088-4176.

Kılınç, N., Şennik, E., Işık, M., Ahsen, A. S., Öztürk, O., and Öztürk, Z. Z.(2013). Fabrication and Gas Sensing Properties of C-Doped andUn-Doped TiO2 Nanotubes. Ceramics International, Vol. 40, No. 1Part A, pp. 109-115.

Lee, Y. S., Kim, S. J., Venkateswaran, P., Jang, J. S., Kim, H., and Kim, J. G.(2008). Anion Co-Doped Titania for Solar PhotocatalyticDegradation of Dyes. Carbon Letters, Vol. 9, No. 2, pp. 131-136.

Lestari, D. S. (2009). Studi dan Karakterisasi N-Doped TiO2 dengan Metode Sol-Gel Menggunakan Prekursor Titanium Isopropoksida (TTIP) danDiethylamine (DEA). Skripsi. Universitas Indonesia. Jakarta.

Li, W. X. (2013). Photocatalysis of Oxide Semiconductors. Journal of theAustralian Ceramic Society, Vol. 49, No. 2, pp. 41-46.

Lin, X., Rong, F., Fu, D., and Yuan, C. (2012). Enhanced Photocatalytic Activityof Fluorine Doped TiO2 by Loaded with Ag for Degradation ofOrganic Pollutants. Powder Technology, Vol. 219, pp. 173–178.

Ling, H., Kim, K., Liu, Z., Shi, J., Zhu, X., and Huang, J. (2015). PhotocatalyticDegradation of Phenol in Water on As-prepared and SurfaceModified TiO2 Nanoparticles. Catalysis Today, Vol. 258, Part 1,pp. 96–102.

Liu, G., Wang, L., Yang, H. G., Cheng, H. M., and Lu, G. Q. (2010). Titaniabased Photocatalysts Crystal Growth, Doping andHeterostructuring. Journal of Materials Chemistry, Vol. 20, pp.831-834.

81

Liu, X. W., Li, W. W., and Yu, H. Q. (2014). Cathodic Catalysts inBioelectrochemical Systems for Energy Recovery fromWastewater. Chemical Soceity Reviews, Vol. 43, Iss. 22, pp. 7718-7745.

Liu, Y., Zhou, S., Yang, F.,Qin, H., and Kong, Y. (2016). Degradation of Phenolin Industrial Wastewater Over The F-Fe/TiO2 Photocatalysts UnderVisible Light Illumination. Chinese Journal of ChemicalEngineering. doi: 10.1016/j.cjche.2016.05.024.

Margaritondo, G. (2005). Semiconductors, General Properties. Encyclopedia ofCondensed Matter Physics, pp. 311-321.

Menteri Negara Lingkungan Hidup. (2010). Peraturan Menteri NegaraLingkungan Hidup Nomor 03 Tahun 2010 Tentang Baku mutu AirLimbah Bagi Kawasan Industri. Salinan.

Milićević, B., Đorđević, V., Lončarević, D., Ahrenkiel,S., Dramićanin, M., andNedeljković, J. (2015). Visible Light Absorption of SurfaceModified TiO2 Powders with Bidentate Benzene Derivatives.Microporous and Mesoporous Materials, Vol. 217, pp. 184-189.

Murcia, J. J., Hidalgo, M. C., Navío, J. A., and Doña-Rodríguez, J. M. (2015).Study of The Phenol Photocatalytic Degradation over TiO2

Modified by Sulfation, Fluorination, and Platinum NanoparticlesPhotodeposition. Applied Catalysis B: Environmental, Vol. 179,pp. 305–312.

Naimah, S., dan Ermawati, R. (2011). Efek Fotokatalisis NanoTiO2 terhadapMekanisme Antimikrobia E. Coli dan Salmonella. Jurnal RisetIndustri, Vol. V, No.2, Hal 113-120.

Ortega, Y., Garcia, O. L., Hevia, D. F., Tosoni, S., Oviedo, J., Miguel, M. A. S.,and Illas, F. (2013). Theoretical Study of The Fluorine DopedAnatase Surfaces. Surface Science, Vol. 618, pp. 154-158.

Podlasov, A., and Ageenko, E. (2003). Working and Development with ImageJ: AStudent Reference. Department of Computer Science. University ofJoensuu. Finland.

Prasetyowati, R., Saehana, S., Abdullah, M., dan Khairurrijal. (2011). PengaruhPenyisipan Logam Fe pada Lapisan TiO2 terhadap Performansi SelSurya Berbasis Titania. Prosiding Seminar Nasional Penelitian,Pendidikan dan Penerapan MIPA, Fakultas MIPA, UniversitasNegeri Yogyakarta.

82

Raj, K. J. A., and Viswanathan, B. (2009). Effect of Surface Area, Pore Volumeand Particle Size of P25 Titania on The Phase Transformation ofAnatase to Rutile. Indian Journal of Chemistry. Vol. 48A, pp.1378-1382.

Rilda, Y., Dharma, A., Arief, S., Alief, A., dan Shaleh, B. (2010). Efek Doping Ni(II) pada Aktifitas Fotokatalitik dari TiO2 untuk Inhibisi BakteriPatogenik. Makara, Sains, Vol. 14, No. 1, pp. 7-14.

Riyani, K., Setyaningtyas, T., dan Dwiasi, D. W. (2012). Sintesis danKarakterisasi Fotokatalis TiO2–Cu Aktif Sinar Tampak. ProsidingSeminar Nasional, Purwokerto, ISBN: 978-979-9204-79-0.

Sagadevan, S. (2013). Synthesis and Electrical Properties of TiO2 NanoparticlesUsing A Wet Chemical Technique. A Article, American Journal ofNanoscience and Nanotechnology, Vol. 1, No. 1, pp. 27-30.doi: 10.11648/j.nano.20130101.16.

Slamet., Arbianti, R., dan Marliana, E. (2007). Pengolahan Limbah Cr(VI) danFenol dengan Fotokatalis Serbuk TiO2 dan CuO/TiO2. Reaktor,Vol. 11, No. 2, Hal. 78-85.

Sobczyński, A., Duczmal, Ł., and Zmudziński, W. (2004). Phenol Destruction byPhotocatalysis on TiO2: An Attempt to Solve The ReactionMechanism. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, Vol.213, pp. 225-230.

Stucchi, M., Bianchi, C. L., Pirola, C., Vitali, S., Cerrato, G., Morandi, S.,Argirusis, C., Sourkouni, G., Sakkas, P. M., and Capucci, V.(2014). Surface Decoration of Commercial Micro-sized TiO2 byMeans of High Energy Ultrasound: A Way to Enhance ItsPhotocatalytic Activity Under Visible Light. Applied Catalysis B,Environmental, Vol. 178, pp. 124-132.

Ståhl, K. (2008). Powder Diffraction and The Rietveld Method. Department ofChemistry Technical University of Denmark, DK-2800, Lyngby,Denmark.

Sutrisno, H., Arianingrum, R., dan Ariswan. (2006). Fotodegradasi Fenol denganKatalis Titanium Oksida dan Tinanium Silikat Mesopori-Mesostruktur. Bioteknologi, Vol. 3, No. 2, pp. 63-66, ISSN: 0216-6887.

Ferreira, T., and Rasband, W. (2012). ImageJ User Guide IJ 1.46r.http://imagej.nih.gov/ij/docs/guide/user-guide.pdf.

83

Vu, A. T., Nguyen, Q, T., Bui, T. H. L., Tran, M. C., Dang, T. P., and Tran, T. K.H. (2010). Synthesis and Characterization of TiO2 PhotocatalystDoped by Transition Metal Ions (Fe3+, Cr3+ and V5+). Advances inNatural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, Vol. 1, pp. 1-4.

Wang, J., Li, S., Yan, W., Tse, S. D., and Yai, Q. (2010). Synthesis of TiO2

Nanoparticles by Premixed Stagnation Swirl Flames. Proceedingsof the Combustion Institute. Vol. 33, Iss. 2, pp. 1925-1932.

Wang, W., Chen,X., Liu, G., Shen, Z., Xia, D., and Wong, P. K. (2015).Monoclinic Dibismuth Tetraoxide: A New Visible-Light-DrivenPhotocatalyst for Environmental Remediation. Applied Catalysis B:Environmental, Vol. 176, pp. 444–453.

Wang, Y., Xue, X., and Yang, H. (2014). Preparation and Characterization ofCarbon or/and Boron-Doped Titania Nano-Materials withAntibacterial Activity. Ceramics International, Vol. 40, Iss. 8, PartA, pp. 12533-12537.

Will, G. (2006). Powder Diffraction - The Rietveld Method and the Two StageMethod to Determine and Refine Crystal Structures from PowderDiffraction Data. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Printed inGermany.

Woehrle, G. H., Hutchison, J. E., Özkar, S., and Finke, R. G. (2006). Analysis ofNanoparticle Transmission Electron Microscopy Data Using APublic- Domain Image-Processing Program, Image. TurkishJournal of Chemical, Vol. 30, pp. 1-13.

Wu, G., Wang, J., Thomas, D. F., and Chen, A. (2008). Synthesis of F-DopedFlower-like TiO2 Nanostructures with High PhotoelectrochemicalActivity. Langmuir, Vol. 24, pp. 3503-3509.

Yang, S,. Guo, S., Xu, D,. Xue, H., Kou, H., Wang, J., and Zhu, G. (2013).Improved Efficiency of Dye-Sensitized Solar Cells Applied with F-Doped TiO2 Electrodes. Journal of Fluorine Chemistry, Vol. 150,pp. 78–84.

Yang, Y., Zhong, H., and Tian, C. (2011). Photocatalytic Mechanisms ofModified Titania Under Visible Light. Research on ChemicalIntermediates, Vol. 37, pp. 91–102.

Yu, C., Fan, Q., Xie, Y., Chen, J., Shu, Q., and Yu, J. C. (2012). SonochemicalFabrication of Novel Square-Shaped F Doped TiO2 Nanocrystalswith Enhanced Performance in Photocatalytic Degradation ofPhenol. Journal of Hazardous Materials, Vol. 237–238, pp. 38–45.

84

Yu, W., Liu, X., Pan, L., Li, J., Liu, J., Zhang, J., Li, P., Chen, C., and Sun, Z.(2014). Enhanced Visible Light Photocatalytic Degradation ofMethylene Blue by F-doped TiO2. Applied Surface Science, Vol.319, pp. 107-112.

Yu, Y., Wu, H. H., Zhu, B. L., Wang, S. R., Huang, W. P., Wu, S. H., and Zhang,S. M. (2008). Preparation, Characterization and PhotocatalyticActivities of F-doped TiO2 Nanotubes. Catalysis Letters, Vol. 121,pp. 165–171.

Zaleska, A. (2008). Doped-TiO2: A Riview. Recent Patents on Engineering, Vol.2, pp. 157-164.

Zallen, R., and Moret, M. P. (2006). The Optical Absorption Edge of BrookiteTiO2. Solid State Communications, Vol. 137, pp. 154–157.