Click here to load reader
Upload
dewi-nugrahawati
View
103
Download
6
Embed Size (px)
Citation preview
Titanium Dioxide (TiO2)
TiO2 (Titanium dioxide / titania) merupakan material semikonduktor yang termasuk
kedalam keluarga oksida logam. Pada umumnya TiO2 digunakan sebagai pigmen putih pada
cat, plastik, dan kertas. Selain aplikasi sebagai pigmen, karakteristik fotokatalis dan
semikonduktor dari TiO2 juga membuat material ini banyak digunakan sebagai
pendekomposisi bahan organik dengan proses oksidasi, sel surya, dan juga sensor gas.
Aplikasi ini dikarenakan TiO2 mempunyai indeks bias yang tinggi (n = 2,4) dan juga tahan
terhadap degradasi warna akibat sinar matahari.
Aplikasi dari TiO2 pada umumnya dapat ditunjukkan pada gambar berikut :
Gambar 1. Aplikasi TiO2
TiO2 polikristalin merupakan semikonduktor yang paling banyak digunakan sebagai
fotokatalis. Hal ini disebabkan karena sifatnya yaitu: stabil terhadap cahaya (tidak mudah
mengalami fotodegradasi)[8], mempunyai kestabilan kimia yang tinggi, nilai celah energi
yang tidak terlalu besar, pasangan electron-hole memiliki umur yang lama dan tidak beracun.
TiO2 yang ada di alam pada umumnya mempunyai tiga fasa yaitu rutile, anatase, dan
brookite. Struktur kristal TiO2 pada fasa rutile, anatase dan brookite seperti dalam gambar.
Gambar 2. Struktur Kristal Fasa-Fasa Titania
Rutile dan anatase memiliki struktur tetragonal dengan tetapan kisi kristal dan sifat fisika
yang berbeda, sedangkan brookite memiliki struktur ortorombik. Rutile memiliki parameter
kisi a = b ≠ c, anatase memiliki parameter kisi a = b ≠ c, dan brookite memiliki parameter kisi
a ≠ b ≠ c. Kedua struktur kristal rutile dan anatase dibedakan oleh distorsi setiap oktahedron
dan susunan rantai oktahedralnya. Pada kedua fasa tersebut, setiap oksigen dan kation
titanium yang bertetanggaan membentuk segitiga datar. Pada rutile, ketiga sudut Ti-O-Ti
memiliki nilai 120º. Sedangkan pada anatase posisi atom pada kisi mengalami distorsi
sehingga salah satu sudut adalah 180º dan dua lainnya mendekati 90º.
Rutile lebih stabil pada suhu tinggi, sedangkan rutile lebih stabil pada suhu rendah.
Dalam aplikasinya pada fotokatalis, hanya dua fasa TiO2 yang sering digunakan sebagai
fotokatalis, yaitu: anatase dan rutile. Terbentuknya fasa anatase maupun fasa rutile pada
struktur polikristalin TiO2 bergantung pada transisi fasa yang kristalin TiO2. Titania pada fasa
anatase umumnya stabil pada ukuran partikel kurang dari 11 nm, fasa brookite pada ukuran
partikel 11 – 35 nm, dan fasa rutile diatas 35 nm. Dalam aplikasinya pada fotokatalis,
umumnya digunakan TiO2 pada fasa anatase karena mempunyai kemampuan fotokatalitik
yang tinggi. Selain itu, untuk meningkatkan kinerja sistem, struktur nanokristal dan juga luas
permukaan yang tinggi dari TiO2 adalah faktor yang penting untuk meningkatkan densitas
dan transfer elektron.Karakteristik dari fasa-fasa titania ini ditunjukkan pada Tabel 1 dibawah
ini.
Tabel 1 Tabel Karakteristik Fasa-Fasa Titania
TiO2 telah diproduksi secara komersial. Salah satu merek dagang TiO2 adalah Degussa
P-25 dengan fasa kristal campuran antara rutile dan anatase. Degussa P-25 diperoleh melalui
metode klorida. TiO2 Degussa P-25 memiliki luas permukaan yang cukup besar (sekitar 50
m2g-1), ukuran rata-rata partikel 21 nm dan cacat kristal dalam jumlah yang sedikit.
2. Fotokatalisis Pada Permukaan Lapisan TiO2
Fotokatalisis merupakan proses terjadinya reaksi suatu materi terhadap materi lainnya
yang diperantarai oleh energi dari penyinaran ultraviolet. Penyinaran permukaan TiO2
(bersifat semikonduktor) menghasilkan pasangan electron dan hole positif pada
permukaannya juga menjadikan permukaan tersebut bersifat polar dan/atau hidrofilik (suka
akan air) dan kemudian berubah lagi menjadi nonpolar dan/atau hidrofobik (tidak suka air)
setelah beberapa lama tidak mendapatkan penyinaran lagi.
Sifat hidrofilik dan hidrofobik, salah satunya, ditandai dengan ukuran sudut kontak butiran
air pada permukaan lapisan tipis TiO2 tersebut, yaitu sedikit lebih besar dari 50 derajat pada
saat sebelum disinari kemudian berubah menjadi mendekati 0 derajat setelah disinari.
Material dengan sudut kontak sekecil itu akan sangat hidrofilik (superhidrofilik).
Mekanisme fotokatalisis pada TiO2 dapat dilihat pada gambar berikut ini.
Gambar 3.Ilustrasi Mekanisme Fotokatalisis pada TiO2
Bahan semikonduktor TiO2 memiliki selang energi yang kecil antara pita valensi dan pita
konduksi. Untuk menghasilkan proses fotokatalisis, bahan semikonduktor membutuhkan
serapan energi yang lebih besar dari selang energinya (Eg = 3.2 eV). Adsorpsi molekul
organik pada permukaan partikel fotokatalis memperkecil aktivasi energi dari proses reaksi.
Penyerapan sinar matahari (UV) oleh partikel fotokatalis akan membentuk 2 pasang electron
dan hole. Electron akan bereaksi dengan oksigen dari larutan membentuk anion (O2-) yang
mana akan mengoksidasi secara kuat hydroxyl radikal (OH-). Sedangkan hole akan
mengoksidasi hydroxyl yang terlarut dan membuatnya menjadi radikal dengan energi yang
besar. Hydroxyl radikal yang memiliki energi yang besar akan mengubah polutan organi
menjadi zat yang tidak berbahaya, sehingga TiO2 dapat diaplikasikan untuk self-cleaning.
3. Aplikasi fotokatalisis TiO2 untuk disinfeksi bakteri E. Coli
Teknologi fotokatalisis menarik untuk dikembangkan pada proses disinfeksi
mikroorganisme karena kemampuannya untuk mendegradasi mikroorganisme dalam
konsentrasi yang sangat kecil tanpa menghasilkan produk samping yang berbahaya.Penelitian
fotokatalisis TiO2 dikembangkan secara luas untuk menguji kemampuannya dalam
membunuh virus, bakteri, fungi, alga, dan sel kanker. Ketika diterangi dengan sinar
ultraviolet-dekat, titanium oksida (TiO2) menunjukkan aktivitas anti bakteri yang baik.
Kematian sel bakteri oleh fotokatalisis disebabkan berkurangnya permeabilitas sel. Kontak
pertama fotokatalis dengan sel terjadi pada dinding sel, dimana reaksi oksidasi oleh
fotokatalis akan merusak dinding sel bakteri. Bakteri dengan dinding sel yang rusak masih
merupakan bakteri yang sehat, namun tanpa perlindungan. Setelah menghilangkan
perlindungan dinding sel, selanjutnya reaksi oksidasi terjadi di membran sitoplasma,
Kerusakan oksidatif yang terjadi akan semakin meningkatkan permeabilitas sel, dan
menyebabkan isi dalam sel mengalir bebas keluar sel yang menyebabkan kematian sel.
Partikel TiO2 yang bebas juga dapat mencapai membran sel yang sudah rusak, dan serangan
langsung tersebut dapat mempercepat kematian sel.