α

α

α

α

α α

α

α

α

α

α

Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 21 (4) (2018):182-186 182

Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 21(4) (2018):182-186 b»NUltrtui

QJurnal Kimia'-OSains dan AplikasiISSN:1410-8917

Jurnal Kimia-Sains &Aplikasi

e-ISSN: 2597-9914

Jurnal Kimia Sains dan AplikasiJournal of Scientific and Applied Chemistry

Journal homepage: http:/ /ejournal.undip.ac.id /index.php/ksa

Electrosynthesis of -Fe203 in a Fe(s) IKCl(aq)11 H20(aq) IC(s) System

Nia Siskawati 3, Didik Setio Widodo 3, W. H. Rahmanto 3, Linda Suyati 3-*a Chemistry Department, Faculty of Sciences and Mathematics, Diponegoro University, Jalan Prof. Soedarto, Tembalang, Semarang

* Corresponding author: linda suyati@live.undip.ac.id

https:/ /doi.0rg/10.14710/ jksa.21.4.182-186

Ar t i c l e In fo Abs t r ac t

Article history:

Received: 2 August 2018Revised:15 October 2018Accepted: 17 October 2018Online: 31October 2018

-Fe203 electrosynthesis has been performed in the systemFe(s) I KCl(aq) 11 FhO(aq) I C(s). Electrolysis produces a reduction and oxidation reaction sothat it requires a proper electrolyte concentration in the process. The purpose of thisstudy was to obtain -Fe203 compounds, determine the products produced by FTIR andXRD, and determine the size of the grains of products with PSA. Electrolysis method oftwo compartment was used in this research. The cathode and anode compartments wasconnected with the salt bridge. In anodechamber containing electrolyte solution KC1wasvaried (0,2 M; 0,3 M; 0,4 M; 0,5 M and 0,6 M) whereas at cathode space there wasaquades. Electrolysis was run at12 V for 8 hours. The electrolysis result was then calcinedfor two hours at a temperature of 500°C. The resulting product was then characterizedby (FTIR, XRD, and PSA). The resulting product is then characterized by (FTIR, XRD, andPSA). The results showed that brown ferrihydrite was obtained in a concentration of 0.2M; 0.3 M; 0.4 M; 0.5 M and 0.6 M were 21.6 mg; 24.1mg; 34.5 mg; 39.4 mg and 62.4 mgrespectively. Ferrihydrite produced from electrolysis of KC1 0.4 M concentration wasdark red The XRD results show the presence of -Fe203and PSA results show that the -Fe203 particle size is 151.57-171.25 nm.

Research on

Keywords:Electrosynthesis; Femetal; KC1; -Fe203

Abs t r ak

Penelitian tentang elektrosintesis -Fe203 sistem Fe(s)|KCl(aq)||H20(aq)|C(s) telahdilakukan. Elektrolisis menghasilkan reaksi reduksi dan oksidasi sehingga memerlukankonsentrasi elektrolit yang tepat didalam prosesnya. Tujuan penelitian ini adalahmendapatkan senyawa -Fe203, menentukan produk yang dihasilkan dengan FTIR danXRD, serta menentukan ukuran bulir produk dengan PSA. Metode elektrolisis duakompartemen digunakan dalam penelitian ini. Kompartemen katoda dan anodadihubungkan dengan jembatan garam. Pada ruang anoda berisi larutan elektrolit KC1divariasikan (0,2 M; 0,3 M; 0,4 M; 0,5 M dan 0,6 M) sedangkan pada ruang katodaterdapat aquades. Elektrolisis dijalankan pada tegangan 12 V selama 8 jam. Hasilelektrolisis selanjutnya dikalsinasi selama dua jam pada suhu 500°C. Produk yangdihasilkan kemudian dikarakterisasi dengan (FTIR, XRD, dan PSA). Hasil penelitianmenunjukkan bahwa ferrihydrite yang berwarna coklat didapatkan dalam konsentrasi0,2 M; 0,3 M; 0,4 M; 0,5 Mdan o,6 Mberturut-turut 21,6 mg; 24,1mg; 34,5 mg; 39,4 mgdan 62,4 mg. Ferrihydrite yang dihasilkan dari elektrolisis konsentrasi KC1 0,4 Mberwarna merah gelap. Hasil XRD menunjukkan adanya -Fe203 dan hasil PSAmenunjukkan bahwa ukuran partikel - Fe203 adalah 151,57-171,25 nm.

Kata Kunci:Elektrosintesis;elektrolit; KC1; logam Fe;-Fe203

α

α

α

Fe(s) → Fe2+ + e (1)

Fe2+ + e → Fe3+ (2)

Katoda: 2H2O(l) + 2e → H2(g) + 2OH-(aq) (3)

K+ + OH- →KOH(aq) (4)

Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 21 (4) (2018):182-186 183elektroda 2 cm. Endapan hasil elektrolisis dikalsinasipada suhu 500°C selama dua jam.

1.3. Karakterisasi

1. PendahuluanHematit ( -Fe203) adalah jenis oksida besi yang

paling stabil dan sering dimanfaatkan sebagai pigmen [1].Pigmen menjadi salah satu komponen dasar dalampembuatan cat yang fungsinya sebagai pewarna dan dayapenutup ( hiding power ) pada cat. Keunggulan hematitadalah lebih ramah lingkungan, nontoxicity, kekuatantinggi dalam pewarnaan, dan daya tahan baik. Ukuranpartikel hematit untuk dijadikan pigmen berkisar antara0.1-0.5 pm [2].

Elektrolisis satu kompartemen menggunakankarbon sebagai anoda dan platinum sebagai katodanyatelah dilakukan oleh Lucas-Granados dkk. [3] danRangaraju dkk. [4]. Elektrolit yang dipakai oleh Lucas-Granados dkk. [3] adalah 0,1 M ammonium fluorida( NH4F), sedangkan Rangaraju dkk. [4] memakai elektrolit0,2 M natrium tetraborat direaksikan dengan 0,025-0,iMnatrium tetra fluoroborat dan 0,2 M natrium tripolifosfat( Na5P3Oio) direaksikan dengan 0,05 M NH4F (pH 5-8) .Hasil penelitian kemudian dikalsinasi pada temperature500°C dan 550°C hasilnya adalah -Fe203. Saito dkk. [5]melakukan elektrolisis satu kompartemen menggunakanelektroda logam Sn dan Pt dalam larutan elektrolit KC1dengan variasi konsentrasi 0,01sampai1,0 M selama satujam dengan tegangan antara 70 sampai 190 V. Sarahneydkk.[6] melakukan elektrolisis dua kompartemen denganmembran Nafion-112. Elekrolisis dilakukan denganelektrolit FeCl2. Logam besi sebagai anoda dan MixedMetal Oxide (MMO) berlapis titanium sebagai katoda.

Dari uraian di atas maka dalam penelitian ini akandengan

Fe(s) I KCl(aq) I |H20(aq) |C(s). Elektrolisis dilakukandengan memvariasi konsentrasi larutan elektrolit KC10,2M; 0,3 M; 0,4M; 0,5 Mdan 0,6 M. Produkhasilelektrolisisselanjutnya dikalsinasi pada suhu 500°C untukmendapatkan senyawa -Fe203 yang diharapkanmemiliki ukuran partikel berkisar antara 0.1-0.5 pm.

Analisis FTIR untuk mengetahui gugus fungsi dananalisis XRD untuk menentukan kristalinitas material.

2. Hasil dan Pembahasan2.1. Proses Elektrolisis

Pada saat proses elektrolisis di ruang anodik terjadioksidasi logam besi membentuk ionnya. Prosespembentukan ion besi ini ditandai dengan endapan yangberwarna hijau yang mengindikasikan terbentuknya Fe2+.Menurut Svehla [7] pada kondisi terbuka Fe2+ sangatmudah terokidasi menjadi ion Fe3+. Perubahan ion Femenjadi Fe3+ ditandai dengan perubahan warna larutanyang berwarna hijau menjadi kuning muda. Reaksioksidasi logam besi ditunjukan pada persamaan berikut:

2+

Pada ruang katodik terjadi reaksi reduksi air , di manaterjadi peristiwa penguraian air (H20) menjadi OH' dangas hidrogen (H2).Selama proses elektrolisis berlangsungion hidroksida (OH ) hasil peruraian air akan bereaksidengan kation kalium dari elektrolit KC1. Reaksi antaraion hidroksida dan ion kalium akan membentuk basaKOH. Menurut Ghalwa dan Farhat [8] reaksi yang terjadiadalah sebagai berikut:

dilakukan elektrolisis sistem Setelah terbentuk OH', ion hidroksi tersebut bereaksidengan kation kalium reaksi yang terjadi sebagai berikut[7]:

2.2. Pengaruh Konsentrasi Larutan KC1 terhadapProduk Elektrolisis

Gambar 1 menunjukkan hubungan konsentrasilarutan elektrolit KC1 terhadap massa endapan yangdihasilkan. Pada proses elektrolisis konsentrasi larutanKC1 sebanding dengan massa endapan yang dihasilkandari proses elektrolisis. Semakin tinggi konsentrasilarutan KC1 maka endapan yang dihasilkan semakinbanyaksesuai dengan Hukum Faraday1yang menyatakanbahwa berat (w) logam yang terelektrolisis sebandingdengan jumlah muatan yang dilewatkan (q, Coulomb)yang sebanding dengan kuat arus (I , Ampere) dan waktu(t, detik)

1. Metodologi1.1. BahandanAlat

KC1, Aquades, Elektroda karbon, Logam Fe, Kertassaring dan Silika gel, Power suplay Montana 5 Ampere,Multimeter Sanwa a8ooo, Termometer, pH meter, Kabelpenjepit, Glasswere laboratorium, Neraca analitik,Furnace,Instrument FTIR Perkin Elmer Spectrum Version10.4.00, Instrumen XRD Shimadzhu Maxima 7000,Instrumen PSA Horiba SZ-100

1.2. Proses elektrolisis

Elektrolisis dua kompartemen yang dihubungkandengan jembatan garam. Logam besi sebagai anoda dancarbon sebagai katoda. Pada kompartemen anoda berisielektrolit KC1dengan variasi konsentrasi 0,2M; 0,3 M; 0,4M; 0,5 M dan 0,6 M, sedangkan kompartemen katodaberisi akuades. Proses elektrolisis dilakukan selamadelapan jam dengan tegangan 12V dan jarak antar

δ

θ

α

α

α

Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 21(4) (2018):182 -186

70

60

op 503 '2|40

czg'5-a 2S 30 «3C3

V) £20 £10

0.2 MKousentrasi KC1(M)

Bilaiigan gelombang (cm *)0,3 M C0.2 M 0.4 M 0,5 M 0.6 MGambar1. Hubungan Massa Produk (mg) Vs konsentrasi

KC1 (M)Gambar 2. Spektra FTIR pada berbagai konsentrasi

2.3. AnalisisFTIR

Warna oksida atau hidroksida besi dapat membantuuntuk identifikasi fase penyusun utama atau sebagaiukuran kemurnian material . Sampel hasil elektrolisisdari berbagai konsentrasi elektrolit berwarna coklat.Berdasarkan perbandingan warna yang dibandingkandengan [9] diasumsikan bahwa sampel hasil elektrolisisyang berwarna coklat merupakan ferrihydrite( 5Fe203*9H20) atau feroxyhyte ( -FeOOH).

Gambar 1 menunjukkan spektra FTIR pada berbagaikonsentrasi KC1, spektra FTIR menunjukkan kristalinitasyang rendah dari ferrihydrite. Peak yang luas yangberpusat pada 3400 cm-1; 3391cm"1; 3403 cm-1; 3267 cmdan 3188 cm-1 menunjukkan vibrasi stretching molekulH2O [10]. Selain itu terdapat vibrasi bending dari molekulH2O yang muncul pada panjang gelombang 1629 cm-1;1627 cm 1; 1626 cm 1 dan 1628 cm"1 [9]. Spektra IRmenunjukkan bahwa pada sampel terdapat guguskarbonat. Bilangan gelombang 1154 cm-1; 1153 cm"1; 1159cm 1 dan 1155 cm-1 menunjukkan vibrasi asimetri C=0.Panjang gelombang 1021 cm-1 dan 1020 cmmenunjukkan vibrasi bending C=0 [11]. Adanya guguskarbonat dalam sampel dikarenakan ferrihydrite sangatrentan terhadap karbon dioksida diudara sehingga terjadiproses adsrobsi C02[12]. Peak pada 741cm"1 dan 742 cmmenunjukkan stretching mode Fe-0 [11]. Peak yangditunjukkan pada bilangan gelombang 464 cm-1, 467 cm"

\ 456 cm"1 dan 472 cm-1 merupakan tipe dari ferrihydrite[12].

Selanjutnya sampel hasil elektrolisis padakonsentrasi elektrolit KC10,4 M. dianalisis menggunakanXRD. Pemilihan ini didasarkan karena elektrolit KC10,4 Mmerupakan konsentrasi tengah dari variasi elektolitdalam penelitian ini.

2.4. Analisis XRD

see -

7CO -

SCO -0)CO

5CO --1

SCO -

SCO -

ICO -SO S5 so 45 50 55

2 Theta

-1 Gambar 3 Spektra XRD sebelum proses kalsinasi

Gambar 3 merupakan spektra XRD endapan hasilelektrolisis pada konsentrasi KC1 0,4 M. Pengujiandengan XRD menunjukkan difraktrogram yangmenggambarkan hubungan antara intensitas terhadapsudut difraksi (2 ). Dari data XRD nampak bahwasenyawa hasil elektrolisis merupakan senyawa dengankristalinitas yang rendah. Hal ini sesuai dengan hasilspektra FTIR yang menunjukkan bahwa terdapat spektrakhas dari ferrihydrite kristalinitas rendah. Semua oksidabesi bersifat kristalin kecuali ferrihydrite [13]. Ferrihydritemerupakan prekusor untuk membentuk fasa oksida besiyang lebih stabil yaitu -Fe203 [14]. Teja dan Koh [15]mensintesis -Fe203 dari prekusor ferrihydrite dengankalsinasi pada suhu 500°C. Lucas-Granados dkk. [3]menghasilkan -Fe203 dengan metode elektrolisissetelah proses kalsinasi pada suhu 500°C.

-1

spektramenunjukkan bahwa pada setiap variasi kosentrasielektrolit KC1 menghasilkan jenis vibrasi molekul yang

sehingga diasumsikan bahwa produk yangdidapatkan juga sama yaitu sama peak ferrihydrite.

Berdasarkan terbacaFTIR yang

sama

α

α

θ

α θ

α

α

α

α

γ α

α

α

Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 21 (4) (2018): 182 - 186 185kalsinasi berwarna merah gelap. Hasil XRD dan PSAmenunjukkan adanya partikel - Fe203 dengan ukuranpartikel151,57-171,25 nm.

1100 -iH= He«atit (Fe OJ

1000 -H

900 -4. Daftar Pustaka

SCO -[1] S. K. Sahoo, K. Agarwal, A. K. Singh, B. G. Polke, K. C.

and -Fe203 nano5 Raha, Characterization ofpowders synthesized by emulsion precipitation-calcination route and rheological behaviour of -Fe203, International Journal of Engineering, Science andTechnology, 2, 8, (2010) 118-126

700 -s-=

6CO -

500 -

10c -[2] Lilik Miftahul Khoiroh, Diah Mardiana, Akhmad

Sabarudin, Bambang Ismuyanto, Synthesis ofHematite Pigments (alpha-Fe203) by ThermalTransformations of FeOOH, The Journal of Pure andApplied Chemistry Research, 2 , 1, (2013) 27-34http:/ /dx.doi.org/10.2r776/ub.jpacr.20iT002.01.120

[3] Bianca Lucas-Granados, Rita Sanchez-Tovar, RamonM. Fernandez-Domene, Jose Garda-Anton,Controlled hydrodynamic conditions on theformation of iron oxide nanostructures synthesizedby electrochemical anodization: Effect of theelectrode rotation speed , Applied Surface Science, 392,(2017)https:/ /d0i.0rg/10.1016/ j.apsusc.2016.QQ.073

[4] Raghu R. Rangaraju, K. S. Raja, A. Panday, M. Misra,An investigation on room temperature synthesis ofvertically oriented arrays of iron oxide nanotubes byanodization of iron, Electrochimica Acta, 55, 3, (2010)785-793https:/ /d0i.0rg/10.1016/ j.electacta.200Q.07.012

[5] Genki Saito, Wan Omar Sidiq Bin Wan Mohd Azman,Yuki Nakasugi, Tomohiro Akiyama, Optimization ofelectrolyte concentration and voltage for effectiveformation of Sn/Sn02 nanoparticles by electrolysis inliquid, Advanced Powder Technology, 25, 3, (2014)1038-1042 https:/ /doi.Org/io.ioi6/ j.apt.2Qi4.02.oo3

[6] Hussam Sarahney, Xuhui Mao, Akram N.Alshawabkeh, The role of iron anode oxidation ontransformation of chromium by electrolysis,Electrochimica Acta, 86 , ( 2012 ) 96-101https:/ /d0i.0rg/10.1016/ j.electacta.2012.07.011

[7] G. Svehla, Vogel - Buku Teks Analisis AnorganikKualitatif Makro dan Semimikro, edisi 5 ed., L.Setiono, H. Pudjaatmaka, PT. Kalman Media Pusaka,Jakarta, 1985.

[8] Nasser Ghalwa , Nader Farhat, Removal ofImidacloprid Pesticide by Electrocoagulation Processusing Iron and aluminum Electrodes, Journal ofEnvironmental Analytical Chemistry, 2 ,154, (2015) 1-7http:/ /dx.doi.org/io.4i72/238o-22Qi.ioooic;4

[9] Jorge Pedrosa, Benilde F. 0. Costa, Antonio Portugal,Luisa Duraes, Controlled phase formation ofnanocrystalline iron oxides/hydroxides in solution -An insight on the phase transformation mechanisms,Materials Chemistry and Physics, 163, (2015) 88-98https://d0i.0rg/10.1016/ j.matchemphys.2015.07.018

[10] M. Ristic, E. De Grave, S. Music, S. Popovic, Z.Orehovec, Transformation of low crystallineferrihydrite to -Fe203 in the solid state, Journal of

30 35 «0 *5 50 552 Thets

Gambar 4.Spektra XRD setelah proses kalsinasi

Gambar 4 menunjukkan spektra XRD yangdihasilkan setelah kasinasi pada suhu 500°C. Senyawayang dihasilkan dari proses kalsinasi ini merupakan -Fe203 (rhombohedral). Keberadaan(rhombohedral) ditunjukkan dengan lima puncaktertinggi pada 2 sebesar 33,20°; 35,69°; 54,09°; 49,49°dan 40,86°, sedangkan pada database JCPDS No 89-2810untuk -Fe203 (rhombohedral) mempunyai 2 sebesar33,146°; 35,598°; 54,045°; 49,428° dan 40,837°. Hematit-Fe203 merupakan senyawa yang berwarna merah gelap

[9]. Hal ini sesuai dengan warna yang dihasilkan oleh [9]setelah proses kalsinasi yang ditunjukkan pada gambar 5.

-Fe203

503-513

Gambar 5. Setelah kalsinasi

2.5. Analisis PSA ( Particle Size Analyzer )

Hasil pengujian distribusi ukuran partikelmenggunakan Particle Size Analyzer ukuran partikel darihematit ( -Fe203) adalah 151,57-171,25 nm. Ukuranpartikel yang dihasilkan sesuai dengan standar ukuranpigmen hematit yaitu berkisar antara 0.1-0.5 pm [2].Hasil pengukuran PSA nilai indeks polidispersitas -Fe203 adalah 0.894. Sistem polidispersi memperlihatkandistribusi ukuran partikel yang cenderung luas.

3. KesimpulanHasil elektrolisis dari berbagai konsentrasi elektrolit

KC1 menghasilkan ferrihydrite yang berwarna coklatdengan massa berturut turut 21,6 mg; 24,1 mg; 34,5 mg;39,4 mg dan 62,4 mg. Produkyang dihasilkan dari proses

α

Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 21 (4) (2018):182-186 186

Molecular Structure , 834-836, (2007) 454-460https:/ /d0i.0rg/10.1016/ j.m0lstruc.2006.10.016

[11] Majid Farahmandjou, Farzaneh Soflaee, Lowtemperature synthesis of -Fe203 nano-rods usingsimple chemical route, Journal of Nanostructures, 4, 4,(2014) 413-418

[12] Mark Zic, Mira Ristic, Svetozar Music, 57FeMossbauer, FT-IR and FE SEM investigation of theformation of hematite and goethite at high pH values,Journal of Molecular Structure , 834-836, (2007) 141-lAQ https:/ /doi.Org/io.ioi6/ j.molstruc.20o6.io.Q30

[13] MMohapatra, SAnand, Synthesis and applications ofnano-structured iron oxides/hydroxides-a review,International Journal of Engineering, Science andTechnology, 2, 8 , (2010) 127-136

[14] Hui Liu, Yu Wei, Yuhan Sun, The Formation ofhematite from ferrihydrite using Fe(II) as a catalyst,Journal of Molecular Catalysis A: Chemical , 226 , 1,(2005)https:/ /doi.Org/io.ioi6/ j.molcata.20Q4.OQ.oiQ

[15] Amyn S. Teja , Pei-Yoong Koh, Synthesis, properties,and applications of magnetic iron oxidenanoparticles, Progress in Crystal Growth andCharacterization of Materials, 55, 1, (2009) 22-45https:/ /doi.Org/io.ioi6/ j.pcrysgrow.2Q08.o8.oo3

135-140