Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Final-Project Presentation
Sintesis Multiferoik BiFeO3 dengan Metode Kopresipitasi, Wet-
Mixing dan Solid-State Reaction Menggunakan Fe2O3 Hasil Sintesis
dari Pasir Besi
Retno Asih
(1108 100 013)
Pembimbing:
Prof.Dr. Darminto, M.Sc
Malik Anjelh Baqiya, M.Si
Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
©Surabaya, 30 Januari 2012 1
PENDAHULUAN
Multiferoik Apa???
Spaldin & Fiebig,
Science 309:391
(2005) 2
Sumber daya alam
yang melimpah
• Apakah hanya sebatas bahan bangunan
Fe2O3,
Fe3O4
Multiferoik BiFeO3
Pasir besi pada lokasi 50 m dari Pantai Jolosutro
(Arifani, 2012)
?
Perlu analisis lebih lanjut untuk
mensintesis BiFeO3
Variasi metode, variasi heat treatment
Final Project
Cont,…….
3
Perumusan Masalah
Batasan Masalah
Tujuan
• Bagaimana sintesis multiferoik BiFeO3 dengan
metode kopresipitasi, wet-mixing dan solid-state reaction dari Fe2O3
• Bagaimana pengaruh heat-treatment • Bagaimana identifikasi fasa dan ukuran kristal
• sintesis dari Fe2O3 hasil sintesis dari pasir
besi
• Karakterisasi ukuran kristal dan
identifikasi fasa
• Mengetahui sintesis multiferoik BiFeO3 dengan
metode kopresipitasi, wet-mixing dan solid-state reaction dari Fe2O3 hasil sintesis dari pasir besi
• mengetahui pengaruh heat-treatment • Mengetahui fasa yang terbentuk dan ukuran
kristal BiFeO3
Cont,…….
Final-
Project
4
TINJAUAN PUSTAKA
Multiferoik
struktur kristal BiFeO3
Diagram fasa BiFeO3
Metode Sintesis
5
http://physics.aps.org/
articles/v2/20
Physics 2, 20 (2009)
Daniel Khomskii
Illustration:
Alan Stonebraker
Material yang memiliki lebih dari satu sifat (listrik,magnet ) dalam satu material (Picozzi and Ederer, 2009)
BiFeO3 menunjukan koeksistensi feroelektrik dan antiferomagnetik pada suhu kamar BiFeO3 memiliki suhu transisi
fase yang tinggi (TN=370oC dan Tc=810oC)
(szafraniak,2007)
6
Ferroelectricity: Material yang memiliki
polarisasi listrik (net electric polarization) Sifat elektrik pada BiFeO3 terjadi akibat
adanya dipol listrik lokal (Schmid, 1994)
Antiferromagnetism: material yang net
momen magnetnya
sama dengan nol.
(Calister, 1989)
7
Bi Fe O
(Ederer, 2009)
(Levy, 2005)
Perovskit Terdistorsi
Kubik
Rhombohedral
SGR=R3C a=5.5876Ǻ b=5.5876Ǻ c=13.867Ǻ α=β=90,γ=120 (www.crystallograpy.net)
8
Diagram fasa BiFeO3 (Lu, 2011)
fasa α-BiFeO3 terbentuk pada saat konsentrasi Bi2O3 50% dan Fe2O3 50% yang disintering pada suhu 825oC
fasa β-BiFeO3 terbentuk pada suhu sinter di atas 825oC dan di bawah 937oC (Palai et al,2008).
BiFeO3 biasanya disiapkan dari Bi2O3 dan Fe2O3 dengan perbandingan mol 1:1, dan pada suhu tinggi dapat terurai kembali ke bahan-bahan awal
9
Metode Kopresipitasi -Ukuran partikel cukup kecil - kecenderungan beraglomerasi
Metode Wet-Mixing - melarutkan sampel serbuk ke dalam larutan asam dengan dijaga
derajat keasaman, temperatur dan kecepatan pengadukan hingga larutan tersebut mengerak membentuk padatan.
Metode Solid-State Reaction - pencampuran bahan-bahan dasar dalam keadaan padat tanpa menggunakan pelarut
- lebih ekonomis dan ramah lingkungan karena tidak menggunakan pelarut sehingga tidak menimbulkan limbah sisa pelarutan
10
METODE PENELITIAN
11
Pasir Besi
Fe2O3
Kopresipitasi Wet-mixing Solid-state reaction
Hasil sintesis
Perlakuan Panas
Karakterisasi
DTA-TGA
XRD
Diagram alir
sintesis
multiferoik
12
HASIL DAN PEMBAHASAN
13
Fasa Fraksi Volum (%)
Magnetite (Fe3O4) 26,9%
Hematite (Fe2O3) 39,3%
Nikel Zinc Iron Oxide (Ni,Zn)Fe2O4 33,78%
Pola XRD dan komposisi fasa pasir besi pantai Jolosutro Blitar
(Arifani, 2012))
Pasir Besi Pantai Jolosutro
88,29% Fe
14
• 93,96% Hematite • Kalsinasi pada suhu 800oC selama 2
jam
• kopresipitasi ulang Fe2O3 = 100% Fe2O3.H2O
15
Pemanasan Langsung 1,2 dan
3 jam pada suhu 750oC
Pemanasan bertahap pada
suhu 750oC
16
Hasil DTA-TGA pada penelitian
sebelumnya: 750oC
Cont,…….
No Perlakuan
Fraksi
volum
BiFeO3
(%)
Fraksi
volum BFO
(%)
1 Tanpa pemanasan - -
2 750oC_1 jam 9,76 9,76
3 750oC_2 jam 13.88 15,6
4 750oC_3 jam 23,98 24,81
5 750oC_2(1+1)jam 26,42 42,84
6 750oC_4(2+2) jam 37,08 55,31
7 750oC_6(3+3) jam 33,87 49,63
8 750oC_6(2+2+2) jam 22,28 71,03 Komposisi fase sekunder BFO semakin meningkat dengan kenaikan holding time
Komposisi BFO keseluruhan meningkat
Compare,,,,
17
(Carvalho dan Tavares, 2008)
• dipanaskan dengan kecepatan 10oC per menit dari suhu ruang sampai suhu 1100oC
• Weight loss sekitar 30% terjadi dalam rentang suhu 113,25oC – 501,78oC
• mengindikasikan penguapan air (25-150oC), dekomposisi urea (150-400oC) dan dekomposisi nitrat (400-470oC) (Carvalho dan Tavares, 2008)
Metode wet-mixing: heat treatment pada suhu 550oC-750oC
Hasil sintesis metode wet-mixing sebelum heat treatment
18
No Perlakuan Fraksi volum BiFeO3(%) Fase lain
Fraksi volum
BFO (%)
1 550oC_1jam 41,75 Bi2Fe4O9(26,89%) Bi25FeO40(24,11%) 92,75
2 600oC_1jam 32,85 Bi2Fe4O9(30,32%) Bi25FeO40(32,83%) 95,99
3 650oC_1jam 29,63 Bi2Fe4O9(29,95%) Bi25FeO40(40,12%) 99,70
4 700oC_1jam 12,79 Bi2Fe4O9(35,44%) Bi25FeO40(49,55%) 97,78
5 750oC_1jam 5,324 Bi25FeO40(85,1%) 90,42
6 750oC_2jam 5,005 Bi25FeO40(84,27%) Bi, Fe2O3 89,28
Fase kedua, Bi2Fe4O9 terbentuk pada pemanasan diatas 675oC (Mukherjee,1971) dekomposisi fase BiFeO3 pada
suhu tinggi 19
Untuk mendapatkan fasa BiFeO3 yang lebih tinggi dapat diperoleh dengan pemanasan pada suhu rendah dan pemanasan cepat (~1jam) sehingga meminimalisisr terbentuknya fasa sekunder Bi2Fe4O9
dan Bi25FeO39 (Carvalho dan Tavares, 2008)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
500 550 600 650 700 750
Frak
si V
olum
(%)
Suhu (oC)
BiFeO3 Bi2Fe4O9 Bi25FeO40
fasa BiFeO3 yang terbentuk pada suhu rendah merupakan fasa yang metastabil sehingga harus dihindari untuk perlakuan panas yang terlalu lama
Cont,…
20
No Perlakuan Fraksi
Volum
BiFeO3(%) Fasa lain
Fraksi
Volum
BFO(%)
1 Tanpa Pemanasan 3,59%
Bi2O3, Fe2O3, NH4NO3, Fe, Bi, Bi25FeO40 (8,11%)
11,7
2 550oC_1jam 50,7427 Bi2Fe4O9(2,91%) Bi25FeO40(8,64%) Bi2O3 (37,7%)
62,297
3 600oC_1jam 47,143 Bi2Fe4O9(2,52%) Bi25FeO40(5,48%) Bi2O3 (44,49%)
55,14
4 650oC_1jam 37,41 Bi2Fe4O9(9,45%) Bi25FeO40(53.14%) 100
5 750oC_3jam 42,60 Bi2Fe4O9(7,89%) Bi25FeO40(49,5%) 100
Komposisi fasa sintesis dengan metode wet-mixing dari serbuk Fe
21
fraksi volum BFO sebesar 80,63% dengan komposisi BiFeO3 36,92%
komposisi fasa sekunder Bi2Fe4O9 sebesar 36,45% serta Bi46Fe2O72 sebesar 7,26%
fasa-fasa impuritas Bi2O3 dan Fe2O3
sintering pada suhu tinggi ini diperlukan ketika sintesis dengan metode solid-state reaction karena reaksi Bi2O3 dengan Fe2O3 terjadi ketika Bi2O3 menjadi fasa liquid yaitu pada suhu diatas 825oC
Sintering sampel pelet dilakukan pada suhu 880oC selama 480 sekon
22
Rumus Debye-Scherrer
Program Fit-YK
k = 0,9 λ = 1,54056 Ǻ θ = sudut Bragg FWHM sd = FWHM standar ITS
FWHM
No Metode Perlakuan Ukuran
(nm)
Fraksi
Volum
BiFeO3(%)
1 Wet Mixing_Fe2O3
550oC_1jam 23,33 41,75
600oC_1jam 27,52 32,85
650oC_1jam 32,04 29,63
700oC_1jam 39,63 12,79
750oC_1jam 40,68 5,324
2 Wet Mixing_Fe
550oC_1jam 69,88 50,74
600oC_1jam 80,69 47,14
650oC_1jam 136,15 37,41
3 Solid-State
Reaction 880oC_480 s 66,35 36,92
4 Kopresipitasi 750oC_4(2+2)
jam 110,89 37,06
23
Kesimpulan
Hasil & Pembahasan
Metode Penelitian
Tinjauan Pustaka
Pendahuluan
Kesimpulan 1. Fasa BiFeO3 dapat disintesis dengan metode
kopresipitasi, wet mixing dan solid-state
reaction menggunakan Fe2O3 hasil sintesis dari pasir besi Pantai Jolosutro, Blitar.
2. Metode, suhu dan holding time selama proses pemananasan sangat berpengaruh terhadap pembentukan fasa BiFeO3.
3. Ukuran kristal BiFeO3 yang disintesis dengan ketiga metode tersebut dalam rentang 23-136 nm.
24
1. Variabel pemanasan antara lain suhu
pemanasan, kecepatan pemanasan dan
pendinginan sangat berpengaruh terhadap
fasa yang terbentuk, sehingga perlu dikaji
kembali untuk mendapatkan parameter yang
tepat dalam memperoleh fasa tunggal BiFeO3
2. Perlunya mensintesis Fe2O3 murni untuk
meningkatkan fraksi volum BiFeO3
3. Mengontrol reaksi sesuai stoikiometri yang
tepat untuk meningkatkan pembentukan fasa
BiFeO3
4. Perlunya analisis DTA-TGA untuk semua
sampel yang disintesis dengan metode dan
raw material yang berbeda
Saran
25
26
TERIMAKASIH
Dioven 100oC 2jam
-Dicuci sampai pH 7
Disaring -
Endapan berwarna hitam pekat
-Ditambahkan perlahan-lahan sambil di stirrer kec 400-700 rpm 70oC
NH4OH 25% 58mL + Diambil larutan nya
20 gram pasir besi + HCl 12M 58 mL
Stirrer 650 rpm 70oC
Disaring
Kalsinasi 800oC 2jam Padatan digerus
Serbuk XRD
Diagram alir
sintesis Fe2O3
27
Distirrer pada 50oC-60oC sampai tercampur
Bi2O3 Aldrich 99,9% 5,864 gram
Fe2O3 2 gram
Ditambahkan HCl 7M sebanyak 11 mL
Ditambahkan HCl 12M sebanyak 6,3 mL
Distirer 500 rpm selama 30 menit tanpa pemanasan
Lar 2: 2BiCl3 + 3H2O
Stirer 500 rpm,50oC, 1jam
Semua terlarut
+HCl 12M 4mL +kembali HCl 12M 4 mL
Lar 1: 2FeCl3 + 3H2O
Ada yang belum larut (Disaring)
Distirer tanpa pemanasan selama 1 jam, kec 500 rpm
Tercampur Homogen, pH=1
+HCl 12M 5mL, distirrer 1jam +HCl 12M 3mL, distirrer 10 menit
28
Cont,….
Ditambahkan NH4OH sedikit demi sedikit sampai pH=10, distirrer selama 30-60 menit
Dioven
Kalsinasi 800oC 2jam
Serbuk XRD
Endapan
Dicuci sampai pH=7
Disaring
Heat Treatment
T (oC)
jam
750
2
Pemanasan sampel hasil
sintesis dengan metode
kopresipitasi pada suhu 750oC
dengan variasi holding time
29
Serbuk XRD
Perlakuan panas
1,05 gram Fe2O3.H2O + HNO3 14,7M
3,0641 gram Bi2O3 + HNO3 8 M
Di stirrer sampai semua larut Di stirrer sampai semua larut
Larutan Fe(NO3)3 Larutan Bi(NO3)3
Di stirrer 50oC, 500 rpm sampai mengerak
Di oven
0,419 gram serbuk Fe + HNO3 14,7M
3,5 gram Bi2O3 + HNO3 8 M
Di stirrer sampai semua larut Di stirrer sampai semua larut
Fe(NO3)3 Bi(NO3)3
Di stirrer 50oC, 500 rpm sampai mengerak
Di oven
Serbuk XRD
Perlakuan panas
Kopresipitasi ulang Fe2O3
Serbuk Fe
Kalsinasi selama 1 jam dengan variasi
suhu 550-700oC 30
1 gram serbuk Fe2O3 93,94%
2,918 gram serbuk Bi2O3 99,9%
Dicampur dalam medium aceton
Serbuk berwarna merah bata
•Stirrer selama 30 menit
Peletisasi dengan tekanan 6 MPa
Sintering Cepat (880oC, 480 sekon)
Di gerus
XRD
Heat Treatment
T (oC)
sekon
880
0 480
Pemanasan sampel hasil
sintesis dengan metode solid-state reaction pada suhu 880oC
selama 480 sekon
31
Pada suhu 741,43oC serbuk
kembali mengalami penurunan
masa sebesar
1,0094 mg
• Berdasarkan diagram fasa
Bi2O3-Fe2O3, pada suhu
sekitar 750oC sudah terbentuk
fasa BiFeO3
• Transisi fasa
feroelektrikparaelektrik
dengan kehilangan masa pada
serbuk di asumsikan terjadi
pada suhu 870,43 oC seperti
ditunjukkan pada kurva (Palai
et al,2008)
Hasil sintesis metode kopresipitasi
pada penelitian sebelumnya
32
(Fitriyah,2011)