SINTESIS NANOPARTIKEL TiO RUTILE DENGAN …repository.its.ac.id/51967/2/2411100027-Presentation.pdfPada sintesis Prekursor TiCl 4, Temperatur kalsinasi yang digunakan yaitu 800oC dengan

SINTESIS NANOPARTIKEL TiO2 RUTILE DENGAN MENGGUNAKANPREKURSOR TiCl3 (PROSES HIDROLISIS DAN MINERALISASI) DANPREKURSOR TiCl4

TUGAS AKHIR – TF141581

MABRUROTUL UYUNNRP 2411100027

Dosen Pembimbing I : Dr. Ing. Doty Dewi Risanti, ST.MTDosen Pembimbing II : Dyah Sawitri, ST, MT

JURUSAN TEKNIK FISIKAFakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh NopemberSurabaya 2015

APLIKASI TiO2

DSSC(Gratzel , 2003)

Pigment putih untuk cat(Zhizhong Wu , 2007)

Campuran pewarna keramik(Diebold , 2002)

PENDAHULUAN

AnataseRutile

Brookite

Stabilitas danIndeks bias

tinggi

Rutile

50-700 nm

Penelitian Sebelumnya :Putri, 2014 TiCl3 +NH4OH (D=130 nm, T=1000oC)Budiarti, 2014 TiCl3 +NaCl+ NH4OH (D=96,72 nm, T=1000oC)

Rumusan Masalah

Tujuan

Bagaimana pertumbuhan partikel TiO2 rutile dengan perkursor TiCl3 untukproses hidrolisis dan mineralisasi serta prekursor TiCl4 dengan variasiTemperatur dan waktu pemanasan terhadap ukuran kristal dan fraksi rutileyang dihasilkan.

Mengetahui pengaruh proses hidrolisis Prekursor TiCl3, mineralisasi prekursorTiCl3, dan dengan menggunakan prekursor TiCl4 terhadap ukuran kristal danfraksi rutile yang dihasilkan dari TiO2 yang telah disintesis.

1

Batasan Masalah

Pada sintesisproses hidrolisis, sintesis dilakukanpada temperatur200oC selama 5 jam, denganTemperaturkalsinasi yaitu200oC selama 0,5–5 jam

2Pada sintesis proses mineralisasi, sintesis dengan duakali kalsinasi, temperatur untukkalsinasi pertamayiatu 200oC selama 5 jam, temperatur padakalsinasi yang keduayaitu 300oC–700oC untuk waktu 2-6 jam.

3Pada sintesisPrekursor TiCl4 ,Temperaturkalsinasi yang digunakan yaitu800oC denganvariasi waktu 2-12 jam.

Titanium Dioxide

Bahansemikonduktor initidak beracun,tersedia secaraluas, dan biayaprosespembuatannyacukup rendah.(Gratzel, 2003)

Memiliki 3 struktur kristal(Zhang,dkk.,2000)

Anatase

Rutile

Brookite

Kalsinasi pada suhu yang rendah Struktur tetragonal Lebih fotoaktif dibandingkan dengan

fase rutile

Stabil pada ukuran partikel kurangdari 11 nm

Kalsinasi pada suhu yang tinggi Struktur tetragonal Bandgap sesuai dengan penyerapan

spektrum cahaya matahari Stabil pada ukuran partikel lebih dari

35 nm

Struktur Orthorombic Fase yang paling tidak stabil Stabil pada ukuran partikel 11-35

nm

Metode Penelitian

Selesai

Start

Persiapan Alatdan Bahan

Sintesis TiO2Proses

Hidrolisis

Sintesis TiO2Proses

Mineralisasi

Sintesis TiO2Prekursor

TiCl4

KarakterisasiXRD

KarakterisasiBET

Analisa Data danPembahasan serta

Penarikan Kesimpulan

Metode Penelitian

Prekursor TiCl3

Hidrolisis

Mineralisasi

TiCl3 + HCl 37% + HNO3

TiCl3 + NaCl + NH4OH

Prekursor TiCl4

TiCl4 + NH4OH

Contoh Spektrum XRD TiO2

Anatase (JCPDS 00-021-1272)

Rutile (JCPDS 00-021-1276)

Brookite (JCPDS 00-029-1360)

Position [°2Theta] (Copper (Cu))

20 30 40 50 60

Counts

0

50

100

150 TiO2

FWHM

Ukuran Kristal dan FraksiFase Rutile (Hasil XRD)

Ukuran kristal dihitung denganmenggunakan persamaan Scherrer(Sardela, 2008) :

𝐷 =𝑘 𝜆

cos 𝜃 𝐹𝑊𝐻𝑀

Fraksi fase dihitung dengan menggunakan persamaanberikut (Zhang dalam Zhu, 2005) :

𝑊𝐴 =0,884 𝐴𝐴

0,884 𝐴𝐴 + 𝐴𝑅 + 2,721 𝐴𝐵

𝑊𝑅 =𝐴𝑅

0,884 𝐴𝐴 + 𝐴𝑅 + 2,721 𝐴𝑏

𝑊𝐵 =2,721 𝐴𝐵

0,884 𝐴𝐴 + 𝐴𝑅 + 2,721 𝐴𝐵

Dimana :D = ukuran kristal suatu bahan (nm)k = konstanta (k=0,89)λ = panjang gelombang sinar-X (Cu Kα) bernilai0,154 nmFWHM = full Width Half Maximum (dalam radian)θ = sudut difraksi

Dimana :WA, WR, WB = fraksi fase anatase, rutile, dan brookiteAA, AR, AB = intensitas fase anatase (101), rutile (110) danbrookite (121)

Hasil Pengujian XRD (Proses Hidrolisis)

20 30 40 50 60 70 80

0

200

400

600

800

1000

1200

B : BrookiteA : Anatase

R : Rutile

5 Jam

4 Jam

3 Jam

1,5 Jam

0,5 Jam

BA

RR

R

R

R

R

R

Inte

nsita

s

2

Berdasarkan karakterisasi XRD, pada waktukalsinasi 0,5 dan 1,5 jam, mayoritas faserutile, namun masih terdapat fase anatasedan brookite. Sedangkan pada waktu 3, 4,dan 5 jam menghasilkan fase rutile murni.

Hasil Pengujian XRD (Proses Hidrolisis)

Dimana a dan b merupakan parameter model pertumbuhankristal.Nilai a sebesar 0,9105 dan nilai b sebesar 0,554.

𝑏 =1

𝑛Pertumbuhan (growth) kristal terjadi secara difusi padapermukaan partikel, dengan n sebesar 1,8 (n≈2).

Dengan temperatur 200oC, sudah didapatkan fase rutile.Karena sintesis berlangsung dalam suasana asam,dengan penambahan HNO3. Fasa rutile murnididapatkan dalam keadaan asam (Bae,2009).

0 1 2 3 4 5

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

Waktu Kalsinasi (Jam)

r3 -r03 (n

m)

r3-r0

3

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Frak

si F

ase

Rut

ile

Fraksi Fase Rutile

7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

ln (D

)

ln (t)

ln D sintesis Proses Hidrolisis

Hasil Pengujian XRD (Proses Mineralisasi)

Pada waktu kalsinasi 2 jam dan 4 jam, fase brookite masih sangat tinggi.Sedangkan pada waktu 6 jam, fase rutile yang dihasilkan semakin tinggi,sedangkan fase brookite melemah.

20 30 40 50 60 70

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

2 JamB

R

R

R

RR

R

B

R (110)

B

A (101)

Inte

nsita

s

2

300

500

700

20 30 40 50 60 700

200

400

600

800

1000

1200

1400

4 Jam

Ti3O

5

R R

R

B

R

R

R

B

A (101)

R (110)

Inte

nsita

s2

300

500

700

20 30 40 50 60 70

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

6 Jam

RRR

R

R

Ti3O

5

RB

R

B

RR

R (110)

A (101)

Inte

nsita

s

2

300

500

700


300 400 500 600 700 800 900 1000

0

20

40

60

80

100

120

140

Uku

ran

Parti

kel R

utile

(nm

)

Temperature (oC)

2 Jam

4 Jam

6 Jam

Fraksi NaCl 0, 5 jam(Budiarti, 2014)

Fraksi NaCl 0,83, 5 jam (Budiarti, 2014)

Fraksi NaCl 0,91, 5 jam(Budiarti, 2014)

Fraksi NaCl 0,94, 5 jam (Budiarti, 2014)

0 2 4 6 8 10 12 14

200

400

600

800

1000

Te

mp

era

tur

(oC

)

Waktu (Jam)

NaCl NH4OH

0 2 4 6 8 10 12 14

200

400

600

800

1000

Te

mp

era

tur

(oC

)Waktu (Jam)

NaCl + NH4OH HCl


Pada Temperatur 700 oC, tingkat pertumbuhan (growth) kristalterjadi secara difusi pada permukaan partikel, karena nilai n ≈ 2. Sedangkan pada Temperatur 300 oC dan 500 oC pertumbuhankristal secara interface dissolution (larut dipermukaan), adanyadisolusi antar muka partikel, karena nilai n > 4.

TemperaturKalsinasi (oC)

Parameter a Parameter b n

300 1,952 0,162 6,17

500 2,165 0,113 8,85

700 1,772 0,435 2,29

𝑏 =1

𝑛

8.8 9.0 9.2 9.4 9.6 9.8 10.0

3

4

5

ln (D

)

ln (t)

ln D (300oC) ln D (500oC) ln D (700oC)

𝐷 = 𝑎𝑡𝑏


Nilai k didapatkan daripersamaan Gibbs-Thomson :

𝑟3 − 𝑟03 = 𝑘𝑡

Dengan menggunakanpersamaan Arrhenius,energy aktivasi dapatditentukan :

ln 𝑘 = −𝐸𝑎𝑅𝑇

+ ln 𝑘0

Ea (2 Jam) = 65,25 kJ/molEa (4 Jam) = 61,78 kJ/molEa (6 Jam) = 72,39 kJ/mol

Energi aktivasi paling rendah adalah pada sampeldengan waktu kalsinasi 4 jam.Hal ini sesuai dengan hasil fraksi fase dari pengujianXRD, dimana pada waktu 4 jam merupakan transisidari fase brookite rutile

0.00105 0.00120 0.00135 0.00150 0.00165 0.00180

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

2 Jam

4 Jam

6 Jam

ln k

1/T (K)

Hasil Pengujian XRD (Prekursor TiCl4 )

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

0

340

680

1020

0

340

680

1020

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

A RRR

R

A

R RR

R

R

A

Inten

sitas

2

2 Jam 4 Jam 10 Jam 12 Jam

RARAR

A

Inten

sitas

2 Jam (Putri, 2014) 4 Jam (Putri, 2014) 10 Jam (Putri, 2014)

02

46

810

12

0

20

40

60

80

100

TiCl4 800

TiCl3 800

T iC l3 1000

TiCl4 (800

oC)

TiCl3 (800

oC)

TiCl3 (1000

oC)

Fraksi Fase Rutile (%)


Transisi fase dari anatase ke rutile dengan menggunakan prekursorTiCl3 kemungkinan berlangsung pada waktu yang lebih lama untuktemperatur pemanasan 800oC-900oC. Dengan menggunakanprekursor TiCl4 pertumbuhan rutile yang dihasilkan lebih cepat.


Pada Temperatur yang tinggi, pertumbuhan partikelyang terjadi akan lebih cepat. Laju pertumbuhannyadapat ditentukan oleh pengaruh waktu (Coronado,2008). Semakin lama waktu pemanasan dan semakintinggi temperatur, maka ukuran partikel dan fraksifase rutile semakin meningkat. Jika temperatur naik,maka kecepatan nukleasi akan naik, sehingga jumlahpartikel yang dihasilkan akan semakin banyak.Dengan waktu yang lama, maka partikel tersebutakan lebih lama memperbesar diri, sehingga ukuranpartikel yang dihasilkan akan semakin besar.

2 4 6 8 10 12

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000


r3-r

0

3 (

nm

)

Jari-jari

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Fraksi Fase Rutile

Frak

si F

ase

Rut

ile


Nilai parameter a yaitu sebesar 1,199sedangkan untuk nilai parameter b yaitusebesar 0,526.

𝑏 =1

𝑛Sehingga didapatkan nilai n sebesar 1,9 (n≈2),maka pertumbuhan (growth) kristal terjadisecara difusi pada permukaan partikel.

8.0 8.4 8.8 9.2 9.6 10.0 10.4 10.8

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

ln (D

)

ln (t)

ln D (Sintesis Prekursor TiCl4)

Hasil Pengujian BET (Proses Hidrolisis)

Waktu

Kalsinasi

(Jam)

Luas

Permukaa

n (m2/g)

Volume

Pori

(cc/g)

Diameter

Pori (nm)

Ukuran

Partikel

BET (nm)

3 26,86 0,103 3,77 52,79

4 46,85 0,101 3,27 30,28

5 24,40 0,061 3,75 58,12

Waktu

Kalsinasi

(Jam)

Porositas

(%)

Roughness

Factor

(µm)

AN (50)

3 30,35 79,16 42,65

4 29,93 138,85 1,96

5 20,51 82,05 2,99

Semakin lama waktu pemanasan, ukuran partikelyang dihasilkan semakin besar, dan luaspermukaan akan semakin kecil.Semakin lama waktu pemanasan, volume poriyang dihasilkan semakin kecil.

Porositas Roughness Factor

𝑃 =𝑉𝑃

𝜌−1 + 𝑉𝑃𝑅 = 𝜌 1 − 𝑃 𝑆

Hasil Pengujian BET (Proses Mineralisasi)

WaktuKalsinasi

(Jam)

Temp. Kalsinasi

(OC)

Luas Permukaan

(m2/g)

Volume Pori (cc/g)

DiameterPori (nm)

Ukuran Partikel

BET (nm)

2300 775,052 2,704 3,411 1,830500 22,314 0,042 5,668 63,567700 20,722 0,125 17,066 63,567

4300 8,306 0,011 3,06 170,772500 4,555 0,006 3,322 311,402700 1,22 0,002 3,329 1165,52

6300 55,937 0,396 6,066 25,357500 50,736 0,130 6,539 27,957700 29,26 0,122 7,041 48,477

Temp. Kalsinasi

(OC)

WaktuKalsinasi

(Jam)

Porositas (%)

Roughness

Factor (µm)AN (50)

3002 91,960 263,579 0,0024 4,446 33,572 608,7396 62,618 88,449 4,726

5002 15,086 80,148 1,3544 2,475 18,790 136,7716 35,480 138,467 0,099

7002 34,587 57,336 0,3544 0,838 5,104 896,1686 34,587 81,63 0,064

Nilai porositas (P) yang baik digunakan untuk DSSCadalah sekitar 0,41, karena pada porositas 0,41 dayamaksimum yang dihasilkan lebih besar (Ni, dkk., 2006).

Nilai roughness factor yang ideal untuk DSSC berkisar~1000. ketika nilai roughness factor mendekati 1000,maka lapisan nanopartikel dapat menjebak pewarna yangcukup (Law, dkk., 2005).

Hasil Pengujian BET (Proses Mineralisasi) Rasio DerajatAglomerasi

300 400 500 600 700

0

200

400

600

800

(AN

(50)

)

Temperatur Kalsinasi (oC)

2 Jam

4 Jam

6 Jam

Derjat aglomerasi tertinggi pada sintesis proses mineralisasi dengan temperatur pemanasan 700oC dengan waktu pemanasan selama 4 jam yaitu sebesar 896,1

Pada sampel dengan waktu kalsinasi 4 jammemiliki nilai luas permukaan yang kecil jikadibandingkan dengan sampel dengan waktukalsinasi 2 jam dan 6 jam. Luas permukaanyang kecil menyebabkan adanya aglomerasikasar, sehingga ukuran partikel yang terbentukmenjadi besar (Hsiang, 2007).

AN 50 =𝐷3

𝐵𝐸𝑇

𝐷3𝑋𝑅𝐷

Hasil Pengujian BET (PrekursorTiCl4 )

Waktu

Kalsinasi

(Jam)

Luas

Permukaan

(m2/g)

Volume

Pori

(cc/g)

Diameter

Pori (nm)

Ukuran

Partikel

BET (nm)

2 14,737 0,050 3,754 96,25

4 14,314 0,072 3,750 99,09

10 6,639 0,043 3,352 213,65

12 8,229 0,039 3,309 172,37

Waktu

Kalsinasi

(Jam)

Porositas (%) Roughness

Factor (µm)

AN (50)

2 17,46 51,45 13,62

4 23,59 46,26 24,53

10 15,39 23,76 44,02

12 14,16 29,88 21,54

Semakin lama waktu pemanasan, ukuran partikelyang dihasilkan semakin besar, dan luaspermukaan akan semakin kecil. Volume pori yangdihasilkan semakin kecil.

KESIMPULAN

1 Dari beberapa proses sintesis yang telah dilakukan, fase rutile murni cepatterbentuk pada keadaan asam menggunakan HNO3.

2Ukuran partikel terbesar didapatkan pada proses mineralisasi dengantemperatur 700oC selama 4 jam, yaitu sebesar 120,89 nm, dapatdigunakan sebagai scattering layer .

3Dari hasil pengujian BET nilai porositas mendekati 0,41 terdapat padasintesis proses mineralisasi, sehingga efektif digunakan sebagaiphotoanode.

DAFTAR PUSTAKA

Universitas of Colorado. Mineral Structure and Property Data<ruby.colorado.edu/~smyth/min/tio2.html>

Yu, I. G., Kim, Y. J., Kim, H. J., Lee, C., and Lee, W. I. 2010. “Size-dependent light-scattering effect ofnanoporous TiO2 spheres in dye-sensitized solar cells”. J. Mater. Chem., 2011, 21, 532-538.

Grätzel, M., 2003.” Dye-sensitized solar cells”. Journal of Photochemistry and Photobiology C:Photochemistry Reviews, vol 4, hal 145–153

Avci, N., Smet, P.H., Poelman, H., Velde, N.V.D., Buysser, K. D., Driessche, I.V., Poelman, D., 2009.“Characterization of TiO2 powders and thin films prepared by non-aqueous sol–gel techniques”. J Sol-GelSci Technol DOI :10.1007/s10971-009-2028-9

Zhang, H., Banfield, J.F., 2000. “Understanding Polymorphic Phase Transformation Behavior duringGrowth of Nanocrystalline Aggregates: Insights from TiO2”. J. Phys. Chem. B, vol 104, hal 3481-3487

Dinnebier, Robert E. & Friese, K. “Modern XRD Methods in Mineralogy”.

TERIMA KASIH

TERIMA KASIH TERIMA KASIH

TERIMA KASIH


TERIMA KASIH


TERIMA KASIH


TERIMA KASIH


TERIMA KASIH


TERIMA KASIH


TERIMA KASIH


Documents

SINTESIS NANOPARTIKEL TiO RUTILE DENGAN …repository.its.ac.id/51967/2/2411100027-Presentation.pdfPada sintesis Prekursor TiCl 4, Temperatur kalsinasi yang digunakan yaitu 800oC dengan