APLIKASI TUNGSTEN TRIOKSIDA NANO PARTIKEL DENGAN … · Luas permukaan aktif partikel dan jenis pori diidentifikasi dengan menggunakan BET analyzer. Pengukuran kapasitansi kapasitor

Jurnal Teknik Material dan Metalurgi Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, 2012

1

APLIKASI TUNGSTEN TRIOKSIDA NANO PARTIKEL DENGAN METODE SOL GEL

DAN PROSES KALSINASI SEBAGAI KAPASITOR ELEKTROKIMIA

Dwi Aditya Novianto1, Diah Susanti

2, Hariyati Purwaningsih

2

1 Mahasiswa Jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS

2 Dosen Jurusan Teknik Material dan metalurgi FTI-ITS

ABSTRAK

Nanopartikel Tungsten Trioksida (WO3) dapat disentesa dari material dasar Tungsten (VI)

Hexaklorida (WCl6) dan ethanol (C2H5OH) dengan menggunakan metode sol gel dilanjutkan dengan

pelapisan gel WO3 pada substrat Al2O3 yang berukuran 1 cm2. Material dipanaskan di dalam furnace

dengan metode kalsinasi dengan temperatur 300oC, 400

oC, 500

oC, dan 600

oC menggunakan waktu

tahan selama 1 jam. Kemudian material tersebut dikarakterisasi menggunakan uji (SEM), (AFM) dan

(XRD). Luas permukaan aktif partikel dan jenis pori diidentifikasi dengan menggunakan BET

analyzer. Pengukuran kapasitansi kapasitor menggunakan alat pengukur elektrokimia (Potentiostat).

Dari hasil XRD dapat diketahui ukuran kristalnya monoclinic. Pada hasil SEM didapatkan ukuran

partikel yang semakin besar sesuai kenaikan temperatur. Thin film WO3 termasuk kedalam jenis

micropores dan mesopores dengan luas permukaan aktif yang semakin turun sesuai dengan kenaikan

temperatur kalsinasi. Dalam uji kapasitif didapatkan hasil yang optimum pada temperatur 500 o

C dan

scan rate 2 mV/s sebesar 22.96 F/gr. Semakin besar nilai scanrate maka semakin kecil nilai dari

kapasitif kapasitor dengan material WO3.

Kata kunci: Nanopartikel, Tungsten Trioksida (WO3), Sol-gel, Kalsinasi,Kapasitor Elektrokimia,

Cyclic Voltametri (CV)

I. PENDAHULUAN

Tungsten trioksida (WO3) dikenal

sebagai material semikonduktor yang

mempunyai banyak aplikasi. WO3

diaplikasikan sebagai material sensor gas, alat

elektrokronik, photokatalis, alat penyimpan

memori, dan yang belum banyak diteliti adalah

sebagai kapasitor elektrokimia. Property

kapasitif dari suatu kapasitor sangatlah

dipengaruhi oleh struktur materialnya. Struktur

material sendiri tergantung pada kondisi

sintesa material, seperti metode sintesa yang

digunakan, temperatur dan tekanan operasi,

bahan baku (prekursor), substrat yang

digunakan untuk menumbuhkan material, dan

laju alir pemasukan bahan baku.

Dalam penelitian ini bertujuan

menyiapkan kapasitor elektrokimia dari WO3

yang disintesa menggunakan proses sol-gel

dari precursor WCl6 dan C2H5OH yang diikuti

dengan proses kalsinasi pada temperatur yang

berbeda. Kapasitor akan dibuat dari material

WO3 yang telah di-kalsinasi pada temperatur

yang berbeda tersebut dan kemudian

dibandingkan property-property kapasitif

elektrokimia-nya.

II. METODOLOGI PENELITIAN

Proses sol-gel untuk menghasilkan gel

Tungsten oxide ditunjukan diagram alir pada

Gambar 1. Tungsten (VI) Hexaklorida

(WCL6) sebanyak 7 gram dilarutkan dengan

100 mL etanol dan 10 mL NH4OH. Larutan

diaduk dalam temperatur es selama 24 jam.

Ion klorida dihapus menggunakan aquades

sampai tidak ada endapan putih AgCl muncul

ketika dititrasi dengan larutan 0,1M perak

nitrat. Endapan dipisahkan dari larutan yang

tersisa menggunakan centrifuge. Endapan

kemudian dipeptisasi oleh ammonia

hidroksida, dan 50 μL surfactant (Sigma,

Triton X-100) ditambahkan ke dalam larutan.

Diperoleh tungsten trioksida sol. Sol Tungten

Trioksida dilapiskan pada substrat alumina

(006) dengan menggunakan alat spincoating.

Kemudian di perlakukan proses kalsinasi

dengan variasi temperatur 300ºC, 400ºC,

500ºC dan 600ºC selama 1 jam. Thin film hasil

kalsinasi kemudian di karakterisasi dengan

pengujian Scanning Electron Microscope

(SEM, FEI S-50). Stuktur Kristal diperiksa

oleh pengujian X-Ray Diffraction (XRD,

Philips Analytical). Luas permukaan aktif

dianalisa menggunakan Brunner Emmet Teller

(BET, Quantachrome autosorb iQ). Kekasaran

permukaan di analisa menggunakan Atomic


2

Force Microscopy (AFM). Kapasitif

kapasitor dianalisa dengan menggunakan

Potentiostat (PGSTAT 302N).

Presipitat

Tungsten Hidroksida

Sol Tungsten Oksida

Kapasitor WO3

Gambar 1. Diagram Alir Peneltian

III. HASIL DAN PEMBAHASAN

Pembentukan Sol-Gel Tungsten Trioksida

Proses sintesa WO3 untuk material

kapasitor yang dilakukan meliputi proses sol

dan gelasi. Proses gelasi pada pembuatan

sample diawali dengan pembentukan prekusor.

Dalam proses pembentukan prekusor diawali

dengan dilarutkannya 7 gram tungsten (VI)

hexachloride dengan 100 mL ethanol

(C2H5OH), larutan yang terbentuk memiliki

endapan berwarna kuning dan endapan

menjadi biru saat penambahan ammonium

hidroksida (NH4OH). Larutan kemudian

diaduk menggunakan stirrer hot-plate dengan

kecepatan yang konstan dan terjaga

kestabilannya. Proses pengadukan dilakukan

selama 24 jam pada temperatur es.

Tahap gelasi terjadi saat pengadukan

berlangsung, terbentuk endapan yang semakin

banyak, yang menyebabkan gerakan dari

stirrer semakin tidak beraturan. Selama proses

pengadukan, terjadi proses pembentukam

prekursor yang memiliki ikatan alkil sebagai

penyusunnya. Unsur logam yang telah

berikatan dengan alkohol dan membentuk

ikatan alkil inilah yang akan menjadi

prekursor dalam pembentukan nano kristal

Tungsten Trioksida (WO3). Endapan

kemudian dicuci dengan aquades (H2O) yang

bertujuan untuk menghilangkan kandungan Cl-

yang masih terdapat pada larutan dan

merupakan bahan yang tidak diperlukan.

Pencucian tersebut dilakukan sampai tidak ada

endapan putih AgCl ketika di titrasi dengan

0,1 M larutan perak nitrat. Larutan kemudian

dicentrifuge selama beberapa jam pada

kecepatan 2000 rpm untuk memisahkan

larutan dengan endapan. Endapan kemudian di

peptisasi menggunakan ammonium hidroksida

(NH4OH) untuk mendispersi kembali endapan,

supaya partikel besar menjadi lebih kecil dan

ditambahkan 50 μL surfactant (Triton X-100)

untuk menurunkan tegangan permukaan. 100

mL sol-gel tungsten trioksida yang terbentuk

berwarna biru pekat. Gambar 2. menunjukkan

mekanisme reaksi pembentukan WO3

Gambar 2. Hasil pelapisan nano material WO3 di

atas substrat alumina setelah diproses kalsinasi

dengan variasi temperatur (a) 300oC (b) 400

oC (c)

500oC (d) 600

oC

Gambar 3 Sampel kapasitor elektrokimia

Analisa XRD

Pengujian XRD (Philips XRD X-Pert

XMS) pada serbuk tungsten trioksida dalam

berbagai temperatur kalsinasi dengan waktu

holding selama 1 jam dapat dilihat pada

Gambar 3.

Pola XRD menunjukan bahwa kristal

tungsten trioksida yang terbentuk pada

temperatur kalsinasi 300 oC , 400

oC ,500

oC

dan pada temperatur 600 oC struktur kristalnya

adalah monoclinic (kartu JCPDS 72-1465).

a b c d

WCl6 dilarutkan

dalam alkohol Larutan NH4OH

Hydrolisis Diaduk 24 jam

Dipeptisasi dengan

Ammonia Hidroksida

Dicuci

dengan

Aquades

Pelapisan di substrat

Alumina Proses

Kalsinasi


3

Analisa XRD untuk mengetahui struktur

Kristal menggunakan program Match.

Gambar 4 menunjukkan pola XRD

yang mempunyai puncak – puncak difraksi

yang sesuai dengan struktur WO3 monoklinik.

Puncak-puncak yang tinggi terdapat pada

sudut 2θ = 23.09º, 23.58º, dan 24.32º (JCPDS

card no. 072-1465) yang menunjukkan bidang

(002), (020) dan (200). Sedangkan pada sudut

2θ = 41,7o adalah pola difraksi dari substrat

alumina (Al2O3) dengan bidang (006).

Gambar 4. Pola XRD pada serbuk tungsten

trioksida yang telah dikalsinasi dengan berbagai

temperatur. (a) 300ºC, (b) 400ºC, (c) 500ºC, dan (d)

600ºC

Ukuran kristal serbuk tungsten

trioksida diketahui dari persamaan Scherer.

D =

Dimana λ adalah panjang gelombang

radiasi (Ǻ), B adalah Full Width at Half

Maximum (rad) dan ө adalah sudut Bragg (o).

Ukuran kristal serbuk tungsten trioksida dari

berbagai temperatur kalsinasi dapat kita

simpulkan bahwa semakin tinggi temperatur

kalsinasi semakin besar ukuran kristal tungsten

trioksida ditunjukan pada Tabel 1.

Tabel. 1 Ukuran kristal serbuk tungsten trioksida

dari berbagai temperatur.

T

(ºC) λ(Ǻ) B(rad) Ө(o)

Cos

ө

D

(nm)

300 1.54056 0,0065153 40,7 0,76 28,07

400 1.54056 0,0071593 11,84 0,98 19,79

500 1.54056 0,0063268 11,6 0,98 22,37

600 1.54056 0,0040526 11,565 0,98 34,92

Secara umum, pola XRD

menunjukkan puncak-puncak yang semakin

tajam dan intensitas yang semakin tinggi

dengan dengan kenaikan temperatur. Pada

temperatur kalsinasi 300 oC menunjukkan

ukuran kristal yang lebih besar dari temperatur

400 oC dan 500

oC, karena pada hasil xrd

temperatur 300oC puncak tertingginya terdapat

pada 2θ = 81,4o. Sedangkan pada temperatur

400oC, 500

oC dan 600

oC tetap membentuk

sebuah trend yang menunjukkan bahwa

semakin bertambahnya temperatur maka

semakin besar ukuran kristal thin film WO3.

Analisa SEM

SEM biasanya digunakan untuk

meneliti morfologi suatu material. Gambar 5.

dari sampel Tungsten Trioksida setelah proses

kalsinasi.

Tungsten Trioksida setelah proses

kalsinasi dengan beberapa temperatur yang

berbentuk lembaran tipis semitransparan.

Partikel yang mengalami proses kalsinasi pada

temperatur 300ºC memiliki ukuran partikel

sekitar 161 – 322 nm dengan ketebalan sekitar

64 nm. Sedangkan pada temperatur 400ºC

memiliki ukuran partikel sebesar 343 – 893

nm dengan bentuk kristal yang berbentuk segi

empat dan memiliki ketebalan sekitar 152 nm.

Pada temperatur kalsinasi 500ºC

ukuran partikel serbuk berkisar antara 391 –

1043 nm, namun bentuk partikelnya kembali

kurang berbentuk dengan ketebalan sekitar

163 nm. Sedangkan pada temperatur 600oC

memiliki ukuran partikel 407 – 1142 nm,

namun partikelnya kembali kurang berbentuk

dengan mempunyai ketebalan 260 nm.Pada

temperatur 300oC dan 400

oC, masih cenderung

membentuk agregat, yang menjadikan ukuran

partikel terlihat besar. Dengan semakin

naiknya temperatur kalsinasi ukuran partikel

dari thin film Tungsten Trioksida semakin

besar.

Perubahan bentuk dan ukuran partikel

teresbut disebabkan oleh transformasi fasa dan

_0.9λ_ Β cosө


4

pembentukan kembali dari partikel serta

pertumbuhan kristal. Gambar tersebut juga

mengindikasikan bahwa partikel-partikel WO3

cenderung membentuk agregat dengan partikel

yang lain.

Analisa AFM

Gambar 6 menunjukkan karakterisasi

pada uji AFM (Atomic Force Microscopy)

dengan profile lapisan tipis WO3 yang dibuat

melalui pengkuran AFM. Gambar tersebut

merupakan tampilan tiga dimensi dari

roughness analysis. Struktur nano dari lapisan

tipis WO3 yang dipreparasi dapat diobservasi

melalui foto AFM tersebut dari nilai beberapa

parameter, Seperti surface roughness analysis,

root mean square (RMS), mean roughness

(Ra), height of particle (Rmax). Analisa yang

diperoleh dapat diindikasikan bahwa film WO3

yang dipreparasi memiliki struktur nano

dengan karakteristik permukaan yang tidak

merata.

Tabel 2. Nilai parameter kekasaran pada

thin film WO3 RMS Ra Rmax

876,9 nm 769,2 nm 1.538 nm

Gambar 5. Hasil Foto SEM thin film tungsten trioksida pada temperatur kalsinasi (a) 300ºC, (b) 400ºC, (c)

500ºC, dan (d) 600ºC dengan perbesaran 10.000x

Gambar 6. Profile AFM : Lapisan WO3 yang dipreparasi dengan metode sol-gel dan proses kalsinasi pada

temperatur 400oC, (a) tampak 3 dimensi dan (b) tampak 2 dimensi.

c d

a b

a b


5

Pengujian BET

Pengujian BET (Bruner Emmet

Teller) biasa digunakan untuk mengetahui

area permukaan aktif pada suatu

material. Pengujian BET dilakukan

dengan menggunakan alat Quantachrome iQ,

dengan diberikan pemanasan awal 300°C.

Hasil pengujian yang diperoleh adalah ukuran

luas permukaan dari serbuk Tungsten

Trioksida yang dapat menyerap gas Nitrogen

( dalam satuan m2/gr).

Tabel 3. merupakan hasil dari

pengujian BET dimana dengan semakin

naiknya temperatur kalsinasi, luas permukaan

aktif dari serbuk Tungsten Trioksida semakin

menurun. Hal ini berbanding terbalik dengan

ukuran diameter dari pori. Semakin tinggi

temperatur kalsinasi, semakin besar ukuran

pori dari sampel.

Tabel 3 Luasan permukaan aktif pada sampel uji

WO3 Feature

(WO3)

300ºC 400ºC 500ºC 600ºC

BET

surface area

m2/g

83,94 15,004 11,201 4,505

Rata-rata

diameter pori (Å)

16,4 108,3 156 268,5

Pori-pori dari sampel WO3 pada

temperatur kalsinasi 300ºC termasuk kedalam

jenis micropores, dimana ukuran porinya

antara kurang dari 2 nm. Pori-pori dari sampel

WO3 pada temperatur kalsinasi 400ºC, 500ºC

dan 600ºC termasuk kedalam jenis mesopores

yang memiliki ukuran pori antara 2 – 50 nm.

Analisa Cyclic Voltammetry Hasil dari pengukuran kapasitif pada

alat potentiostat menghasilkan kurva yang

selanjutnya di integrasi untuk mendapatkan

luasannya dengan menggunakan software

Origin. Luas integrasi ini digunakan untuk

menghitung nilai kapastif dengan

menggunakan rumus

Perhitungan kapasitansi spesifik

didefinisikan sebagai rasio dari arus yang

direspons (integrasi dari area (idV) di dalam

diagram CV dibagi 2) dibagi dengan

kecepatan scanning potensial ( ) dan massa

aktif material WO3 (w) dengan satuan

(Farad/gram). diperoleh data sebagai berikut

Gambar 4.7 Hasil CV Thin film tungsten

trioksida pada temperatur kalsinasi 300 0C, 400

0C, 500

0C, dan 600

0C dengan scan rate (a) 50 mV

/ s, (b) 500 mV / s, dan (c) variasi scan rate

temperatur 500 0C pada H2SO4 0,5 M.

widVC 2/


6

Pada pengujian Cyclic Voltammetry

terjadi reaksi faraday (charging –

discharging). Pada saat charging terjadi reaksi

oksidasi yaitu : W + 3H2O → WO3 + 6H+ +

6e-1

, sedangkan saat discharging terjadi reaksi

reduksi yaitu : WO3 + 6H+ + 6e

-1 → W +

3H2O (Wenzhang,2010). Penyimpanan

muatan (charging) dilakukan dengan oksidasi

dari bilangan oksidasi W yang mulai dari nilai

0 sampai menjadi +6, sedangkan pelepasan

muatan (discharging) dilakukan dengan

reaksi reduksi W yang mulai dari nilai +6

sampai menjadi 0. Penyimpanan dan

pelepasan muatan listrik meliputi

penyimpanan dan pelepasan elektron serta

proton (H+). Nilai kapasitif elektrokimia

dipengaruhi oleh beberapa hal, yaitu struktur

dan ukuran kristal, ukuran partikel, morfologi

permukaan, electronic conductivity, air pada

kristal dan kristalinitas.

Dari hasil uji konduktifitas dapat

diperoleh nilai resistansi dari material thin

film WO3, pada temperatur 300ºC, 400ºC,

500ºC dan 600ºC. dari hasil uji tersebut

didapatkan nilai terkecil pada temperatur

500ºC yang memiliki nilai resistansi sebesar

~50 Ω. Hal ini dapat mempengaruhi sifat

kapasitif pada material thin film WO3.

Tabel 4 Kapasitansi Elektrokimia pada thin film

WO3

300 400 500 600

2 mV 11,16 18,70 22,96 11,43

5 mV 6,48 5,02 11,79 6,77

10 mV 4,00 3,61 7,20 5,28

25 mV 1,28 2,10 4,77 2,35

50 mV 0,73 1,25 2,56 1,41

200 mV 0,19 0,46 0,60 0,27

500 mV 0,09 0,18 0,31 0,17

Gambar 8 Grafik hasil plot dari pengujian kapasitif elektrokimia

Dari data tabel 4 dapat disimpulkan

bahwa semakin besar nilai scanrate maka

semakin kecil nilai kapasitif elektrokimia. Hal

tersebut disebabkan karena proton dan

elektron membutuhkan waktu untuk menyisip

pada pori thin film WO3.

Dari rumus kapasitif terlihat bahwa

harga kapasitansi berbanding lurus dengan

integrasi area i – v dan berbanding terbalik

dengan massa spesifik dan scan rate. Dilihat

dari gambar 7 maka dapat diketahui bahwa

pada saat temperatur 500oC memiliki

kemampuan yang paling baik untuk menjadi

material kapasitor elektrokimia pada berbagai

scan rate. Hal tersebut diakibatkan karena

konduktivitas dari material WO3 pada

temperatur kalsinasi 500oC adalah yang

paling tinggi dibandingkan dengan pada

temperatur kalsinasi 300oC, 400

oC dan 600

oC.

IV. KESIMPULAN

Nanopartikel WO3 dapat disintesa

dengan menggunakan metode sol-gel yaitu

dengan penambahan ethanol dan NH4OH

serta melalui proses stirring pada prekursor

WCl6 dan dilapiskan ke substrat Alumina

(Al2O3) dengan teknik spincoating diikuti

proses kalsinasi pada temperatur 300 o

C, 400

oC, 500

oC dan 600

oC.

Berdasarkan hasil XRD diketahui

struktur kristalnya monoclinic. Partikel-

partikel WO3 berbentuk lembaran tipis dan

cenderung membentuk agregat dengan

partikel yang lain dengan semakin turunnya

temperatur. Partikel tungsten trioksida

memiliki ukuran partikel yang semakin besar.

Terdapat 2 jenis pori yang diapatkan dari hasil

BET yaitu micropores dan mesopores. Luas

permukaan aktif dari sampel WO3 semakin

kecil dengan kenaikan temperatur kalsinasi.

Dalam uji kapasitif kapasitor elektrokimia

WO3 dihasilkan nilai kapasitif terbesar

terdapat pada sample dengan pemanasan pada

temperatur 500oC scan rate 2mV/detik yaitu

sebesar 22,96 F/gr. Semakin besar nilai

scanrate maka semakin kecil nilai dari

kapasitif kapasitor dengan material WO3.

V. DAFTAR PUSTAKA

[1] Bushan, Bharat., 2003. ”Handbook of

Nanotechnology”. London Paris Tokyo: Springer-

Verlag New York Berlin Heidelberg.

[2] Champaiboon, T., Ruangsuttinarupap, S., dan

Supothina, S., 2008. “Efficiency enhancement of a

tungsten oxide alcohol sensor”. CP16

(3,00)

2,00

7,00

12,00

17,00

22,00

2 mV

5 mV

10 mV

25 mV

50 mV

200 mV

500 mV

600 C

500 C

400 C

300 C


7

[3] Chang, Kuo-Hsin,et.al.2011. “Microwave-assisted

hydrothermal synthesis of crystalline WO3 -

WO3.0.5H2O mixture for pseudocapacitors of

the asymmetric type”. Taiwan : National Tsing Hua University. Jurnal of Power Sources 196

: 2387 – 2392.

[4] Deepa, M. P.Signh, A.N. Sharma, S.A. Agnihorty.

2006. “Effect Humidity on structure and

electrochromic properties of sol-gel derived tungsten

oxide films”. Solar Energy Materials & Solar Cells 90 :

2665-2682.Bushan, Bharat.Handbook of

Nanotechnology.(2003) [5] Deki, Shigehito, Alexis Bienvenu Béléké, Yuki Kotani,

Minoru Mizuhata. 2010.” Synthesis of tungsten oxide

thin film by liquid phase deposition”. Materials

Chemistry and Physics 123 : 614–619. [6] Chris, 2008.”Bahan Baku Keramik”.Wordpress

[7] Haryo, Stefanus, 2011. “Pengaruh Kalsinasi

Terhadap Pembentukan Nanopartikel Tungsten

Trioksida Hasil Proses Sol-Gel”. Thesis. Surabaya : Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Jurusan T.

Material dan Metalurgi.

[8] Li , Wenzhang, et al.2010.”Visible light

photoelectrochemical responsiveness of self-organized nanoporous WO3 films”. Electrochimica Acta 56 :

620–625.

[9] Sakka, S., 1980. “Handbook of Sol-gel Science and

Technology : Processing Characterization and Applications”. New York Boston Dordrecht London

Moscow: Kluwer Academic Publishers.

[10] Sugiyono, 2002. “Kaji Numerik Proses di Dalam

Kalsiner”. Bandung : Institut Teknologi Bandung.

[11] Sun, Z., 2005. “Novel Sol-gel Nanoporous Materials,

Nanocomposites and Their Applications in

Bioscience”. Thesis.Drexel University.27-59

[12] Supothina, Sitthisuntorn., Panpailin Seeharaj, Sorachon Yoriya, Mana Sriyudthsak. 2006. “Synthesis of tungsten oxide nanoparticles by acid precipitation method”.

Ceramics Internasional 33 : 931-936 [13] Tamaki,J. Z. Zhang, K. Fujimori, M. Akiyama, T.

Harada, N. Miura,N. Yamazoe,“Grain-size effects in

tungsten oxide- based sensor for nitrogen oxides”, J.

Electrochem. Soc. 141 (1994) 2207–2210.

[14] Tananta, Lucky, 2011. “Sintesa Tungsten Trioksida

Nano Partikel Dengan Menggunakan Metode Sol

Gel Dan Proses Kalsinasi”. Thesis. Surabaya :

Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Jurusan T.

Material dan Metalurgi. [15] Wang, S.H., Chou, T.C., dan Liu, C.C., 2003. “Nano-

crystalline tungsten oxide NO2 sensor”. Journal

Sensors and Actuators B 94 : 343-351.

APLIKASI TUNGSTEN TRIOKSIDA NANO PARTIKEL DENGAN … · Luas permukaan aktif partikel dan jenis pori diidentifikasi dengan menggunakan BET analyzer. Pengukuran kapasitansi kapasitor

Documents