Stefanus Haryo Nugroho 2706 100 017 Dosen Pembimbing ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-15474-Presentation-pdf.pdf · SEM (Scanning Electron Microscope) • Scanning Electron

www.wondershare.com

Stefanus Haryo Nugroho

2706 100 017

Dosen Pembimbing :

Diah Susanti, ST, MT, Ph.D

Hariyati Purwaningsih, SSi, MSi

Jurusan Teknik Material dan Metalurgi

Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember

2011

www.wondershare.com

PENGARUH KALSINASI

TERHADAP PEMBENTUKAN

NANOPARTIKEL TUNGSTEN

TRIOKSIDA HASIL PROSES

SOL-GEL

Latar Belakang

www.wondershare.com

Metode sol-gel sebagai metodesintesis nanopartikel yang sederhana, murah dan mudah.

Aplikasi tungsten trioksida banyakdigunakan untuk sensor gas, selainitu pembuatan kain fireproofing dansebagai pigmen kuning pada keramik, selain itu digunakan untuk membuattungstates untuk layar x-ray.

Sumber: _____, 2010. “File: TungstenOxideSmall.jpg”. (http://en.wikipedia.org/wiki/File:TungstenOxideSmall.jpg, diunduh tanggal 07 Desember2010).

Gambar 2.2 Tungsten Trioksida (WO3)

Batasan Masalah

• Temperatur saat holding pada kalsinasidianggap konstan

• Pada proses pengadukan, temperatur dankecepatan dianggap konstan

• Pengotor serbuk diabaikan

www.wondershare.com

Tujuan Penelitian

www.wondershare.com

Mempelajari pembentukan nanopartikel tungsten trioksida yang diperoleh dari reaksi WCl6 denganalkohol menggunakan metode sol-gel

Mempelajari pengaruh temperatur kalsinasi terhadap morfologi permukaan, ukuran partikeldan struktur kristal nanopartikel dari WO3

Manfaat Penelitian

Penelitian ini bermanfaat untukmenghasilkan nanopartikel tungstentrioksida dari reaksi WCl6 dengan alkoholmenggunakan metode sol-gel sehinggadapat digunakan untuk referensipembuatan sensor gas dan penelitianlainnya.

www.wondershare.com

Teknik Sol-gel• Teknik sol-gel adalah teknik kimia basah untuk

pembuatan bahan (biasanya logam oksida) mulai dari larutan kimia yang bereaksi untukmenghasilkan partikel koloid nanosized (atausol) yang bertindak sebagai prekursor. Prekursoradalah logam alkoxides dan logam yang mengalami reaksi hidrolisis danpolycondensation. Hasilnya adalah sebuahsistem yang terdiri dari partikel padat (ukuranmulai dari 1 nm sampai 1 μm) yang tersebardalam pelarut.

www.wondershare.com

Teknik Sol-gel

Beberapa keuntungan teknik sol-gel:• Dalam aplikasi penginderaan, materi

sensitif dapat dihasilkan denganmenambahkan beberapa unsur dalammatriks sol-gel selama sintesis, yang tidakberinteraksi secara kimia denganlingkungannya.

www.wondershare.com

Teknik Sol-gel

• pembentukan lapisan tipis yang sangattinggi yaitu lapisan tipis, dalam kisarannanometer.

• Metode Sol-gel sederhana, biaya yang sedikit, dan sintesa dalam temperaturrelatif rendah.

www.wondershare.com

Kalsinasi

• Proses kalsinasi adalah proses perlakuanpanas yang diterapkan pada sebuahbahan yang bertujuan untuk dekomposisi termal, transisi fasa, dan penghapusanfraksi volatile. Proses kalsinasi terjadipada temperatur di bawah titik leburbahan.

www.wondershare.com

Kalsinasi

• Proses ini juga berperan dalam prosespenghilangan air, karbon dioksida ataugas lain.

• Kalsinasi adalah thermal treatment agar terjadi dekomposisi dan juga untukmengeliminasi senyawa yang berikatansecara kimia (Husni, 2010).

www.wondershare.com

Kalsinasi

• Semakin tinggi temperatur kalsinasi semakin besar ukuran partikel sepertiterlihat dalam gambar 2.4. Hal inidisebabkan karena proses kalsinasi akanmenyebabkan reaksi zat padat, pengkristalan dan terjadi peleburansehingga ikatan akan terlepas. Kalsinasi dilakukan pada suatu bahan untukmemutus ikatan molekul antar senyawapada bahan tersebut.

Kalsinasi

Sumber: Wang, S.H., Chou, T.C., dan Liu, C.C., 2003. “Nano-crystalline tungsten oxide NO2 sensor”. Sensors and Actuators

B 94 (2003) 343-351.

Gambar 2.4 pengaruh proses kalsinasi terhadap morfologi permukaan dari thin filmtungsten oxide dengan variasi temperatur (a) 350 oC; (b) 450 oC; (c) 550 oC dan (d) 650

Bahan

• Serbuk Tungsten (VI) Hexaklorida(>99,99%)

• Ethanol• Ammonia hidroxida solution (NH4OH)• Perak nitrat solution• Surfactant (Triton X-100)

www.wondershare.com

Alat

• Hot Plate Stirrer• Alat Centrifuge• Furnace• Scaning electrone microscope (SEM) dan

Transmission Electron Microscope (TEM) untuk mengetahui morfologi permukaan dan ukuranpartikel

• X-Ray diffraction (XRD) untuk mengetahuistrutur kristal

www.wondershare.com

Alat

• Neraca Analit• Micropipete• Gelas ukur• Crucible• Erlenmeyer

www.wondershare.com

Flow Chart

Start

Tungsten (VI) Chlorida dilarutkan

dengan etanol dan NH4OH

Ion chloride dihilangkan

dengan Aquades

Titrasi dengan perak

nitrat

Peptization endapan dengan

NH4OH + 50µm surfactant

Melakukan pengadukan dalam

temperatur es

Ion cl-

masih

ada

centrifuge untuk memisahkan

endapan dari larutan

Terbentuk Tungsten

Oxide Gel

A

www.wondershare.com

Tungsten Oxide Gel dikalsinasi dengan

variasi temperatur 300 oC, 400 oC, 500 oC dan 600 oC

Pengamatan

Morfologi

Permukaan

(SEM)

Pengamatan

struktur mikro

(TEM)

Pengujian

Identifikasi Fasa

(X-ray Diffraction)

Analisa data dan

pembahasan

Kesimpulan

End

A

SEM (Scanning Electron Microscope)

• Scanning Electron Microscope adalahjenis mikroskop elektron yang menampilkan gambar permukaan sampeldengan memindai sinar elektron berenergitinggi dalam pola raster scan. Elektronberinteraksi dengan atom-atom menghasilkan sinyal yang berisi informasitentang topografi permukaan sampel, komposisi dan sifat-sifat lain sepertikonduktivitas listrik.

www.wondershare.com

SEM (Scanning Electron Microscope)

• Jenis sinyal yang dihasilkan oleh SEM termasuk elektronsekunder, backscaterred electron (BSE), karakteristiksinar-X, cahaya (cathodoluminescence) dan elektron

www.wondershare.comGambar 3.1Scanning Electron Microscope

Sumber: _____, 2010. “Field emission scanning electron microscopes (FE-SEM) with EsB (in-column)ULTRA”. (http://www.directindustry.com/prod/carl-zeiss-smt-nano-technology-systems-division/field-emission-scanning-electron-microscope-fe-sem-with-esb-in-column-22691-57799.html, diunduh tanggal 07 Desember 2010).

X-ray Diffraction (XRD)• X-ray Diffraction (XRD) biasa digunakan untuk

mempelajari struktur Kristal dan komposisi kimiananopartikel.

• Posisi puncak dalam pola difraksi sinar-X dapatdigunakan untuk menentukan komposisi kimia dan fasakristal nano partikel.

www.wondershare.com

sumber: _____,. “Episode 530: X- ray diffraction”.

(http://tap.iop.org/atomic/xray_neutron_diffraction/page_40431.html, diunduh

tanggal 07 Desember 2010).

Gambar 3.3 difraksi sinar-X dari Kristal

Transmission Electron Microscope (TEM)

• Transmission Electron Microscope(TEM) adalah sebuah mikroskopteknik dimana seberkas elektronditembakan melalui spesimenultra tipis. Sebuah gambardibentuk dari interaksi elektronditembakan melalui spesimen,gambar diperbesar dandifokuskan ke perangkat imaging,seperti layar neon, pada lapisanfilm fotografi, atau dideteksi olehsensor seperti CCD kamera.

www.wondershare.com

Sumber: ____,. “Transmission electron microscopy (TEM)”. (http://nzforu.com/microscopes/transmission-electron-microscope-tem/, diunduh tanggal 07 Desember 2010).

Gambar 3.4

Transmission Electron Microscope (TEM)

Metode Penelitian

• Tungsten (VI) Hexaklorida (WCL6) dicampur dengan etanol dan 0,5M NH4OH

• Larutan diaduk dalam temperatur es. Ion klorida dihapus menggunakan aquadessampai tidak ada endapan putih AgClmuncul ketika dititrasi dengan larutan0,1M perak nitrat.

www.wondershare.com

Metode Penelitian

• Endapan dipisahkan dari larutan yang tersisa menggunakan centrifuge.

• Endapan kemudian dipeptized olehammonia hidroksida, dan surfactant (Triton X-100) ditambahkan ke dalamlarutan.

• Diperoleh tungsten trioksida sol.

www.wondershare.com

Metode Penelitian

• Sol Tungten Trioksida di kalsinasi denganvariasi temperatur 300 oC, 400 oC, 500 oC dan 600 oC.

• Serbuk hasil kalsinasi kemudian di ujidengan pengujian Scanning Electron Microscope (SEM) dan PengujianTransmission Electron Microscope (TEM).

• Fasa Kristal diperiksa oleh pengujian X-Ray Diffraction (XRD).

www.wondershare.com

Proses Kalsinasi

• Proses kalsinasi dilakukan dalam furnace dengan variasi temperatur 300 oC, 400 oC, 500 oC dan 600 oC dengan waktutahan selama 1 jam dan dilakukanpendinginan atmosfir.

Gambar 3.5 grafik proseskalsinasi

T oC

t (sekon)

t (holding) = 1 jam

Analisa XRD

www.wondershare.com

Analisa XRD

• Dari pola XRD menunjukan puncak-puncakyang semakin tajam dan intensitas yang semakin tinggi dengan dengan kenaikantemperatur. Pada temperatur kalsinasi 300 oC dan 400 oC terlihat puncak dari pola XRD yang lebar dengan intensitas yang rendah yang menunjukan struktur menyerupai material yang bersifat amorphous.

www.wondershare.com

Analisa XRD

• Hal ini disebabkan karena masih adanyakandungan air kimiawi (air kristal ) pada sampeltersebut. Dengan kenaikan temperatur, air kristalakan berkurang sehingga struktur material mendekati bentuk kristal seperti ditunjukan padapola XRD untuk temperatur kalsinasi 500 oC dan600 oC, puncak yang tajam dan intensitasnyayang tinggi.

www.wondershare.com

Analisa XRD

• Ukuran kristal berbagai temperaturdihitung menggunakan rumus Scherrer

D = Dimana: K adalah tetapan scherrer (biasanya 0.9)

λ adalah panjang gelombang (Ǻ)B adalah sudut garis difraksi di setengah

tinggi maksimum difraksi (FWHM) (rad)ө adalah sudut Bragg (o)

www.wondershare.com

K λ__

B Cosө

Analisa XRD

• Struktur kristal diperiksa menggunakan program Match, yang mengindikasikan bahwa padatemperatur 300 oC dan 400 oC struktur kristalnyahexagonal (kartu JCPDS 85-2459) dan pada500 oC dan 600 oC struktur kristalnya monoklinik(kartu JCPDS 83-0950).

www.wondershare.com

Analisa XRDTemperatu

rλ(Ǻ) B(rad) Ө(o) Cos ө D (nm) Struktur mikro JCPDS

300 oC 1.540560

0.0186

11.61 0.98 7.31 Hexagonal 85-2459

400 oC 1.540560

0.0137

11.82 0.98 9.92 Hexagonal 85-2459

500 oC 1.540560

0.0068

12.16

0.98 20.40 Monoklinik 83-0950

600 oC 1.540560

0.0049

12.16

0.98 28.36 Monoklinik 83-0950

www.wondershare.com

Dari tabel diatas dapat kita simpulkan bahwa semakin tinggi temperatur semakinbesar pula ukuran kristal serbuk WO3.

Analisa XRD

Temperatur 400 oC 500 oC 600 oC 700 oCUkuran kristal (nm) 30 ± 5 50 ± 5 150 ± 10 200 ± 10

www.wondershare.com

Abdullah dalam jurnalnya mengindikasikan hal yang sama seperti pada Tabeldiatas. Abdullah menggunakan teknik Colloidal Gas Aphrons (CGAs) untukmendapatkan nanopartikel WO3 dengan temperatur kalsinasi 400 oC, 500 oC, 600 oC dan 700 oC dengan holding time selama 4 jam. (Abdullah, 2004)

ANALISA SEM

• Morfologi permukaan dari serbuk tungsten trioksida dari hasil SEM (Zeiss EVO MA 10).

www.wondershare.com

ANALISA SEM

www.wondershare.com

ANALISA SEM

www.wondershare.com

ANALISA SEM

Temperatur 300 oC 400 oC 500 oC 600 oCUkuran partikel(nm)

277-780 137-550 50-500 25-125

www.wondershare.com

ANALISA SEM• Dari Gambar dan Tabel diatas

mengindikasikan bahwa partikel-partikelWO3 cenderung membentuk agregatdengan partikel yang lain. Kecenderunganini semakin berkurang dengan kenaikantemperatur. Pada Gambar hasil SEM dengan temperatur 300 oC terlihat bahwapartikel-partikel membentuk cluster yang masing-masing cluster terdiri dari 8-20 partikel.

www.wondershare.com

ANALISA SEM

• Wang dalam jurnalnya yang memakai raw material WCl6 dan proses sol-gel yang sama, namun hasil bentuk WO3 dalambentuk lapisan film tipis. Wang menyimpulkan bahwa semakin tinggitemperatur semakin besar ukuran partikelpada film tipis WO3, sedangkan dalampenelitian ini menggunakan material serbuk. (Wang, 2003)

www.wondershare.com

ANALISA TEM

• Morfologi permukaan dan ukuran partikeldari tungsten trioksida dengan resolusiyang lebih tinggi dibandingkan dari hasilSEM didapatkan dari pengujian TEM (JEOL JEM-1400)

www.wondershare.com

ANALISA TEM

www.wondershare.com

ANALISA TEM

www.wondershare.com

ANALISA TEM

• Analisa TEM pada temperatur kalsinasi600 oC menunjukan bahwa adanyaagregasi dari unit-unit partikel seperti padagambar perbesaran skala 10nm dan20nm. Partikel Agregasi tersebutmembentuk seperti partikel yang lebihbesar dapat terlihat dalam gambarperbesaran skala 50 nm.

www.wondershare.com

ANALISA TEM

• Agregasi ini disebabkan karena tungsten trioksida adalah material higroskopis, yang memiliki kemampuan menyerap molekul air yang baik. Hal inilah yang menyebabkanpartikel-partikel tersebut berkumpul menjadi satudan tidak homogen.

• Ukuran partikel dari serbuk tungsten trioksidadengan temperatur 600 oC adalah sekitar 4-20 nm, dan satu agregasi partikel sekitar 10-60 nm.

www.wondershare.com

Kesimpulan

• Tungsten trioksida (WO3) nanopartikel telahdapat disintesa dengan menggunkan metodesol-gel dengan precursor WCl6, ethanol danNH4OH

• Berdasarkan hasil XRD diketahui padatemperatur kalsinasi 300 oC – 400 oC strukturkristalnya hexagonal. Pada 500 oC dan 600 oC struktur kristalnya monoklinik. Ukurankristal didapatkan dari rumus Scherer.

www.wondershare.com

Kesimpulan

• Semakin besar temperatur kalsinasisemakin besar pula ukuran kristal.

• Pada temperatur kalsinasi 300 oC dan 400 oC terlihat puncak dari pola XRD yang lebar dengan intensitas yang rendah yang menunjukan struktur menyerupai material yang bersifat amorphous.

www.wondershare.com

Kesimpulan

• Hal ini disebabkan karena masih adanyakandungan air kimiawi (air kristal ) padasampel tersebut. Dengan kenaikantemperatur, air kristal akan berkurangsehingga struktur material mendekatibentuk kristal seperti ditunjukan pada polaXRD untuk temperatur kalsinasi 500 oC dan 600 oC, puncak yang tajam danintensitasnya yang tinggi.

www.wondershare.com

Kesimpulan

• Dari hasil foto SEM diketahui ukuranpartikel pada temperatur kalsinasi 300 oC sekitar 277-780 nm, pada temperaturkalsinasi 400 oC sekitar 100-500 nm, padatemperatur kalsinasi 500 oC sekitar 50-500 nm dan pada temperatur kalsinasi 600 oCsekitar 25-125 nm.

www.wondershare.com

Kesimpulan dan Saran

• partikel-partikel WO3 cenderungmembentuk agregat dengan partikel yang lain. Kecenderungan ini semakinberkurang dengan kenaikan temperatur. Pada hasil SEM dengan temperatur 300 oC terlihat bahwa partikel-partikelmembentuk cluster yang masing-masingcluster terdiri dari 8-20 partikel.

www.wondershare.com

Kesimpulan

• Dari hasil foto TEM menunjukantemperatur kalsinasi 600 oC menunjukanbahwa adanya agregasi dari unit-unit partikel seperti pada gambar dalampembesaran 20 nm.

• Partikel Agregasi tersebut membentukseperti partikel yang lebih besar dapatterlihat dalam gambar pada pembesaran50 nm.

www.wondershare.com

Kesimpulan

• Ukuran partikel dari serbuk tungsten trioksida dengan temperatur 600 oC adalah sekitar 4-20 nm, dan satu agregasipartikel sekitar 10-60 nm.

www.wondershare.com

Saran

• Melakukan analisa Direct Thermal Analysis untuk mengetahui nilaitemperatur saat terjadi perubahan fasadari hexagonal ke monoklinik.

• Melakukan analisa Thermal GravimetriAnalysis untuk mengetahui kandungan air kristal pada berbagai temperatur

www.wondershare.com

Saran

• Melakukan analisa Fourier Transform Infrared Spectrophotometer untukmengidentifikasi senyawa kimia yang terkandung dalam spesimen.

• Melakukan analisa High Resolution –Transmission Electron Microscopy untukmengetahui ukuran partikel, space lattice dan difraksi kristal.

www.wondershare.com