maunakeamizt.files.wordpress.com · Web viewEnergi yang dihasilkan oleh generator ultrasound meningkat 130-645 W dengan mengubah sonotrode yang diameter dari 3 hingga 14 mm. Peningkatan

MAKALAH

KIMIA MATERIAL

SONOCHEMICHAL SYNTHESIS OF SILVER NANOPARTICLES IN Y-ZEOLITE SUBSTRATE

(Jafar Talebi • Rouein Halladj • Sima Askari)

Dosen Pengampu: Prof. Sentot Budi Rahardjo,Ph.D

GIGIH AJI SETIYONO (NIM S831008023)

WINARSIH (NIM S831008074)

PROGRAM PASCASARJANA

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2011

BAB I

PENDAHULUAN

Ion Silver dapat dikurangi dengan gelombang ultrasonic 24 kHz dalam pertukaran ion-Ag-Y zeolit. Ion perak dalam kisi Zeolit dengan ukuran 1.2 nm dikurangi dengan jalan pertukaran ion. Setelah proses reduksi, perak nanopartikel ditempatkan dalam rongga, dengan ukuran sekitar 1 nm pada permukaan luar zeolit. Metode pengurangan ion perak oleh gelombang ultrasonik merupakan metode baru yang sederhana, praktis, terkontrol dan tidak membutuhkan fasilitas yang rumit . Dalam proses SONOKIMIA, besarnya energi ditentukan oleh guguran gelembung yang dibentuk oleh gelombang ultrasonik. Energi yang dilepaskan menyebabkan pembentukan radikal sehingga mengurangi ion perak. Makin banyak perak yang dikandung zeolit mengakibatkan pembentukan kristal perak yang lebih besar pada permukaan kristal zeolit. Penambahan 1-propanol dan 2-propanol ke media reaksi air tidak menyebabkan penurunan yang berarti . Peningkatkan waktu dan daya irradiasi ultrasonik tidak mempengaruhi pertumbuhan kristal perak secara signifikan tetapi pengurangan ion bertambah saat gelombang ultrasonik meningkat. Semua sampel diiradiasi pada kondisi sama dengan ultrasonic . sampel dianalisis dengan XRD, EDS, SEM, dan TEM.

Senyawa nanopartikel banyak digunakan dalam industri, karakteristik bahan menunjukkan skala dalam nano. Di antara berbagai nanopartikel, logam transisi yang sangat menarik karena mereka yang unik sifat fisika-kimia. Perak, sebagai salah satu unsur transisi, memiliki banyak kegunaan dalam bidang elektronik, magnet, katalisis, kedokteran, kedokteran gigi, makanan, dan industri konstruksi. Nanopartikel tunggal menjadi bahan lain menghasilkan sistem baru disebut nanocomposites . Zeolit memiliki beberapa jenis nano-komposit seperti: logam-polimer ( Ag dalam polistiren, Teflon, dll), logam-logam ( Pd / Fe, Pt / Co, Ru / Co, Ag / Bi, dll) , logam-logam oksida atau keramik ( Pt, Pd, Cu, Co, Fe, Ni, dan Ag di SiO2, Al2O3, dan TiO2), dan logam-zeolit ( Ag-ZSM5, Ag-Y, dll) . Banyaknya nanokomposit tergantung ukuran partikel, bentuk, dan interaksi antara permukaan. Nanocomposites memungkinkan zeolit memiliki sifat yang berbeda . Zeolit merupakan zat padat berpori yang baik untuk mengikat perak.

Pentingnya membuat nanocomposites perak-zeolit dan pengurangan perak di zeolit adalah karena nanopores di kerangka zeolit yang membantu kita untuk mengontrol ukuran partikel dan memiliki distribusi seragam logam perak diinternal dan eksternal permukaan. Faktor-faktor ini sangat penting bagi nanocatalysts. Perak- komposit zeolit digunakan:

· Oksidasi metanol menghasilkan formaldehida

· Membuat anti-bakteri dan anti mikroba pelapis

· Dekomposisi gas ozon pada suhu kamar

· Foto-dekomposisi katalitik NOx

· Membuat sensor kelembaban

· Foto-atau termokimia dekomposisi air menjadi hidrogen dan oksigen

· Konversi katalitik metana di hadapan etana

· Oksigen produksi oleh adsorpsi N2 dari udara

· Adsorpsi dan oksidasi CO

· Produksi air minum dari air garam

· Penghapusan adsorptif dimetil sulfida dan t-butil merkaptan dari pipa gas alam pada kondisi kamar.

· Desulfurisasi bahan bakar (bensin, solar dan bahan bakar jet)

· Meningkatkan angka oktan bensin dalam proses alkilasi

Pada contoh-contoh ini, keadaan perak dalam kerangka zeolit baik ionik atau logam.

Zeolit adalah senyawa alomino-silikat yang dibuat dari TO4 (T = Si dan Al) heksagonal menghubungkan atom oksigen yang memiliki banyak saluran. Kation dan unsur lain dalam molekul air berada di pori zeolit. Kation menyeimbangkan muatan negatif kisi zeolit dan ditukar dengan kation lainnya. Molekul air dapat dikeluarkan dari kisi-kisi dengan memanaskan zeolit. Jenis zeolit Y adalah zeolit yang memiliki kapasitas pertukaran relatif tinggi. Stabilitas kisi Y-zeolit memiliki tiga macam pori-pori:

· Supercages dengan membuka pori sebesar 7,4 Å dan diameter 12 Å

· Sodalite cage dengan membuka pori sebesar 2,6 Å dan internal diameter 6,6 Å

· Prisma heksagonal dengan bukaan pori kurang dari 2,6 Å

Pengurangan ion perak dalam kerangka zeolit dilakukan dengan metode pertukaran ion dalam larutan perak nitrat . Pengurangan ion perak membentuk logam dalam zeolit dengan metode seperti: pengurangan panas, hidrogen, hidrazin, reduksi hidrokarbon, karbon monoksida, sonoelectrochemical, dan elektrokimia.

Metode lain untuk mengurangi kation logam pada zeolit dengan radiasi ultrasonik dengan membuat partikel nano atau nanocoatings. Metode ini sangat sederhana, cepat, dan tanpa fasilitas rumit. Ukuran partikel dapat mudah dikontrol dengan mengubah precursors konsentrasi awal. Efek gelombang ultrasonik karena kavitasi dalam cairan. Kavitasi adalah proses pembentukan, pertumbuhan, dan guguran gelembung dalam cairan. Guguran gelembung, dihasilkan pada suhu dan tekanan dari sekitar 5,000-25,000 K dan 181,8 MPa. Gugurnya gelembung terjadi kurang dari satu nanodetik dan tingginya tingkat penurunan suhu (1011 K /s). Tiga langkah mekanisme reaksi SONOKIMIA :

· Pengurangan ion oleh atom hidrogen yang dihasilkan oleh radiasi ultrasonik larutan.

· Pengurangan oleh radikal sekunder yang dihasilkan karena menghilangkan hidrogen dari aditif organik oleh radikal OH dan atom H

· Pengurangan oleh radikal pirolisis yang diproduksi oleh termal dekomposisi aditif organik pada interface kavitasi gelembung dan larutan.

Beberapa parameter yang mempengaruhi reaksi SONOKIMIA dan produknya adalah :

· Frekuensi dan kekuatan gelombang ultrasonik

· Waktu paparan terhadap irradiasi

· Suhu larutan

· Jenis larutan

· Jenis gas mulia yang digunakan di lingkungan reaksi.

Pengurangan ion perak di komposit perak zeolit dengan SONOKIMIA, Partikel silver (nano) diproduksi pada permukaan luar kristal zeolit, dengan ukuran sekitar 10 nm dan dalam rongga zeolit dengan ukuran sekitar 1,2 nm (ukuran dari rongga zeolit menggunakan estimasi ukuran partikel perak). Beberapa parameter seperti kandungan perak, jenis media reaksi (alkohol atau air), waktu iradiasi ultrasonik, dan daya ultrasonik, telah dipelajari. Menurut informasi kami, penelitian tentang sonokimia pengurangan ion logam dalam struktur geometri zeolit preparasi nano komposit Palladium-zeolit (Pd-Y) dan tidak ada laporan pada produksi komposit logam perak-zeolit.

BAB II

EKSPERIMENTAL

Zeolit yang digunakan adalah Na+ - Y (Na59.08Al59.08Si132.92O384 xH2O) dengan rasio molar SiO2/Al2O3 = 4,5. Pertukaran ion dilakukan dalam larutan perak nitrat. Untuk sampel ion perak - zeolit mengandung 33% berat perak (Ag+ - Y-33), 2 g Na+ - Y-zeolit dicuci dengan air suling kemudian diaduk selama 6 jam dengan 160 mL AgNO3 (0,05 M) pada 35○C. Untuk menghasilkan ion-ditukar Perak - zeolit, sampel dicampur dengan larutan AgNO3 pada kondisi yang sama. kemudian, Ag+ - Y-33 ,partikel zeolit disaring dan dikeringkan pada 50○ C dalam oven. Percobaan dilakukan tanpa kena cahaya langsung. Sampel lain dengan konsentrasi perak 19 % juga dipreparasi dengan cara yang sama tetapi dengan waktu kontak yang lebih cepat antara sampel dan larutan.

Radiasi ultrasonic dihasilkan pada 20 °C oleh sebuah pembangkit ultrasonik (UP200H,24 kHZ, 80% pulse ratio, 600 W/cm2) dengan sonotroda titanium. Untuk mempelajari pengaruh kandungan perak, pertukaran ion sampel dicampur dengan air yang sudah didistilasi dalam reaksi vessel yang ditempatkan dalam waterbath (300 mg per 100 mL). Udara yang dikeluarkan dari reaksi vessel dihubungkan gas argon dengan larutan selama 15 menit sebelum dimulai radiasi ultrasonik. kemudian larutan setelah radiasi selama 2 jam ketika gas argon dialirkan larutan. Sampel yang digunakan eksperimen lain Ag+-Y-33. Dalam hal ini 1-propanol dan 2-propanol sebagai additive organik., yang pertama 1 mL alkohol ditambahkan dalam larutan selama reaksi, setiap 30 menit. waktu reaksi 2 jam untuk semua larutan pereaksi. Untuk mempelajari pengaruh waktu iradiasi ultrasonik, sampel dari kondisi yang sama diiradiasi selama 2 jam dan 4 jam. Akhirnya, untuk mempelajari kekuatan ultrasonik meningkat dari 130 menjadi 645 W dengan menggunakan dua sonotrode dengan diameter yang berbeda (3 mm untuk 130 W dan 14 mm untuk 645 W) selama 2 jam. serbuk hasil sentrifugal dipisahkan dari larutan dan dikeringkan di 50○C dalam oven.

Difraksi sinar-X (XRD) pola telah dicatat oleh Philips difraksi dengan anoda tembaga dan ukuran langkah 0,04 dan 0,08. Mikroskop elektron scanning (SEM) dan energi dispersif X-ray spektroskopi (EDS) tes dilakukan oleh teknologi Seron (AIS2100) scanning electron mikroskop. Dan mikroskop transmisi elektron (TEM) dilakukan oleh 120 kV mikroskop Philips (CM120).

BAB III

HASIL DAN DISKUSI

Kandungan perak dari pertukaran ion sampel ditentukan oleh EDS. Unsur-unsur natrium tidak terdeteksi oleh EDS pada sampel Ag+-Y-33, menunjukkan ion-exchange lengkap Na-Y (Gambar 1b).

Fig.1 The EDS spectra of ion-exchanged silver-zeolites with different silver content: a. 19 %, b. 33 %

Setelah iradiasi sampel pertukaran ion oleh ultrasonik, itu terlihat dengan perubahan warna dari putih menjadi abu-abu. Warna abu-abu sampel menunjukkan pengurangan ion perak dan pembentukan logam perak kristal pada permukaan eksternal dari kristal zeolit. Sebelum proses reduksi, sampel Ag-Y terjadi sedikit perubahan warna. Ion perak cenderung berkurang dan perubahan warna berhubungan dengan pengurangan ion perak karena sedikit pemanasan selama proses pertukaran ion. Berdasar daya ultrasonik untuk mengurangi ion perak di struktur zeolit dengan penampilan puncak kristal perak dalam pola sampel XRD dan produksi perak nanopartikel pada permukaan luar kristal zeolit yang ditemukan dalam gambar TEM.

Dalam Gambar. 2 puncak baru di sekitar 2θ = 37° muncul dari puncak zeolit primer, mestinya puncak ini untuk kristal perak. dapat disimpulkan bahwa pengurangan ion perak oleh radiasi ultrasonik dan pembentukan partikel perak.

Setelah atom perak berkurang ikatannya didalam rongga zeolit lemah, karena ikatan ionik dirubah menjadi Van der Walls yang lemah, mereka mudah pindah dan mulai tumbuh pada permukaan eksternal. Atom perak berkurang pada rongga dengan ukuran sekitar 1,2 nm dan pada permukaan eksternal dengan ukuran sekitar 10 nm. Walaupun Formula Scherrer menunjukkan bahwa ukuran rata-rata nanopartikel perak bisa 97 nm, terbukti dari gambar TEM ukuran partikel sebesar 10 nm ada pada permukaan luar kristal zeolit. Gambar. 3. Dalam gambar nano partikel perak terlihat di permukaan luar kristal zeolit dengan ukuran kurang dari 10 nm. Bola partikel ini dibedakan dari kristal zeolit dengan warna gelap. Meskipun ukuran partikel sangat kecil tetapi tidak memiliki distribusi yang baik di permukaan. Partikel perak kecil yang ditempatkan dalam rongga zeolit tidak terdeteksi oleh TEM karena kristal zeolit memiliki elektron kepadatan tinggi, elektron yang dihasilkan oleh mikroskop tidak dapat melewati sampel.

Selain efek kimia dari gelombang ultrasonik, efek mekanik gugurnya rongga gelembung hasil dalam produksi denyut gelombang. Gelombang ini bisa mengikis permukaan yang terkena dampak. Dengan demikian, struktur sampel zeolitic akan terpengaruh. Dalam Gambar. 4, gambar sampel SEM pertukaran ion yang mengandung 19% perak (Ag-Y-19) dan pengurangan iradiasi oleh ultra sonik (Ag-Y-19) akan tampak. Setelah iradiasi dengan ultrasound, beberapa partikel zeolit yang rusak menjadi beberapa bagian. Ini adalah efek mekanis gelembung kavitasi runtuh. Selain eksternal zeolit ini perubahan struktural, internal kecil di kisi zeolit terdeteksi oleh pola XRD.

Uji XRD adalah salah satu metode untuk menganalisis zeolit dan pengurangan partikel logamnya. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar sebelumnya. 2, beberapa XRD intensitas puncak pertukaran ion atau berkurang sampel menurun relatif terhadap Na+-Y-zeolit primer. Hal ini karena perubahan distribusi muatan dan elektrostatik bidang yang terjadi ketika ion natrium diganti oleh ion perak. Pada zeolit primer, beberapa puncak tidak tampak dalam pola XRD dari pertukaran ion. terdapat puncak dalam pola Na+-Y di 2θ = 12° hal itu tidak ditampilkan pada sampel lainnya. Penggantian Na+ dengan kation yang lebih besar membuat perubahan di permukaan (yang radius ion Na+ adalah 0,98 Å dan bahwa Ag+ adalah 1,13 Å). Densitas muatan tinggi dari kisi zeolitic, kation perak menyebabkan perubahan dalam struktur zeolit. Hampir seluruh puncak tidak berubah, maka struktur internal utama sampel zeolit adalah tetap.

Dalam Gambar. 5, pola XRD sampel dikurangi dengan kadar perak yang berbeda .Ini tampak intensitas puncak perak dalam bentuk pengurangan yaitu Ag+-Y-33 ( Ag-Y-33) lebih dari Ag-Y-19, hal ini akibat dari perubahan jumlah dan ukuran kristal perak di permukaan luar kerangka zeolit. Hasil sampel perak-zeolit dalam pembentukan partikel lebih kecil dan intensitas kristal zeolit sedikit berkurang. Penyebabnya adalah kerusakan struktur zeolit meningkat dengan pengurangan ion perak yang meningkat dan perpindahannya ke permukaan. Meningkatnya jumlah pertukaran ion yang lebih tinggi kadar perak dapat juga menyebabkan kerusakan pada struktur zeolit.

Puncak intensitas XRD sampel berkurang, Ag+-Y-33, di air (tanpa aditif) lebih dari intensitas puncak sampel yang berkurang dilarutan organik aditif (Gbr. 6); indikasi lebih baik dalam mengurangi ion perak dan pertumbuhan yang lebih baik dari atom perak dalam larutan air. Efek yang berbeda dari larutan reaksi bisa karena ukuran lebih besar dari radikal yang diproduksi di 1-propanol dan 2-propanol. Ion-ion perak terbatas di rongga zeolit dan radikal memiliki keterbatasan ukuran untuk mengakses ion perak. Semakin kecil ukuran mengurangi radikal, jumlah dari ion perak lebih berkurang.

Mekanisme pengurangan ion perak, dalam zeolit kisi oleh iradiasi ultrasonik dalam larutan dan zat aditif beralkohol (1-propanol dan 2-propanol) adalah sebagai berikut :

Persamaan 1-3 menunjukkan reaksi pembentukan radikal oleh SONOKIMIA. Radikal • CH3 atau RO • mungkin dibentuk. Dalam Persamaan. 4, kation Ag+ dikurangi oleh radikal yang dihasilkan. Akhirnya, pembentukan kristal perak oleh aglomerasi ditampilkan pada persamaan. Ada beberapa hal mengapa ion perak tidak berkurang selama proses reduksi. Untuk menentukan hasil atom perak atau persen pengurangan perak itu dilakukan beberapa tes tambahan seperti IR.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa tidak ada perubahan besar dalam ukuran kristal perak terbentuk meningkat dari 2 sampai 4 jam karena puncak intensitas Ag-Y-33 sampel tidak diubah (Gbr. 7). Salah satu alasan pengaruh guguran rongga gelembung. Gelombang kejut yang diproduksi sebagai hasil dari runtuhnya gelembung mungkin kurang memukul cluster perak dan mencegah pertumbuhan mereka. Jadi, tergantung pada kekuatan gelombang ultrasonik, pertumbuhan partikel adalah terbatas. Selain itu, pola XRD sampel yang diiradiasi selama 4 jam memiliki puncak kurang intens dan makin lama waktu kontak dari gelombang ultrasonik dengan sampel bisa menyebabkan banyak kerusakan dalam struktur zeolit.

Energi yang dihasilkan oleh generator ultrasound meningkat 130-645 W dengan mengubah sonotrode yang diameter dari 3 hingga 14 mm. Peningkatan ultrasonik daya hasil dalam turbulensi yang lebih tinggi reaksi campuran. Ag-Y-33 sampel yang diiradiasi oleh 14 mm sonotrode memiliki warna abu-abu gelap. Indikasi penurunan ion perak lebih dalam pada struktur zeolit. Peningkatan daya ultrasonik dapat mengakibatkan peningkatan produksi radikal aktif dan ion perak lebih banyak berkurang. Perbandingan pola XRD dari dua sampel dalam Gambar. 8 menunjukkan bahwa tidak ada peningkatan puncak perak kristal. Hal ini menunjukkan bahwa meskipun jumlah pengurangan perak meningkat, ukuran kristal perak tetap.

BAB IV

KESIMPULAN

Ion Silver berhasil dikurangi oleh iradiasi ultrasonik dalam struktur zeolit. Pembentukan nanopartikel terdeteksi oleh perubahan sampel warna dari putih menjadi abu-abu, munculnya puncak kristal perak dalam pola XRD dan TEM gambar. Nanopartikel perak didistribusikan baik dalam rongga zeolit (dengan ukuran maksimum 1.2 nm) pada permukaan eksternal struktur zeolit (dengan ukuran kurang dari 10 nm, menurut gambar TEM dari berkurang Ag-Y-33 dengan daya 645 W ultrasonik). Selain efek kimia ultrasonik, mengakibatkan kerusakan struktur zeolit. Efek ini terdeteksi oleh pola XRD dan SEM. Menurut gambar TEM, tidak ada perak baik nanopartikel terdistribusi pada permukaan luar Kristal zeolit. Pengaruh kadar perak, jenis reaksi solusi, waktu iradiasi, dan daya ultrasonik pada proses reduksi hasilnya diringkas sebagai berikut:

(1) Pengurangan kandungan perak dalam hasil struktur zeolit di pembentukan nanopartikel perak kecil di permukaan eksternal kristal zeolit. Juga merusak struktur zeolit jika memiliki kandungan perak berlebih.

(2) larutan tanpa aditif adalah lebih bagus untuk membuat pengurangan jumlah ion perak dan untuk menghasilkan partikel yang lebih besar pada permukaan eksternal struktur zeolit.

(3) Waktu iradiasi bukan merupakan parameter yang efektif untuk membuat partikel perak berukuran lebih besar pada permukaan kristal zeolit. Ini dapat meningkatkan sedikit yang Jumlah pengurangan dan dapat mengakibatkan lebih kerusakan struktur zeolit.

(4) Efek kekuatan iradiasi ultrasonik yang signifikan pada jumlah pengurangan ion perak. Oleh peningkatan daya ultrasonik, jumlah pengurangan ion perak meningkat tetapi hanya ada sedikit penurunan kristalitas kristal perak.

Soal dan jawaban

1. Jelaskan hasil analisis XRD” Sonochemical synthesis of silver nanoparticles in Y-zeolite substrate” yang terjadi pada Ag+-Y-19 dan Ag+-Y-33, seperti ditunjukkan gambar berikut:

Fig. 5 : XRD patterns of sonochemically reduced (130 W, 2 h and

aqueous reaction solution) samples with different silver contents:(1) 19% and (2) 33%

Jawaban :

Pada reduksi perak zeolit menggunakan sonokimia dengan kekuatan 130 Watt selama 2 jam dalam pelarut air dengan kadar perak 19 % dan 33 %, maka akan terjadi perubahan jumlah dan ukuran kristal perak di permukaan luar Zeolit sehingga pembentukan partikel lebih kecil dan intensitas berkurang. Hal ini disebabkan karena kerusakan struktur zeolit meningkat sehingga pengurangan ion perak meningkat dan yang berpindah ke permukaan juga berkurang. Hal ini tampak pada gambar 1 ( Ag = 19 % ) memiliki puncak lebih kecil dari pada gambar 2 ( Ag = 33 % ).

2. Gambar 1 a adalah hasil spectra EDS pada “ Sonochemical synthesis of silver nanoparticles in Y-zeolite substrate”

Fig. 1 ; The EDS spectra of ion-exchanged silver–zeolites with different silver content: a 19%, b 33%

a. Apa arti puncak yang terdapat pada gambar 1a ?

b. Jelaskan arti puncak pada gambar 1 b !

Jawaban :

a. Arti puncak pada gambar 1 a menunjukkan bahwa pertukaran ion perak zeolit yang mengandung 19 % perak belum terjadi pertukaran yang sempurna. Ini terlihat pada spectra EDS masih terdapat puncak yang disebabkan adanya unsure logam natrium.

b. Pada gambar 1 b menunjukkan bahwa pertukaran ion perak zeolit dengan kadar 33 % sudah terjadi pertukaran yang sempurna. Tampak pada spectra EDS puncak Ag cukup tinggi dibanding pada gambar 1a dan puncak yang ditimbulkan adanya unsure logam Na sudah tidak tampak lagi. Hal ini menunjukkan dengan kadar perak 33 % telah terjadi pertukaran ion dengan yang sempurna.

3. Jelaskan hasil analisis data XRD “ Sonochemical synthesis of silver nanoparticles in Y-zeolite substrate” yang ditunjukkan oleh gambar 6

Fig. 6 XRD patterns of sonochemically reduced (130 W, 2 h) Ag–Y-33

in aqueous solutions containing: (1) no additives, (2) 1-propanol, and(3) 2-propanol

Jawaban :

Pada gambar( a ) Ag+-Y-33 dalam pelarut air tampak bahwa puncak terlihat tinggi, tetapi pada gambar (b) yang menggunakan tambahan zat aditif 1-propanol atau 2-propanol tampak puncak menjadi lebih kecil. Hal ini disebabkan pelarut air memberikan pertumbuhan kristal yang lebih baik. Sedangkan dengan penambahan 1-propanol atau 2-propanol (zat aditif) ion-ion perak terbatas di rongga zeolit dan radikal ini memiliki keterbatasan untuk mengakses perak, sehingga pertumbuhan atom perak tidak sempurna (lebih kecil). Hal inilah yang menyebabkan puncak pada penambahan 1-propanol atau 2-propanol yang terjadi lebih kecil dibanding zeolit dalam pelarut air.

---------------------------------------------------------------------------