SINTESIS ZnO DENGAN TAMBAHAN SURFAKTAN KATIONIK DAN ANIONIK MENGGUNAKAN METODE HIDROTERMAL
RYNA MARDIYANA SIAHAAN
DEPARTEMEN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2013
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi yang berjudul Sintesis ZnO dengan Tambahan Surfaktan Kationik dan Anionik Menggunakan Metode Hidrotermal adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor. Bogor, Februari 2013 Ryna Mardiyana Siahaan NIM G44080072
ABSTRAK RYNA MARDIYANA SIAHAAN. Sintesis ZnO dengan Tambahan Surfaktan Kationik dan Anionik Menggunakan Metode Hidrotermal. Dibimbing oleh IRMA HERAWATI SUPARTO dan AGUS SAPUTRA. ZnO merupakan bahan semikonduktor yang banyak digunakan dalam berbagai aplikasi, contohnya dalam sel solar. Penelitian ini bertujuan menyintesis ZnO menggunakan bahan ZnSO4 dan KOH dengan metode hidrotermal serta mengevaluasi pengaruh surfaktan pada proses sintesis ini. Tahap pertama ialah sintesis ZnO dengan ragam konsentrasi ZnSO4:KOH (1:2, 1:3, 1:4, dan 1:5). Hasil terbaik dipilih berdasarkan analisis difraksi sinar-X. Sintesis ZnO hasil nisbah terbaik dilakukan kembali dengan tambahan surfaktan kationik setiltrimetilamonium bromida (CTAB) dan surfaktan anionik natrium dodesil sulfat (SDS). Berdasarkan analisis tahap pertama, diperoleh nisbah terbaik adalah 1:2 dengan kristalinitas 86.29%. Nisbah ini dipilih karena menghasilkan kristalinitas yang tinggi juga jumlah pengotor paling sedikit. Hasil sintesis dengan tambahan CTAB dan SDS memberikan nilai kristalinitas lebih tinggi, secara berurutan 88.76% dan 89.13%. Perhitungan dengan persamaan Scherrer menunjukkan tambahan CTAB menghasilkan ukuran kristal sintesis paling kecil. Berdasarkan data tersebut didapatkan bahwa surfaktan mempengaruhi ciri ZnO dengan meningkatkan kristalinitas dan memperkecil ukuran kristal. Kata kunci: CTAB, hidrotermal, SDS, ZnO
ABSTRACT RYNA MARDIYANA SIAHAAN. Synthesis of ZnO with Cationic and Anionic Surfactant Addition by Hydrothermal Method. Supervised by IRMA HERAWATI SUPARTO and AGUS SAPUTRA. ZnO is a semiconductor material that has been widely used in various applications, such as solar cell. This study aimed to synthesis ZnO with ZnSO4 and KOH using hydrothermal method and evaluate the effect of surfactants on the synthesis process. First, ZnO was synthesized with various concentrations of ZnSO4:KOH (1:2, 1:3, 1:4 and 1:5). The best result was chosen by X-ray diffraction analysis. Synthesis of ZnO with the best ratio was carried out again with the addition of cationic surfactant, cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), and anionic surfactant, sodium dodecyl sulphate (SDS). Based on the diffractograms, the best ratio was 1:2 with 86.29% crystallinity. This ratio was chosen due to the high crystallinity and the least impurities. Synthesis with the addition of CTAB and SDS gave higher crystallinity, 88.76% and 89.13%, respectively. Based on calculation using Scherrer’s equation, it showed that the addition of CTAB resulted the smallest crystal size. Based on those data, it can be concluded that surfactants have improved the characteristics ZnO by increasing the crystalinity and reducing the crystal size. Keywords: CTAB, hydrothermal, SDS, ZnO
SINTESIS ZnO DENGAN TAMBAHAN SURFAKTAN KATIONIK DAN ANIONIK MENGGUNAKAN METODE HIDROTERMAL
RYNA MARDIYANA SIAHAAN
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2013
Judul Skripsi : Sintesis ZnO dengan Tambahan Surfaktan Kationik dan Anionik Menggunakan Metode Hidrotermal Nama : Ryna Mardiyana Siahaan NIM : G44080072
Disetujui oleh
Dr dr Irma Herawati Supatro, MS Pembimbing I
Agus Saputra, SSi, MSi Pembimbing II
Diketahui oleh
Prof Dr Ir Tun Tedja Irawadi, MS Ketua Departemen
Tanggal Lulus :
PRAKATA Segala puji penulis naikkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas segala berkat kasih-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah ini dengan judul Sintesis ZnO dengan Tambahan Surfaktan Kationik dan Anionik Menggunakan Metode Hidrotermal. Penulis menyadari bahwa keberhasilan penulisan karya ilmiah ini tidak lepas dari bantuan berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada Ibu Dr dr Irma Herawati Suparto, MS dan Bapak Agus Saputra, SSi, MSi selaku pembimbing yang senantiasa memberikan arahan, dorongan, masukkan, serta doa selama penelitian. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Bapak Syawal, Bapak Mulyadi, Bapak Sunarsa, Teh Nurul, Om Eman, serta Bapak Didik. Terima kasih tak terhingga penulis ungkapkan kepada Ibu, Bapak dan kedua adikku, Erika dan Dea, serta seluruh keluarga atas dukungan dan kasih sayangnya. Ucapan terima kasih kepada Nenah, Ade Irawan, Linda, Fiqoh, Ires, Anna, Bani, Ami, Amin, Taufik, dan teman-teman kimia 45 serta rekan-rekan KPS atas semangat, motivasi, dan dorongannya dalam menyusun karya ilmiah ini. Semoga tulisan ini dapat bermanfaat bagi penulis maupun bagi pembaca.
Bogor, Februari 2013 Ryna Mardiyana Siahaan
DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vi
PENDAHULUAN
1
Tujuan Penelitian METODE
2 2
Bahan dan Alat
2
Prosedur Penelitian
2
HASIL DAN PEMBAHASAN
3
Hasil
3
Pembahasan
6
SIMPULAN DAN SARAN
8
Simpulan
8
Saran
8
DAFTAR PUSTAKA
9
LAMPIRAN
12
RIWAYAT HIDUP
21
DAFTAR GAMBAR 1 Pola difraksi sinar-X kristal ZnO hasil sintesis dengan nisbah ZnSO4:KOH (1:2)
4
2 Pola difraksi sinar-X kristal ZnO hasil sintesis dengan nisbah ZnSO4:KOH (1:3, 1:4, dan 1:5)
4
3 Pola difraksi sinar-X kristal ZnO hasil sintesis dengan nisbah ZnSO4:KOH (1:2) dengan tambahan surfaktan
5
DAFTAR LAMPIRAN 1 Diagram alir penelitian
12
2 Sintesis ZnO dengan surfaktan CTAB dan SDS
13
3 Data JCPDS untuk ZnO, Zn(OH)2, dan K2SO4
14
4 Data puncak hasil difraksi sinar-X
16
5 Analisis ukuran kristal ZnO hasil sintesis dengan persamaan Scherrer
19
6 Contoh perhitungan ukuran kristal ZnO
20
PENDAHULUAN Seng oksida (ZnO) merupakan mineral yang terdapat pada kerak bumi. Senyawa ini bersifat tidak larut dalam air pada suhu 20 °C, mempunyai densitas 5,61 g/cm3, dan titik leleh 1975 °C (Merck 2012). Senyawa ini termasuk kelompok semikonduktor yang memiliki celah lebar pita 3,37 eV (pada 300 K) karakterisasi ini sesuai untuk aplikasi optoelektronik panjang gelombang pendek dan mengikat energi eksiton (60 meV) pada suhu ruang (Yang 2008; Choi et al. 2012). ZnO yang digunakan secara komersial pada umumnya diproduksi secara sintesis. Aplikasi penggunaan ZnO diantaranya sebagai peralatan elektronik, alat akustik permukaan gelombang, sensor gas, dan sel solar (Ni et al. 2005, Sridevi dan Rajendran 2009) Serbuk ZnO dapat disintesis dengan metode reaksi padatan dan metode larutan-cair. Reaksi padatan dilakukan pada suhu tinggi dan memiliki keuntungan antara lain ZnO yang dihasilkan memiliki kemurnian dan kristalinitas yang baik. Akan tetapi, ZnO yang disintesis dengan metode reaksi pada kondisi padat menghasilkan partikel dengan ukuran besar dan morfologi tidak teratur. Oleh karena itu, metode hidrotermal dipilih untuk mengatasi masalah tersebut. Beberapa keuntungan metode hidrotermal antara lain peralatan yang mudah, biaya rendah, menghasilkan luas permukaan yang seragam, ramah lingkungan, dan tidak terlalu berbahaya (Aneesh et al. 2007; Wang et al. 2011). Beberapa penelitian sebelumnya telah berhasil menyintesis ZnO menggunakan metode hidrotermal dengan berbagai sumber seng, di antaranya seng sulfat (ZnSO4), seng klorida (ZnCl), seng asetat [Zn(CH3COO)2], dan seng nitrat [Zn(NO3)2]. Aneesh et al. (2007) melakukan sintesis ZnO dengan mencampurkan Zn(CH3COO)2·2H2O dan NaOH nisbah 1:2, 1:3, 1:4, dan 1:5 menggunakan metanol sebagai pelarutnya. Proses sintesis menggunakan hidrotermal dengan ragam suhu 100–200 °C berlangsung selama 6 dan 12 jam. Hasil sintesis yang diperoleh ZnO berbentuk kisi wurtzit heksagonal dan ukuran partikel meningkat seiring dengan naiknya suhu dan menurunnya konsentrasi reaktan yang diberikan. Ni et al. (2005) berhasil menyintesis ZnO dengan mereaksikan ZnCl2 dan KOH dengan adanya tambahan surfaktan setiltrimetilamonium bromida (CTAB) menggunakan metode hidrotermal pada suhu 120 °C selama 5 jam. Hasilnya diperoleh kristal berbentuk seperti batangan dengan ukuran rata-rata 50 nm × 250 nm. Wen-tao et al. (2010) juga berhasil menyintesis ZnO dengan mereaksikan ZnSO4 dan Na2CO3 menggunakan metode hidrotermal pada suhu 160 °C selama 6 jam dengan berbagai nilai pH, di antaranya pH 6.5, 9.5, 10, dan 10.5. Hasil sintesis terbaik diperoleh dengan nilai pH 10.5 yang kemudian ditambahkan asam etilenadiaminatetraasetat (EDTA). Sampel hasil sintesis yang dihasilkan berukuran 50–60 μm dengan diameter 1–2 μm. Oleh karena itu, pada penelitian ini sintesis ZnO dilakukan dengan mereaksikan ZnSO4 dan KOH menggunakan metode hidrotermal pada suhu 120–160 °C dengan laju kenaikan 10 °C/jam dan setelah 160 °C pemanasan dilanjutkan selama 6 jam. Morfologi kristal ZnO dapat dikontrol dengan adanya tambahan surfaktan (Wang et al. 2011). Surfaktan juga digunakan dalam penelitian ini
dengan tujuan untuk mempelajari pengaruhnya terhadap sintesis ZnO. Jenis surfaktan yang digunakan ada 2, yaitu surfaktan kationik dan anionik. Surfaktan kationik adalah surfaktan yang bagian alkilnya terikat pada suatu kation, contohnya adalah CTAB. Surfaktan anionik adalah surfaktan yang bagian alkilnya terikat pada suatu anion, contohnya adalah natrium dodesil sulfat (SDS). Menurut Sun et al. (2002), surfaktan dapat mengontrol morfologi sehingga menghasilkan nilai kristalinitas yang tinggi. Kristal hasil sintesis dianalisis menggunakan difraksi sinar-X (XRD). Metode XRD berdasarkan sifar difraksi sinar-X, yakni hamburan cahaya dengan panjang gelombang λ saat melewati kisi kristal dengan sudut datang θ dan jarak antar bidang kristal sebesar d. Data yang diperoleh dari metode karakterisasi XRD adalah sudut hamburan (sudut Bragg) dan intensitas. Metode ini dapat digunakan untuk menentukan sistem kristal, parameter kisi, derajat kristalinitas, fase yang terdapat dalam suatu sampel, dan menentukan ukuran kristal (Cullity dan Stock 2001).
Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah menyintesis ZnO menggunakan metode hidrotermal dengan adanya tambahan surfaktan kationik dan anionik. Ragam konsentrasi basa dan jenis surfaktan dilakukan dalam penelitian ini untuk mengetahui pengaruhnya dalam sintesis.
METODE Metode penelitian mengikuti diagram alir pada Lampiran 1 dan 2 yang meliputi sintesis ZnO dengan metode hidrotermal, sintesis ZnO dengan menggunakan surfaktan kationik dan anionik dengan metode hidrotermal, dan karakterisasi ZnO dengan analisis XRD.
Bahan dan Alat Bahan-bahan yang digunakan, yaitu serbuk ZnSO4·7H2O p a, KOH padatan p a, NH4Cl 5 M, HNO3 pekat, CTAB, SDS, etanol 85% (teknis), air deionisasi, dan akuades. Alat-alat yang digunakan, yaitu peralatan gelas, radas hidrotermal, pengaduk magnet, oven, pH meter, dan XRD Shimadzu XRD-7000.
Prosedur Penelitian Sintesis ZnO dengan metode hidrotermal (modifikasi Ni et al. 2005 dan Wentao et al. 2010) Penelitian ini menggunakan bahan dasar, yaitu ZnSO4·7H2O. Bahan tersebut dikeringkan hingga bobotnya tetap dan direaksikan dengan KOH.
ZnSO4 yang digunakan adalah 0.01 mol, sedangkan ragam KOH yang digunakan adalah 0.02, 0.03, 0.04, dan 0.05 mol. Masing-masing campuran diaduk hingga homogen. Larutan campuran kemudian ditambahkan NH4Cl 5 M hingga mencapai pH 10.5 dan dimasukkan ke dalam alat hidrotermal dengan pemanasan 120–160 °C, laju kenaikan suhu 10 °C/jam dan saat 160 °C pemanasan dilakukan selama 6 jam. Sintesis ZnO menggunakan surfaktan kationik dan anionik Kristal terbaik yang diperoleh hasil nisbah sebelumnya dikerjakan kembali dengan diberi tambahan surfaktan (CTAB dan SDS). Padatan ZnSO4 dan KOH masing-masing dilarutkan dalam air deionisasi lalu dicampur hingga homogen. Larutan tersebut kemudian ditambahkan 0.0005 mol surfaktan dan NH4Cl 5 M hingga mencapai nilai pH 10.5. Setelah itu campuran dimasukkan ke dalam alat hidrotermal lalu dipanaskan pada suhu 120–160 °C dengan laju kenaikan suhu 10 °C/jam dan saat 160 °C pemanasan dilakukan selama 6 jam. Karakterisasi menggunakan XRD Serbuk kristal hasil hidrotermal pada kedua tahap dianalisis lebih lanjut dengan XRD Shimadzu XRD-7000. Sampel dicirikan dengan lampu radiasi Cu pada kisaran 2θ 10-80°. Hasil yang diperoleh dibandingkan dengan data XRD Joint Commitee of Power Diffraction Standard (JCPDS). Data JCPDS dapat di lihat pada Lampiran 3. Ukuran rerata kristal hasil sintesis dapat dihitung menggunakan persamaan Scherrer dengan rumus sebagai berikut:
dimana λ adalah panjang gelombang yang digunakan, β adalah nilai Full Width at Half Maximum (FWHM) dalam satuan radian, dan θ adalah sudut difraksi (Cullity dan Stock 2001).
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Sintesis ZnO menggunakan bahan baku ZnSO4 dan KOH dengan metode hidrotermal tanpa dan dengan tambahan surfaktan seluruhnya menghasilkan serbuk berwarna putih, dengan permukaan halus, dan tidak larut dalam air tetapi larut dalam asam kuat (HNO3 pekat). Ciri kristal hasil sintesis dengan metode hidrotermal pada berbagai ragam KOH dan surfaktan secara umum memiliki kesamaan dalam hal sifat fisiknya. Sintesis ZnO dengan berbagai nisbah ZnSO4:KOH Pola difraktogram kristal ZnO hasil sintesis dengan nisbah ZnSO4:KOH (1:2) dapat di lihat pada Gambar 1.
Intensitas (I)
4
Sudut 2θ
Gambar 1 Pola difraksi sinar-X kristal ZnO hasil sintesis dengan nisbah ZnSO4:KOH (1:2)
Intensitas (I)
Kristal ZnO berdasarkan pola difraksi sinar-X dengan nilai sudut 2θ teramati pada 31°, 34°, 36°, 56°, dan 62° (Lampiran 4a). Derajat kristalinitas yang diperoleh sebesar 86.29%. Pola difraktogram kristal ZnO hasil sintesis dengan nisbah ZnSO4:KOH (1:3, 1:4, dan 1:5) dapat di lihat pada Gambar 2.
Intensitas (I)
(a)
Intensitas (I)
(b)
Sudut 2θ
(c) Gambar 2 Pola difraksi sinar-X kristal ZnO hasil sintesis dengan nisbah ZnSO4:KOH (a) 1:3, (b) 1:4, dan (c) 1:5
5
Kristal ZnO berdasarkan pola difraksi sinar-X pada ketiga hasil sintesis tersebut teramati pada nilai sudut 2θ 31° (Lampiran 4 b, c , dan d). Puncak-puncak pengotor seperti Zn(OH)2 dan K2SO4 juga banyak terdapat pada hasil sintesis tersebut. Derajat kristalinitas yang diperoleh dengan nisbah ZnSO4:KOH (1:3, 1:4, dan 1:5) masing-masing adalah 56.36%, 54.06%, dan 44.00%.
Intensitas (I)
Intensitas (I)
Sintesis ZnO (ZnSO4:KOH = 1:2) dengan tambahan surfaktan Pola difraktogram kristal ZnO (1:2) hasil sintesis dengan tambahan surfaktan dapat di lihat pada Gambar 3.
Sudut 2θ
Gambar 3 Pola difraksi sinar-X kristal ZnO hasil sintesis nisbah ZnSO4:KOH (1:2) dengan tambahan CTAB (atas) dan SDS (bawah) Kristal ZnO berdasarkan pola difraksi sinar-X dengan nilai sudut 2θ teramati pada 31°, 34°, 36°, 56°, dan 62° (Lampiran 4 e dan f). Derajat kristalinitas yang diperoleh dengan tambahan CTAB dan SDS masing-masing sebesar 88.76% dan 89.13%. Ukuran kristal berdasarkan data XRD Berdasarkan data analisis XRD dapat dihitung ukuran kristal ZnO hasil sintesis menggunakan persamaan Scherrer (Cullity dan Stock 2001). Berikut adalah hasil perhitungan ukuran kristal ZnO menggunakan persamaan Scherrer. Tabel 1 Hasil analisis terhadap ukuran kristal berdasarkan persamaan Scherrer Perlakuan Rerata (nm) Kisaran ukuran (nm) ZnSO4 : KOH (1:2) 34.4348 29.5474–38.2330 ZnSO4 : KOH (1:2) + CTAB 28.1203 25.2726–33.0277 ZnSO4 : KOH (1:2) + SDS 32.6540 31.1622–33.9544
6
Pembahasan Sintesis ZnO pada penelitian ini dilakukan dengan metode hidrotermal menggunakan ZnSO4 dan KOH. Proses hidrotermal dilakukan dalam suatu sistem tertutup, yaitu dalam radas hidrotermal yang terbuat dari baja tahan karat untuk menahan tekanan yang tinggi. Tempat terjadinya reaksi menggunakan suatu wadah yang terbuat dari teflon yang bersifat inert. Sintesis ZnO dengan metode hidrotermal Sintesis dengan nisbah 1:2 menghasilkan endapan putih ketika dilakukan pencampuran ZnSO4 dan KOH. Endapan ini diperoleh paling banyak daripada nisbah 1:3, 1:4, dan 1:5. Endapan tersebut diduga adalah Zn(OH)2. Endapan ini sama dengan yang diperoleh Xu et al. (2004) ketika mencampurkan antara Zn(CH3COO)2 dan KOH. Campuran ini diperoleh sangat kental dengan nilai pH mencapai 13 karena pengaruh kuatnya basa dari KOH. Campuran kemudian ditambahkan larutan NH4Cl 5M hingga mencapai nilai pH 10.5 yang selanjutnya dilakukan proses hidrotermal. Berdasarkan difraktogram (Gambar 1), diketahui bahwa ZnO telah berhasil terbentuk dengan nilai kristalinitas 86.29%, akan tetapi masih terdapat pengotor berupa Zn(OH)2 dan K2SO4. Zn(OH)2 tersebut diduga belum sepenuhnya berhasil diubah menjadi ZnO, sedangkan K2SO4 disebabkan proses pencucian yang belum sempurna sehingga masih terdapat hingga proses pengeringan sampel. Nisbah 1:3 menghasilan endapan putih yang semakin berkurang dan saat nisbah 1:4 dan 1:5 endapan tersebut tidak terlihat lagi. Hal ini diduga bahwa endapan putih (Zn(OH)2) telah berubah menjadi Zn(OH)42- terlarut kembali dalam larutan tidak berwarna. Ketiga nisbah tersebut juga menghasilkan pH larutan antara 13–14 sehingga diperlukan tambahan NH4Cl 5M yang semakin banyak. Berdasarkan hasil difraktogram pada ketiga nisbah tersebut terlihat bahwa nilai kristalinitas yang diperoleh semakin rendah. Ini menunjukkan bahwa hasil sintesis yang berbentuk amorf semakin banyak dibandingkan yang berbentuk kristal. Difraktogram juga menunjukkan bahwa kristal ZnO telah berhasil terbentuk walaupun masih terdapat pengotor di dalamnya. Hal ini terlihat bahwa dikisaran nilai 31° telah muncul puncak ZnO. Pengotor berupa Zn(OH)2 dan K2SO4 juga masih terdapat di dalamnya dengan faktor yang sama seperti pada nisbah 1:2. Sintesis dibedakan atas 4 perlakuan berdasarkan ragam KOH yang diberikan. KOH dipilih dalam sintesis ini karena termasuk dalam basa kuat, sehingga lebih mudah untuk melepaskan ion OH–. Hasil pelarutan antara ZnSO4 dan KOH terlihat bahwa ketika konsentrasi basa yang diberikan semakin tinggi, maka endapan putih yang dihasilkan semakin berkurang. Endapan putih tersebut adalah Zn(OH)2 (Chen et al. 1999). Sumber ion Zn pada campuran ini berasal dari endapan Zn(OH)2. Endapan Zn(OH)2 pada kondisi hidrotermal akan terlarut kembali membentuk ion [Zn2+] dan [OH¯]. Saat ion [Zn2+] dan [OH¯] melebihi nilai kritis yang dibutuhkan untuk membentuk kristal ZnO, maka kristal ZnO akan mengendap dalam larutan. Kelarutan ZnO yang lebih rendah daripada Zn(OH)2 dalam kondisi hidrotermal menyebabkan endapan Zn(OH)2 berubah menjadi kristal ZnO selama proses hidrotermal berlangsung (Aneesh et al. 2007; Polsongkram et al. 2008; Wang et al. 2011). Berikut adalah reaksi yang terjadi pada penelitian ini:
7
ZnSO4 + 2KOH → Zn(OH)2↓ (putih) + K2SO4 Zn(OH)2 → Zn2+ + 2OH¯ 2+ Zn + 2OH¯ → ZnO + H2O (proses hidrotermal) Berdasarkan nisbah 1:2, 1:3, 1:4 dan 1:5 didapatkan bahwa hasil sintesis terbaik diperoleh dengan nisbah 1:2. Nisbah ini dipilih selain nilai kristalinitas yang dihasilkan paling tinggi juga dominannya produk ZnO yang diperoleh daripada nisbah lainnya. Hasil sintesis dengan nisbah 1:3, 1:4, dan 1:5 menunjukkan fase yang dominan Zn(OH)2 dan K2SO4 walaupun sudah terdapat puncak ZnO. Kondisi ini menunjukkan bahwa ZnO sebenarnya terbentuk namun karena suhu yang digunakan kurang tinggi, dan waktu pemanasan yang kurang lama sehingga proses pembentukan ZnO terjadi belum sempurna. Waktu pemanasan yang singkat juga dapat menyebabkan kristal ZnO belum terbentuk secara sempurna (Nagaraju et al. 2010; Liu et al. 2011). Peran surfaktan CTAB dan SDS Sintesis ZnO dengan tambahan surfaktan CTAB diperoleh larutan yang memiliki nilai pH sekitar 13. Ini menunjukkan kuatnya pengaruh basa dalam campuran tersebut sehingga perlu ditambahkan NH4Cl 5M agar nilai pH-nya 10.5. Hasil XRD menunjukkan nilai kristalinitas yang diperoleh adalah 88.76%. CTAB merupakan surfaktan kationik yang terionisasi sempurna di dalam air menjadi [CTA+] dan [Br-] yang dapat mempengaruhi kristal ZnO dengan gaya elektrostatik (Wang et al. 2011). Keberadaan surfaktan dapat menurunkan tegangan permukaan dari larutan campuran sehingga dibutuhkan energi yang lebih rendah untuk pembentukan fasa baru dan kristal ZnO, oleh karena itu dapat terbentuk keadaan lewat jenuh. Di sisi lain, CTAB juga dapat mempengaruhi proses pengikisan Zn dan pertumbuhan ZnO dengan efek elekstrostatik dan stereokimia. Kation (CTA+) bermuatan positif dengan struktur tetrahedron yang mempunyai ekor hidrofobik yang panjang, sedangkan Zn(OH)42- yang juga mempunyai struktur geometri tetrahedron tetapi bermuatan negatif. Oleh karena itu, pasangan ion antara CTA+ dan Zn(OH)42dapat terbentuk dengan interaksi elektrostatik. Hubungan saling menguntungkan antara CTA+ dan Zn(OH)42- memberikan surfaktan kemampuan bertindak sebagai pembawa ionik. Zn(OH)42- yang bermuatan negatif dan CTA+ yang bermuatan positif terjerap pada permukaan membentuk sebuah lapisan. Saat molekul surfaktan keluar, ion Zn akan ikut terbawa dalam bentuk pasangan ion. Hal ini menyebabkan lapisan penghalang lebih tipis sehingga proses erosi semakin mudah. Pada proses kristalisasi, molekul surfaktan bertindak sebagai pengontrol pertumbuhan, seperti sebagai penghambat penggumpalan, dengan membentuk lapisan pelindung dari kristal ZnO yang baru (Sun et al. 2002; Geetha dan Thilagavathi 2010; Thilagavathi dan Geetha 2012; Moulahi et al. 2012). Sintesis dengan pencampuran ZnSO4, KOH dan SDS juga menghasilkan larutan yang memiliki nilai pH sekitar 13, sehingga ditambahkan NH4Cl 5M agar mencapai pH 10.5. Muatan negatif dari ion SDS membentuk bulatan misel yang akan membungkus inti ZnO. Misel ini membatasi masuknya ion Zn2+ kepada inti ZnO yang menyebabkan dari rusaknya kisi pada permukaan. Rusaknya kisi ini menyebabkan pembentukan inti baru batangan ZnO ke berbagai arah. (Usui 2009). Hal ini menyebabkan dominannya ZnO yang diperoleh pada hasil sintesis.
Hasil sintesis kemudian dianalisis menggunakan XRD yang pola difraksinya dapat dilihat pada Gambar 6 dan nilai kristalinitas yang diperoleh adalah 89,13%. Berdasarkan data kristalinitas, didapatkan bahwa kedua surfaktan memberikan pengaruh positif terhadap sintesis ZnO. Berdasarkan difraktogram dapat terlihat walaupun saat ditambahkan CTAB diperoleh nilai kristalinitas yang cukup tinggi, walaupun pengotor Zn(OH)2 pada hasil sintesis juga tinggi. Hal yang berbeda terjadi pada SDS, puncak pengotor tersebut lebih rendah dibandingkan CTAB. Oleh karena itu, dapat dikatakan bahwa SDS lebih baik ditambahkan pada sintesis ZnO dibandingkan CTAB. Hal ini sesuai dengan penelitian dari Ramimoghadam et al. (2012) yang memperoleh hasil bahwa ZnO dengan tambahan SDS menghasilkan puncak XRD yang tajam dan sempit serta kristalinitas yang tinggi. Perkiraan ukuran kristal dapat menggunakan persamaan Scherrer (Patterson 1939 dalam Banerjee 2012). Perhitungan menggunakan persamaan Scherrer diperoleh hasil ukuran rerata untuk kristal ZnO dengan nisbah ZnSO4:KOH (1:2) adalah 34 nm dengan kisaran ukuran 29–38 nm. Ukuran rerata kristal ZnO nisbah ZnSO4:KOH (1:2) dengan tambahan CTAB adalah 28 nm dengan kisaran ukuran 25–33 nm. Ukuran rerata kristal ZnO nisbah ZnSO4:KOH (1:2) dengan tambahan SDS adalah 32 nm dengan kisaran ukuran 31–33 nm. Berdasarkan data tersebut diketahui bahwa keberadaan surfaktan dapat memperkecil ukuran kristal. Kristal dengan tambahan surfaktan juga lebih homogen. Selain itu, dengan tambahan surfaktan kisaran ukurannya juga yang lebih kecil dibandingkan yang tanpa surfaktan. Data tersebut merupakan perkiraan ukuran kristal secara matematis dan untuk mengetahui ukuran partikel hasil sintesis yang akurat diperlukan analisis lebih lanjut menggunakan mikroskop elektron payaran (SEM) dan penganalisis ukuran partikel (PSA) untuk mengetahui ukuran dan morfologi partikel.
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Kristal ZnO berhasil disintesis menggunakan metode hidrotermal dengan nisbah ZnSO4 : KOH adalah 1:2. Tambahan surfaktan CTAB dan SDS dapat meningkatkan kristalinitas, mengurangi pengotor serta memperkecil ukuran kristal. Saran Analisis lebih lanjut menggunakan SEM dan penganalisis ukuran partikel PSA diperlukan untuk mengetahui morfologi dan ukuran kristal.
DAFTAR PUSTAKA Aneesh PM, Vanaja KA, Jayaraj MK. 2007. Synthesis of ZnO nanoparticles by hydrothermal method. Di dalam: Gaburro Z, editor. Nanophotonic Material IV. Proceedings of SPIE. Vol 6639. doi: 10.1117/12.730364. Banerjee P, Chakrabarti S, Maitra S, Dutta BK. 2012. Zinc oxide nano-particles – Sonochemical synthesis, characterization and application for photoremediation of heavy metal. Ultrason Sonochem. 19(1):85-93. doi: 10.1016/j.ultsonch.2011.05.007. Chen D, Jiao X, Cheng G. 1999. Hydrothermal synthesis of zinc oxide powders with different morphologies. Solid State Commun. 113(6):363-366. Choi K, Kang T, Oh SG. 2012. Preparation of disk shaped ZnO particles using surfactant and their PL properties. Mater Lett. 75(15):240-243. doi: 10.1016/j.matlet.2012.02.031. Cullity BD, Stock SR. 2001. Elements of X-Ray Diffarction. Edisi ke-3. New Jersey: Prenctice Hall. Geetha D, Thilagavathi T. 2010. Hydrothermal synthesis of nano ZnO structures from CTAB. Digest J Nanomater Biostruct. 5(1):297-301. Liu Y, Lu H, Li S, Xi G, Xing X. 2011. Synthesis and characterization of ZnO microstructures via a cationic surfactant-assisted hydrothermal microemulsion process. Mater Charact. 62: 509–516. doi: 10.1016/j.matchar.2011.03.010. Merck. 2012. 108882 Seng sulfat monohidrat. [internet]. [diacu 29 Feb 2012]. Tersedia dari http://www.merck-chemicals.com/indonesia/sengsulfatmono hidrat/MDA_CHEM-108882/p_9OOb.s1LatwAAAEWJeEfVhTl. Moulahi A, Sediri F, Gharbi N. 2012. Hydrothermal synthesis of nanostructured zinc oxide and study of their optical properties. Mater Res Bull. 47(3):667-671. doi: 10.1016/j.materresbull.2011.12.027. Nagaraju G, Ashoka S, Chitaiah P, Tharamani CN, Chandrappa GT. 2010. Surfactant free hydrothermally derived ZnO nanowires, nanorods, microrods and their characterization. Mater Sci Semicond Process. 13:21-28. doi: 10.1016/j.mssp.2010.02.002. Ni Y, Wei X, Hong J, Ye Y. 2005. Hydrothermal preparation and optical properties of ZnO nanorods. Mater Sci Eng. 121:42-47. doi: 10.1016/j.mseb.2005.02.065. Patterson AL. 1939. The Scherrer formula dor X-Ray particle size determination. Phy. Rev. 56(10):978-982. doi: 10.1103/PhysRev.56.978. Polsongkram D, Chamninok P, Pukird S, Chow L, Lupan O, Chai G, Khallaf H, Park S, Schulte A. 2008. Effect of synthesis conditions on the growth of ZnO nanorods via hydrothermal method. Phys B. 403(19-20):3713-3717. doi: 10.1016/j.physb.2008.06.020. Ramimoghadam D, Zobir M, Yap YHT. 2012. The effect of SDS and CTAB on the properties of ZnO synthesis by hydrotermal method. Int J Mol Sci. 13(10):13275-13293. doi: 10.3390/ijms131013275. Sridevi D, Rajendran KV. 2009. Preparation of ZnO nanoparticles and nanorods by using CTAB assisted hydrothermal method. Int J Nanotechnol Appl. 3(2):43-48.
10
Sun XM, Chen X, Deng ZX, Li YD. 2002. A CTAB-assisted Hydrothermal Orientation Growth of ZnO Nanorods. Mater Chem Phys. 78(1):99-104. Thilagavathi T, Geetha D. 2012. Nano ZnO structures synthesized in presence of anionic and cationic surfactant under hydrothermal process. Appl Nanosci. doi: 10.1007/s13204-012-0183-8. Usui H. 2009. Surfactant concentration dependence of structure and photocatalytic properties of zinc oxide rods prepared using chemical synthesis in aqueous solutions. J Colloid Interface Sci. 336(2):667-674. doi: 10.1016/j.jcis.2009.04.060. Wang YX. Sun J. Fan XY. Yu X. 2011. A CTAB-assisted hydrothermal and solvothermal synthesis of ZnO nanopowders. Ceram Int. 37(8):3431-3436. doi: 10.1016/j.ceramint.2011.04.134. Wen-tao S, Guo G, Lan X. 2010. Synthesis of ZnO whiskers via hydrothermal decomposition route. Trans Nonferrous Met Soc China. 20:1049-1052. doi: 10.1016/S1003-6326(09)60256-9. Xu H, Wang H, Zhang Y, He W, Zhu M, Wang B, Yan H. 2004. Hydrothermal synthesis of zinc oxide powders with controllable morphology. Ceram Int. 30(1):93-97. doi: 10.1016/S0272-8842(03)00069-5. Yang LL. 2008. Synthesis and optical properties of ZnO nanostructures [tesis]. Norrkoping (ID): Linkoping University.
LAMPIRAN
12
Lampiran 1 Diagram alir penelitian Larutan ZnSO4 0.01 mol + KOH (0.02, 0.03, 0.04, 0.05) mol ditambahkan NH4Cl 5M Larutan campuran pH 10.5 Hidrotermal 120–160 °C laju 10 °/jam
Hidrotermal 160 °C selama 6 jam
Larutan hasil hidrotermal Cuci dengan etanol 85 %
Keringkan pada 105 °C selama 5 jam
Serbuk kristal Karakterisasi XRD
13
Lampiran 2 Sintesis ZnO dengan surfaktan CTAB dan SDS Kondisi sintesis terbaik + CTAB
Kondisi sintesis terbaik + SDS
ditambahkan NH4Cl 5M Larutan campuran pH 10.5
Hidrotermal 120–160 °C laju 10 °/jam
Hidrotermal 160 °C selama 6 jam
Larutan hasil hidrotermal Cuci dengan etanol 85 %
Keringkan pada 105 °C selama 5 jam Serbuk kristal Karakterisasi XRD
14
Lampiran 3 Data JCPDS untuk ZnO, Zn(OH)2, dan K2SO4 a. Data JCPDS ZnO
b. Data JCPDS Zn(OH)2
15
lanjutan lampiran 3 c. Data JCPDS K2SO4
16
Lampiran 4 Data puncak hasil difraksi sinar-X a. Data analisis hasil XRD nisbah ZnSO4 : KOH (1:2) 2 θ (deg) d(A) I/II 16.3214 5.42656 9 16.5809 5.34221 14 16.8803 5.24183 11 17.1798 5.15730 9 17.3795 5.09849 7 17.5392 5.05242 6 29.7852 2.99718 11 30.8257 2.89835 16 31.7826 2.81323 56 32.8633 2.72315 11 34.4499 2.60128 52 35.8735 2.50124 6 36.2644 2.47504 100 37.0686 2.42330 6 47.5534 1.91059 22 56.5930 1.62499 35 58.5426 1.57534 6 58.7225 1.57103 7 62.8685 1.47703 26 67.9457 1.37849 21 69.0363 1.35935 9
Fase K2SO4 Zn(OH)2 K2SO4 K2SO4 Zn(OH)2 K2SO4 K2SO4 K2SO4 ZnO Zn(OH)2 ZnO K2SO4 ZnO K2SO4 ZnO ZnO K2SO4 K2SO4 ZnO ZnO ZnO
b. Data analisis hasil XRD nisbah ZnSO4 : KOH (1:3) 2 θ (deg) d (A) I/II 12.1088 7.85688 15 16.5442 5.35398 100 21.3829 4.15211 18 25.0658 3.54977 32 25.8245 3.44717 31 32.8715 2.72249 67 34.7444 2.57990 22 37.3074 2.40834 21 38.1518 2.35685 14 58.7025 1.57152 46
senyawa K2SO4 Zn(OH)2 K2SO4 Zn(OH)2 K2SO4 Zn(OH)2 Zn(OH)2 Zn(OH)2 Zn(OH)2 K2SO4
17
lanjutan lampiran 4 c. Data analisis hasil XRD nisbah ZnSO4 : KOH (1:4) 2 θ (deg) d (A) I/II 16.4212 5.39380 35 16.7006 5.30419 50 17.0001 5.21141 28 21.3430 4.15979 24 25.2654 3.52217 23 25.4651 3.48500 32 25.6248 3.47358 35 25.8046 3.44979 29 30.5384 2.92495 20 31.6391 2.82566 100 31.8170 2.81027 43 32.8517 2.72408 73 33.3156 2.68720 32 33.5554 2.66854 29 37.3457 2.40595 30 45.4676 1.99327 32 58.3826 1.57937 28 58.7025 1.57152 41 58.9225 1.56618 25 65.8081 1.41799 44
senyawa K2SO4 Zn(OH)2 K2SO4 K2SO4 K2SO4 K2SO4 Zn(OH)2 K2SO4 K2SO4 ZnO ZnO Zn(OH)2 Zn(OH)2 ZnO Zn(OH)2 K2SO4 Zn(OH)2 K2SO4 K2SO4 Zn(OH)2
d. Data analisis hasil XRD nisbah ZnSO4 : KOH (1:5) 2 θ (deg) d (A) I/II 16.7431 5.29082 35 24.4867 3.63239 19 25.5150 3.48828 36 30.4867 2.92980 25 31.6686 2.82310 100 32.8676 2.72280 52 33.3156 2.68720 29 45.4576 1.99369 37 58.3427 1.58035 19 58.6826 1.54769 29
senyawa Zn(OH)2 K2SO4 Zn(OH)2 K2SO4 ZnO Zn(OH)2 Zn(OH)2 K2SO4 Zn(OH)2 K2SO4
18
lanjutan lampiran 4 e. Data analisis hasil XRD nisbah ZnSO4 : KOH (1:2) + CTAB 2 θ (deg) d (A) I/II senyawa 11.8549 7.45915 4 Zn(OH)2 12.1137 7.30037 10 K2SO4 12.5227 7.06284 37 Zn(OH)2 25.0258 3.55535 5 Zn(OH)2 29.8624 2.98961 4 K2SO4 31.3575 2.88037 5 Zn(OH)2 31.7884 2.81273 62 ZnO 32.8152 2.72703 9 Zn(OH)2 33.2407 2.69039 6 Zn(OH)2 34.0550 2.63053 4 K2SO4 34.4514 2.60117 60 ZnO 35.1191 2.55322 6 K2SO4 35.7935 2.50665 7 K2SO4 36.2714 2.47471 100 ZnO 47.5621 1.91026 22 ZnO 56.5977 1.62486 33 ZnO 58.5076 1.57629 6 Zn(OH)2 62.5014 1.48482 6 K2SO4 62.8780 1.47683 28 ZnO 67.9344 11.37869 21 ZnO 69.0602 1.35894 9 ZnO f. Data analisis hasil XRD nisbah ZnSO4 : KOH (1:2) + SDS 2 θ (deg) d (A) I/II senyawa 12.4669 7.09433 16 Zn(OH)2 21.3081 4.16652 4 K2SO4 24.8162 3.58490 4 K2SO4 29.7421 3.00143 4 K2SO4 30.8670 2.89456 5 K2SO4 31.7640 2.81484 60 ZnO 32.8236 2.72635 10 Zn(OH)2 34.4273 2.60293 49 ZnO 36.2498 2.47614 100 ZnO 47.5331 1.91136 21 ZnO 56.5863 1.62516 31 ZnO 58.3976 1.57900 4 Zn(OH)2 62.8462 1.47750 27 ZnO 66.3604 1.40752 4 Zn(OH)2 67.9327 1.37872 20 ZnO 69.0497 1.35912 9 ZnO
19
Lampiran 5 Analisis ukuran kristal ZnO hasil sintesis dengan persamaan Scherrer a. Data analisis ukuran kristal ZnO hasil XRD dengan nisbah ZnSO4 : KOH (1:2) 2θ Cos θ B (°) B (rad) D (nm) 31.7826 0.9618 0.2465 0.0043 33.5520 34.4499 0.9551 0.2178 0.0038 38.2330 36.2664 0.9503 0.2482 0.0043 33.9579 47.5534 0.9151 0.2336 0.0041 36.9844 56.5930 0.8805 02504 0.0044 35.8169 62.8685 0.8532 0.2856 0.0050 32.5274 67.9457 0.8293 0.2765 0.0048 34.8592 69.0363 0.8239 0.3267 0.0057 29.5475 rerata 34.4348 kisaran 29.5474–38.2330 b. Data analisis ukuran kristal ZnO hasil XRD nisbah ZnSO4 : KOH (1:2) dengan tambahan CTAB 2θ Cos θ B (°) B (rad) D (nm) 31.7884 0.9618 0.3008 0.0052 27.7449 34.4514 0.9551 0.2864 0.0050 29.0571 36.2714 0.9503 0.3052 0.0053 27.5508 47.5621 0.9151 0.3439 0.0060 25.2726 56.5977 0.8805 0.3269 0.0057 27.6482 62.8780 0.8532 0.3635 0.0063 25.8154 67.9344 0.8294 0.3311 0.0058 28.8455 69.0602 0.8238 0.2924 0.0051 33.0277 rerata 28.1230 kisaran 25.2726–33.0277 c. Data analisis ukuran kristal ZnO hasil XRD nisbah ZnSO4 : KOH (1:2) dengan tambahan SDS 2θ Cos θ B (°) B (rad) D (nm) 31.7640 0.9618 0.2552 0.0045 32.0607 34.4273 0.9552 0.2560 0.0045 32.2822 36.2498 0.9504 0.2481 0.0043 33.9544 47.5331 0.9152 0.2603 0.0045 33.6932 56.5863 0.8805 0.2797 0.0049 32.1622 62.8462 0.8533 0.2929 0.0051 31.8859 67.9327 0.8294 0.2905 0.0051 32.8047 69.0497 0.8239 0.3000 0.0052 32.3886 rerata 32.6540 kisaran 31.1622–33.9544
20
Lampiran 6 Contoh perhitungan ukuran kristal ZnO Ukuran kristal ZnO hasil XRD dengan nisbah ZnSO4 : KOH (1:2) Data yang diketahui: λ = 0.15418 nm 2θ 36.2664
Cos θ 0.9503
β (°) 0.2482
β (rad) 0.0043
D (nm) 33.9579
Ukuran kristal dihitung menggunakan formula Scherrer, dengan persamaan:
= 33.9579 nm Keterangan: D = ukuran kristal (nm) λ = panjang gelombang sinar-X (nm) β = Full Width at Half Maximum/ FWHM (radian) θ = setengah sudut difraksi
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Bogor pada tanggal 26 Maret 1990 dari ayah Burhanuddin Siahaan dan ibu Rentauli Pane. Penulis merupakan putri pertama dari tiga bersaudara. Penulis lulus dari Sekolah Menengah Atas Negeri 2 Bogor tahun 2008 dan pada tahun yang sama lulus seleksi masuk IPB melalui Undangan Seleksi Masuk IPB. Penulis diterima sebagai mahasiswa Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam IPB. Selama menjalani perkuliahan, penulis menjadi asisten Praktikum Kimia Fisik tahun ajaran 2011/2012, Kimia Anorganik untuk mahasiswa Biokimia pada tahun 2011/2012, Kimia Fisik untuk mahasiswa Biokimia pada tahun 2012/2013, Sintesis Kimia Anorganik pada tahun 2012/2013, dan Kimia TPB pada tahun 2012/2013. Penulis juga aktif dalam kegiatan organisasi Komisi Pelayanan Siswa (KPS) PMK-IPB pada tahum 2009-2012. Penulis pernah mengikuti kegiatan Praktik Lapangan di Laboratorium Product Development, PT Novell Pharmaceutical Laboratories pada bulan Juli-Agustus 2011 dengan judul laporan “Pengembangan Metode Analisis Pravastatin-Aspirin dengan Kromatografi Cair Kinerja Tinggi”.
