27

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Hasil Penelitian

4.1.1 Kestabilan Sol

Pada penelitian ini NASICON disintesis menggunakan metode sol gel dengan

bahan baku larutan Na2SiO3, ZrO(NO3)2, NH4H2PO4 dan larutan aditif asam sitrat

dengan perbandingan molar 2:2:1:3.

Konsentrasi asam sitrat pada sintesis NASICON ini berturut-turut sebesar 3M,

4M, 5M, 6M, dan 7M. Pada penambahan asam sitrat 3M, sol yang stabil dihasilkan

setelah pengocokan selama 10 menit. Hal yang sama terjadi pula pada sol yang

ditambahkan asam sitrat sebesar 4M dan 5M. Akan tetapi semakin besar asam sitrat

yang ditambahkan yaitu 6M dan 7M, sol yang stabil dapat terbentuk tanpa

pengocokan terlebih dahulu.

Perubahan sol menjadi gel dilakukan melalui pemanasan selama 14 jam pada

suhu 120 °C. Pemanasan gel secara berkelanjutan menghasilkan gel kering atau

xerogel Gambar 4.1 dan 4.2 menunjukkan sol dan xerogel yang dipreparasi dengan

konsentrasi asam sitrat yang bervariasi. Karakteristik sol dan xerogel yang dihasilkan

dirangkum pada Tabel 4.1.

28

Gambar 4.1 Sol yang dihasilkan setelah pengocokan 10 menit

Gambar 4.2 Xerogel yang dihasilkan dari sol yang dipanaskan selama 16 jam

Tabel 4.1 Karakteristik sol dan xerogel yang dihasilkan

Jenis sol Warna sol Warna xerogel

Asam sitrat (3) Tidak berwarna Putih

Asam sitrat (4) Tidak berwarna Putih kekuningan

Asam sitrat (5) Tidak berwarna Putih, lengket (+)

Asam sitrat (6) Tidak berwarna Kuning muda, lengket (++)

Asam sitrat (7) Tidak berwarna Kuning muda, lengket (+++)

Karakter xerogel yang terbentuk dari sol dengan konsentrasi aditif asam sitrat

yang berbeda menghasilakan tekstur xerogel yang berlainan. Semakin tinggi

29

konsentrasi asam sitrat yang ditambahkan pada sol, semakin lengket xerogel yang

dihasilkan..

4.1.2 Analisis FT-IR

Analisis FT-IR berfungsi untuk mengetahui gugus fungsi pada material hasil

sintesis. Analisis FT-IR pada sintesis NASICON ini dilakukan pada tiga sampel,

yaitu xerogel (gel yang sudah dikeringkan pada suhu 120°C), material hasil kalsinasi

750°C, dan material hasil kalsinasi 1000 °C. Hasil analisis FT-IR terhadap xerogel

yang dipreparasi pada berbagai konsentrasi asam sitrat diperlihatkan pada Gambar

4.3.

Gambar 4.3 Spektra FT-IR xerogel yang dibuat melalui metode sol-gel dengan

penambahan aditif asam sitrat

Bilangan Gelombang (cm-1)

5001000150020002500300035004000

Inte

nsita

s

0

20

40

60

80

100

120Asam sirtat 3Asam sitrat 4Asam sitrat 5Asam sitrat 6Asam sitrat 7

Vibrasi tekukZr-O, P-O-P,Si-O

Vibrasi ulur Zr-O,P-O-P, Si-O

N-OC=O dan Air terabsorpsi

30

Kelima spektra FT-IR xerogel menunjukkan serapan pada daerah bilangan

gelombang 400-750 cm-1, 800-1091 cm-1, 1384.4 cm-1, 1631.7 cm-1, 1728.1 cm-1 dan

3500 cm-1.

Gambar 4.4 Spektra FT-IR xerogel dengan aditif asam sitrat 3M yang dikalsinasi

bertahap pada suhu 750oC dan 1000oC

Bilangan Gelombang (cm-1)

5001000150020002500300035004000

Inte

nsita

s

0

20

40

60

80

100

120

1200C7500C10000C

C=O dan Air terabsorpsi N-O

Vibrasi PO4 dan SiO4

P-O-P

Vibrasi tekukZr-O, P-O-P,Si-O

31

Gambar 4.5 Spektra FT-IR xerogel dengan aditif asam sitrat 4M yang dikalsinasi

bertahap pada suhu 750oC dan 1000oC

Gambar 4.6 Spektra FT-IR xerogel dengan aditif asam sitrat 5M yang dikalsinasi

bertahap pada suhu 750oC dan 1000oC

Bilangan Gelombang (cm-1)

5001000150020002500300035004000

Inte

nsita

s

0

20

40

60

80

100

120

1200C7500C10000C

Bilangan Gelombang (cm-1)

5001000150020002500300035004000

Inte

nsita

s

0

20

40

60

80

100

120

1200C7500C10000C

Vibrasi tekukZr-O, P-O-P,Si-O

N-O

N-O

C=O dan Air terabsorpsi

C=O dan Air terabsorpsi

Vibrasi tekukZr-O, P-O-P,Si-O

P-O-P

P-O-P

Vibrasi PO4 dan SiO4

Vibrasi PO4 dan SiO4

32

Gambar 4.7 Spektra FT-IR xerogel dengan aditif asam sitrat 6M yang dikalsinasi

bertahap pada suhu 750oC dan 1000oC

Gambar 4.8 Spektra FT-IR xerogel dengan aditif asam sitrat 7M yang dikalsinasi

bertahap pada suhu 750oC dan 1000oC

Bilangan Gelombang (cm-1)

5001000150020002500300035004000

Inte

nsita

s

0

20

40

60

80

100

120

1200C7500C10000C

Bilangan Gelombang (cm-1)

5001000150020002500300035004000

Inte

nsita

s

0

20

40

60

80

100

120

1200C7500C10000C

Vibrasi tekukZr-O, P-O-P,Si-O

Vibrasi tekukZr-O, P-O-P,Si-O

N-O

N-O

P-O-P

P-O-PC=O dan Air terabsorpsi

C=O dan Air terabsorpsi

Vibrasi PO4 dan SiO4

Vibrasi PO4 dan SiO4

33

Gambar 4.4 sampai dengan Gambar 4.8 menunjukkan spektra FT-IR terhadap

material yang dikalsinasi secara bertahap pada suhu 750°C dan 1000 °C . Pada

spektra terlihat serapan N-O pada bilangan gelombang 1384.8 cm-1 yang terdapat

pada xerogel sudah tidak tampak lagi pada spektra setelah xerogel dikalsinasi pada

suhu 750oC dan 1000oC. Tetapi hal ini tidak tampak pada xerogel dengan asam sitrat

7 M, pada xerogel hasil kalsinasi pada suhu 750oC masih terdapat serapan N-O pada

bilangan gelombang 1384.8 cm-1 dengan intensitas yang rendah.

Gambar 4.9 Spektra FT-IR material konduktor ionik dengan aditif asam sitrat yang

dikalsinasi pada suhu 1000°C

Bilangan Gelombang (cm-1)

5001000150020002500300035004000

Inte

nsita

s

0

20

40

60

80

100

120

Asam sitrat 3MAsam sitrat 4MAsam sitrat 5MAsam sitrat 6MAsam sitrat 7M

P-O-PVibrasi PO4 dan SiO4

Vibrasi tekukZr-O, P-O-P,Si-O

34

Gambar 4.9 menunjukkan spektra FT-IR material konduktor ionik untuk

berbagai konsentrasi asam sitrat. Spektra tersebut menunjukkan puncak yang lebar

pada bilangan gelombang 900-1100cm-1 dan puncak-puncak tajam pada bilangan

gelombang 400-750 cm-1.

4.1.3 Analisis XRD

Analisis XRD dilakukan untuk mengetahui pola difraksi sinar-x NASICON

hasil sintesis. Analisis XRD ini dilakukan pada sampel NASICON yang dipreparasi

dengan konsentrasi asam sitrat 3M sampai dengan 7M. Pola difraktogram

menunjukkan adanya puncak-puncak pada 2 = 16, 22, 23, 27, 32, 36, dan 40 dengan

intensitas tinggi. Selain itu terdapat pula puncak-puncak dengan intensitas rendah

pada 2 = 48, 53, 55, 59, 64, dan 70. Pola difraktogram dari kelima sampel dapat

dilihat pada Gambar 4.10.

35

Gambar 4.10 Pola difraktogram sinar-x material konduktor ionik

4.1.4 Pengukuran Konduktifitas

Pengukuran konduktifitas berfungsi untuk mengetahui konduktifitas material

konduktor ionik yang dihasilkan. Gambar 4.11, 4.12, dan 4.13 menggambarkan nilai

konduktifitas NASICON yang dipreparasi dengan penambahan asam sitrat sebesar 3

M, 4 M, dan 5 M sebagai fungsi waktu. Analisis IS ini dilakukan pada beberapa suhu

untuk mengetahui pengaruh suhu analisis terhadap konduktifitas NASICON.

2θ

10 20 30 40 50 60 70 80

Asam sitrat 3M

Asam s itrat 4M

Inte

nsita

s

Asam sitrat 5M

Asam sitrat 6M

Asam sitrat 7M

36

Gambar 4.11 Konduktifitas NASICON yang dipreparasi dengan asam sitrat 3M

Gambar 4.12 Konduktifitas NASICON yang dipreparasi dengan asam sitrat 4M

t (sekon)

0 20 40 60 80 100 120 140 160

log

σ(S

/cm

-1)

-7.0

-6.5

-6.0

-5.5

-5.0

-4.5

-4.0

-3.5

-3.0

-2.5

150 C175 C200 C225 C250 C275 C300 C325 C350 C375 C400 C

t (sekon)

0 20 40 60 80 100 120 140 160

log

σ(S

/cm

-1)

-7.0

-6.5

-6.0

-5.5

-5.0

-4.5

-4.0

-3.5

-3.0

-2.5

150 C175 C200 C225 C250 C

275 C300 C325 C350 C375 C400 C

37

Gambar 4.13 Konduktifitas NASICON yang dipreparasi dengan asam sitrat 5M

4.1.5 Uji Kinerja NASICON

Untuk mengetahui kelayakan NASICON dijadikan sebagai komponen sensor

gas NOx maka dilakukan uji kinerja NASICON. Melalui uji ini dapat diketahui

kemampuan NASICON dalam merespon gas NOx yang dilalirkan. Gambar 4.14

menunjukkan nilai konduktifitas NASICON yang dipreparasi dengan asam sitrat 5M

pada suhu 375°C tanpa dialiri gas NO2 dan dengan dialiri gas NO2.

t (sekon)

0 20 40 60 80 100 120 140 160

log

σ (S

/cm

)

-7.0

-6.5

-6.0

-5.5

-5.0

-4.5

-4.0

-3.5

-3.0

-2.5

150 C175 C200 C225 C250 C275 C300 C325 C350 C375 C400 C

38

Gambar 4.14 Konduktifitas NASICON yang dipreparasi dengan asam sitrat 5M

pada suhu 375°C tanpa dialiri gas NO2 dan dengan dialiri gas NO2

t (sekon)

0 20 40 60 80 100 120 140 160

log

σ (S

/cm

)

-3.4

-3.2

-3.0

-2.8

-2.6

375 C375 C + gas

39

4.2 Pembahasan

4.2.1 Kestabilan sol

Sintesis NASICON menggunakan metode sol-gel memiliki beberapa

keuntungan diantaranya homogenitas dan kemurnian yang tinggi serta material yang

dihasilkan bersifat amorf dan nanopori. Tetapi dibalik keuntungan tersebut ada

kelemahan metode sol-gel dalam mensintesis NASICON yaitu sulitnya menstabilkan

sol yang dapat dipreparasi menjadi NASICON.

Sol yang stabil sulit diperoleh karena terbentuknya zirconil fosfat (ZrOHPO4)

atau zirconium fosfat (Zr(HPO4)2) ketika larutan ZrO(NO3)2 dan larutan NH4H2PO4

ditambahkan. Di dalam larutan, ion Zr4+ lebih mudah bereaksi dengan OH- dari basa

membentuk ZrOH3+ yang kemudian akan terurai menjadi ZrO2+. Ion ZrO2+ dalam

larutan inilah yang akan bereaksi dengan ion HPO42- membentuk ZrOHPO4

(Mouazer et al. (2003)).

Zr4+ + OH- ZrOH3+ K = 1014 (1)

ZrOH3+ ZrO2+ + H+ K = 100.7 (2)

ZrO2+ + HPO42- ZrOHPO4 K = 1019.5 (3)

Dalam penelitian ini ZrOHPO4 atau Zr(HPO4)2 yang terbentuk dikurangi

dengan membentuk senyawa komplek antara ion Zr4+ dengan senyawa asam sitrat.

Pada reaksi pembentukkan kompleks ini Zr4+ akan bereaksi dengan gugus karbonil

pada asam membentuk kompleks RCOOZr. Reaksi yang terjadi adalah:

40

Zr4+ + R(COOH)(COO)22- [Zr(COO)2(COOH)R]2+ (4)

[Zr(COO)2(COOH)R]2++ H+ [Zr(COO)(COOH)2R]3+ (5)

Pada bagian 4.1.1 telah diuraikan bahwa pada penambahan asam sitrat sebesar

3-5 M sol yang stabil dihasilkan setelah pengocokan selama 10 menit. Tetapi semakin

besar asam sitrat yang ditambahkan yaitu 6M dan 7M, sol yang stabil dapat terbentuk

tanpa pengocokan terlebih dahulu. Hal ini menunjukkan bahwa semakin besar

konsentrasi asam sitrat yang ditambahkan akan lebih menstabilkan sol (mencegah

pertumbuhan endapan zirconil dan zirconium fosfat).

4.2.2 Analisis FT-IR

Kelima spektra FT-IR xerogel (Gambar 4.3) menunjukkan serapan pada

daerah bilangan gelombang 400-750 cm-1, 800-1091 cm-1, 1384.4 cm-1, 1631.7 cm-1,

1728.1 cm-1 dan 3500 cm-1.

Serapan pada bilangan gelombang 400-750 cm-1 diakibatkan oleh vibrasi

tekuk dari Zr-O, P-O-P dan Si-O sedangkan puncak-puncak pada bilangan

gelombang 800-1091 cm-1 selain diakibatkan oleh senyawa organik yang terdapat

dalam xerogel juga diakibatkan oleh vibrasi ulur dari Zr-O, P-O-P dan Si-O (Monros,

1992). Serapan pada bilangan gelombang 1384.8 cm-1 menunjukkan adanya gugus N-

O serta serapan pada bilangan gelombang 1728.1 cm-1 menunjukkan adanya gugus

karbonil (C=O) pada xerogel. Sedangkan puncak pada bilangan gelombang 1631.7

cm-1 dan 3500 cm-1 menunjukkan adanya air yang terabsorbsi di dalam xerogel.

41

Variasi konsentrasi asam sitrat pada xerogel hasil FTIR ini tidak menunjukkan

perbedaan pola puncak. Perbedaan yang nampak dari spektra tersebut terletak pada

intensitas puncak. Spektra xerogel dengan konsentrasi asam sitrat 5M menunjukkkan

intensitas paling tinggi jika dibandingkan dengan keempat spektra xerogel yang

lainnya.

Perubahan pola spektra terlihat setelah xerogel dipanaskan pada suhu 750oC

dan 1000oC. Pada spektra (Gambar 4.4 sampai Gambar 4.7) terlihat serapan N-O

pada bilangan gelombang 1384.8 cm-1 yang terdapat pada xerogel sudah tidak tampak

lagi pada spektra setelah xerogel dikalsinasi pada suhu 750oC dan 1000oC. Tetapi hal

ini tidak tampak pada xerogel dengan asam sitrat 7 M (Gambar 4.8), pada xerogel

hasil kalsinasi pada suhu 750oC masih terdapat serapan N-O pada bilangan

gelombang 1384.8 cm-1 dengan intensitas yang rendah. Hal ini mungkin diakibatkan

adanya gas NO yang terjebak dalam xerogel.

Gejala yang sama juga tampak pada bilangan gelombang 1728.1 cm-1 yang

menunjukkan adanya vibrasi gugus C=O. Hilangnya gugus C=O pada spektra xerogel

yang telah mengalami kalsinasi menunjukkan sudah tidak adanya senyawa organik

yang terdapat pada sampel. Bahkan pada spektra sampel setelah kalsinasi kedua

(1000oC) puncak pada bilangan gelombang 1631.7 cm-1 sudah tidak tampak. Hal ini

menunjukkan sudah tidak adanya air bebas atau air yang terabsordsi pada sampel.

Puncak-puncak pada bilangan gelombang 800-1100 cm-1 menunjukkan

kemiripan pola pada semua spektra. Puncak-puncak ini disebabkan oleh kombinasi

42

vibrasi ulur dari gugus Zr-O, P-O-P dan Si-O. Perbedaan puncak yang tampak pada

daerah 400-750 cm-1 menunjukkan mulai terbentuknya material konduktor ionik (Qiu

et al., 2003). Puncak-puncak tersebut menunjukkan adanya vibrasi tekuk gugus Zr-O,

P-O-P dan Si-O (Monros et al., 1992).

Perbandingan spektra FT-IR untuk material konduktor ionik yang dihasilkan

ditunjukkan pada Gambar 4.9. Spektra material yang dihasilkan menunjukkan pola

yang serupa. Spektra tersebut menunjukkan puncak yang lebar pada bilangan

gelombang 900-1100 cm-1 dan puncak-puncak tajam pada bilangan gelombang 400-

750 cm-1. Tabel 4.2 menunjukkan vibrasi gugus-gugus yang menyebabkan puncak-

puncak tersebut dapat terjadi.

Tabel 4.2 Daftar serapan gugus-gugus pada NASICON (Monros et al, 1992; Zhang.

S et al, 2003; Qiu et al, 2003, 2004; Rao et al., 2001)

Puncak serapan Analisis

400-750 cm-1 Vibrasi tekuk ZrO6, PO4 dan SiO4

470 cm-1 Vibrasi ZrO2

550-560 cm-1 Vibrasi O—P—O,

600-900 cm-1 Vibrasi Zr—O

850-1250 cm-1 Vibrasi O—Si—O dan P—O—P

890-920 cm-1 Vibrasi P—O—P

980-1080 cm-1 Vibrasi PO43- dan SiO4

1100-1150 cm-1 Vibrasi ion PO-

43

4.2.3 Analisis XRD

Pada Gambar 4.10 dapat dilihat pola difraktogram NASICON yang

dipreparasi dengan konsentrasi asam sitrat 3-7 Molar. Puncak-puncak dari kelima

NASICON ini menunjukkan nilai yang sama pada 2 = 16, 22, 23, 27, 32, 36, dan

40 dengan intensitas tinggi. Puncak-puncak yang dihasilkan ini sesuai dengan pola

XRD untuk NASICON rujukan (Gambar 2.4). Selain puncak-puncak tersebut

terdapat pula puncak-puncak dengan intensitas kecil pada 2 = 48, 53, 55, 59, 64, dan

70. Tetapi dari puncak yang dihasilkan terdapat puncak pengotor yaitu pada 2 = 60

yang menunjukkan adanya ZrO2. Adanya zirconia pada NASICON yang dihasilkan

akan mengurangi nilai konduktifitasnya.

4.2.4 Pengukuran Konduktifitas

Pengukuran konduktifitas dilakukan pada berbagai suhu, yaitu suhu 150 °C,

175 °C, 200 °C, 225 °C, 250 °C, 275 °C, 300 °C, 325 °C, 350 °C, 375 °C dan 400 °C.

Penggunaan variasi suhu ini dilakukan untuk mengamati hubungan nilai konduktifitas

material konduktor ionik terhadap kenaikan suhu. Secara umum nilai konduktifitas

NASICON semakin meningkat seiring dengan kenaikan suhu (Ahmad et al, 1987).

Pada Gambar 4.11 nilai konduktifitas NASICON yang dipreparasi dengan

asam sitrat 3M paling rendah berada pada log = -6,5 pada suhu 175 °C, sedangkan

paling tinggi berada pada log = -3,4 pada suhu 400 °C. Pada Gambar 4.12 nilai

konduktifitas NASICON yang dipreparasi denagn asam sitrat 4M paling rendah

44

berada pada log = -6,4 pada suhu 150 °C, sedangkan paling tinggi berada pada log

= -3,3 pada suhu 375 °C. Pada Gambar 4.13 nilai konduktifitas NASICON yang

dipreparasi dengan asam sitrat 5M paling rendah berada pada log = -5,6 pada suhu

150 °C, sedangkan paling tinggi berada pada log = -3,0 pada suhu 375 °C. Dari

hasil yang diperoleh diketahui bahwa semakin tinggi konsentrasi asam sitrat yang

ditambahkan pada sampel NASICON maka semakin tinggi pula nilai konduktifitas

yang dihasilkannya. Hal ini menunjukkan bahwa penambahan asam sitrat dengan

konsentrasi yang lebih tinggi akan semakin menambah kestabilan NASICON yang

diperoleh. Nilai konduktifitas NASICON yang disintesis telah memenuhi untuk

digolongkan sebagai fast ionic conductor dan dapat digunakan sebagai komponen

sensor gas NOx.

4.2.5 Uji Kinerja NASICON

Dari hasil pengukuran konduktifitas diketahui nilai konduktifitas NASICON

tertinggi diperoleh pada sampel dengan konsentrasi asam sitrat 5M dengan log = -

3.0 pada suhu 375°C. Untuk mengetahui kelayakan NASICON dijadikan sebagai

komponen sensor gas NOx maka dilakukan uji kinerja NASICON. Melalui uji ini

dapat diketahui kemampuan NASICON dalam merespon gas NOx yang dilalirkan.

Gas NOx yang digunakan dalam uji kinerja NASICON ini diperoleh dari

pemanasan Ba(NO3)2. Sebanyak 0,0134 mol Ba(NO3)2 dialirkan ke dalam sistem

selama 135 detik pada suhu 375°C. Setelah dilakukan pemanasan, Ba(NO3)2 yang

45

tersisa adalah 0,0126 mol. Dengan demikian terdapat 0,0016 mol gas NO2 yang

mengalir ke dalam sistem dan bereaksi dengan NASICON.

Pada Gambar 4.14 dapat dilihat nilai konduktifitas NASICON yang dialiri gas

NO2 lebih tinggi daripada nilai konduktifitas NASICON tanpa dilaliri gas. Hal ini

menunjukkan adanya reaksi antara NASICON dengan gas NO2. Pada saat gas NO2

berinteraksi dengan lapisan NaNO2 pada elektroda kerja, NO2 akan bereaksi dengan

Na+. Sedangkan pada elektroda counter, NaNO2 terurai menjadi Na+ dan NO2. Reaksi

yang terjadi dapat dilihat pada Gambar 4.15.

Sensing electrode : NO2 (g) + Na+ + e-à NaNO2

Counter electrode : NaNO2à NO2 + e- + Na+

Gambar 4.15 Reaksi yang terjadi antara NASICON dengan gas NO2

NASICON

Elektroda

NaNO2

NO2 (g) + Na+ + e-à NaNO2

NaNO2à NO2 + e- + Na+

e-

e-

Na+