Sintesa WO Nano Partikel dengan Metode Sol-gel dan Proses ... · karakteristik tertentu yang bisa...

LOGO

Sidang Tugas AkhirMM091381Jurusan Teknik Material dan Metalurgi

Sintesa WO3 Nano Partikeldengan Metode Sol-gel dan Proses Kalsinasi

LLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO Lucky Tananta2707 100 049

Dosen Pembimbing :Diah Susanti, ST, MT, Ph.DHariyati Purwaningsih, S.Si, M.Si

Jurusan Teknik Material dan Metalurgi

Daftar Isi

Pendahuluan

Analisa Data dan Pembahasan

Metodologi

Tinjauan Pustaka

Kesimpulan


Latar Belakang

Nano PartikelMetal Oksida

Sol Gel Kalsinasi WO3

•sensor gas•kain fireproofing•pigmen kuning pada keramik•tungstatesuntuk layar x-ray.

Jang, 2008

Wang, 2003


WO3

SintesaCVD

PVD

Elektrokimia

Hydrotermal

ThermalEvaporation

Sonochemistry

MicellesRoute

Wet ChemicalProcess


Wet Chemical Process

• Langkah kerja yang mudah

•Tidak membutuhkan kontrol yang tinggi

•Biaya yang rendah


Rumusan Masalah

• Bagaimanakah mensintesa nano partikel Tungsten Trioksida (WO3) dengan menggunakan metode sol-gel dan proses kalsinasi?

1• Bagaimana pengaruh temperatur kalsinasi

terhadap morfologi permukaan, ukuran partikel, luas permukaan aktif dan jenis pori, perubahan struktur kristal terhadap temperatur dan kandungan air kristal dan struktur kristal nanopartikel dari tungsten trioksida ?

2


Batasan Masalah

• Temperatur holding saat kalsinasi dianggap konstan1

• Kecepatan stirring,dan temperatur hot plate dianggap konstan2

• Pengotor Serbuk diabaikan.3


Tujuan Penelitian

• Mensintesa nano partikel Tungsten Trioksida (WO3) dengan metode sol-gel dan proses kalsinasi. 1

• Mengkarakterisasi dan mempelajari karakerisasi material yang dihasilkan dari proses sintesa dengan menggunakan (XRD), Scanning Electron Microscope (SEM), High Resolution Transmission Electron Microscope (TEM), Brauner Emmet Teller(BET), DTA/TGA,FT-IR dan Raman .

2


Manfaat Penelitian

Menghasilkan tungsten trioksida (WO3) yang mempunyaikarakteristik tertentu yang bisa digunakan untuk aplikasi padapenelitian selanjutnya seperti: sensor gas beracun, alat-alat optoelektrokromik dan modulasi optikal, fotokatalis kain, desainpermukaan hidrofilik, serta katalis selektif untuk diaplikasikan reaksioksidasi dan reduksi, serta membandingkan dengan hasil penelitiansebelumnya.


Tinjauan Pustaka

Nano Partikel

Mikropore

Mesopore

Makropore


Tinjauan Pustaka


Tinjauan Pustaka

Mengecil Meningkat

WO3 Ukuran Butir Sensitivitas Sensor

Metode preparasi

-Morfologi permukaan-luas permukaan-pertumbuhan kristal

Supothina, 2008

Wang, 2003


Tinjauan Pustaka

Sintesa Nanopartikel

Nano-crystalline tungsten oxide NO2 sensor, Metode Sol-Gel.

Shih Han Wang. 2003NO 2 sensitivity of WO 3 thin film obtained by high

vacuum thermal evaporation.Cantalini. 1996

Synthesis of tungsten oxide nanoparticles by acid precipitation method,

Sitthisuntorn Supothina,2006

Hydrothermal synthesis and characterization of self-assembled h-WO3

nanowires/nanorods using EDTA saltsJang-Hoon Ha,2008

Nanostructured WO3 films using high temperature anodization

Kourosh Kalantar-zadeh.2009

Hydrothermal synthesis of uniform WO3 submicrospheres

using thiourea as an assistant agentX.T. Sua, 2010.


Tinjauan Pustaka

Sol Gel


Tinjauan Pustaka

Proses Pembentukan Sol-Gel

Reaksi Hidrolisis

Reaksi Kondensasi

WCl6 + 6 C2H5OH W(C2H5O)6 + 6 HCl

W(OH)6 + W(OH)6

2 W(OH4)O+ 2H2O

W(C2H5O)6 + 6 H2O W(OH)6 + 6 C2H5OH

Breedon, 2008


Tinjauan Pustaka

Keuntungan metode Sol Gel

• Biaya murah• Proses Mudah• Tidak membutuhkan kontrol yang tinggi dalam proses pembuatan

• Sintesa bisa dilakukan pada temperatur kamar• Faktor tekanan, temperatur, aliran massa, tidak begitu berpengaruh

• Bisa dilakukan untuk produksi massal


Tinjauan Pustaka

Kalsinasi

Proses kalsinasi adalah proses perlakuan panas yang diterapkan padasebuah bahan yang bertujuan untuk dekomposisi termal, transisi fasa,dan penghapusan fraksi volatile, serta berfungsi untuk mengeliminasisenyawa yang berikatan secara kimia (Husni, 2010).

Proses kalsinasi terjadi pada temperatur di bawah titik lebur bahanuntuk menghilangkan kandungan bahan yang dapat menguap.

Teknik kalsinasi secara kimia sering digunakan untuk menghasilkanserbuk keramik dengan kemurnian dan aktifitas yang tinggi.


Tinjauan Pustaka

Wang, 2003

Semakin tinggi temperatur kalsinai, semakin besar ukuran partikel pada film tipis

Solgel, film tipis, kalsinasi variasi temperatur

350ºC 450ºC

550ºC 650ºC


Tinjauan Pustaka

Haryo, S. 2011 Solgel, kalsinasi variasi temperatur

Hexagonal

Monoclinic

XRD


Tinjauan Pustaka

300ºC 400ºC

600ºC500ºC

SEM

Semakin tinggi temperatur kalsinai, kecenderungan membentuk agregat semakin berkurang


Tinjauan Pustaka

TEM 600ºC

Agregasi dari unit-unit partikel, membentuk partikel yang lebih besar


Tinjauan Pustaka

Sensitivitas sensor berbasis WO3

• Ukuran Partikel• Kereaktifan permukaan• Karakteristik termal• Perubahan struktur kristal, serta kandungan air kristal

Tamaki, 1994

Wang, 2003


Metodologi

Alat

+ Sarung tangan

+ Masker

1

2

34 5

6

7

8

9

10 12


Metodologi

Bahan

1 5

4

3

2

WCl6

[Acros Organic 99,9%]

Ethanol Murni[C2H5OH, Merck]

Perak nitrat

Aquades

Surfactant organic[Triton X-100]


Metodologi

Diagram alir7 gr Tungsten (VI) Chlorida dilarutkan

dengan etanol sampai 100mL dan ditambahkan 10mL NH4OH

Ion chloride dihilangkan dengan Aquades

Titrasi dengan perak nitrat

Peptization endapan dengan NH4OH + 50 μL surfactant

Proses stirring dalam temperatur es selama 24 jam

Ion Cl -masih ada

centrifuge untuk memisahkan cairan dan endapan

Terbentuk Tungsten Oxide Gel

Start

A

yes

no


Metodologi

Diagram alir

Pengukuran luas permukaan aktif (BET Analyzer)

Identifikasi Fasa(X-ray Diffraction)

Tungsten Oxide Gel dikalsinansi dengan variasi temeperatur 3000C, 4000C, 5000C, dan

6000C

Pengamatan Morfologi Permukaan

(SEM)

Pengamatan Ukuran Partikel

(HR-TEM)

A

Identifikasi perubahan sruktur kristal terhadap temperatur,

kandungan air kristal(TGA/DTA)

Analisa data dan pembahasan

Kesimpulan

End

Identifikasi gugus dan ikatan kimia

(FT-IR dan Raman)


Metodologi

Metode Penelitian

Hot plate stirrer

Magnetic stirrer

Aluminium foil

Larutan

Es batuStirring selama

12 jam

Pengujian


• X-Ray Difraction (XRD)

• Scanning Electron Microscope (SEM)

• High Resolution- Transmission Electron

Microscope (HR-TEM)

• DTA/TGA

• Raman dan FT-IR



300ºC 400ºC

500ºC600ºC

Gel WO3 setelah mengalami proses kalsinasi

(022)(200) (202)

(002) (020)

(120)

(112)

(022)(220)

(122)(222)

(140) (400)(420) (022)

2Ѳ

(200)


Analisa XRD


(204)(220)

Hexagonal

Monoclinic


Analisa XRD


• Dari pola XRD menunjukan puncak-puncak yang semakin tajamdan intensitas yang semakin tinggi dengan dengan kenaikantemperatur. Pada temperatur kalsinasi 300 oC dan 400 oC terlihatpuncak dari pola XRD yang lebar dengan intensitas yang rendahyang menunjukan struktur menyerupai material yang bersifatamorphous dan banyaknya distorsi menunjukkan bahwa material inimasih banyak memiliki kandungan air kristal.

• Dengan kenaikan temperatur, air kristal akan berkurang sehinggastruktur material mendekati bentuk kristal seperti ditunjukan padapola XRD untuk temperatur kalsinasi 500 oC dan 600 oC, puncakyang tajam dan intensitasnya yang tinggi.


Analisa XRD


• Ukuran kristal berbagai temperatur dihitung 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)

K λ__

B Cosө


Analisa XRD


Temperatur λ(Ǻ) B(rad) Ө(o) Cos ө D (nm) Struktur kristal JCPDS300 oC 1.540560 0.0069 11.96 0.98 20.55 Hexagonal 85-2459400 oC 1.540560 0.0056 11.92 0.98 25.33 Hexagonal 85-2459500 oC 1.540560 0.0049 11.50 0.98 28.95 Monoklinik 43-1035600 oC 1.540560 0.0035 11.54 0.98 40.52 Monoklinik 43-1035


Analisa SEM

Analisa Data dan PembahasanMorfologi permukaan dari serbuk tungsten trioksida dari hasil SEM (Zeiss EVO MA 10).


Analisa SEM

Analisa Data dan PembahasanMorfologi permukaan dari serbuk tungsten trioksida dari hasil SEM (Zeiss EVO MA 10).


Analisa SEM


Temperatur 300 oC 400 oC 500 oC 600 oCUkuran partikel (nm) 114-286 95-250 71-214 42.8-200Tebal partikel (nm) ~37.5 ~35 ~22.5 ~20

• Semakin tinggi temperatur kalsinasi ukuran partikel dari serbuk TungstenTrioksida semakin kecil.

• Partikel-partikel WO3 cenderung membentuk agregat dengan partikel yanglain.

• Perubahan bentuk dan ukuran partikel tersebut disebabkan oleh adanyatransformasi fasa, pembentukan kembali dari partikel serta pertumbuhankristal.


Analisa DTA/TGA


Hasil Kurva DTA/TGA serbuk WO3 sebelum mengalami proses kalsinasi

Puncak endotermik

Kamar -96 0C massa (-) 70%- air fisik,sebagian kecil air kristal,unsur kimia lain

96 0C -230 0C massa (-) 5%- residu air fisik (air yang terikat secara fisik)

230 0C-600 0C massa (-) 0.8 %- air kimia, unsur volatile

DTATGA

Kurva TGA



300 0C

400 0C

Kamar -125 0C massa (-) 3.35%- air fisik,sebagian kecil air kristal,unsur kimia lain

125 0C -530 0C massa (-) 3.5%- residu air kristal

530 0C-600 0C massa (-) 0.35 %- air kimia

Temperatur kalsinasi 300 0C

Temperatur kalsinasi 400 0C

Kamar -343 0C massa (-) 0.64%- residu air kristal

3430 - 600 0C massa (+) 0.12%- unsur gas lain yang terserap

530 0C-600 0C massa (-) 0.35 %- air kimia

600 0C

500 0C



Kamar -600 0C massa (-) 2.5%- unsur gas lain yang terabsorb

Temperatur kalsinasi 500 0C Temperatur kalsinasi 600 0C

Kamar -30 0C massa (-) 0.25%- residu air kristal

300 - 600 0C massa (+) 0.5%- unsur gas lain yang terserap

Tran

smita

n (%

)

Wave Number

814

3422 3148

1628 1400

660

594

3449

16281400

837768

34222924

2345 1640

1038

953

818748

34232854 2342 1744 1400

1037

771

(cm-1)

822


Analisa FT-IR


300 0C

400 0C

600 0C

500 0C


Analisa FT-IR


Wave number (cm-1 ) Ikatan500-1000 W-O-W600-815 v(O-W-O)

953 v(W=O) 1400 δ(OH) gugus hidroksil1628 δ(H-OH)1744 C=O2342 C-H

3000-3500 Vibrasi dari molekul air


Analisa Uji Raman


270 323

719

816

318


Analisa Uji Raman


Raman Shift (cm-1 ) Ikatan816 v(W=O)719 v(O-W-O)

200-400 δ(W-O-W)

• Hasil FT-IR maupun Raman menunjukkan intensitas terbesar terdapat padadaerah dengan ikatan W-O-W.

• Sampel serbuk tungsten trioksida yang telah mengalami proses kalsinasidengan beberapa temperatur menunjukkan kecenderungan yang sama yaitumembentuk ikatan v(W-O-W).


Analisa HR -TEM


Area (A)

Area (C)

Area (B)

A

C

B

Hasil HR-TEM WO3 temperatur kalsinasi 6000C



Analisa HR -TEM

0.38 nm d [022]

• Area C menunjukkan arah pertumbuhan struktur nanonya (022) dengan jarakantar lapisan sekitar 0.38 nm.



Analisa HR -TEM

0.35 nm

d [020]

0.37 nm

d [200]

• Area B terdapat 2 arah pertumbuhan struktur nano yaitu (020) dan (200)dengan jarak antar lapisan sekitar 0.35 dan 0.37 nm.

•Hasil TEM ini bersesuaian dengan hasil XRD pada temperatur kalsinasi 6000Cdimana terdapat 3 arah pertumbuhan kristal dengan intensitas paling tinggiyaitu (022),(020),dan (200).



Analisa HR -TEM

• Area C menunjukkan adanya agregasi dari unit-unit partikel dengan ukurantiap satu partikel berskisar sekitar 10-45 nm

• Partikel agregasi yang terbentuk tersebut disebabkan karena tungstentrioksida adalah material higroskopis yang memiliki kemampuan menyerapmolekul air yang baik sebelum proses kalsinasi



Analisa EDS

• Hanya terdapat atom W dan O

• Fe dan Co menunjukkan sinyal dari TEM holder

• Cu menunjukkan film karbon



Analisa BET

• Semakin naiknya temperatur kalsinasi, luas permukaan aktif dari serbuk Tungsten Trioksida semakin menurun.

•Temperatur kalsinasi 300ºC, 400º, dan 500º C termasuk kedalam jenis mesopores, 2 > w > 50 nm. Pada temperatur kalsinasi 600ºC termasuk kedalam jenis macropores w > 50 nm.

Feature (WO3) 300 ºC 400º C 500 ºC 600ºC

BETsurface area m2/g 27.718 3.099 2.699 1.0362

Rata-rata diameter pori (Å) 37.45 45.15 284.34 876.75


• Nanopartikel WO3 dapat disintesa dengan menggunakan metode sol-gel yaitudengan penambahan ethanol dan NH4OH serta melalui proses stirring dan kalsinasipada prekursor WCl6.

• Pada temperatur kalsinasi 300 oC dan 400 oC struktur kristalnya hexagonal.• Pada temperatur kalsinasi 500 oC dan 600 oC struktur kristalnya monoclinic.

• Semakin besar temperatur kalsinasi semakin tinggi kristalisasinya dan semakinbesar pula ukuran kristalnya.

• Partikel WO3 berbentuk lembaran tipis dan cenderung membentuk agregatdengan partikel yang lain dan memiliki ukuran partikel yang semakin kecil yaitu ~42.8-200 nm dan tebal partikel ~ 20 nm dengan semakin naiknya temperatur.

• Pada proses kalsinasi dengan beberapa temperatur terdapat kandungan air fisik,air kristal, serta kandungan kimia yang menempel pada spesimen, dan kandungan-kandungan ini akan semakin hilang sesuai dengan kenaikan temperatur.

Kesimpulan


• Terdapat beberapa ikatan kimia utama yang dapat terlihat yaitu ikatan W-O-W,O-W-O, dan W=O. Dari kurva IR dan Raman dapat dilihat bahwa ikatan kimia yangpaling dominan dalam serbuk tungsten trioksida ini adalah ikatan W-O-W.

• Dari hasil foto HR-TEM serbuk tungsten trioksida dengan temperatur kalsinasi6000C dapat dilihat adanya agregasi dari unit-unit partikel dengan ukuran agregasisekitar 10-45 nm. Dari foto HR-TEM juga dapat dilihat arah pertumbuhan kristal yaitu(022),(020),dan (200) sesuai dengan jarak antar lapisannya.

• Terdapat 2 jenis pori yang diapatkan dari hasil BET, pada temperatur kalsinasi300ºC, 400ºC, 500ºC masuk kedalam mesopores, sedangkan pada temperaturkalsinasi 600ºC masuk kedalam macropores. Luas permukaan aktif dari sampel WO3semakin kecil dengan kenaikan temperatur kalsinasi.

Kesimpulan


Saran

•Melakukan uji EDX dan XRF untuk mengetahui unsur dan komposisi yangterkandung pada sampel.

•Melakukan uji XPS (X–ray photoelectron spectroscopy) untuk mendapatkankonduktivitas intrinsik dari ikatan.

•Pada saat pengujian DTA/TGA hendaknya ditambahkan aliran gas inert(Hidrogen/Nitrogen) pada chamber dimana sampel diletakkan, sehigga tidakada reaksi yang terjadi antara sampel dengan udara ruang.

•Menggunakan precursor yang tetap.

Jurusan Teknik Material dan Metalurgiurusan Teknik Material dan Metalurgi

Abdullah, S.F., Radiman, S., Abdul Hamid, M.A., dan Ibrahim, N. B., __. ” Studies on thephase transitions and properties of tungsten (VI) oxide nanoparticles by X-Raydiffraction (XRD) and thermal analysis”.

Breedon, M., Spizziri, P., Taylor., Pleissis J., McCulloh, D., Zhu, J.,Yu., Hu, Zheng., Rix, C.,Wlodarski, W., dan Kalantar-zadeh, K., 2010. “Synthetis of NanostructuredTungsten Oxide Thin Films: A Simple, Controllable, Inexpensive, Aqueous Sol-Gel Method”. Crystal Growth & Design Vol 10: 430-439.

Bushan, Bharat., 2003. ”Handbook of Nanotechnology”. London Paris Tokyo: Springer-Verlag New York Berlin Heidelberg.

Champaiboon, T., Ruangsuttinarupap, S., dan Supothina, S., 2008. “Efficiency enhancementof a tungsten oxide alcohol sensor”. CP16

Chris, 2008.”Bahan Baku Keramik”.Wordpress

Deepa M, Singh P,Sharma S.N., Agnihotry S.A.2006.” Effect of humidity on structure andelectrochromic properties of sol–gel-derived tungsten oxide films”.India :National Physical Laboratory, Dr. K.S. Krishnan Road, New Delhi 110012

Davis, M.J., Benito, G., Sheel, D.W., dan Pemble, M.E., ____. “Growth of Thin Films ofMolybdenum and Tungsten Oxides by Combustion Chemical VapourDeposition using Aqueous Precursor Solutions”.

Sumber

Jurusan Teknik Material dan Metalurgiurusan Teknik Material dan Metalurgi

Egerton, Ray F., 2005. “Physical Principles of Electron Microscopy: An Introduction to TEM,SEM, Haryo, Stefanus, 2011. “Pengaruh Kalsinasi Terhadap PembentukanNanopartikel Tungsten Trioksida Hasil Proses Sol-Gel”. Surabaya :Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Jurusan T. Material dan Metalurgi.

Husni,H.,2010.“Kalsinasi”,(http://belajarmetalurgi.blogspot.com/2010/11/kalsinasi.html).

Huirche Acuna R. *.2009. “Synthesis and characterization ofWO3 nanostructures preparedby an aged-hydrothermal method”.Mexico : Facultad de Ingeniería Química,Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.

Jiaguo Yu ,2008.” Effect of calcination temperatures on microstructures and photocatalyticactivity of tungsten trioxide hollow microspheres”.China: Wuhan University ofTechnology.

M. F. Daniel, B. Desbat, And J. C. Lassegues*.1986.” Infrared and Raman Study of W03Tungsten Trioxides and W03,xH2O Tungsten Trioxide Hydrates”, France :Laboratoire de Spectroscopic Znjiiarouge (UA 124 CNRS), Universite’ deBordeaux Z-351, Cours de la Lib&ration, 33405 Talence Cedex.

Sakka, S., 1980. “Handbook of Sol-gel Science and Technology: ProcessingCharacterization and Applications”. New York Boston DordrechtLondon Moscow: Kluwer Academic Publishers.

Sumber


Sugiyono, 2002. “Kaji Numerik Proses di Dalam Kalsiner”.Bandung : Institut TeknologiBandung.

Sun, Z., 2005. “Novel Sol-gel Nanoporous Materials, Nanocomposites and TheirApplications in Bioscience”. Drexel University.

Supothina, Sitthisuntorn., Panpailin Seeharaj, Sorachon Yoriya, Mana Sriyudthsak. 2006.“Synthesis of tungsten oxide nanoparticles by acid precipitationmethod”. Elsevier. Inc.

Tamaki,J. Z. Zhang, K. Fujimori, M. Akiyama, T. Harada, N. Miura,N. Yamazoe, “Grain-sizeeffects in tungsten oxide-based sensor for nitrogen oxides”, J. Electrochem.Soc. 141 (1994) 2207–2210.

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.

Sumber

LOGOLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO

Sintesa WO Nano Partikel dengan Metode Sol-gel dan Proses ... · karakteristik tertentu yang bisa...

Documents

Transcript of Sintesa WO Nano Partikel dengan Metode Sol-gel dan Proses ... · karakteristik tertentu yang bisa...