SINTESIS NANOPARTIKEL MAGNETIT SECARA KOPRESIPITASI

DAN KONVERSINYA MENJADI MAGHEMIT SERTA UJI

KATALITIKNYA PADA OKSIDASI RHODAMIN B

Meyga Evi Ferama Sari, Fauziatul Fajaroh, dan Sutrisno

Jurusan Kimia, FMIPA, Universitas Negeri Malang

E-mail: me2y_nightmare@yahoo.com; fau_kim_um@yahoo.co.id;

tris_chemum@yahoo.com

ABSTRAK: Sintesis nanopartikel magnetit secara kopresipitasi dan konversinya

menjadi maghemit dilaporkan. Magnetit hasil sintesis berupa serbuk berwarna

hitam. Nanopartikel maghemit hasil oksidasi magnetit berupa serbuk coklat

kemerahan. Analisis XRD menunjukkan magnetit hasil sintesis sesuai dengan

referensi JCPDS Card No. 19-629 dan JCPDS Card No. 39-1346 untuk

maghemit. Diameter partikel rata-rata magnetit dan maghemit berturut-turut

adalah 10,28 nm serta 14,06 nm. Daya katalitik nanopartikel magnetit lebih besar

daripada maghemit dalam mengkatalisis reaksi oksidasi rhodamin B oleh

hidrogen peroksida.

Kata kunci: nanopartikel, magnetit, maghemit, oksidasi rhodamin B, katalis

ABSTRACT: Synthesis of magnetite nanoparticles and it’s convertion to

maghemite have been reported. Magnetite nanoparticles was generated as black

powders. The result of magnetite nanoparticles oxidation was maghemite as

reddish brown powders. XRD analysis showed that magnetite appropriate with

reference JCPDS Card No. 19-629 and JCPDS Card No. 39-1346 for maghemite.

The average diameter of magnetite’s and maghemite’s particles is 10.28 nm and

14.06 nm. The catalytics performace of magnetite nanoparticles in oxidation of

rhodamine B is higher than maghemite nanoparticles.

Key words: nanoparticles, magnetite, maghemite, oxidation of rhodamine B, catalyst

PENDAHULUAN

Aplikasi nanopartikel diberbagai bidang menarik untuk terus diteliti dan

dikembangkan. Metode kopresipitasi merupakan salah satu metode sintesis

nanopartikel yang banyak dipilih karena sederhana, tidak membutuhkan peralatan

yang canggih, relatif murah, menjanjikan rendemen yang memadai, dan dapat

dilakukan pada temperatur kamar. Macam-macam garam dipakai untuk sintesis

magnetit secara kopresipitasi. Wu dkk. (2006) berhasil mensintesis nanopartikel

magnetit secara kopresipitasi dengan menggunakan campuran garam FeCl3 dan

FeCl2 sebagai pereaksi dengan perbandingan mol 2:1. Pengendapan bersama

terjadi secara stoikiometris pada metode kopresipitasi dengan persamaan reksi:

Fe2+

(aq) + 2 Fe3+

(aq) + 8 OH-(aq)

Fe3O4(s) + 4 H2O(l) (1)

Diameter partikel rata-rata yang dihasilkan oleh Wu dkk. (2006) adalah 2-4 nm. El

Ghandoor dkk. (2012) juga berhasil mensintesis nanopartikel magnetit secara

kopresipitasi dengan menggunakan campuran larutan FeCl3 dan (NH4)2Fe(SO4)2

sebagai pereaksi. Magnetit yang didapatkannya memiliki diameter partikel rata-

rata 10-10,59 nm. Data tersebut melaporkan bahwa karakter magnetit dipengaruhi

oleh parameter proses sintesis, antara lain jenis dan konsentrasi pereaksi, serta

kondisi proses.

Berbagai metode juga dilakukan untuk sintesis nanopartikel maghemit,

salah satunya melalui oksidasi lambat dari magnetit. Proses ini berlangsung lebih

cepat pada temperatur yang lebih tinggi, yakni melalui pemanasan hingga

temperatur 230-380 oC (Cornell & Schwertmann, 2003) dengan persamaan reaksi:

2 Fe3O4(s) + ½ O2(g) 3 γ-Fe2O3(s) (2)

Magnetit hasil kopresipitasi dengan menggunakan pasir besi sebagai bahan baku,

menurut Aji dkk. (2007), dapat dikonversi menjadi maghemit pada temperatur 300 oC. Menurut Li dkk. (2009), magnetit yang disintesis dengan cara kopresipitasi

dapat dikonversi menjadi maghemit dengan pemanasan pada temperatur 250 oC.

Berdasarkan uraian tersebut, dapat disimpulkan bahwa konversi magnetit menjadi

maghemit melalui pemanasan dipengaruhi oleh karakter magnetit yang digunakan

sebagai bahan baku.

Salah satu sisi menarik lain dari magnetit dan maghemit adalah

kemampuannya sebagai katalis heterogen. Berkaitan dengan peran katalis

heterogen dalam suatu reaksi, maka semakin luas permukaannya, makin banyak

sisi aktif di permukaannya, sehingga makin besar daya katalitiknya. Karakter

tersebut yang diunggulkan dalam aplikasi nanopartikel magnetit dan maghemit

sebagai katalis. Selain itu sifat, magnetit dan maghemit yang magnetik

mempermudah isolasi katalis dari sistem setelah proses katalisis berlangsung,

sehingga dapat digunakan kembali.

Limbah cair yang masih memerlukan perhatian cukup besar adalah limbah

zat warna, salah satunya rhodamin B. Rhodamin B banyak digunakan dalam

industri tekstil, sehingga limbahnya berpotensi mencemari lingkungan. Limbah

rhodamin B dapat meghalangi penetrasi sinar matahari di perairan sehingga

kehidupan biota air terganggu. Selain itu, rhodamin B sangat berbahaya jika

masuk ke dalam tubuh manusia karena sifatnya yang toksik dan karsinogenik.

Oleh sebab itu, upaya remidiasi rhodamin B perlu dilakukan.

Salah satu cara pengolahan limbah rhodamin B yang dapat dilakukan

adalah mengoksidasinya dengan hidrogen peroksida (Xue dkk., 2009). Oksidasi

dengan menggunakan hidrogen peroksida merupakan salah satu cara yang ramah

lingkungan karena produk dekomposisisnya berupa air dan oksigen. Xue dkk.

(2009) menggunakan magnetit dan Ai dkk. (2007) memakai Fe dilapisi Fe2O3

yang disebut Fe@Fe2O3 sebagai katalis pada proses remidiasi rhodamin B oleh

hidrogen peroksida. Xue dkk. (2009) menggunakan nanopartikel magnetit yang

diperoleh secara komersial, sedangkan Ai dkk. (2010) mensintesis Fe@Fe2O3

melalui reduksi larutan besi(III) klorida. Penelitian ini menggunakan nanopartikel

magnetit dan maghemit sebagai katalis heterogen untuk oksidasi rhodamin B.

METODE

Alat dan Bahan

Alat-alat yang digunakan adalah gelas kimia, spatula, batang pengaduk,

neraca analitik, gelas ukur, pipet tetes, pengaduk magnet, penangas listrik, corong

kaca, oven, mortar, pastel, pipet ukur, labu ukur, kertas saring, indikator universal,

kertas lakmus merah dan biru, botol semprot, gelas arloji, centrifuge, erlenmeyer,

pengaduk mekanik, spektronik 20 (Genesys), TG-DTA, XRD (Panalytical Xpert

Pro), dan BET (Nova 1200 Quantachrome). Bahan-bahan yang digunakan adalah

aqua demineralisasi, serbuk rhodamin B, natrium hidroksida, besi(II) sulfat

heptahidrat, besi(III) klorida anhidrat, air, hidrogen peroksida 30%, etanol 96%,

asam klorida 36%, dan air kapur. Semua bahan yang digunakan dalam kategori

p.a yang diproduksi oleh Merck, kecuali aqua demineralisasi (Hydrobatt), air, dan

air kapur.

Eksperimen

Sintesis Nanopartikel Magnetit

Sebanyak 8 mL larutan besi(III) klorida 1 M dicampur dengan 8 mL

larutan besi(II) sulfat 0,5 M, kemudian diaduk hingga campuran homogen.

Campuran ditambahkan tetes demi tetes pada 50 mL larutan natrium hidroksida

1,5 M sambil diaduk dengan pengaduk magnet. Endapan hitam yang diperoleh

disaring dan dicuci hingga pH air cucian sama dengan pH air yang digunakan

untuk mencuci. Residu yang diperoleh dikeringkan dalam oven pada temperatur

60-65oC selama 3 jam. Endapan kering berwarna hitam kemudian ditumbuk dan

dikarakterisasi melalui pengamatan fisik, XRD, BET, dan TG-DTA.

Sintesis Nanopartikel Maghemit

Sebanyak 1,00 gram magnetit hasil sintesis dipanaskan dalam tanur pada

temperatur 200oC selama 2 jam, setelah itu dikarakterisasi melalui pengamatan

fisik, XRD dan BET.

Penentuan Jumlah Hidrogen Peroksida Sebanyak 50 mL larutan rhodamin B 3 ppm direaksikan dengan hidrogen

peroksida 30% pada variasi volume 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; dan 1,4 mL sambil

diaduk. Absorbansi larutan rhodamin B diukur pada 553 nm setelah reaksi

berlangsung selama 24 jam. Data absorbansi yang diperoleh diolah menjadi data

persentase oksidasi dengan rumus:

% oksidasi (O) = {1- At

A0} × 100 % (1)

Uji Katalitik Nanopartikel Magnetit dan Maghemit pada Reaksi Oksidasi

Rhodamin B

Oksidasi tanpa Katalis. Sebanyak 50 mL larutan rhodamin B 3 ppm direaksikan

dengan 1 mL hidrogen peroksida 30% sambil diaduk. Absorbansi larutan

rhodamin B diukur pada 553 nm setiap jam selama 5 jam proses oksidasi.

Oksidasi dengan Katalis. Sebanyak 0,05 gram magnetit hasil sintesis dicampur

dengan 50 mL larutan rhodamin B 3 ppm, kemudian campuran diaduk selama 90

menit. Setelah itu, ke dalam campuran tersebut ditambahkan 1 mL larutan

hidrogen peroksida 30% dan pengadukan dilakukan kembali. Setelah 1 jam,

campuran di-centrifuge dan supernatan diukur absorbansinya pada 553 nm.

Supernatan yang telah diukur absorbansinya dan endapan dalam tabung centrifuge

dikembalikan lagi pada sisa campuran. Pengukuran dilakukan setiap jam selama 5

jam proses oksidasi berlangsung. Oksidasi dengan katalis maghemit dilakukan

dengan prosedur yang sama. Pengambilan data untuk oksidasi tanpa dan dengan

katalis dilakukan sebanyak 2 kali. Masing-masing data absorbansi dirata-rata dan

diolah menjadi persentase oksidasi dengan menggunakan rumus (1).

(b) (a)

Inte

nsi

tas

25 30 35 40 45 50 55 60 65

0

20

40

60

80

100

120

25 30 35 40 45 50 55 60 65

(220)

(311)

(222)

(400)

(422)

(511)

(440)

2

Identifikasi Senyawa Hasil Oksidasi Rhodamin B

Gas karbon dioksida diidentifikasi dengan cara mengalirkan gas yang

dihasilkan saat proses oksidasi larutan rhodamin B pada air kapur. Gas amonia

diidentifikasi dengan cara menempelkan kertas lakmus merah basah pada mulut

erlenmeyer saat reaksi oksidasi rhodamin B berlangsung.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Sintesis dan Karakterisasi Nanopartikel Magnetit

Hasil Pengamatan

Berdasarakan pengamatan, hasil kopresipitasi berupa serbuk hitam, tidak

larut dalam etanol, dan bereaksi asam klorida. Reaksi yang terjadi pada

pembentukan magnetit ditunjukkan pada persamaan reaksi (1).

Analisis XRD Analisis XRD dilakukan untuk membuktikan zat hasil sintesis memang

benar magnetit. Spektrum XRD diberikan pada Gambar 1.

Berdasaran Gambar 1, tampak kesesuaian antara spektrum XRD hasil sintesis dan

referensi, sehingga dapat dibuktikan bahwa zat hasil sintesis merupakan magnetit.

Berdasarkan pengamatan, pada spektrum XRD magnetit hasil sintesis, puncak

disekitar 2θ 37o (hkl (222)) tidak tampak. Hal ini disebabkan puncak yang muncul

memiliki intensistas yang rendah dan tertutup oleh noise yang ada, sehingga

diduga magnetit hasil sintesis kurang murni.

Analisis BET (Brunauer Emmett Teller)

Analisis BET dilakukan untuk mengetahui diameter partikel rata-rata.

Hasil karakterisasi BET menunjukkan serbuk magnetit memiliki luas permukaan

spesifik sebesar 112,701 m2/g. Diasumsikan partikel berbentuk bola, tidak

berpori, dan densitas magnetit adalah 5,18 gram/cm3, maka berdasarkan

perhitungan, diperoleh diameter partikel rata-rata magnetit sebesar 10,28 nm.

Berdasarkan hal tersebut, maka magnetit yang disintesis tergolong nanomaterial

karena memiliki diameter partikel rata-rata kurang dari 100 nm.

Gambar 1 (a) Spektrum XRD Magnetit (JCPDS Card No. 19-629) dan

(b) Spektrum XRD Magnetit Hasil Sintesis

Analisis TG-DTA (Thermogravimetric-Differential Thermal Analyis)

Analis TG-DTA dilakukan untuk mengetahui temperatur oksidasi magnetit

menjadi maghemit melalui pemanasan. Hasil karakterisasi TG-DTA diberikan

pada Gambar 2.

Gambar 2 Hasil Karakterisasi TG-DTA

Berdasarkan hasil analisis TG-DTA, dapat dijelaskan magnetit dapat

dioksidasi menjadi maghemit pada temperatur 200 oC. Hal ini dapat dilihat pada

kurva DTA. Jika titik ditengah-tengah kurva eksotermik pada kurva DTA

diplotkan terhadap kurva temperatur, maka diperoleh temperatur oksidasi, yaitu

sekitar 200 oC. Temperatur inilah yang digunakan sebagai dasar oksidasi magnetit

menjadi maghemit pada penelitian.

Sintesis dan Karakterisasi Nanopartikel Maghemit

Hasil Pengamatan Fisik

Nanopartikel magnetit yang telah dipanaskan pada temperatur 200 oC

selama 2 jam, memberikan produk berupa serbuk coklat kemerahan, tidak larut

dalam etanol, dan bereaksi dengan asam klorida. Berdasarkan fakta yang diamati,

serbuk coklat kemerahan dindikasikan magnetit telah berubah menjadi maghemit

dengan persamaan reaksi 2.

Analisis XRD

Analisis XRD digunakan untuk membuktikan serbuk coklat kemerahan

memang merupakan maghemit. Spektrum XRD maghemit diberikan pada Gambar

3.

Kurva temperatur

Kurva TG

Kurva DTA

Gambar 3 (a) Spektrum XRD Maghemit (JCPDS Card No. 39-1346) dan

(b) Spektrum XRD Maghemit Hasil Pemanasan Magnetit

Inte

nsi

tas

25 30 35 40 45 50 55 60 65

(440)

(511)

(422)

(222)

(311)

(220)

(400)

2

25 30 35 40 45 50 55 60 65

0

50

100

150

200

250

2

Berdasarkan Gambar 3, terdapat kesesuaian antara spektrum XRD

maghemit hasil sintesis dengan referensi JCPDS Card No. 39-1346. Puncak

dengan nilai 2θ sekitar 37o tidak tampak pada spektrum XRD hasil sintesis. Hal

ini disebabkan puncak yang muncul memiliki intensistas yang rendah dan tertutup

oleh noise yang ada, sehingga diduga maghemit hasil sintesis kurang murni.

Berdasarkan hasil anaisis XRD, dilaporkan bahwa zat hasil sintesis memang benar

maghemit. Hal ini didukung oleh adanya pergeseran 2θ ke nilai yang lebih besar

jika dibandingkan dengan nilai 2θ pada XRD magnetit seperti pada Gambar 4 dan

Tabel 1. Pergeseran nilai 2θ kenilai yang lebih besar disebabkan nilai a (panjang

unit sel) magnetit lebih besar daripada maghemit. Magnetit memiliki a sebesar

8,39 Å sedangkan maghemit adalah 8,34 Å. Makin besar a maka 2θ yang

terbentuk makin kecil dan sebaliknya. Spektrum XRD magnetit dan maghemit

yang identik dikarenakan keduanya memiliki sel satuan kubus berpusat muka

(Cornell & Schwertmann, 2003).

Gambar 4 Perbandingan spektrum XRD Magnetit dan Maghemit Hasil Sintesis

25 30 35 40 45 50 55 60 65

2

Maghemit

Magnetit

(a) (b)

Tabel 1 Perbandingan Nilai 2θ Magnetit dan Maghemit Hasil Sintesis

Magnetit Maghemit

30,1460o 30,2112

o

35,5052o 35,6510

o

37,0518o 37,3016

o

43,2817o

53,7755o

57,1753o

62,8520o

43,3731o

53,8600o

57,2200o

62,9734o

Analisis BET (Brunauer Emmett Teller)

Hasil BET meunjukkan bahwa serbuk maghemit memiliki luas permukaan

spesifik sebesar 87,616 m2/g. Partikel diasumsikan berbentuk bola, tidak berpori

dan memiliki densitas 4,87 gram/ cm3. Berdasarkan perhitungan, diperoleh

diameter partikel rata-rata maghemit hasil sintesis sebesar 14,06 nm. Berdasarkan

hal tersebut, dapat dilaporkan bahwa maghemit memiliki diameter partikel rata-

rata yang lebih besar daripada magnetit. Hal ini disebabkan proses oksidasi

magnetit menjadi maghemit pada temperatur 200 °C menyebabkan partikel-

partikelnya membesar sehingga jarak antar partikel makin rapat. Hal tersebut

menyebabkan luas permukannya juga mengecil. Maghemit yang disintesis juga

tergolong nanomaterial karena memiliki diameter partikel rata-rata kurang dari

100 nm.

Uji Katalitik Nanopartikel Magnetit dan Magnemit pada Oksidasi

Rhodamin B

Uji katalitik nanopartikel magnetit dan maghemit diawali dengan

penentuan jumlah larutan hidrogen peroksida 30%. Penentuan jumlah larutan

hidrogen peroksida 30% dilakukan dengan mengamati perubahan nilai absorbansi

larutan rhodamin B. Data absorbansi kemudian diolah menjadi persentase oksidasi

ditunjukkan pada Tabel 2. Berdasarkan Tabel 2, diperoleh jumlah larutan

hidrogen peroksida yang memberikan persentase oksidasi paling tinggi adalah 1

mL dan digunakan untuk tahap selanjutnya.

Tabel 2 Persentase Oksidasi pada Penentuan Jumlah Larutan Hidrogen Peroksida 30%

Volume H2O2 30% % Oksidasi

0,4 mL 59,895%

0,6 mL 62,697%

0,8 mL 63,398%

1,0 mL 70,403%

1,2 mL 69,527%

1,4 mL 65,674%

Tahap selanjutnya, nanopartikel magnetit dan maghemit hasil sintesis

diaplikasikan sebagai katalis dalam oksidasi rhodamin B oleh larutan hidrogen

peroksida 30%. Data absorbansi pada oksidasi tanpa dan dengan katalis

dibandingkan serta diolah menjadi persentase oksidasi yang diberikan pada Tabel

3.

Fe3O4

γ-Fe2O3

Tabel 3 Data Perbandingan Persentase Oksidasi tanpa dan dengan Katalis

Jam ke- Tanpa Katalis Dengan Katalis

Magnetit

Dengan Katalis

Maghemit

0 0,000% 0,000% 0,000%

1 9,107% 15,236% 14,711%

2 13,135% 22,942% 17,688%

3 19,615% 31,699% 22,942%

4 24,343% 39,405% 28,722%

5 29,247% 43,433% 32,224%

Berdasarkan Tabel 3, oksidasi dengan katalis menghasilkan persentase

oksidasi yang lebih tinggi daripada oksidasi tanpa katalis. Oksidasi menggunakan

katalis magnetit menghasilkan persentase oksidasi yang lebih besar dibandingkan

menggunakan katalis maghemit. Hal ini disebabkan luas permukaan magnetit

lebih besar daripada maghemit (magnetit = 112,701 m2/g, maghemit = 87,616

m2/g). Jika luas permukaan suatu katalis makin besar, maka daya katalitiknya juga

makin besar. Berdasarkan pengamatan, muncul gelembung gas saat proses

oksidasi. Campuran hasil oksidasi memiliki pH 7 yang dibuktikan dengan

indikator universal dan tidak berubahnya warna kertas lakmus merah maupun

biru. Berdasarkan hal tersebut, reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut dengan

R dinyatakan sebagai rhodamin B:

R(aq) + H2O2(aq) R teroksidasi(aq) + H2O(l) + O2(g)

R(aq) + H2O2(aq) R teroksidasi(aq) + H2O(l) + O2(g)

Berdasarkan persamaan reaksi tersebut, gelembung gas yang muncul

diidentifikasi sebagai gas oksigen. Terbentuknya air mengakibatkan volume

pelarut bertambah. Hal ini juga menjadi faktor penyebab menurunnya nilai

absorbansi (persentase oksidasi meningkat).

Identifikasi Senyawa Hasil Oksidasi Rhodamin B

Berdasarkan pengamatan, gas hasil oksidasi tidak mengeruhkan air kapur

dan tidak merubah warna kertas lakmus merah basah. Hal ini menunjukkan bahwa

zat hasil oksidasi tidak menghasilkan gas karbon dioksida dan amonia.

Berdasarkan fakta tersebut, oksidasi rhodamin B oleh hidrogen peroksida tidak

berlangsung sempurna baik tanpa maupun dengan katalis.

PENUTUP

Nanopartikel magnetit hasil kopresipitasi berupa serbuk hitam dengan

diameter partikel rata-rata 10,28 nm. Nanopartikel maghemit hasil oksidasi

magnetit berupa serbuk coklat kemerahan dengan diameter partikel rata-rata 14,06

nm. Daya katalitik nanopartikel magnetit dalam mengkatalisis reaksi oksidasi

larutan rhodamin B oleh hidrogen peroksida lebih besar dibandingkan maghemit.

DAFTAR RUJUKAN

Aji, M.P., Yulianto, A. & Bijaksana, S. 2007. Sintesis Nanopartikel Magnetit,

Maghemit dan Hematit dari Bahan Lokal. Jurnal Sains Materi Indonesia,

Edisi Khusus Oktober: 106-108.

Ai, Z., Lu, L., Li, J., Zhang, L., Qiu, J. & Wu, M. 2007. Fe@Fe2O3 Core-Shell

Nanowires as Iron Reagent. 1. Efficient Degradation of Rhodamine B by a

Novel Sono-Fenton Process. J. Phys. Chem. C, 111: 4087-4093.

Cornell, R.M. & Schwertmann, U. 2003. The Iron Oxides: Structure, Properties,

Reactions, Occurences and Uses. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH

& Co.KgaA.

El Ghandoor, H., Zidan, H.M., Khalil, M.M.H. & Ismail, M.I.M. 2012. Synthesis

and Some Physical Properties of Magnetite (Fe3O4) Nanoparticles.

International Journal of Electrochemical Science, 7: 5734-5745.

Li, J.H., Hong, R.Y., Li, H.Z., Ding, J., Zheng, Y. & Wei, D.G. 2009. Simple

Synthesis and Magnetic Properties of Fe3O4/BaSO4 Multi-core/shell

Particles. Materials Chemistry and Physics, 113: 140-144.

Wu, J., Ko, S.P., Liu, H., Kim, S., Ju, J. & Kim, Y.K. 2006. Sub 5 nm Magnetite

Nanoparticles: Synthesis, Microstructure, and Magnetic Properties.

Materials Letters, 61: 3124-3129.

Xue, X., Hanna, K. & Deng, N. 2009. Fenton-like Oxidation of Rhodamine B in

The Presence of Two Types of Iron (II, III) Oxide. Journal of Hazardous

Materials, 166: 407-414.