i

PERBANDINGAN METODE SINTESIS HKUST-1(HONG

KONG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY-1)

SERTA PENGARUH PENGEMBANAN LOGAM Fe

NANOPARTIKEL

Disusun oleh:

JONI HARTONO

M0312031

SKRIPSI

Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar

Sarjana Sains dalam bidang ilmu kimia

HALAMAN DEPAN

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

Desember, 2016

ii

iii

PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul

―PEBANDINGAN METODE SINTESIS HKUST-1 (HONG KON

UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY-1) SERTA

PENGARUH PENGEMBANAN LOGAM Fe NANOPARTIKEL”

adalah benar-benar hasil penelitian sendiri dan tidak terdapat karya yang pernah

diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di perguruan tinggi, dan sepanjang

pengetahuan saya pula tidak terdapat kerja atau pendapat yang pernah ditulis atau

diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini

dan disebutkan dalam daftar pustaka.

Surakarta, 2 Desember 2016

JONI HARTONO

iv

PEBANDINGAN METODE SINTESIS HKUST-1 (HONG KONG

UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY-1) SERTA PENGARUH

PENGEMBANAN LOGAM Fe NANOPARTIKEL

JONI HARTONO Program Studi Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,

Universitas Sebelas Maret, Jl. Ir. Sutami 36A, Surakarta 57126

ABSTRAK

Telah dilakukan sintesis HKUST-1 (Hong Kong University of Science

and Technology-1) dengan metode solvo/hidrotermal dan elektrokimia. Pada

metode solvo/hidrotermal digunakan ligan benzen 1,3,5-trikarboksilat dan

Cu(NO3)2.9H2O dalam pelarut campuran (EtOH:H2O (25 mL : 25 mL (v/v)) yang

direaksikan selama 12 jam pada suhu 120 oC. Sementara itu, sintesis HKUST-1

secara elektrokimia digunakan lempengan tembaga sebagai elektroda (7 cm (p) x

1,5 cm (l) x 0,5 (t)) yang diberikan tegangan 15 V pada suhu ambien, selama 90

menit dalam pelarut campuran (EtOH:H2O (1:1 (v/v)) dengan elektrolit TBATFB

(tetrabutyl ammonium tetrafluoroborate). HKUST-1 hasil sintesis kemudian

digunakan sebagai material penyangga aktif dalam pengembanan logam Fe

nanopartikel .

HKUST-1 hasil sintesis dari dua metode menunjukkan kesesuaian

dengan pola difraksi standar CCDC nomor 112954 dengan adanya puncak tajam

karakteristik HKUST-1 pada 2θ = 6,73o; 9,47

o dan 11,65

o. Hasil penghalusan

(refinement) juga menunjukkan kesesuaian dengan standar, tetapi metode

solvo/hidrotermal memiliki kemurnian yang lebih tinggi dengan tidak

ditemukannya puncak pengotor dari CuO maupun Cu2O dan sisa ligan H3BTC.

Hasil analisis menggunakan FTIR diperoleh pergeseran bilangan gelombang 1715

cm-1

pada ligan menjadi 1665 cm-1

pada HKUST-1. Hal ini mengindikasikan

adanya deprotonasi gugus karboksilat saat berikatan membentuk kompleks

dengan Cu(II). Rata-rata ukuran partikel HKUST-1 (hasil sintesis dengan metode

solvo/hidrotermal) 10,28 ± 1,58 µm dan 4,5 ± 1,6 µm (hasil sintesis dengan

metode elektrokimia). Termogram TGA dari HKUST-1 yang disintesis dengan

dua metode memperlihatkan kestabilan termal hingga mencapai 300 oC.

Keberhasilan pengembanan logam Fe nanopartikel diperlihatkan dengan

munculnya puncak Fe0 pada 2θ= 45

o tetapi dengan menggeser kisi kristal pada

HKUST-1 sesuai hasil XRD Fe@HKUST-1. Logam Fe (5 dan 10% berat) telah

behasil diiembankan pada HKUST-1 sesuai analisis SEM-EDX. Hail ini diperkuat

dengan analisis TEM yang menunjukkan Fe0 terdistribusi merata pada permukaan

dan pori HKUST-1.

Kata kunci: HKUST-1, solvo/hidrotermal, elektrokimia, Fe nanopartikel,

katalitik

v

SYNTHETIC METHOD COMPARISON OF HKUST-1(HONG KONG

UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY-1) AND THE STUDY

OF Fe METAL NANOPARTICLES ENCAPSULATION INTO HKUST-1

JONI HARTONO

Department of Chemistry, Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Sebelas

Maret University, Jl. Ir. Sutami 36A, Surakarta 57126

ABSTRACT

HKUST-1 (Hong Kong University of Science and Technology-1) has

been synthesized through solvo/hydrothermal and electrochemical methods. In the

solvo/hydrothermal conditon ligand benzene-1,3,5-tricarboxylic acid and

Cu(NO3)2.9H2O were dissolved in the solvent mixture of (EtOH:H2O (1:1 (v/v))

and heated at a temperature of 120 °C for 12 hours. While in electrochemical

synthesis of HKUST-1 two copper plates (with dimension (7 cm (w) x 1.5 cm (l)

x 0.5 (t)) were used as electrode under applied voltage of 15 V at ambient

temperature for 90 minutes in solvent mixture of (EtOH:H2O (1:1 (v/v)) with

TBATFB (tetrabutyl ammonium tetrafluoroborate) employed as electrolyte. The

obtained HKUST-1 was then used as host matrix for encapsulating Fe metal

nanoparticle.

X-ray diffractogram of synthesized HKUST-1 shows conformity with

the standard pattern (CCDC No 112954) in the presence of sharp peaks

characteristics of the HKUST-1 ie 2θ = 6.73o; 9.47

o and 11.65

o. The refinement

results show that HKUST-1 obtained from solvo/hydrothermal method has a

higher purity indicated by the absence of peaks corresponding to CuO and Cu2O

as impurities and the rest of unreacted ligand. FTIR spectra exhibits significant

shift from 1715 cm-1

(the ligands) into 1665 cm-1

at HKUST-1 corresponds to the

deprotonation of carboxylic acid groups. The average particle size of HKUST-1

obtained from solvo/ hydrothermal method is ca. 10.28 ± 1.58 µm, while under

electrochemical method is ca. 4.5 ± 1.6 µm. According to TG analysis, the both

synthesized HKUST-1 have thermal stability up to 300 °C. The success of Fe

metal loading into HKUST-1 were shown with diffractogram peak at 2θ = 45o

correspond to Fe0 peak. However, the presence of Fe tend to shif the crystal

lattice of HKUST-1 as shown by XRD analysis. TEM and SEM-EDX analyisis

further confirmed the successfull Fe metal particle (5 and 10 wt.%) distribution on

the surface and pores of HKUST-1.

Keywords: catalytic, electrochemistry, Fe nanoparticle, HKUST-1,

solvo/hydrothermal.

vi

MOTTO

Jangan pernah mempercayai sesuatu secara berlebih,dan jangan pernah

meremehkan sesuatu tersebut. Tapi itu tidak berlaku untuk TUHAN mu.

ALAH does not charge a soul except [with that within] its capacity. It will have

[the consequenceof] what [good] it has gained and it willbear [the consequence

of] what [evil] it has earned.

(Quran 2:286)

So be patient, Indeed the promise of ALLAH is truth.

(Quran 30:60)

No one saves us but ourselves. No one can and no one may. We ourselves must

walk the path

(Gautama Buddha)

Commit your works to the LORD and your plans will be established

(Bible Proverbs 16:3)

vii

PERSEMBAHAN

Tulisan kecil dibanding dunia ini kupersembahkan untuk:

1. TUHAN ku yang sangat menyayangiku, Allah SWT.

2. Manusia terbaik di dunia, Rasulullah SAW.

3. Ibu yang menanamkan displin untuk semua anaknya

4. Ibu yang membesarkan dan mendoakan kebaikan anaknya

dengan semua kasih sayangnya

5. Ibu yang memperjuangkan anaknya dengan segala

usahanya

6. Alm Bapak,kelima kakak-kakakku dan adikku tercinta

7. Laki-laki terhebat yang mau memperjuangkan darah daging

orang lain, Bapak tiriku

viii

KATA PENGANTAR

Puji Syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT., atas nikmat iman, sehat,

kesempatan, serta ilmu pengetahuan yang telah diberikan kepada penulis sehingga

skripsi ini dapat terselesaikan. Penelitian skripsi yang berjudul ―Pebandingan

Metode Sintesis dan Uji Katalitik HKUST-1 serta Pengaruh Pengembanan Logam

Fe Nanopartikel‖ ini tidak akan selesai tanpa bantuan dari berbagai pihak. Oleh

sebab itu, penulis mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada:

1. Dr. rer. nat. Witri Wahyu Lestari M.Sc selaku Pembimbing 1 atas bimbingan,

dorongan, arahan, ilmu dan nasehat yang sangat bermanfaat bagi penulis.

2. Dr. Triana Kusumaningsih, M. Si selaku Pembimbing 2 dan juga sebagai

Kepala Prodi Kimia FMIPA UNS atas bimbingan, dorongan, arahan, ilmu

dan nasehat yang sangat bermanfaat bagi penulis.

3. Dr. Desi Suci Handayani, M.Si selaku Pembimbing Akademis

4. Dr. Khoirina Dwi Nugrahaningtyas, M. Si selaku Kepala Laboratorium Kimia

FMIPA UNS.

5. Bapak dan Ibu dosen Prodi FMIPA UNS yang telah membagi ilmunya.

6. Ibuku tercinta Mudjiati, Bapakku tercinta Heryanto (Alm), Bapak Tiriku

terhebat Agus Triono,Kakak-kakakku tersayang Agus Hariono, Hari

Pramono, Heru Prasetyo, Desi Maryati, dan Adikku Siti M. Rikha serta

keluarga saya yang tidak pernah lelah memberikan kasih sayang dan

dukungan.

7. Sahabat-sahabat terbaik yang pernah saya kenal (Nurma Kasa , Gesti Karina,

Nikita Yamasita, Hidayatul, Maria Arvina, Rahmat J.E.S, Syaiful Ahmad,

Rizky Mahdia Istha, Karina Tegarwati, Frilia dan Respati )

Penulis menyadari skripsi ini jauh dari kata sempurna, sehingga penulis

mengharapkan kritik maupun saran yang membangun demi kesempurnaan skripsi

ini. Penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi siapa saja dimasa yang

akan datang.

Surakarta, 23 November 2016

Joni Hartono

ix

DAFTAR ISI

HALAMAN DEPAN ................................................................................................ i

HALAMAN PENGESAHAN .................................................................................. ii

PERNYATAAN ....................................................................................................... iii

HALAMAN ABSTRAK .......................................................................................... iv

HALAMAN ABSTRACT .......................................................................................... v

MOTTO .................................................................................................................... vi

PERSEMBAHAN ..................................................................................................... vii

KATA PENGANTAR .............................................................................................. viii

DAFTAR ISI ............................................................................................................. ix

DAFTAR TABEL ..................................................................................................... xii

DAFTAR GAMBAR ................................................................................................ xiii

DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................................. xiv

DAFTAR SINGKATAN .......................................................................................... xv

BAB I PENDAHULUAN ......................................................................................... 1

A. Latar Belakang .............................................................................................. 1

B. Perumusan Masalah ...................................................................................... 3

1. Identifikasi Masalah .......................................................................... 3

2. Batasan Masalah ............................................................................... 5

3. Rumusan Masalah ............................................................................. 6

C. TUJUAN ....................................................................................................... 6

D. MANFAAT ................................................................................................... 7

BAB II LANDASAN TEORI ................................................................................... 8

A. TINJAUAN PUSTAKA ............................................................................... 8

1. Pengertian dan Aplikasi Metal-Organic Frameworks (MOFs) ........ 8

2. Kajian Struktur HKUST-1 dan Aplikasinya sebagai Katalis ............ 10

3. Sintesis HKUST-1 dengan Metode Solvo/hidrotermal ..................... 12

4. Sintesis HKUST-1 dengan Metode Elektrokimia ............................. 16

5. Enkapsulasi Logam Fe nanopartikel pada HKUST-1 ....................... 18

6. Potensi MOFs sebagai Katalis .......................................................... 19

x

7. Karakteristik Material ....................................................................... 21

7.1 X-Ray Difraction (XRD) ................................................. 21

7.2 Scanning Electron Microscopy (SEM) ........................... 23

7.3 Thermal Gravimetry Analisyst (TGA) ............................ 24

7.4 Surface Area Analyzer (SAA) ......................................... 26

7.5 Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) ......... 28

B. KERANGKA PEMIKIRAN .......................................................................... 30

C. HIPOTESA ..................................................................................................... 33

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ................................................................. 34

A. METODE PENELITIAN .............................................................................. 34

B. WAKTU DAN TEMPAT ............................................................................. 34

C. ALAT DAN BAHAN ................................................................................... 35

D. PROSEDUR PENELITIAN ......................................................................... 36

1. Sintesis HKUST-1 .................................................................................. 36

a. Metode Solvohidrotermal ................................................................. 36

b. Metode Elektrokimia ........................................................................ 37

2. Proses Scalling-up dan Enkapsulasi Metal Fe nanopartikel dengan

metode imprenasi basah .......................................................................... 38

E. TEKNIK PENGUMPULAN DATA ............................................................ 38

F. TEKNIK ANALISA DAN PENYIMPULAN AKHIR ................................ 39

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .................................................................. 41

A. HKUST-1 DENGAN METODE SOLVO/HIDROTERMAL DAN

METODE ELEKTROKIMIA ..................................................................... 41

1. Hasil Sintesis HKUST-1 dengan Metode Solvo/hidrotermal dan

Metode Elektrokimia ............................................................................. 41

2. Karakterisasi .......................................................................................... 44

2.1 Karakterisasi dengan XRD .............................................................. 44

2.2 Karakterisasi dengan FTIR .............................................................. 48

2.3 Karakterisasi dengan SEM .............................................................. 49

2.4 Karakterisasi dengan TGA .............................................................. 51

2.5 Karakterisasi dengan SAA .............................................................. 53

xi

B. KARAKTERISASI Fe@HKUST-1 ............................................................... 55

1. Karakterisasi dengan XRD .................................................................... 55

2. Karakterisasi dengan TEM dan SEM-EDX .......................................... 57

BAB V PENUTUP ................................................................................................... 60

A. KESIMPULAN ............................................................................................ 60

B. SARAN ......................................................................................................... 60

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................... 61

LAMPIRAN .............................................................................................................. 73

xii

DAFTAR TABEL

TABEL 1. KARAKTERISTIK PORI DAN LUAS PERMUKAAN HKUST-1 .. 13

TABEL 2. POTENSI MOFs SEBAGAI KATIS ASAM-BASA (REDOKS) ...... 20

TABEL 3. HASIL RENDEMEN SINTESIS HKUST-1 ..................................... 42

TABEL 4. HASIL PENGHALUSAN HKUST-1 ................................................ 47

TABEL 5. HASIL PERHITUNGAN LUAS PERMUKAAN HKUST-1 ........... 54

xiii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. Pembentukan MOFs secara self-assembly ........................................ 9

Gambar 2. Contoh Struktur 3D MOFs ................................................................ 10

Gambar 3. Struktur HKUST-1 ............................................................................ 11

Gambar4. Perubahan Bilangan Koordinasi Atom Pusat Ditandai dengan

Perubahan Warna HKUST-1 ................................................................. 12

Gambar 5. Skema Reaksi SintesisHKUST-1 Metode Solvo/hidrotermal ........... 16

Gambar 6. Tiga Kemungkinan Posisi Logam Teremban .................................... 19

Gambar 7. Ilustrasi Difraksi Sinar-X pada XRD ................................................ 21

Gambar 8. Pola Difraksi X-Ray HKUST-1 ......................................................... 22

Gambar 9. Diagram Skematik Fungsi Dasar dan Cara Kerja SEM .................... 23

Gambar 10. Hasil SEM lapisan HKUST-1 ......................................................... 24

Gambar 11. Kurva TGA/DT HKUST-1 .............................................................. 25

Gambar 12. Tipe Grafik Adsorpsi Isotherm ........................................................ 27

Gambar 13. Adsorpsi Isotherm HKUST-1 .......................................................... 28

Gambar 14. Spektra FTIR dari HKUST-1 .......................................................... 29

Gambar 15. Skema Sintesis HKUST-1 Solvo/hidrotermal ................................. 36

Gambar 16. Perbedaan Warna Kristal HKUST-1 ............................................... 43

Gambar 17. Warna HKUST-1 Sebelum dan Sesudah Aktivasi .......................... 44

Gambar 18. Difraktogram HKUST-1 .................................................................. 45

Gambar 19. Spektra FTIR HKUST-1 .................................................................. 48

Gambar 20. Pencitraan SEM HKUST-1 ............................................................. 50

Gambar 21. Termogram HKUST-1 ..................................................................... 51

Gambar 22. Grafik Hasil Karakterisasi HKUST-1 dengan SAA ........................ 53

Gambar 23. Difraktogram Fe@HKUST-1 .......................................................... 55

Gambar 24. Pencitraan Fe@HKUST-1 dengan TEM ......................................... 57

Gambar 25. Pencitraan Fe@HKUST-1 variasi 5% dengan SEM-EDX .............. 58

Gambar 26. Pencitraan Fe@HKUST-1 variasi 10%dengan SEM-EDX ............. 58

xiv

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Perhitungan rendemen HKUST-1 ............................................. 73

Lampiran 2. Standart JCPDS dan CCDC HKUST-1; H3BTC; CuO

dan Fe0 ....................................................................................... 74

Lampiran 3. Hasil Refinement HKUST-1 Metode Elektrokimia ................... 76

Lampiran 4. Hasil Refinement HKUST-1 Metode Solvo/hidrotermal ........... 77

Lampiran 5. Hasil Refinement Fe@HKUST-1 .............................................. 77

Lampiran 6. Hasil Perhitungan SEM HKUST-1 Metode Solvo/hidrotermal

dan Elektrokimia ...................................................................... 78

Lampiran 7. Hasil Perhitungan Sebaran Ukuran Partikel HKUST-1 ............ 79

Lampiran 8. Perhitungan nilai n pada dekomposisi hidrat HKUST-1

pada Solvo/hidrermal................................................................. 82

Lampiran 9. Perhitungan nilai n pada dekomposisi hidrat HKUST-1

pada Solvo/hidrermal................................................................. 83

Lampiran 10. Hasil Perhitungan Impregnasi Fe nanopartikel yang

diembankan................................................................................ 84

xv

DAFTAR SINGKATAN

TMA : Three Methyl Acid

BET : Brunaeur-Emmett-Teller

CCDC : Cambridge Crystallographic Data Centre

DMF : N-N Dimethyl Formamide

EtOH : Etanol

FTIR : Fourier Transform Infra Red

H3BTC : 1,3,5 Benzene Tricarboxylate Acid

HKUST-1 : Hong Kong University of Science and

Technology-1

Fe@HKUST-1 : Logam Fe nanopartikel yang teremban dalam

HKUST-1

ICSD : Inorganic Crystal Structure Database

JCPDS : Joint Comittee on Powder Diffraction Standarts

MeOH : Metanol

MIL-53(Ga) : Material of Institute Lavoisier-53(Ga)

MIL-100(Al) : Material of Institute Lavoisier-100(Al)

MIL-101(Cr) : Material of Institute Lavoisier-101(Cr)

MOFs : Metal-Organic Frameworks

MOF-5 : Metal-Organic Framework-5

MOF-48 : Metal-Organic Frameworks-48

SAA : Surface Area Analyzer

SEM-EDX : Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive

X-Ray

TBATFB : Tetrabutylammoniumtetrafluoroborate

TGA : Thermo Gravimetric Analysis

xvi

XRD : X-Ray Diffraction

ZIF-8 : Zeolitic Imidazolate Frameworks-8