p~ s ,. N~ 'rI~ N~ ~ x I(,. 3, ISSN 1410-7696

PERUBAHAN KONDUKTIFITAS LISTRIK, STRUKTUR,DAN W ARNA BAHAN SISTEM Ag- V-O

N anik Indayaningsih

Puslitbang Fisika Terapan -LIPI; Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang

ABSTRAK

PERU BAHAN KONDUKTIFITAS LlSTRIK, STRUKTUR, DAN WARNA BAHAN SISTEM Ag.V.O Bahan yang mengandung unsur Agdari sistem Ag-V-O telah dibuat menggunakan metoda reaksi padat-padat. Oksida komplek ini telah dibuat dari bahan oksidanya dengan variasikandungan mol Ag = 0,1 -1,2, sedangkan unsur V tetap 1 mol. Hasil analisa XRD bahan Ag-V-O menunjukkan ada 3 macam struktur yang terjadi,pertama untuk jumlah Ag = 0,1 -0,3 mol mempunyai struktur AgO.3sV20S l3-bronze berwarna hitam, untuk Ag = 0,5 mol mempunyai senyawaAg2Y4011 berwarna hitam kecoklatan, dan untuk Ag = 0,8 -1,2 mol mempunyai struktur AgVO3 perovskite berwarna coklat-orange. Konduktifitas

listrik AgO,3sV20sl3-bronze lebih tinggi dari pada struktur lainnya, bes3rny~ antara 0,9 -10 /(.o..cm) pada suhu 350°C.

ABSTRACT

CHANGES IN ELECTRICAL INDUCTIVITY, STRUCTURE, AND COLOUR OF MATERIALS SYSTEM OF Ag.V.O. Ag atom containsof Ag-V-O system materials have been made by solid-solid reaction method. These complex oxides have been made from their oxide material withvariation of 0.1 -1.2 mole Ag contains, whereas V atom is fixed 1 mole. The XRD analysis result of Ag-V-O materials show that three structureswere occurred, the variation of 0.1 -0.3 mole Ag contain have black color AgO.3SV20S l3-bronze structure, 0.5 mole Ag contain has black-browncolor Ag2V4011 compound, and 0.8 -1.2 mole Ag contain have brown-orange color AgVO3 perovskite. The electrical conductivity of the AgO3SV20Sl3-bronze structure is higher than other structures, i.e. 0.9 -10 I(.o..cm) at 350°C temperature.

PENDAHULUAN

Bahan bukan logam mumi yang termasuk didalam kelompok bahan konduktor padat sangat menarikuntuk diteliti saat ini bila dihubungkan denganperkembangan penelitian untuk aplikasi pembangkit selbahan bakar, sensor daD battery. Kelompok bah'i'Jlkonduktor padat yang banyak diteliti daD yang telahmenunjukkan mempunyai sifat konduktifitas listrik yangtinggi adalah yang mengandung unsur silver (Ag),misalnya AgI, Ag-(3"-AI2O3' Beberapa oksida komplekada yang dikelompokkan sebagai bahan konduktor padat,kebanyakan mengandung ion Ag, [1, 2]. Senyawa oksidakomplek dengan sistem silver-vanadium-oksidadiantaranya adalah AgV03 mempunyai strukturperovskite [3], Ag2 V 4011 daD Ago,35 V 205 berstruktur (3-bronze [4], masing-masing bersistem kristal monoklinik[5]. Bahan Ago,35V2O5 ini dapat diaplikasikan sebagaikomponen sensor gas N02 [6]. Perubahan komposisisistem ini dapat mempengaruhi sifat listriknya, terutamakonduktifitas listrik, struktur daD wamanya. Oi dalammakalah ini dibahas terutama tentang berapa batasankomposisi sistem Ag-V-O ini hingga terjadi strukturyang berlainan, Kemudian berapa besar perbedaan sifat

listriknya hila struktur bahan berbeda, dan yang tidakkalah menariknya perubahan warna yang terjadi dapat

mengidentifikasikan perbedaan masing -masingstruktumya.

METODA PENELITIAN DAN BAHAN

Pembuatan bahan oksida komplek dapat dibuatdaTi oksida unsur logam satu dengan logam lainnya, ataudari semua oksida unsur logamnya dengan metoda reaksipadat-padat [7]. Pacta penelitian ini oksida komplekdibuat daTi bahan oksidanya: silver monoxide daDvanadium pentoxide, keuntungan menggunakan semuabahan oksidanya dibandingkan menggunakan salah satubahan logamnya adalah dapat disintesa pada suhu yangrelatif lebih rendah [4]. Struktur vanadium pentoxida(V 205) menyerupai bentuk lapis-lapis, dapatdigambarkan sebagai berikut: dua atom V masing-masing mempunyai lima atom 0 di dekatnya, yangberada di sudut trigonal bipyramid, dapat digambarkanseperti gambar I [8]. Adanya atom lain yang dicampurkemudian diberi perlakuan panas, mengakibatkan terjadi

101~I 2g J~ 2000

p~ ~~ ~, ~, Il- *'- t..k,.. ~ A~-\l-ON-'" ,~~.

~""//~~~~~: ~~

~~:I:-.<I;7""f>. J7'~/ /'

)

0

0

'"'

~~',//1> ~~:::~~~

{5.:I;7"'\~/ /""J>,V ~Gambar 2. Struktur AgxV20S,

menurut T.Yao

distorsi, kedua atom V yang ada, satu atom 0 selanjutnyapada jarak tertentu mengalami distorsi octahedra secarasempuma melengkapi diri. Kandungan struktur lapisandibangun daTi distorsi octahedra V06 membentuk sisidan sudut. Lapisan mempunyai komposisi V 205 dandiikat secara bersama-sama oleh ion Ag + , masing-

masing lapisan terdiri dua pita bentuk zig-zag daTioctahedra yang mempunyai tepi dan sudut, dapatdigambarkan seperti pada gambar 2 dan 3 [8, 9]. Posisiatom Ag masuk ke dalam sistem V 205 secaraintercalation. Gambar struktur daTi senyawa 13-Ago.35V2O5 l3-bronze [10], dan AgV03 perovskite [3]ditunjukkan pada gambar 4 daD 5. Pada gambar 4 yangberbentuk kotak segi 6 kemungkinan adalah gugus daTiV 205, dimana terjadi perubahan struktur layer ke bentukjaringan, terlihat seperti mempunyai lorong yang yangbersekat, lorong ini diisi oleh Ag.

Bahan sistem Ag- V -0 dibuat daTi bahan Ag2O(99% Merk) daD V 205 (99% Merk). Jumlah mol Ag didalam sistem Ag-V-O divariasikan daTi 0 sampai 1,2 daDjumlah V tetap I mol. Masing-masing ballaD ditimbangsesuai stoichiometrinya, dicampur sambi I digerus,kemudian dikalsinasi pada suhu kira-kira ~ 70% daTi titikmelting-nya selama 10 jam. Titik melting campurandihitung daTi jumlah perkalian masing-masing mol fraksidengan titik lelehnya [II]. Pengamatan struktur mikrodiamati menggunakan XRD (X-Ray Diffraction) produksilEal dengan sudut difraksi (29) antara 10 -70. Denganmenggunakan metoda Hanawalt data jarak antar bidang(d) basil analisa basil XRD dibandingkan dengan datadaTi JCPDS (Joint Committee on Powder Diffraction

Standards).

Gambar 3. Struktur AgxV20s, menurut S.Andersson(Iingkaran terbuka adalah ion Ag, lingkaran besar adalah

atom Ag, lingkaran kecil adalah atom V)

,, .

.AI

,

lLL~~~[~ //~~~I'

:""---f ar .i

.Q,

..VGambar 4. Model struktur P-AgO.3SV20S p-bronze,

menurut P. Hagenmuller(a) satu lapis

~~~t;~~~71W1 1

L,

T.1

(b) dua lapis

Gambar 1, Struktur model V20S, masing-masingdiproyeksikan ke sisi ac (atas) den sisi ab (bawah)

"'y

.v

@ Aa

00

Gambar 5. Model struktur AgVO3 perovskite,menurut F .S. Galasso

102 ~, zg J~ zooo

p~ ~~ ~I ~, ~ *'- ~ ~ At~.ON~ '~!~"'~~~~-J~il.

Untuk uji sifat listrik campuran ini digerus dIndibentuk pelet (tebal 1,5mm din diameter l4mm)menggunakan pompa hidrolik dengan tekanan 1,7ton/cm2 selima 10 menit. Pelet ini kemudian disinterselima 10 jam, muing-masing pada: suhu 450°C untukmol Ag -0 -0,5 ; suhu 400°C untuk mol Ag -0,6 -0,7;suhu 350°C untuk mol Ag = 0,8 -1,2. Pelet lalu diasahhingga mejadi bentuk balok. Tahanan listrik diukurmenggunakan metoda two point probe dengan elektrodaAg-~"-AbO3 di kedua ujung sampel din dua di tengahsampel (/ ), rangkaian peniukuran dapat dipmbarkanseperti pmbar 6 din persamaan (1), [12, 13]. Denianmenplirkan arus tetap di kedua elektroda sisi terluar,diukur beda potensial pada jarak L dan luas penampangS. Elektroda Ai-~"-AbO3 dibuat berdasarkan acuan [14].Konduktititas ion dihitung menggunakan persamaan (2),[12, 15]. Warna bahan yang dibuat dilihat secara visual.

Untuk mol Ag -0,6 dan 0,7 pada gambar 7g din 7hterbentuk fall baru, kali ini merupakan campuranAg2 V 4011 dan AgVO, yang mempunyai strukturperovsklte, dengan sistem yang sarna yaitu monoclinic.Pada gambar 7i -7m baru terjadi senyawa tunggal yaituAgVO,. Sesuai dengan hasil analisa XRD terse but, untuksementara dapat diperkirakan batas-batas komposisi dariketiga struktur yang terjadi.

R-V/I (J)

& -1 / p -(R x S) / L (2)

dimana, R adalah tahanan listrik bihaR oksida komplek,V adalah beds potensial yang terjadi pads jarak L, Jadalah arus tetap yang mengalir pads luas penampang S,S adalah luas penampang bahan oksida komplek, Ladalah jarak antara dua elektroda pads sisi dalam, padalah resistifitas listrik, & adalah konduktifitas ion.

s

Gambar e. Pengukuran rellltlfltal IJltrik

HASIL DAN PEMBAHASAN

Gamblr 7 " 7b, 70. H..II Inlll" XRD(V20., AQo,NOa, Ago,2VOa)

Data pengukuran siiat liltrik yana diukur padaluhu 350°C dapat dilihat pada pmbar 8, menunjukkanbahwa bahan berltruktur AiD.'" V 20" ~.bronze memlllkikonduktifitas listrlk tertinaal dartpada kedua Itrukturlatnnya, be~arnya antara 0&9 -10 (C).om)"', Untuk luhuyang lain antara 50 -400 C jula menunjukkan Indlkall

Kurva basil analisa XRD untuk mol AS ..0,1 -1,2 dapat dilihat pada gambar 7a -7m. Gambar 7a untukmol AS .0 atau bahan V 205. Gambar 7b -7dmemperlihatkan puncak.puncak difraksi yana hampirsIma dengan intensitas sedikit berlainan, beberapa tidakteridentiftkaJi, namun sebaaian besar sesuai denganstnlktur AJo"tV2O, ~.bronze yani bersistem monoclinic.Gambar 7e adalah untuk mol AI .0,4 memperlihatkancampuran dart struktur AJo.,j V 20j ~.bronze dinAI2V40... Pada gambIt 7f untuk mol Ai .0,5menunjukkan hampir leluruh puncakmeniidentiflkasikan sebagai Itruktur dart lenyawlAI2V4Ol1 dengan liltem yanlsama yaitu monoclinic.

103~, 2g J~ 2000

p~ ~~1./!!~ ~I ~I ~ 11'- ~ ~ 14".\1-0N~ '~-",-~*,~:-~::J,.

yang sarna [16]. Bila dihubungkan dengan kondisistruktumya, lebih mudah untuk dimengerti kemungkinanmengapa hat ini dapat terjadi. Ag di dalam struktur ~.bronze kemungkinan besar lebih mudah bergerak diruang.ruang antara struktur lapis dari V 205 (Iihat gambar2, 3, clan 4) dibandingkan dengan struktur perovskite.Sayangnya belum ditemukan literatur yang telahmenggambarkan struktur dari senyawa Ag2 V 4011.

Warna bahan yang dibuat secara visual ada ditabel I. Bahan dasar Ag2O sendiri berwarna hitam, danV 20, berwarna coklat. Setelah dicampur daD dikalsinasibahan dengan struktur Ago.3, V 20, ~-bronze berwarnahitam, padahal fraksi mol dari V 20, lebih banyak.Sebaliknya bahan dengan struktur AgV03 perovskite,dimana fraksi mol Ag2O lebih besar ternyata berwarnacoklat-orange. Dari beberapa penelitian bahan oksidakomplek yang lain, misalnya bahan ~-AI2O) [14],(AgI)x(AgPO)t.x[17], (AgI)x(AgPO)..x [18], NiCrx04[19], AgSbo.9,Mx03 (M : logam) [20] dan lainnya,kebanyakan dalam satu sistem bahan yang bervariasikomposisinya, bahan yang berwarna gelap mempunyaikonduktititas listrik lebih tinggi daripada bahan yangberwarna terang. Secara ilmiah belum dapat diterangkandengan lebih jells, namun hanya sebatas pengalamansaja.

,-- I400'C ~' 13 =A~~ "V,O,

l

~'::'~ ~ "\~.V.OI!olD "AsVO.

~

lLLJ.Jb.J.~~,---="'_CI, 4DO'(~ t.:O-A;t",V,o,

j,; A.,V,OII

b.-1I~~~~[."., ., ,.,Y.'" .I

.'."===1r=:;;:==== .jA~!VIi111 I

~ 4filjiir fj;tj'ARV(li

~ I;t~~-~~!n II 34 40 ~O 10

almblr 7 d, 71, 71, 7g- HIIII Inllll' XRC(AgO,3VO3, AUO,4VO3, AgO,fiVO3, AgO,IVO3)

104 ~, 2i J. 2000

]ij II I~ ~O ftl 10

Gambar 7 h, 71, 7J, 7k. Ha.1I anall.a XRO(Ago,NO3, Ago,.VO~, AgO,IVO~1 AgO,'fiVO~)

p~ ~~ ~, ~, ~ *'- u- ~ Ay\l-O~ ':-J¥:-.:--J~'

beberapa kesimpulan sebagai berikut: Bahan sistem Ag-V -0 untuk fraksi mol Ag = 0, I -0,3 berstrukturAgo.35 V 205 ~-bronze, untuk fraksi mol Ag = 0,5berstruktur Ag2V4Ol1 , untuk fraksi mol Ag = 0,8 -1,2

berstruktur AgV03 perovskite. Bahan sistem Ag-V-Oyang berwama gelap mempunyai konduktifitas listrikyang tinggi dibanding yang berwama terang.

UCAPAN TERIMA KASIH

Terima kasih saya ucapkan kepada Prof.Y.Matsumoto di Dep. Applied Chemistry Univ.Kumamoto Jepang, atas fasilitas yang diberikan ketikapenelitian ini dilakukan.

DAFfARPUSTAKA

[1] K.TAKADA AND S.KONDO, 1992, Solid Statelonics, No.53-56, p.339-342.

[2] Y .MA TSUMOTO ET AL, 1992, Journal of SolidState Chemistry, No.99, p.336-342.

[3] F .S. GALASSO, Strukture and Properties ofInorganic Solid, 1970, Pergamon Press Inc., p.185-237.

[4] M.M.A.HARDY ET AL, 1965, Bull.Soc.Chim.,Vol.4, p.1056.

[5] ..., JCPDS card, No.20-1385/1386, No.28-1027,No.29-1154/1154a.

[6] N.INDAYANINGSIH DKK, 1997, Pengaruhperubahan suhu dan kadar gas NO] di udaraterhadap EMF bahan Ago,JsV]OS, ProsidingSeminar Nasional Fisika Terapan dan Lingkungan'97, ISBN 979-8580-15-X 1 979-8580-17-6, Buku2, P3FT-LIPI, p.II-22.

[7] D. W .RICHERSON, Modern Ceramic Engineering,Marcel Dekker Inc.

[8] T. Y AO ET AL, 1992, Layered structures ofhydrated vanadium oxides, J.Mater.Chem., 2 (3),

p.331-336.[9] S.ANDERSSON, 1965, The crystal structure of a

new silver vanadium oxide bronze, AgI-xV205,Acta Chemica Scandinavia 19, No6, p.1371-1375.

[10] P.HAGENMULLER, (1973), Comprehensiveinorganic chemistry, Vol.4, Pergamon Press Ltd.,

p.572-576.[II] N.INDAYANINGSIH DAN SUPRAPEDI, 1994,

Pembuatan Oksida Komplek AgxVOy danPengukuran Koefisien Seebeck, Prosiding SeminarlImiah Hasil Litbang P3FT -LIPI 1993/1994,ISSN 0854-6169, p.69-78.

[12] ASTM, No.F 42 -93: Standard Test Methods forConductivity Type ofE. Semiconducting Materials.

[13] G.J.DUDLEY AND B.C.H.STEELE, 1980, Theoryand Practice of a Powerful Technique forElectrochemical Investigation of Solid SolutionElectrode materials, J. of Solid State Chemistry,31, p.233-247.

Gambar 11, 1m. Hasil analisa XRD(, AgVO31 Ag1,2VO3)

Tabel1. Warns bahan secara visual

VIOs IA~.)SVI0sl AgIV4Oli I AgV~ IAgzOj3-bronze perovsklte

Struktur I

senyawa

HitamHitam I Coklat-kecoklatan orange

Warna Coklat Hitam

KESIMPULAN

Hasil pengamatan struktur daD WarDa sertapengukuran sifat listrik pada bahan bersistem Ag- V-Odengan fraksi mol Ag divariasikan, dapat diambil

105~, zg J~ ZOOO

Pt l...t ~ ~I ~, ~ *'- u- ~ /ly\l-O

N~'~~.

Puspiptek, Serpong 25-27 April 2000, akandiprosiding.

[18] E.KARTINI DKK, 2000, laporan RUT VI.2 P3IB-BATAN 1999/2000.

[19] N.INDAYANINGSIH, 1992, Laporan researchTraining, Kumamoto Univ. Jepang.

[20] N.INDAYANINGSIH, 1996, Telaah Sifat Listrikdari Subtitusi Sebagian Atom Ag atau Sb padaBahan AgSbOj, Prosiding Temu Ilmiah JASAKIAI, Seminar Nas. V: Kimia dalam Industri &Lingkungan, ISSN: 0854-4778, halaman 177-185,Yogyakarta, p.9-10.

[14] N.lNDAYANlNGSIH DKK, 1997, Pembuatan danPengukuran Sifat Listrik Bahan Ag-fJ"-A/]Oj,Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi II",PPSM-BATAN, ISSN 1410-2897, p.296-300.

[15] KAWAGUCHI, 1960, HandotaiKagaku.[16] N.INDAYANlNGSIH DAN SUPRAPEDI, 1994,

Konduktifitas /istrik pada Oksida Komp/ek Ag.,VOy,Prosiding Seminar Ilmiah Hasil Litbang P3FT -LIPI 1993/1994, ISSN 0854-6169, p.79-84.

[17] N .INDA Y ANlNGSIH DKK, Karakteristik sifatfisis bahan konduktor superionik berbasis ge/as{AgI}x{AgPO.J I-x, dipresentasikan pada seminarnasional Fisika XVIII, di DRN, Komplek

TANYA-JAWAB

Penanya : Dewi Sondari (P3KT -LIPI):1. Bagaimana tara menentukan struktur kristal Ag- V -0 yang terbentuk?

JawabanI. Struktur kristal yang terbentuk ditentukan dengan cara membandingkan data analisa XRD berupa jarak

antar bidang dan sudut difraksi sinar-X, dengan data standar str1.1ktur kristal bahan/senyawa yangmungkin terbentuk, yang dapat dilihat di buku JCPDS.

106 ~I Zg J""... zooo