sintesis dan karakterisasi kristal nano zno

Jurnal Teknika Vol. 4 No. 2 September 2012

SINTESIS DAN KARAKTERISASI KRISTAL NANO ZnO

Cicik Herlina Yulianti 1

1) Dosen Fakultas Teknik Prodi Elektro Universitas Islam Lamongan

Abstrak

Pengembangan material kristalin berukuran nano merupakan suatu bidang yang akhir-akhir

ini menjadi perhatian penelitian. ZnO adalah kristal yang banyak dipakai dalam berbagai keperluan,

sebagai katalis atau pendukung katalis, atau sebagai semikonduktor. Karakteristik kristal ZnO

tergantung pada ukuran dan metode preparasinya.. Pada penelitian ini kristal nano ZnO telah

berhasil disintesis dengan metode yang sederhana dan ekonomis yaitu melalui kopresipitasi dari

prekursor seng asetat 0,1 M dan asam oksalat 0,15 M. Data XRD menunjukkan bahwa ZnC2O4 yang

telah dikalsinasi suhu 400 oC telah terdekomposisi sempurna menjadi ZnO. Kristal nano ZnO yang

dihasilkan memiliki ukuran 31 nm. Data SEM menunjukkan bahwa morfologi kristal nano ZnO

tampak homogen sebagai partikel padat berbentuk bulat kecil. Data FTIR menunjukkan adanya

vibrasi ulur Zn-O (υZn−O) pada bilangan gelombang 486 cm-1

.

Kata kunci: karakterisasi, kristal nano ZnO, sintesis

1. Pendahuluan

Pengembangan material kristalin

berukuran nano merupakan suatu bidang yang

akhir-akhir ini menjadi perhatian penelitian.

ZnO adalah kristal yang banyak dipakai dalam

berbagai keperluan, sebagai katalis atau

pendukung katalis, atau sebagai

semikonduktor. Karakteristik kristal ZnO

tergantung pada ukuran dan metode

preparasinya. Preparasi kristal ZnO dengan

ukuran nano telah dilakukan dengan metode

yang berbeda-beda seperti aerosol, emulsi

mikro, ultrasonik, metode sol gel, evaporasi

larutan dan suspensi, evaporasi dekomposisi

larutan (EDS), reaksi solid state, sintesis wet

chemical, dan metode spray pirolisis (Kanade

K.G., dkk 2006). Oleh karena itu

perkembangan sintesis kristal nano ZnO

dengan menggunakan metode yang sederhana

dan ekonomis saat ini menjadi penting.

Pada penelitian sebelumnya, Kanade

K.G., dkk (2006), telah berhasil membuat

kristal nano ZnO dari prekursor seng asetat

dengan asam oksalat dengan pelarut air,

methanol, dan etilen glikol. Rentang

konsentrasi larutan seng asetat yang digunakan

sebesar 0,008 M - 0,1 M dan rentang

konsentrasi larutan asam oksalat yang

digunakan sebesar 0,12 - 0,18 M. Dari

penelitian tersebut disimpulkan bahwa reaksi

antara 0,1 M seng asetat dengan 0,15 M asam

oksalat dapat memberikan produk intermediet

maksimum jika dibandingkan dengan rasio

konsentrasi prekursor yang lain, dengan

ukuran kristal ZnO yang dihasilkan berturut-

turut adalah 22-25 nm untuk pelarut air dan

14-17 nm untuk pelarut organik.

Mengacu pada penelitian Kanade dkk.,

pada penelitian ini kristal ZnO disintesis dari

campuran larutan seng asetat 0,1 M dan asam

oksalat 0,15 M. Penggunaan konsentrasi yang

sama ini dimaksudkan untuk mendapatkan

kristal dengan ukuran yang kecil. Proses yang

dilaporkan pada penelitian ini sangat

ekonomis, sederhana, dan berpotensi untuk

diproduksi dalam skala besar.

2. Metode Penelitian

2.1 Sintesis Kristal Nano ZnO

Bahan-bahan yang diperlukan dalam

penelitian ini adalah aquades, aqua DM, seng

asetat dihidrat (Zn(CH3COO)2.2H2O, Merck,


99 %) dan asam oksalat hidrat (C2H2O4.2H2O,

Merck, 99,5-102,5%).

Kristal ZnO disintesis berdasarkan

metode kopresipitasi yang dilakukan oleh

Kanade., dkk. (2006). Pada penelitian ini, ZnO

disintesis dari campuran Zn(CH3COO)2.2H2O

0,1 M dan H2C2O4.2H2O 0.15 M dalam pelarut

air deionisasi. Campuran diaduk dengan

kecepatan 160 rpm selama 12 jam pada

temperatur kamar. Endapan seng oksalat

dipisahkan dengan filtratnya dengan

sentrifuse, diikuti pencucian dengan air

deioniasi dan aceton serta dikeringkan dalam

oven pada 120 oC satu malam. Kristal ZnO

diperoleh setelah kalsinasi seng oksalat dalam

furnace pada temperatur 400 oC selama 4 jam.

2.2 Karakterisasi

Kemurnian kristal dan ukuran kristal

dikarakterisasi dengan menggunakan XRD

yang dilanjutkan dengan analisis ukuran kristal

dengan program MAUD; IR; dan morfologi

kristal diuji dengan SEM.

3. Hasil dan Pembahasan

3.1 Sintesis kristal nano ZnO

Pada sintesis kristal ZnO, larutan asam

oksalat 0,15 M ditambahkan tetes demi tetes

ke dalam larutan seng asetat 0,1 M agar tidak

terjadi penggumpalan secara mendadak sambil

dilakukan pengadukan dengan kecepatan 160

rpm. Penambahan asam oksalat dilakukan

hingga didapatkan larutan jenuh yang

diindikasikan adanya perubahan warna dari

jernih menjadi keruh dan berwarna putih.

Penambahan asam oksalat ke dalam larutan

seng asetat ini memungkinkan adanya

pembentukan seng oksalat. Skema reaksi

kopresipitasi yang terjadi dapat ditunjukkan

sebagai berikut (Kanade dkk, 2006):

Zn(CH3COO)2.2H2O + H2C2O4.2H2O �

ZnC2O4.2H2O + 2CH3COOH + 2H2O (1)

Larutan hasil kopresipitasi ini

dibiarkan tetap distirer dengan kecepatan 160

rpm selama 12 jam, proses ini untuk

mendapatkan endapan seng oksalat yang

homogen. Setelah 12 jam larutan hasil

kopresipitasi dipisahkan antara endapan dan

filtratnya dengan menggunakan sentrifuse

untuk mencegah partikel-partikel yang

berukuran kecil tidak hilang. Endapan

kemudian dicuci dengan aqua demineralisasi

dan aseton. Hal ini dilakukan untuk

mengurangi sisa asam oksalat yang tidak

bereaksi sehingga didapat padatan yang

berwarna putih (Kanade dkk, 2006).

Selanjutnya, padatan berwarna putih

dikeringkan dalam oven pada suhu 120 oC

selama 12 jam. Padatan putih yang telah

dikeringkan kemudian dikalsinasi dengan suhu

400 oC selama 4 jam untuk menghilangkan

ion oksalatnya sehingga terbentuk struktur

ZnO. Proses dekomposisi yang terjadi pada

padatan seng oksalat menjadi seng oksida

mengikuti reaksi sebagai berikut (Kanade dkk,

2006) :

ZnC2O4.2H2O � ZnC2O4 + 2H2O (2)

ZnC2O4 � ZnCO3 + CO (3)

ZnCO3 � ZnO + CO2 (4)

3.2 Analisa XRD Endapan Seng oksalat

(ZnC2O4.2H2O)

Pada penelitian ini, sebelum

dihasilkan kristal ZnO, terlebih dahulu

dihasilkan produk intermediet seng oksalat

yang merupakan hasil kopresipitasi larutan

seng asetat dengan asam oksalat. Adapun

diffraktogram sinar-X dari seng oksalat

ditampilkan pada gambar 1:


Gambar 1 Diffraktogram sinar-X seng

oksalat

Gambar 1 menunjukkan Pola XRD seng

oksalat yang disiapkan dengan pelarut air.

Pada pola XRD ini ditemukan puncak tertinggi

di 2θ (o): 18,7 dengan intensitas relatif 100%.

Data ini sesuai dengan yang dilaporkan oleh

Kanade, dkk., (2006) bahwa puncak XRD

seng oksalat yang menandakan pembentukan

α-ZnC2O4.2H2O terletak di 2θ (o): 19,5 dengan

intensitas relatif 100%.

3.3 Analisa XRD Kristal ZnO

Gambar 2 Diffraktogram sinar-X ZnO

sintesis (a) dan ZnO komersial (b)

Gambar 2 menunjukkan pola XRD ZnO

sintesis (a) dan ZnO komersial (b). Pada

gambar 2 tampak bahwa puncak-puncak

difraksi ZnO sintesis muncul pada 2θ (o):

31,80; 34,45; 36,28; 47,56 dan 56,6.

Sedangkan puncak-puncak difraksi ZnO

komersial muncul pada 2θ (o): 31,77; 34,42;

36,37; 47,54 dan 56,59. Puncak-puncak

difraksi pada ZnO sintesis dan ZnO komersial

ini sesuai dengan hasil yang dipublikasikan

oleh Kanade dkk, (2006) untuk pola difraksi

ZnO dengan tipe struktur heksagonal. Pada

pola difraksi ZnO sintesis tidak ditemukan fase

lain seperti ZnCO3, hal ini menunjukkan

bahwa ZnC2O4 yang telah dikalsinasi suhu 400 oC telah terdekomposisi sempurna menjadi

ZnO.

Pada gambar 2 tampak bahwa ZnO

komersial lebih kristalin dari pada ZnO

sintesis, sebagaimana ditunjukkan dengan

sinyal difraksi ZnO komersial lebih tinggi dari

pada ZnO sintesis. Hasil ini diharapkan

sebagai konsekuensi dari metode sintesis yang

digunakan untuk membuat ZnO sintesis. Hasil

ini sesuai dengan penelitian yang dilakukan

oleh Alba-Rubio, dkk., (2010). Pada penelitian

tersebut, adanya gas yang dilepaskan pada saat

dekomposisi oksalat menyebabkan energi

termal yang digunakan untuk pembentukan

ZnO sintesis lebih sedikit sehingga mengarah

pada derajat kristalinitas ZnO sintesis lebih

rendah dari pada ZnO komersial. Sedangkan

ukuran kristal ZnO sintesis dapat diperkirakan

dengan menggunakan program MAUD.

3.4 Penghalusan Rietveld dan Estimasi

Ukuran Kristal dengan Perangkat

Lunak MAUD

Pada penelitian ini, untuk

mengestimasi ukuran kristal ZnO digunakan

perangkat lunak MAUD (Material Analysis

Using Diffraction). Gambar 3 menunjukkan

plot hasil penghalusan Rietvield data difraksi

serbuk hasil kopresipitasi dengan jangkauan

sudut 2θ (o): 20 – 70 untuk sampel ZnO

sintesis. Pada gambar tersebut tampak bahwa

tingkat kesesuaian antara data terhitung dan

terukur cukup baik, yang ditunjukkan oleh

kesesuaian antara model terhitung dengan

model terukur. Fluktuasi selisih (difference


plot) yang ditunjukkan pada garis di bawah

kedua model pada Gambar 3 juga kecil,

menunjukkan bahwa proses penghalusan

berhasil. Adapun keberhasilan penghalusannya

ditunjukkan dengan parameter nilai sig yang

didapatkan sebesar 1,56% dan nilai Rwp

sebesar 15,68%. Sig merupakan salah satu

figures-of-merit yang penting dalam analisis

dengan metode Rietveld, yang menunjukkan

bahwa penghalusan Rietvield dapat diterima

menurut kriteria yang disyaratkan oleh

Lutterotti (2006), yaitu sig < 2% dan Rwp < 20

%. Dengan demikian parameter-parameter

yang diperhalus dapat diekstrak dan dapat

dianalisis lebih lanjut.

Pola difraksi terukur digambarkan

dengan warna biru dan pola difraksi terhitung

digambarkan dengan warna hitam. Kurva

paling bawah adalah plot selisih antara pola

difraksi terukur dengan pola difraksi terhitung.

Gambar 3 Hasil penghalusan dengan

perangkat lunak MAUD sampel

ZnO yang telah dikalsinasi suhu

400 oC.

Dari hasil data XRD yang kemudian

diolah dengan perangkat lunak Maud

didapatkan estimasi ukuran kristal ZnO

sintesis sebesar 31 (2) nm (angka dalam

kurung adalah estimasi standar deviasi dari

digit terakhir yang signifikan).

3.5 Scanning Electron Microscopy (SEM)

Fungsi utama SEM adalah

mengetahui morfologi permukaan sampel

padat. Pada SEM, gambar dibentuk oleh berkas

elektron yang sangat halus yang difokuskan

pada permukaan material. Perbesaran

dihasilkan dari perbandingan luas area sampel

yang di-scan terhadap luas area layar monitor.

Gambar 4 SEM ZnO sintesis perbesaran

10.000 x (atas) dan 20.000x

(bawah)

Gambar 4 menunjukkan SEM dari

sampel ZnO sintesis. Pada Gambar 4 dapat

dilihat bahwa masing-masing sampel

ditampilkan dengan 2 kali perbesaran yaitu

10.000 kali dan 20.000 kali. Tujuan dari

perbesaran yang lebih kecil (perbesaran 10.000

kali) adalah untuk mengetahui bentuk

morfologi sampel secara global. Jika

morfologinya menunjukkan keseragaman

maka dapat dilakukan peningkatan perbesaran

(misal 20.000 kali) dengan men-scan berkas

elektron terhadap luas permukaan sampel yang

cukup sempit. Berdasarkan hal ini dapat

diperoleh data-data morfologi yang dianggap

dapat mewakili morfologi sampel secara

keseluruhan.

Pada Gambar 4 secara umum sampel

ZnO sintesis tampak homogen sebagai partikel

padat berbentuk bulat kecil. Hasil ini sesuai


dengan estimasi ukuran dengan menggunakan

Maud bahwa estimasi ukuran kristal ZnO

adalah 31 nm.

3.6 Spektroskopi Inframerah

Karakterisasi dengan spektroskopi

inframerah bertujuan untuk mengidentifikasi

gugus fungsi yang terdapat dalam suatu

senyawa. Gambar 6 menunjukkan spektra

FTIR ZnO sintesis setelah kalsinasi pada

bilangan gelombang antara 4000-400 cm-1

.

Pada ZnO sintesis diperoleh spektra

dengan puncak-puncak pada bilangan

gelombang 3433, 1639, dan 486 cm-1

, dimana

pita pada bilangan gelombang 1639 cm-1

menunjukkan mode tekukan OH dari molekul

air yang terabsorb pada permukaan ZnO.

Puncak lebar yang terpusat pada 3433 cm-1

berhubungan dengan vibrasi regangan gugus -

OH dari H2O, menunjukkan keberadaan air

yang terabsorb pada permukaan ZnO. Pita

pada 486 cm-1

menunjukkan vibrasi ulur dari

Zn-O (υZn−O) (Palomino, 2006).

Gambar 6 spektra FTIR ZnO sintesis

4. Kesimpulan

Kristal nano ZnO telah berhasil

disintesis dari peristiwa kopresipitasi dari

prekursor dengan konsentrasi encer dari

larutan seng asetat 0,1 M dan asam oksalat

0,15 M. Data XRD menunjukkan bahwa

ZnC2O4 yang telah dikalsinasi suhu 400 oC

telah terdekomposisi sempurna menjadi ZnO.

Kristal nano ZnO yang dihasilkan memiliki

ukuran 31 nm. Data SEM menunjukkan bahwa

morfologi kristal nano ZnO tampak homogen

sebagai partikel padat berbentuk bulat kecil.

Data FTIR menunjukkan adanya vibrasi ulur

Zn-O (υZn−O) pada bilangan gelombang 486

cm-1

.

5. Daftar pustaka

Alba-Rubio, A. C., Santamaria-Gonzalez, J.,

dan Josefa M., (2010), “Heterogeneous

Transesterification Processes by Using

CaO Supported On Seng Oxide as Basic

Catalysts”, Catalysis Today, Vol 149,

hal 281-287

Kanade K.G., Kale B.B., Aiyer R.C., dan Das

B.K., (2006), “Effect Of Solvents On

The Synthesis Of Nano-Size Seng

Oxide And Its Properties”, Materials

Research Bulletin, Vol. 41, hal. 590–

600.

Lutteroti, L. MAUD: Material Analysis using

Diffraction. 2006;

http://www.ing.unitn.it/~maud.

Palomino, A.G.P., (2006), “Room

Temperature Synthesis and

Characterization of Highly

Monodisperse Transition Metal-Doped

ZnO Nanocrystals”, Physics, University

Of Puerto Rico, Physics, Puerto Rico.

sintesis dan karakterisasi kristal nano zno

Documents