Seminar Nasional Material 2013 | Fisika – Institut Teknologi Bandung Sintesis Fosforesense Berbasiskan Boron Carbon Oxynitride (BCNO) Menggunakan Proses Hidrotermal Bebeh W. Nuryadin, Ea Cahya Septia Mahen, Ferry Iskandar*, Mikrajuddin Abdullah, dan Khairurrijal Kelompok Keahlian Fisika Material Elektronik, Fakultas Matematika dan IPA, Institut Teknologi Bandung, Ganesha 10, Bandung, Indonesia 40132 * Email:[email protected] Abstrak. Fosfor berbasis boron carbon oxynitride dengan pendaran biru yang terdispersi di air telah dapat disintesis dengan menggunakan proses hidrotermal. Bahan dasar prekursor yang digunakan adalah Urea, Asam Sitrat dan Asam Boric sebagai sumber nitrogen, sumber carbon dan sumber boron atau pen-stabil. Untuk mengamati sifat dan karakteristik pendaran fosfor dilakukan variasi konsentrasi pada masing-masing bahan dasar yang digunakan, terutama variasi nitrogen dan variasi karbon. Selain itu pada proses hidrothermal dipanaskan pada temperatur sekitar 200 oC dan tekanan maksimum 5 MPa. Fosfor menghasilkan pendaran biru pada puncak photoluminescence di daerah 460 nm, dan memiliki intensitas yang relatif tinggi. Kata kunci: proses hidrotermal, boron carbon oxynitride, fosforesen biru, tanpa ion-tanah jarang. PENDAHULUAN METODA EKSPERIMEN Beberapa tahun kebelakang, grup kami [1-6] telah melaporkan metoda yang sederhana dan bergunan dalam rute sintesis bahan boron carbon oxynitride (BCNO) dimana fosfor ini tidak menggunakan ion tanah jarang. Fosforesen berbasis BCNO menghasilkan intensitas pendaran yang relatif tingg dan karakteristik pendaran yang lebar. Fosforesen BCNO dapat dieksitasi pada panjang gelombang eksitasi dari 245 (UV) hingga 460 nm (biru) dengan kuantum efisiensi yang relatif tinggi, hingga 70 % untuk pendaran biru. Puncak pendaran Fosforesen BCNO dapat diatur, pengarturan tersebut berkaitan dengan proses doping karbon pada struktur kristalnya. Dengan mengatur kandungan karbon/boron pada prekursor kita akan dapatkan fosforesen BCNO dengan pendaran pada daerah cahaya tampak. Pada tulisan ini, kami menginvestigasi untuk pertama kali proses sintesis fosforesen BCNO menggunakan proses hidrotermal. Hal ini dilakukan untuk meningkatkan kualitas dan keseragaman pendaran. Kami perkirakan dengan menggunakan proses hidrotermal maka partikel fosfor BCNO yang terbentuk seragam, reaksi kimiawi dan stoikiometri yang terkontrol. Fosfor BCNO nanopartikel disintesis menggunakan asam boric [B(OH)3, dengan Mr=61.83 gmol−1], urea [(NH2)2CO, dengan Mr=60.07 gmol-1] sebagai sumber boron dan nitrogen. Sumber karbon yang digunakan adalah PEG [C2nH4n+2On+1, dengan Mw=20k gmol-1], asam oleic [C18H34O2, dengan Mr=282.46 gmol−1] asam sitrat [C6H8O7.H2O, dengan Mr=210.14 gmol-1]. Reaktor hidotermal yang digunakan adalah otoklap (autoclave) dengan tekanan yang relatif tinggi, yaitu pada tekanan maksimum sebesar 5 MPa. Pembuatan prekursor dilakukan dengan melarutkan tiga bahan dasar, yaitu asam boric, urea dan sumber karbon. Prekursor yang disiapkan memiliki nilai perbandingan atom (mol/mol) sumber karbon terhadap sumber boron (C/B) yang diatur, perbandingan C/B yang digunakan dari 0 hingga 2. Prekursor yang telah disiapkan dimasukan kedalam otoklap, ditutup rapat, dan kemudian dipanaskan pada temperatur tertentu, berkisar 120 oC – 160 oC, selama 3 jam. Spektrum fotoluminesen (PL) diukur pada temperatur ruang memenggunakan peralatan spectrofluorophotometer (RF-5300PC, Shimadzu Corp., Kyoto) dengan laser xenon. Semua analisis PL dilakukan pada termperatur ruang dengan panjang gelombang eksitasi sebesar 365 nm. Hasil citra pendaran diambil menggunakan kamera digital tanpa filter dan pengaturan berlebih. 57 Seminar Nasional Material 2013 | Fisika – Institut Teknologi Bandung fungsi penting yaitu sebagai sumber karbon dalam reaksi kimiawi pembentukan struktur kristal fosfor BCNP dan meningkatkan kinetika reaksi pada proses hidrotermal. Selektivitas pemilihan sumber karbon teramati pada proses sintesis fosfor BCNO menggunakan PEG 20k, asam oleic dan asam sitrat. Hal ini berkaitan dengan reaktivitas bahan sehingga meningkatkan interaksi antar atom-atom penyusun prekursor pembentuk bahan fosfor BCNO nanopartikel. Dalam hal ini interaksi PEG 20k dengan bahan lain, urea dan asam boric, sangat lemah sehingga tidak terbentuk fosfor BCNO nanopartikel. Sedangkan penggunaan asam oleic dan asam sitrat dengan interaksi dengan bahan lain memungkinkan terbentuknya bahan fosfor BCNO nanopartikel. HASIL DAN DISKUSI Proses sintesis menggunakan metoda hidrotermal menggunakan bahan asam borik, urea dan beberapa jenis sumber karbon. Sumber karbon yang digunakan pada penelitian ini adalah PEG 20k, asam oleic, dan asam sitrat, lihat gambar 1. Penggunaan PEG sebagai sumber karbon koloid tidak menghasilkan pendaran sehingga dapat diasumsikan tidak terbentuk fosfor BCNO nanokristal yang diinginkan. Pada penggunaan asam oleic sebagai sumber karbon, ketika fosfor BCNO disinari UV (365 nm) terjadi pendaran dengan intensitas rendah. Sedangkan pada penggunaan asam sitrat pada proses hidrotermal menghasilkan fosfor BCNO nanokristal yang berpendar dengan intensitas yang relatif tinggi. Perbedaan mendasar pada ketiga bahan tersebut adalah struktur kimiawi dan tingkat reaktivitas bahan, dari ketiga bahan tersebut asam sitrat memiliki tingkat reaktivitas yang cukup tinggi pada suhu cukup rendah. Percobaan ini mengarahkan pada sebuah simpulan sementara bahwa tingkat kinetika reaksi sumber karbon memiliki peranan penting dalam pembentukan fosfor BCNO nanokristal. (a) (b) (c) GAMBAR 2. Pendaran bahan fosfor BCNO dengan variasi temperature sinthesis (N/B dan C/B pada 10 dan 1 selama 3 jam) ; (a) 120 oC, (b) 140 oC, (c) 160 oC. GAMBAR 1. Spektrum PL fosforesen BCNO dengan variasi sumber karbon; CA: Citric Acid, OC: Oleic Acid, and PEG: Polyethilene Glycol 20k. Byrappa dkk, (2008), dan Demazeau, (2008), menjelaskan bahwa pemilihan komponen prekursor yang tepat dan selektif berpengaruh dalam proses sintesis padatan atau nanomaterial secara umum. Dengan demikian, sumber karbon memiliki beberapa GAMBAR 3. Spektrum PL fosforesen BCNO dengan variasi temperatur sintesis. Gambar 2 menunjukan bahan fosfor BCNO nanokristal yang disintesis pada beberapa variasi 58 Seminar Nasional Material 2013 | Fisika – Institut Teknologi Bandung temperatur. Temperatur sintesis hidrotermal berpengaruh terhadap intensitas pendaran bahan fosfor BCNO. Pada temperatur 120 oC teramati intensitas pendaran yang sedang. Ketika temperature sintesis ditingkatkan menjadi 140 oC teramati adanya peningkatan intensitas pendaran secara signifikan. Namun pada temperature sintesis sebesar 160 oC terjadi penurunan intensitas pendaran. gambar 3 menunjukan pengaruh temperatur sintesis hidrotermal terhadap intensitas pendaran bahan fosfor BCNO berkaitan dengan perbedaan kecepatan reaksi pada jalur urea (urea route) dan atau berkaitan dengan pembentukan struktur atomik bahan fosfor BCNO yang berbeda bergantung pada temperature sintesis. Namun peningkatan temperature sintesis menghasilkan karbon sisa reaksi sehingga mengakibatkan terjadinya penyerapan energi pendaran atau sinar UV. Gambar 4 menunjukan pendaran fosfor BCNO dengan variasi rasio molar karbon/boron. Hasil tersebut menunjukan bahwa pada konsentrasi asam sitrat rendah tidak menghasilkan koloid fosfor BCNO yaitu ditandai dengan tidak adanya pendaran material ketika dibawah sinar-UV (365 nm). Sedangkan pada rasio sebesar 0.3 terdapat perubahan yang signifikan yaitu terbentuknya fosfor BCNO nanopartikel ditandai dengan pendaran warna biru koloid fosfor BCNO dibawah sinar UV. Peningkatan rasio molar asam sitrat berpengaruh pada peningkatan intensitas pendaran warna biru yang semakin terang, lihat gambar 5. Peningkatan intensitas pendaran dipengaruhi oleh peningkatan kinetika reaksi yang menyebabkan proses reaksi menjadi lebih sempurna. Namun disisi lain teramati adanya penurunan intensitas pendaran ketika rasio molar asam sitrat sangat besar. Penurunan intensitas ini kemungkinan besar karena terbentuknya partikel karbon yang menutupi permukaan fosfor BCNO nanopartikel dan menyerap energi pendaran atau energi sinar UV. SIMPULAN (a) (b) (c) (d) Fosforesen berbasis boron carbon oxynitride (BCNO) telah dapat disintesis menggunakan proses hidrotermal pada tekanan relatif tinggi (maksimum 5MPa), namun pada temperatur yang relatif rendah (kurang dari 200 oC). Hasil pengamatan menunjukan bahwa diperlukan pemilihan sumber karbon secara selektif, dikarenakan sumber karbon berfungsi sebagai sumber penyusun struktur kristal fosfor BCNO dan sekaligus meningkatkan reaktivitas reaksi kimiawi pada proses hidrotermal. Pengamatan pada variasi perbandingan atom karbon/boron menunjukan terjadinya peningkatan intensitas pendaran, hal ini dipengaruhi oleh peningkatan kinetika reaksi yang menyebabkan proses reaksi menjadi lebih sempurna. (e) GAMBAR 4. Pendaran bahan fosfor BCNO dengan variasi rasio molar asam sitrat (citric acid) pada N/B =10, temperatur sinthesis 140 oC dan waktu selama 3 jam; (a) C/B=0.05, (b) C/B=0.3, (c) C/B=0.5, (d) C/B=1, (e) C/B=2. UCAPAN TERIMA KASIH Penelitian ini didanai dari ”Riset KK Fismatel Institut Teknologi Bandung (ITB) 2012”. REFERENSI 1. T. Ogi, Y. Kaihatsu, F. Iskandar, W. Wang and K. Okuyama, Adv. Mater. 20, 3235 (2008). 2. Kaihatsu Y., Iskandar F., Widiyandari H., Wang W.N., and Okuyama O., Electrochem. Solid-State Lett. 12(3) J33-J36 (2009). 3. W. N. Wang, Y. Kaihatsu, F. Iskandar, and K. Okuyama, Mater. Res. Bull. 44, 2099(2009). GAMBAR 5. PL Specral of BCNO Phosphor Materials with variation of molar ratio carbon/boron (C/B). 59 Seminar Nasional Material 2013 | Fisika – Institut Teknologi Bandung 4. Y. Kaihatsu, W.N. Wang, F. Iskandar, T. Ogi, and K. Okuyama, J. Electrochem. Soc. 157(10), J329-J333 (2010). 5. W. Lei, D. Portehault, R. Dimova, and M. Antonietti, J. Am. Chem. Soc. 133, 7121 –7127 (2011) 6. B. W. Nuryadin, I. D. Faryuni, F. Iskandar, M. Abdullah, and Khairurrijal, “Effect of silica nanoparticles on the photoluminescence properties of BCNO phosphor” in The 4th Nanoscience and Nanotechnology Symposium 2011, edited by F. Iskandar et al., AIP Conference Proceedings 1415, American Institute of Physics, Melville, NY, 2011, pp. 171-174. 7. Byrappa K., and Yoshimura M., Handbook of Hydrothermal Technology New York USA: Noyes Publications, 2001. 8. Byrappa K. (ed) “Hydrothermal growth of crystals” in Prog. Cryst. Grow. Charact., 21, 1990. 9. G. Demazeau, J. Mater. Sci. 43(7), 2104-2114(2008). 60
