Jurnal Teknika Vol. 5 No.1 Maret 2013 ISSN

Jurnal Teknika Vol. 5 No.1 Maret 2013
ISSN No. 2085 - 0859
Karakterisasi Kristal Nano ZnO
Cicik Herlina Yulianti *)
*)
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 ZnC 2O4 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 1417 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):
446
Jurnal Teknika Vol. 5 No.1 Maret 2013
ISSN No. 2085 - 0859
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) :
(3)
ZnCO3  ZnO + CO2
3.2 Analisa
XRD
(ZnC2O4.2H2O)
(4)
Endapan
3.3 Analisa XRD Kristal ZnO
Gambar 2 Diffraktogram sinar-X ZnO sintesis (a) dan
ZnO komersial (b)
ZnC2O4.2H2O  ZnC2O4 + 2H2O (2)
ZnC2O4  ZnCO3 + CO
intensitas relatif 100%. Data ini sesuai dengan yang
dilaporkan oleh Kanade, dkk., (2006) bahwa puncak
XRD seng oksalat yang menandakan pembentukan αZnC2O4.2H2O terletak di 2θ (o): 19,5 dengan intensitas
relatif 100%.
Seng
oksalat
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 sinarX dari seng oksalat ditampilkan pada gambar 1:
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. Puncakpuncak 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.
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
447
Jurnal Teknika Vol. 5 No.1 Maret 2013
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.
ISSN No. 2085 - 0859
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 discan terhadap luas area layar monitor.
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 4 SEM ZnO sintesis perbesaran 10.000 x (atas)
dan 20.000x (bawah)
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).
Gambar 4 menunjukkan SEM dari sampel ZnO
sintesis. Pada Gambar 4 dapat dilihat bahwa masingmasing 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.
448
Jurnal Teknika Vol. 5 No.1 Maret 2013
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).
ISSN No. 2085 - 0859
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
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
449
Jurnal Teknika Vol. 5 No.1 Maret 2013
ISSN No. 2085 - 0859
450