SINTESIS DAN KARAKTERISASI KATALIS NANOPARTIKEL CaO

Jurnal Teknika Volume 3 No. 2 Tahun 2011
231
SINTESIS DAN KARAKTERISASI KATALIS NANOPARTIKEL CaO
Oleh : Cicik Herlina Yulianti, ST, M.Si *)
*) Jurusan Teknik Elektro Universitas Islam Lamongan
Abstrak
Katalis CaO nanopartikel telah berhasil disintesis dengan metode kopresipitasi dari larutan
kalsium asetat dan asam oksalat. Endapan dikarakterisasi menggunakan difraksi sinar-X, analisis pola
difraksi dengan program Rietica dan Maud, serta karakterisasi dengan spektroskopi inframerah (FT-IR).
Analisis XRD menunjukkan bahwa sampel hasil sintesis diketahui sebagai CaO dengan struktur kubik.
Perkiraan komposisi fasa dengan program Rietica, menghasilkan CaO sintesis terdiri dari fasa CaO dan
CaCO3. Perkiraan ukuran partikel dengan program Maud, menghasilkan ukuran CaO sintesis sebesar
190 nm. Analisis FT-IR menunjukkan sampel CaO mudah terhidrasi dan terkarbonasi.
Kata kunci : CaO, kopresipitasi, nanopartikel
1. Pendahuluan
Salah satu sumber energi terbarukan yang
akhir-akhir ini banyak mendapat perhatian
peneliti adalah biodiesel. Biodiesel memiliki
sifat sesuai dengan mesin diesel yaitu ramah
lingkungan, dapat diperbaharui dan memiliki
viskositas yang baik. Biodiesel dapat diperoleh
dari reaksi esterifikasi dari asam lemak bebas
dengan alkohol melalui katalis asam atau
transesterifikasi dari trigliserida dengan alkohol
melalui katalis basa (McNeff dkk, 2008).
CaO adalah katalis yang lebih aktif dan
telah lama diteliti untuk reaksi transestrifikasi
karena harganya yang murah, memiliki
kekuatan basa yang tinggi (H_= 26.5) (Liu dkk,
2008) serta sedikit larut dalam metanol
dibandingkan dengan oksida atau hidroksida
logam alkali tanah yang lain seperti SrO dan
Ba(OH)2 yang terlarut secara penuh dalam
media reaksi (Granados dkk, 2007).
Produktivitas katalis semakin baik bila
luas permukaan per satuan masa katalis besar.
Memperbesar luas permukaan per satuan masa
katalis dapat dilakukan dengan memperkecil
ukuran padatan katalis misalnya dengan
membuat
padatan
katalis
berukuran
nanopartikel. Pada reaksi transesterifikasi
penggunaan katalis dengan ukuran yang lebih
kecil dapat meningkatkan jumlah metil ester
yang dihasilkan.
Cho, dkk (2009), melakukan penelitian
transesterifikasi tributirat dengan metanol
ISSN No. 2085 - 0859
dengan
katalis
kalsium
oksida
yang
dipersiapkan dari berbagai prekursor, pada
penelitian ini disimpulkan bahwa kalsium
oksida yang memiliki luas permukaan paling
besar memiliki jumlah sisi basa yang paling
besar pula sehingga dapat menghasilkan yield
metil butirat yang paling tinggi (yield 52%).
Katalis CaO telah diteliti sebagai salah
satu katalisator yang baik untuk reaksi
transesterifikasi. Untuk meningkatkan aktivitas
dan produktivitas katalis maka luas permukaan
per satuan masa katalis ditingkatkan dengan
membuat katalis CaO dalam ukuran nano.
2. Metode Penelitian
Katalis nanopartikel CaO disintesis
berdasarkan
metode
kopresipitasi
yang
dilakukan oleh Kanade dkk (2006) yaitu dengan
menyamakan konsentrasi prekursor yang
digunakan. Pada penelitian yang dilakukan oleh
Kanade dkk (2006), nanopartikel ZnO berhasil
disintesis melalui dekomposisi termal seng
oksalat menggunakan prekursor seng asetat dan
asam oksalat. Sedangkan pada sintesis ini
prekursor seng asetat diganti dengan kalsium
asetat dan diendapkan dengan asam oksalat.
a. Sintesis Katalis CaO
Penyiapan katalis CaO dilakukan dengan
membuat larutan Ca(CH3COO)2.H2O 0,1 M dan
H2C2O4.2H2O 0.15 M dalam pelarut air
Jurnal Teknika Volume 3 No. 2 Tahun 2011
232
deionisasi. Endapan kalsium oksalat diperoleh
dengan penambahan secara berlahan-lahan
larutan encer H2C2O4.2H2O 0,15 M dibawah
pengadukan dengan kecepatan 160 rpm selama
12 jam pada temperatur kamar. Produk padat
diperoleh dengan sentrifuse, diikuti pencucian
dengan air deioniasi dan aceton serta
dikeringkan dalam oven pada 120 oC selama
satu malam. Sebelum digunakan sebagai katalis,
padatan kering dikalsinasi dalam furnace pada
temperatur 800 oC selama 6 jam.
b. Karakterisasi
Katalis CaO dikarakterisasi menggunakan
teknik difraksi sinar-X (XRD) untuk identifikasi
fase kristal dan kekristalan katalis dengan
radiasi Cu K ( = 1.5405 Å) pada 40 kV dan
30 mA, 2θ 1,5–40o dan kecepatan scan 0,02
o
/detik. Dilanjutkan dengan analisis pola
difraksi sinar-X (XRD) dengan menggunakan
perangkat lunak Rietica dan Maud
Spektrum inframerah direkam menggunakan spektrofotometer Fourier Transform
Infrared (FTIR), dengan pemisahan spektrum 2
cm−1, pada suhu 20 oC. Spektrum direkam pada
daerah 1400-400 cm−1.
3. Hasil dan Pembahasan
a. Sintesis Katalis Nanopartikel CaO
Pada awal sintesis larutan kalsium asetat
0,1 M ditambah dengan asam oksalat 0,15 M
tetes demi tetes disertai dengan pengadukan
dengan kecepatan 160 rpm pada suhu ruang.
Penambahan asam oksalat ke dalam larutan
kalsium asetat ini memungkinkan adanya
pembentukan kalsium oksalat. Skema reaksi
kopresipitasi yang terjadi dapat ditunjukkan
sebagai berikut :
Ca(CH3COO)2.H2O + H2C2O4.2H2O 
CaC2O4.H2O + 2CH3COOH + 2H2O
(1)
Larutan hasil kopresipitasi ini dibiarkan
tetap distirer dengan kecepatan 160 rpm selama
12 jam. Setelah 12 jam larutan hasil
kopresipitasi dipisahkan endapan dengan
ISSN No. 2085 - 0859
filtratnya dengan menggunakan sentrifuse.
Endapan kemudian dicuci dengan aqua
demineralisasi dan aseton. Selanjutnya, endapan
dikeringkan dalam oven pada suhu 120 oC
selama 12 jam untuk meghilangkan kandungan
airnya dan membentuk padatan putih (Kanade
dkk, 2006). Padatan putih yang telah
dikeringkan kemudian dikalsinasi suhu 800 oC
selama 6 jam untuk menghilangkan ion
oksalatnya sehingga terbentuk struktur CaO.
Proses dekomposisi yang terjadi pada padatan
kalsium oksalat menjadi padatan kalsium oksida
mengikuti reaksi sebagai berikut (West, 1984) :
CaC2O4.H2O  CaC2O4 + H2O
(2)
CaC2O4  CaCO3 + CO
(3)
CaCO3  CaO + CO2
(4)
b. Karakterisasi Katalis
 Difraksi Sinar-X (XRD)
Teknik XRD digunakan untuk mengetahui
struktur dan fase kristal dari sampel CaO. Pola
difraksi sinar-X pada Gambar 1 dimonitor
pada 2θ = 20-70º.
Pada CaO sintesis yang telah dikalsinasi
suhu 800 oC, masih terdapat pola difraksi yang
berhubungan dengan fase CaCO3 yang muncul
pada 2θ (o) = 29,4 bersamaan dengan
keberadaan beberapa puncak CaO pada 2θ (o) =
3 2 ,2; 3 7 ,4; 53;9; 64,1 dan 67,4. Puncakpuncak ini sesuai dengan hasil yang
dipublikasikan oleh Albuquerque dkk, (2009)
untuk pola difraksi CaO dengan struktur kubik.
Jurnal Teknika Volume 3 No. 2 Tahun 2011
20
30
40
50
233
60
2, (derajat)
Gambar 1 Pola XRD dari CaO sintesis setelah
kalsinasi pada suhu 800 oC.
 Penghalusan Rietveld Pola Difraksi dan
Hasilnya
1). Penghalusan Rietveld dengan Perangkat
Lunak Rietica
Analisis yang pertama adalah penghalusan
(refinement) menggunakan metode Rietveld
dengan perangkat lunak Rietica. Tingkat
keberhasilan pencocokan ini dapat diketahui
dari ada tidaknya puncak difraksi terukur yang
belum termodelkan. Berdasarkan identifikasi
fasa yang telah dilakukan dapat disimpulkan
bahwa data terukur sampel CaO sintesis
diperoleh 2 fase yang sesuai dengan puncakpuncak yang dimodelkan oleh data ICSD nomor
75785 untuk senyawa CaO dan puncak-puncak
yang dimodelkan oleh data ICSD nomor 80869
untuk senyawa CaCO3, sehingga dapat
disimpulkan bahwa CaO sintesis terdiri dari 2
fasa yaitu CaO dan CaCO3.
Setelah diperoleh data ICSD untuk
masing-masing sampel, langkah selanjutnya
adalah memasukkan data-data kristalografi ke
dalam program rietica. Kemudian dimasukkan
data terukurnya dan mulai dilakukan
penghalusan-penghalusan.
Gambar 2 menunjukkan plot normal hasil
penghalusan Rietvield data difraksi serbuk hasil
kopresipitasi dengan jangkauan sudut 2θ (o): 20
ISSN No. 2085 - 0859
70
– 70 untuk sampel CaO 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 2
juga kecil, sehingga menunjukkan bahwa proses
penghalusan berhasil. Adapun keberhasilan
penghalusannya ditunjukkan dengan parameter
nilai GoF sebesar 1.49% dan Rwp sebesar
18.80%. GoF merupakan salah satu figures-ofmerit yang penting dalam analisis dengan
metode
Rietveld
(Kisi,
1994),
yang
menunjukkan bahwa penghalusan Rietvield
dapat diterima menurut kriteria yang
disyaratkan oleh Kisi, yaitu GoF < 4% dan Rwp
< 20%. Dengan demikian parameter-parameter
yang diperhalus dapat diekstrak dan dapat
dianalisis lebih lanjut. Pada gambar 2 pola
difraksi terukur digambarkan dengan tanda (+)
dan pola difraksi terhitung digambarkan dengan
garis lurus. Kurva paling bawah adalah plot
selisih antara pola difraksi terukur dengan pola
difraksi terhitung.
Gambar 2 Hasil penghalusan dengan perangkat
lunak Rietica sampel CaO sintesis yang
telah dikalsinasi suhu 800 oC.
2). Estimasi Komposisi Fasa (Fraksi Berat
Relatif) Sampel dengan Perangkat Lunak
Rietica.
Perhitungan komposisi fasa dilakukan
pada sampel CaO sintesis yang sudah
dikalsinasi pada suhu 800oC. Dari perangkat
lunak rietica ini didapatkan estimasi komposisi
fasa seperti ditunjukkan oleh Tabel 1
Jurnal Teknika Volume 3 No. 2 Tahun 2011
Tabel 1 Estimasi komposisi fasa dengan
perangkat lunak rietica sampel CaO
sintesis sesudah kalsinasi suhu 800oC.
234
digambarkan dengan warna hitam. Kurva paling
bawah adalah plot selisih antara pola difraksi
terukur dengan pola difraksi terhitung.
Komposisi fasa (% berat)
Sampel
CaO sintesis
CaO
CaCO3
88,67
11,33
Dari Tabel 1 tampak bahwa sampel CaO
sintesis memiliki komposisi fasa CaO sebesar
88,67%, meskipun masih terdapat sebagian
kecil fasa CaCO3. Hal ini menunjukkan bahwa
pada suhu 800oC sampel CaO sintesis tidak
sepenuhnya terdekomposisi menjadi CaO
karena adanya proses dekarbonasi CaO menjadi
CaCO3 kembali seperti yang diperkuat dengan
data XRD pada Gambar 1.
3). Penghalusan Rietveld dengan Perangkat
Lunak MAUD
Pada penelitian ini, untuk mengestimasi
ukuran kristal 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 CaO 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, sehingga menunjukkan bahwa proses
penghalusan berhasil. Adapun keberhasilan
penghalusannya ditunjukkan dengan parameter
nilai sig yang didapatkan sebesar 1.21% dan
nilai Rwp = 18.80%. 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
ISSN No. 2085 - 0859
Gambar 3 Hasil penghalusan dengan perangkat
lunak MAUD terhadap sampel CaO
sintesis yang telah dikalsinasi suhu 800
o
C.
4). Estimasi Ukuran Kristal dengan Perangkat
Lunak MAUD
Dari hasil data XRD yang kemudian
diolah dengan perangkat lunak Maud
didapatkan estimasi ukuran kristal seperti
tampak pada Tabel 2.
Tabel 2 Estimasi ukuran kristal dengan
perangkat lunak MAUD, angka dalam
kurung adalah estimasi standar deviasi
dari digit terakhir yang signifikan.
Ukuran Kristal (nm)
Sampel
CaO
sintesis
CaO
CaCO3
190 (10)
30 (3)
 Spektroskopi Inframerah
Karakterisasi
dengan
spektroskopi
inframerah bertujuan untuk mengidentifikasi
gugus fungsi yang terdapat dalam suatu
senyawa. Gambar 4 menunjukkan spektra FTIR
dari CaO sintesis setelah kalsinasi pada bilangan
gelombang antara 4000-400 cm-1.
Spektra FTIR dari sampel CaO sintesis
menunjukkan puncak pada bilangan gelombang
di daerah sekitar 3600 cm-1, antara 1600 – 1800
Jurnal Teknika Volume 3 No. 2 Tahun 2011
235
cm-1, diatas 1530-1620 cm-1, dibawah 15301300 cm-1, di sekitar 875 cm-1, dan 400 cm-1.
gugus karbonat (Granados dkk., 2007),
sedangkan pita pada 405 cm1 menunjukkan
vibrasi uluran dari Ca-O (υCa−O).
Pita dengan puncak tajam pada bilangan
gelombang 3645 cm-1 merupakan vibrasi ulur
gugus OH dari Ca(OH)2. Puncak lebar yang
terpusat pada 3433 cm-1 berhubungan dengan
vibrasi ulur gugus -OH dari H2O, menunjukkan
keberadaan air yang terabsorb di atas
permukaan CaO. Pada spektra IR CaO sintesis
ini juga terdeteksi pita pada 1647 cm-1 yang
menunjukkan mode tekukan OH dari molekul
air yang terabsorb secara fisik pada permukaan
CaO.
4. Kesimpulan
Katalis CaO nanopartikel telah berhasil
disintesis dengan metode kopresipitasi dari
larutan kalsium asetat 0,1 M dan diendapkan
dengan asam oksalat 0,15 M. Katalis hasil
sintesis dikarakterisasi dengan difraksi sinar-X,
menghasilkan CaO sintesis dengan tipe kubik.
Analisa perkiraan ukuran partikel dengan
perangkat lunak maud, menghasilkan ukuran
partikel katalis CaO sintesis sebesar 190 nm.
Karakterisasi dengan spektroskopi inframerah
menunjukkan bahwa katalis CaO mudah
mengalami dehidrasi dan dekarbonasi.
% Transmitansi
5. Daftar Pustaka
Albuquerque, Monica, C.G., JimenezUrbistondo, I., Santamaria-Gonzalez J.,
(2008), “CaO Supported on Mesoporous
Silicas as Basic Catalysts for
Transesterification Reactions”, Appl Catal
A: Gen; Vol. 334, Hal. 35–43.
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
-1
Bilangan gelombang (cm )
Gambar 4 Spektra FTIR CaO sintesis setelah
kalsinasi.
Pita dengan puncak kuat pada bilangan
gelombang 1797 dan 1778 cm-1 dapat diartikan
sebagai gugus karbonil (C=O) yang disebabkan
oleh modus ulur karbonil. Pita ini merupakan
puncak kuat yang dijumpai dalam daerah 1640
– 1820 cm-1 (Fessenden, 1986). Pita pada
bilangan gelombang 1523 dan 1411 cm-1
berhubungan dengan spesi bidentat dan
monodentat dari karbonat. Hal ini sesuai dengan
penelitian yang dilakukan oleh Granados dkk.,
(2007), bahwa pita pada bilangan gelombang
1479 dan 1419 cm-1 dapat diartikan sebagai
vibrasi stretching simetri dan asimetri dari
ikatan O-C-O dari karbonat monodentat pada
permukaan CaO. Pita pada bilangan gelombang
875 dan 713 cm-1 merupakan vibrasi tekuk dari
ISSN No. 2085 - 0859
500
Cho, Y. B., Seo, G., dan Chang, D. R., (2009), “
Transesterification of tributyrin with
methanol over calcium oxide catalysts
prepared from various precursors”, Fuel
Processing Technology, Vol. 90, hal 12521258.
Granados, M.L., Poves, M.D.Z., Alonso, D.M.,
Mariscal, R., Galisteo, F.C., MorenoTost, R., Santamaría, J., dan Fierro, J.L.G.,
(2007), “Biodiesel from sunflower oil by
using activated calcium oxide”, Applied
Catalysis B: Environmental, Vol. 73, hal.
317–326.
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.
Mc Neff, C.V. dan Mc Neff, L. (2008), “A
continuous system for biodiesel
production”, Applied Catalytic. A:
General, Vol. 343, hal. 39–48.
Jurnal Teknika Volume 3 No. 2 Tahun 2011
Halaman ini sengaja dikosongkan
ISSN No. 2085 - 0859
236