Sintesis Nanopartikel Maghemite (γ-Fe2O3) secara Elektrokimia dengan prekursor Fe(NO3)3.9H2O dalam Etanol

Sintesis Nanopartikel Maghemite (γ-Fe₂O₃) secara Elektrokimia dengan prekursor Fe(NO₃)_3.9H₂O dalam Etanol

Oleh : Erica Marista Rosida

Email:ericamarista23@gmail.com

 

Abstrak

Ditinjau dari ukuran partikelnya yang kecil dan sifat kemagnetannya menjadikan nanopartikel maghemite (γ-Fe₂O₃) sebagai partikel yang banyak dimanfaatkan pada berbagai aplikasi. Berbagai metode sintesis nanopartikel maghemite telah banyak dikembangkan untuk memperoleh metode yang efektif dan efisien. Salah satu metode sintesis nanopartikel maghemite yang sederhana adalah dengan metode elektrokimia. Sintesis nanopartikel maghemite secara elektrokimia akan dilakukan dengan menggunakan variasi konsentrasi elektrolit. Tujuan penelitian adalah mensintesis nanopartikel maghemite dengan  prekusor Fe(NO₃)₃.9H₂O dalam etanol dan mengetahui karakteristiknya.

Sintesis nanopartikel maghemite (γ-Fe₂O₃) secara elektrokimia dilakukan dengan menggunakan elektrolit Fe(NO₃)₃ .9H₂O dalam etanol, elektrode karbon dan tegangan 40 V. Variabel yang divariasikan adalah konsentrasi elektrolit Fe(NO₃)₃.9H₂O dalam etanol. Pada penelitian ini elektrolisis dilakukan selama 3 jam. Partikel maghemite (γ-Fe₂O₃) akan terbentuk pada permukaan katoda berupa serbuk coklat. Maghemite (γ-Fe₂O₃) yang terbentuk dikarakterisasi dengan XRD (X-Ray Diffraction), FTIR(Fourier Transform Infra Red), SEM (Scanning Electron Microscopy), VSM (Vibrating Sample Magnetometry). Karakterisasi dilakukan untuk mengetahui ukuran, morfologi, sifat kemagnetan dan ukuran luas permukaan dari partikel.

Berdasarkan hasil sintesis dan karakterisasi yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa nanopartikel maghemite dapat disintesis secara elektrokimia dengan prekusor Fe(NO₃)₃.9H₂O dalam etanol dan dihasilkan maghemite dengan diameter 3-6nm dan bersifat ferromagnetik.


Kata Kunci : maghemite, nanopartikel, elektrokimia

Pendahuluan

Beberapa tahun belakangan, penelitian dibidang sintesis dan aplikasi nanopartikel telah banyak dikembangkan khususnya pada nanopartikel oksida besi, termasuk maghemite (γ-Fe₂O₃). Nanopartikel maghemite merupakan maghemite dengan ukuran  kurang dari 100 nm. Partikel maghemite dengan ukuran nano memiliki sifat kemagntetan yang unik. Berbeda dengan sifat kemagnetan pada ukuran bulk, maghemite dengan ukuran kurang dari 10 nm memilki sifat kemagnetan superparamagnetik. Ditinjau dari sifat kemagnetan, dan ukuran partikelnya yang kecil menjadikan nanopartikel maghemite sebagai partikel yang banyak dimanfaatkan pada berbagai aplikasi.

Dalam bidang biomedis, maghemite digunakan sebagai pengirim obat dan biosensor, hal ini karena maghemite memilki sifat biocompatibility pada tubuh. Pada bidang industri digunakan sebagai pigmen sintetik dalam cat keramik, media penyimpanan rekaman dan data. Semakin banyak aplikasi dari nanopartikel maghemite maka perlu dikembangkannya suatu metode sintesis yang dapat menghasilkan nanopartikel maghemite dengan sifat-sifat yang diinginkan.  

Berbagai metode kimia telah dikembangkan untuk mensintesis nanopartikel maghemite, diantaranya presipitasi, termolosis dan elektrokimia. Dari beberapa metode tersebut, metode elektrokimia merupakan metode yang sederhana, sebab metode ini mudah dikontrol dan peralatan yang digunakan sederhana. Pada metode elektrokimia reaksi yang terjadi adalah reaksi reduksi-oksidasi di permukaan elektrode, dimana reaksi tersebut dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti elektrode yang digunakan (jenis, luas permukaan, jarak antar kedua elektrode), elektrolit sebagai prekursor (jenis dan konsentrasi), beda potensial, suhu, pH dan rapat arus.

Sintesis nanopartikel maghemite secara elektrokimia telah berhasil dilakukan oleh Park et al.(2007) dengan menggunakan larutan FeCl₃. Dari penelitian Park diperoleh kesimpulan bahwa dengan meningkatnya rapat arus, ukuran rata-rata partikel maghemite yang dihasilkan semakin kecil. Sintesis maghemite dengan metode elektro-oksidasi juga telah dilakukan oleh Pascal et al. (1999). Sintesis dilakukan menggunakan larutan tetraoktilammonium bromide yang dilarutkan dalam DMF (N,N-dimetilformamida). Partikel maghemite yang dihasilkan memiliki ukuran 3-8 nm bersifat amorf yang terdeposisi di anode.

Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan metode sintesis maghemite secara elektrokimia. Elektrolit yang digunakan larutan Fe(NO₃)₃.9H₂O dalam etanol. Etanol digunakan sebagai pelarut karena etanol merupakan elektrolit lemah yang sulit menghantarkan arus listrik. Pembentukan partikel berukuran nano diperlukan kondisi arus listrik yang kecil sehingga digunakan etanol sebagai elektrolit. Selain itu, etanol dipilih sebagai pelarut untuk menghindari pelapisan pada katode.

Hasil dan Pembahasan

Maghemite (γ-Fe₂O₃) telah berhasil disintesis secara elektrokimia dengan prekusor Fe(NO­₃)₃.9H₂O dalam etanol.  Maghemite yang dihasilkan berwarna coklat dan dapat ditarik magnet. Pada sintesis maghemite dilakukan dengan memvariasikan konsentrasi Fe­(NO₃)₃.H₂O dalam etanol. Variabel yang dikontrol diantaranya sumber tegangan, jenis elektroda, jarak antar elektroda dan waktu elektrolisis. Tabel 4.1 menunjukkan hasil pengamatan selama elektrolisis.

Selama proses elektrolisis dilakukan pengamatan terhadap perubahan larutan elektrolit Fe(NO₃)₃.9H₂O dalam etanol. Larutan elektolit berwarna orange jernih. Secara perlahan larutan elektrolit berubah warna menjadi semakin gelap. Semakin tinggi konsentrasi larutan, semakin tinggi arus yang mengalir dengan sumber tegangan yang sama. Semakin tinggi arus yang terjadi, semakin besar pula rapat arus. Arus yang semakin besar akan mempercepat terbentuknya partikel. Hal ini akan berdampak pada karakterisasi produk.

Untuk mengetahui karakterisasi produk yang dihasilkan dari sintesis nanopartikel maghemite dengan variasi konsentrasi Fe­(NO₃)₃.H₂O dalam etanol dilakukan beberapa analisis.

1.  Analisa XRD (X-Ray Diffraction)

Hasil sintesis yang dihasilkan dari sintesis kemudian dianalisa menggunakan XRD. Analisis XRD dilakukan untuk mengetahui senyawa yang terkandung dalam sampel. Gambar 1 menunjukkan pola difraksi sinar X dari berbagai konsentrasi. Pola difraksi tersebut kemudian dibandingkan dengan pola difraksi standar γ-Fe₂O₃ (JCPDS No. Card 39-1346).

Gambar 1.1   Pola Difraksi Sinar X Hasil Sintesis γ-Fe₂O₃ pada Berbagai Konsentrasi Fe(NO₃)₃ dalam Etanol.

Berdasarkan hasil analisa XRD pada kelima hasil sintesis, menunjukkan adanya kesesuaian antara pola difraksi standart dengan hasil sintesis. Hal ini menunjukkan bahwa senyawa maghemite (γ-Fe₂O₃) telah berhasil disintesis dengan metoda elektrokimia dengan prekusor Fe(NO₃)₃.9H₂O dalam pelarut etanol. Namun maghemite yang dihasilkan bersifat amorf.  Maghemite terdeposisi pada katoda dan reaksi-reaksi yang kemungkinan terjadi yaitu:

Dari dua kemungkinan reaksi yang terjadi di katoda, reaksi yang kedua diduga lebih dominan terjadi, hal ini karena pada proses elektrolisis tidak dilakukan aerasi. Sehingga larutan tidak mendapatkan sumber oksigen, dan reaksi petama kemungkinan kecil untuk terjadi. Selain reaksi tersebut, reaksi yang mungkin terjadi yaitu reaksi reduksi nitrat dengan persamaan reaksi sebagai berikut :

Ion hidoksil dari hasil reduksi nitrat ini mempunyai peranan yang penting, yakni digunakan untuk pembentukan Fe(OH)₃. Selain dari hasil reduksi nitrat, ion hidroksil juga diperoleh dari reduksi air. Untuk reaksi yang terjadi di anode yaitu reaksi oksidasi etanol. 

2. Analisa FT-IR (Fourier Transform Infra Red)

Untuk mengetahui jenis ikatan dan gugus fungsi yang ada pada partikel hasil sintesis perlu dilakukan analisa dengan FT-IR. Hasil analisis FT-IR untuk sampel dengan konsentrasi Fe(NO₃)₃ 0,05M ditunjukkan dari Gambar 2.1

Gambar 2.1   Hasil Analisis FT-IR untuk Sampel dengan Konsentrasi Fe(NO₃)₃ dalam etanol 0,05M

Berdasarkan Gambar 2.1 dapat diidentifikasi bahwa terdapat puncak-puncak vibrasi pada daerah 418, 55-634,58 cm, hal ini menunjukkan bahwa terdapat ikatan gugus metal dengan oksigen yaitu Fe-O dari Fe₂O₃. Puncak- puncak yang menunjukkan daerah vibrasi maghemite seperti pada Tabel 2.1.

Tabel 4.2   Puncak-puncak Vibrasi Maghemite

Puncak vibrasi juga muncul pada daerah 3000-3500 cm, puncak tersebut mengidentifikasi adanya gugus O-H dari Fe(OH)₃ yang merupakan hasil reaksi dari Fe³⁺ dengan OH^- dari reduksi air. Puncak vibrasi juga muncul pada 1624,06 cm yang merupakan daerah vibrasi dari ikatan C=O dari asam asetat (CH₃COOH) hasil oksidasi etanol. Puncak vibrasi 1361,74 cm adalah daerah vibrasi untuk ikatan N=O dari nitrat, nitrat merupakan prekusor dari sintesis maghemite yaitu Fe(NO₃)₃ yang mengalami oksidasi di anode.

Berdasarkan analisa FT-IR tersebut dapat disimpulkan bahwa maghemite yang terbentuk masih mengandung pengotor. Pengotor yang terdapat dalam partikel ini diduga merupakan hasil reaksi dari nitrat dan oksidasi etanol.

3.  Analisa SEM

Pada analisis SEM dapat diketahui morfologi dan ukuran partikel dari hasil sintesis.. Hasil analisa SEM dapat dilihat pada Gambar 3.1. Berdasarkan hasil SEM tersebut, tampak bahwa dihasilkan partikel dengan morfologi bola dan masih berupa agglomerasi.

Gambar 3.1   Hasil SEM dari Hasil Sintesis dengan Konsentrasi 0,05M 

4.  Analisa VSM (Vibrating Sample Magnetometer)

Untuk mengetahui sifat kemagntean hasil sintesis, perlu dilakukan analisis dengan VSM. Hasil analisis VSM berupa kurva histeresis. Pada Gambar 4.1 menunjukkan kurva histeresis dari hasil sintesis dengan konsentrasi 0,04 M dan 0,05M.

Gambar 4.1   Kurva Histeresis dari Hasil Sintesis dengan Konsentrasi 0,04 M dan 0,05M

Berdasarkan kurva histeresis pada Gambar 4.1 menunjukkan bahwa hasil sintesis maghemite memiliki sifat kemagnetan ferromagnetik. Karena pada gambar tersebut terlihat loop histeresis dan magnetisasi remanen yang menunjukkan bahwa bahan tersebut tidak bersifat superparamagnetik. Pada kurva a merupakan hasil sintesis dengan konsentrasi 0,04M dan kurva b dengan konsentrasi 0,05M. dari gambar tersebut tampak adanya perbedaan nilai medan magnet saturasi (M_s), pada konsentrasi 0,04M M_s yang di hasilkan mencapai 18,8 emu/g, sedangkan pada konsentrasi 0,05M menghasilkan M_s 12,6 emu/g. Semakin besar M_s yang dicapai suatu partikel, maka partikel akan memiliki kemagnetan yang semakin tinggi pula. Hal ini mengindikasikan bahwa konsentrasi Fe(NO₃)_3.9H₂O dalam etanol berpengaruh terhadap kemagnetan suatu partikel.

Kesimpulan
Berdasarkan penelitian yang telah dijelaskan dapat disimpulkan sebagai berikut:

1.      Nanopartikel maghemite (γ-Fe₂O₃) dapat disintesis elektrokimia dengan prekursor Fe(NO₃)₃.9H₂O dalam etanol.

2.      Maghemite dihasilkan dari sintesis prekursor Fe(NO₃)₃.9H₂O dalam etanol menunjukkan morfologi bola dengan 3-6nm diameter rata-rata dan feromagnetik.

DAFTAR RUJUKAN

-------. 2011. electrochemistry, (Online), (http://wikipedia.org), diakses tanggal 02 Desember 2011).

-------. 2012. Iron Oxide nanoparticle, (Online), (http://wikipedia.org), diakses tanggal 30 Juni 2012).

-------. 2012. Maghemite, (Online), (http://wikipedia.org), diakses tanggal 30 Juni 2012).

-------. 2012. Iron (III) Oxide, (Online), (http://wikipedia.org), diakses tanggal 30 Juni 2012).

Amtenbrink, M.H., Rechenberg, B., Hofman, H. (Ed). 2009. Superparamagnetic Nanoparticles for Biomedical Application, (Online), (http://infoscience.epfl.ch/record/140537/files/Bookchapter_M%20_C%20_Tan_5.pdf), diakses 8 November.

Bard, Allen J., Faulkner, Larry R. 2001. Electrochemical Methods Fundamentals and Applications (second edition). (Online), (http://www.filecrop.com/61026058/index.html), diakses 25 November 2011.

Cornel, R.M., Schwertmann, U. 2003. The Iron Oxides (2nd edition). (Online), (http://books.google.co.id/books?id=UFdpJqTOWRAC&printsec=frontcover&hl=id&source=gbs_ge_summary_r&cad=0#v=onepage&q&f=false ), diakses 25 November 2011.

Hibino, M., Yao, T. 2010. γ-ferric/carbon composite synthesized by aquaous solution method as a cathode for lithium-ion batteries. Zero energy Kyoto.(online). (http://books.google.co.id/books?id=ETD_C7jtF-EC&printsec=frontcover&hl=id#v=onepage&q&f=false), diakses 01 Juli 2012.

Marques, R.F.C., Garcia, C., Lecante, P., Ribeiro, Noe, L., Silva, N.J.O., Amaral, V,.Millan, A, Verelst, M.2008. Elektro-Precipitation of Fe₃O₄ Nanopartikel in Ethanol. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 320 : 2311-2315.

Mohapatra, M., Anand, S. 2010. Synthesis and applications of nano-structured iron oxides/hydroxides a review. International Journal of Engineering, science and Technology, (Online), 2 (8): 127-146, (http://ijest-ng.com/vol2_no8/ijest-ng-vol2-no8-pp127-146.pdf), diakses 13 November 2011.

Park, H., Ayala, P., Deshusses, M.A., Mulchandani, A., Choi, H., Myunga, N.V. 2007. Electrodeposition of maghemite (γ-Fe2O3) nanoparticles. Chemical Engineering Journal, (online) 139 : 208-212, (http://erl.gist.ac.kr/mywww/publication/Electrodeposition%20of%20maghemite%20%28Fe2O3%29%20nanoparticles.pdf), diakses 31 Juni 2012.

Pascal, C., Pascal, J.L., Favier, F. 1999. Electrochemical Synthesis for the Control of γ-Fe2O3 Nanoparticle Size. Morphology, Microstructure, and Magnetic Behavior. Chem. Matter. 11:  141-147.

Predoia, D., Andronescub, Raduc, E., Munteanuc, M.C.,  Dinischiotu. 2010. Synthesis and characterization of bio-compatible maghemite nanoparticles. Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures, (online) 5(3) 779-786, (http://www.chalcogen.infim.ro/779_predoi.pdf), diakses 31 Juni 2012.

Teja, A.S., Koh, Pei-Yoong. 2009. Synthesis Properties And Applications Of Magnetic Iron Oxide Nanoparticles. Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials, (Online), 55: 22-45, (ftp://124.42.15.59/ck/201104/165/072/521/384/Synthesis,%20properties,%20and%20applications.pdf). diakses 25 November 2011.