elektrokatalis evolusi oksigen berbasis kalsium … · elektrokatalis . evolusi oksigen berbasis ....
TRANSCRIPT
ELEKTROKATALIS EVOLUSI OKSIGEN
BERBASIS KALSIUM FERIT (CaxFeyOz)
TERDOPING TEMBAGA
LUTHFI AFRIANI
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2017
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK
CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Elektrokatalis
Evolusi Oksigen Berbasis Kalsium Ferit (CaxFeyOz) Terdoping Tembaga
adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum
diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber
informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun
tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan
dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada
Institut Pertanian Bogor.
Bogor, Februari 2017
Luthfi Afriani
NIM G44120020
ABSTRAK
LUTHFI AFRIANI. Elektrokatalis Evolusi Oksigen Berbasis Kalsium Ferit
Terdoping Tembaga. Dibimbing oleh ARMI WULANAWATI dan
MOHAMMAD KHOTIB.
Salah satu sumber energi potensial dapat dikembangkan melalui reaksi
evolusi oksigen (OER). Langkah dalam reaksi evolusi oksigen mencakup transfer
4-elektron dan pembentukan ikatan oksigen-oksigen, sehingga secara kinetik
membutuhkan energi yang besar dan membutuhkan katalis untuk mempercepat
reaksi. Elektrokatalis yang dikembangkan dalam penelitian ini adalah kalsium
ferit (CaxFeyOz) dengan metode kopresipitasi menggunakan prekursor
CaCl22H2O dan FeCl36H2O. Aktivitas kalsium ferit dapat ditingkatkan dengan
mendoping susunan kristalnya menggunakan logam transisi, salah satunya
tembaga. Berdasarkan pencirian menggunakan spektrum inframerah dan difraksi
sinar X, kalsium ferit berhasil terbentuk dengan fase Ca2Fe2O5, sedangkan
kalsium ferit terdoping tembaga belum berhasil didapatkan. Aktivitas katalitik
terbaik ialah pada elektrokatalis kalsium ferit dengan substitusi Cu 30% pada
medium NaOH 0.5 M berdasarkan parameter i0 dan β.
Kata kunci: elektrokatalis, evolusi oksigen, kalsium ferit, tembaga
ABSTRACT
LUTHFI AFRIANI. Oxygen Evolution Electrocatalyst Based on Copper-Doped
Calcium Ferrite (CaxFeyOz). Supervised by ARMI WULANAWATI and
MOHAMMAD KHOTIB.
One source of potential energy can be developed by oxygen evolution
reaction (OER). The steps of oxygen evolution reaction are 4-electrons transfer
and the formation of oxygen-oxygen bond, so that the kinetic requires large
energy and a catalyst. In this experiment, the electrocatalyst was developed from
calcium ferrite using copresipitation method with CaCl22H2O and FeCl36H2O as
precursors. Activity of the calcium ferrite can be improved by transition metal
doped, such as copper. Based on the characterization using infrared spectra and X-
ray diffracction, the calcium ferrite was formed as Ca2Fe2O5 phase, meanwhile the
-doped calcium ferrite was not yet formed. The best catalytic activity was
electrocatalyst calcium ferrite with 30% Cu substitution in 0.5 M NaOH medium
based on i0 and β parameters.
Keywords: calcium ferrite, copper, electrocatalyst, oxygen evolution
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains
pada
Departemen Kimia
ELEKTROKATALIS EVOLUSI OKSIGEN
BERBASIS KALSIUM FERIT (CaxFeyOz)
TERDOPING TEMBAGA
LUTHFI AFRIANI
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2017
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala rahmat,
nikmat, karunia, dan ridho-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan
dengan judul Elektrokatalis Evolusi Oksigen Berbasis Kalsium Ferit (CaxFeyOz)
Terdoping Tembaga. Karya ilmiah ini didasarkan pada penelitian yang
dilaksanakan sejak bulan April hingga Juli 2016 di Laboratorium Kimia Fisik,
Departemen Kimia IPB Dramaga, Bogor.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Ibu Armi Wulanawati, SSi, MSi dan
Bapak Mohammad Khotib, SSi, MSi selaku pembimbing yang telah memberikan
arahan, motivasi, dan dukungan selama penelitian. Penulis mengucapkan terima
kasih kepada staf unit Laboratorium Kimia Fisik Departemen Kimia IPB
Dramaga, Bogor serta rekan-rekan Departemen Kimia IPB 49 yang turut
membantu, memberikan masukan, dan semangat. Terima kasih juga sampaikan
kepada seluruh keluarga yang telah memberikan motivasinya selama penelitian
ini.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Februari 2017
Luthfi Afriani
DAFTAR ISI
DAFTAR GAMBAR x
DAFTAR LAMPIRAN x
PENDAHULUAN 1
Latar Belakang 1
Tujuan Penelitian 2
Waktu dan Tempat Pelaksanaan 2
METODE 2
Bahan dan Alat 2
Lingkup Kerja 2
HASIL DAN PEMBAHASAN 4
Kalsium Ferit dan Kalsium Ferit Terdoping Tembaga 4
Karakteristik Kalsium Ferit dan Kalsium Ferit Terdoping Tembaga 5
Aktivitas Elektrokatalis 8
SIMPULAN DAN SARAN 10
Simpulan 10
Saran 10
DAFTAR PUSTAKA 10
LAMPIRAN 12
RIWAYAT HIDUP 16
DAFTAR GAMBAR
1 Hasil sintesis kalsium ferit (a) dan kalsium ferit terdoping Cu 10%
(b), Cu 30% (c), dan Cu 40% (d) 4 2 Model evolusi oksigen pada perovskit CaCu3Fe4O12 (Yagi et al.
2015) 5
3 Difraktogram hasil sintesis kalsium ferit 6
4 Struktur tiga dimensi Ca2Fe2O5 (Bertaut et al. 1959) 6
5 Difraktogram hasil sintesis kalisum ferit dengan doping Cu (40%) 7
6 Spektrum FTIR material kalsium ferit dan kalsium ferit terdoping
tembaga (10%, 30%, 40%) 8
7 Kurva hubungan log |i| dan overpotensial 8 8 Parameter elektrokatalitik dari katalis berbasis kalisum dalam
medium NaOH 0.5 M ( ), 1.0 M ( ), dan 1.5 M ( ) 9
DAFTAR LAMPIRAN
1 Diagram alir penelitian 12 2 Komposisi material kalsium ferit 12 3 Komposisi material kalsium ferit dengan doping tembaga 13 4 Uji kandungan CO2 bebas dalam air dengan NaOH 0.1 N 14
5 Hasil pengukuran elektroktalis dengan voltametri lucutan linier
(LSV) 14
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Konsumsi energi secara global terus meningkat setiap tahun. Sumber energi
yang digunakan saat ini masih bergantung pada bahan bakar fosil yang
ketersediaannya semakin berkurang. Selain itu, penggunaan sumber energi
berbahan bakar fosil cenderung kurang ramah lingkungan karena menghasilkan
emisi. Oleh karena itu, diperlukan sumber energi alternatif yang dapat diperbarui
dan lebih ramah lingkungan. Salah satu sumber energi potensial dapat
dikembangkan melalui reaksi evolusi oksigen (OER) (Xu et al. 2015). Reaksi
evolusi oksigen adalah reaksi konversi energi yang menjadi dasar pada
pengembangan rechargeable metal–air batteries dan direct solar water splitting
(Yagi et al. 2015). Reier et al. (2012) menyebutkan bahwa reaksi evolusi oksigen
merupakan reaksi oksidasi air menjadi molekul oksigen dalam reaksi
elektrokimia.
Langkah dalam reaksi evolusi oksigen mencakup transfer empat elektron
dan pembentukan ikatan oksigen-oksigen, sehingga secara kinetik membutuhkan
energi yang besar dan membutuhkan katalis untuk mempercepat reaksi (Kanan
dan Nocera 2008). Reaksi evolusi oksigen (OER), sebagai reaksi penting yang
terlibat dalam pemisahan air, telah banyak diteliti selama beberapa dekade (Carmo
et al. 2013). Salah satu katalis yang telah dikembangkan dan terbukti mampu
meningkatkan aktivitas katalitik pada OER adalah elektrokatalis berbasis
perovskit CaCu3Fe4O12 yang disintesis dengan metode polimerisasi dengan
mencampurkan prekursor CaCO3, Cu(NO3)2·3H2O dan Fe(NO3)3·9H2O dengan
perbandingan 1:3:4 (Yagi et al. 2015). Namun, metode polimerisasi tersebut
memiliki banyak tahapan dan memerlukan suhu tinggi.
Pembuatan katalis dalam penelitian ini menggunakan metode kopresipitasi
karena prosedurnya lebih sederhana dan tidak memerlukan suhu tinggi. Salah satu
katalis yang pernah dikembangkan dengan metode kopresipitasi adalah barium
heksaferit menggunakan prekursor BaCl2•2H2O dan FeCl3•6H2O (Kwak et al.
2012). Berdasarkan hal tersebut, penulis mengadaptasi pembuatan elektrokatalis
berbasis kalsium ferit (CaxFeyOz) dengan metode kopresipitasi menggunakan
prekursor CaCl2•2H2O dan FeCl3•6H2O. Penggantian atom Ba dengan Ca
diharapkan menghasilkan sifat yang mirip karena kedua atom tersebut berada
dalam satu gologan.
Burke et al. (2015) menyebutkan bahwa kalsium ferit dapat digunakan
sebagai elektroda pada sel bahan bakar yang memiliki aktivitas katalitik yang baik
pada medium basa. Material berbasis Ca-Fe-O banyak digunakan sebagai katalis
oksidasi, sensor suhu tinggi, absorben gas, dan sebagai elektroda pada sel bahan
bakar. Kalsium ferit mengandung Fe2O3 yang memiliki atom Fe berada pada
tingkat oksidasi +3 sehingga dapat mengalami oksidasi dan reduksi dalam proses
elektrolisis air dengan mengadsopsi OH-. Aktivitas kalsium ferit dapat
ditingkatkan dengan mendoping susunan kristalnya menggunakan logam transisi,
seperti logam Cu yang dapat meningkatkan sifat donor elektron dan kestabilan
struktur pada material berbasis Fe (Yagi et al. 2015).
2
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan mendapatkan elektrokatalis berbasis kalsium ferit
dan kalsium ferit terdoping tembaga serta mengidentifikasi aktivitas katalitiknya
sebagai OER.
Waktu dan Tempat Pelaksanaan
Penelitian ini dilaksanakan dari bulan Mei sampai November 2016 di
Laboratorium Kimia Fisik Departemen Kimia IPB Dramaga, Bogor dan
Laboratorium Terpadu IPB Baranangsiang, Bogor.
METODE
Bahan dan Alat
Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini meliputi CaCl2•2H2O,
FeCl3•6H2O, NaOH, HCl, akuades, etanol, Cu(NO3)2•3H2O, aseton, 2-propanol
yang berasal dari Merck®
, elektroda Ag/AgCl, dan kawat Pt.
Alat yang dipakai diantanya seperangkat alat kaca, buret, neraca analitik,
hot plate, spin bar, oven, tanur, sentrifuse, cawan porselin, amplas,
Spektrofotometer Transform Fourier IR Prestige-21 Shimadzu dianalisis dengan
pelet KBr, potensiostat, dan XRD.
Lingkup Kerja
Penelitian ini terdiri atas dua tahap. Tahap pertama adalah sintesis dan
karakterisasi senyawa kalsium ferit dan kalsium ferit terdoping tembaga dengan
XRD dan FTIR. Tahap kedua adalah pembuatan dan pengujian kinerja
elektrokatalis menggunakan potensiostat (Lampiran 1).
Sintesis Kalsium Ferit Kalsium ferit disintesis menggunakan metode kopresipitasi yang mengacu
pada Kwak et al. (2012) dengan beberapa modifikasi. Mula-mula, CaCl2•2H2O,
dan FeCl3•6H2O ditimbang secara stoikiometri (Lampiran 2), kemudian dilarutkan
dalam 40 mL HCl 0.6 M. Setelah semua bahan larut, larutan ini ditambahkan tetes
demi tetes ke dalam 150 mL larutan NaOH 1.5 M sambil diaduk menggunakan
pengaduk magnet dan suhunya dijaga 0-4 °C. Setelah selesai ditambahkan, larutan
tetap diaduk selama 30 menit. Endapan dipisahkan meggunakan sentrifugasi
dengan kecepatan 3500 rpm selama 10 menit. Endapan dikeringkan dalam oven
pada suhu 150 °C, kemudian dikalsinasi menggunakan tanur pada suhu 750 °C
selama 4 jam. Endapan dicuci dengan akuades hingga bebas Cl dan dikeringkan
dalam oven.
3
Sintesis Kalsium Ferit Terdoping Tembaga
Kalsium ferit disintesis menggunakan metode kopresipitasi yang mengacu
pada Kwak et al. (2012) dengan beberapa modifikasi. Mula-mula, CaCl2•2H2O,
FeCl3•6H2O dan Cu(NO3)2•3H2O (10%, 30%, dan 40%) ditimbang secara
stoikiometri (Lampiran 3), kemudian dilarutkan dalam 40 mL HCl 0.6 M. Setelah
semua bahan larut, larutan ini ditambahkan tetes demi tetes ke dalam 150 mL
larutan NaOH 1.5 M sambil diaduk menggunakan pengaduk magnet dan suhunya
dijaga 0-4 °C. Setelah selesai ditambahkan, larutan tetap diaduk selama 30 menit.
Endapan dipisahkan meggunakan sentrifugasi dengan kecepatan 3500 rpm selama
10 menit. Endapan dikeringkan dalam oven pada suhu 150 °C, kemudian
dikalsinasi menggunakan tanur pada suhu 750 °C selama 4 jam. Endapan dicuci
dengan akuades hingga bebas Cl dan dikeringkan dalam oven.
Analisis fasa kalsium ferit dan kalsium ferit terdoping tembaga dengan XRD
Produk yang dihasilkan dalam sintesis dikarakterisasi struktur kristalnya
menggunakan XRD dengan rentang sudut difraksi (2) 0-120, laju pemayaran 0
mV/s dan laju 3°/menit. Sumber radiasi yang digunakan ialah CuKα (λ:1.54056
Å). Analisis Rietveld dilakukan pada difraktogram yang diperoleh untuk
menetukan komposisi fase, dan ukuran kristal dengan metode Williamson–Hall
menggunakan perangkat lunak HighScore Plus.
Pencirian kalsium ferit dan kalsium ferit terdoping tembaga dengan FTIR Sebanyak 0.1 gram KBr dan 0.01 gram hasil sintesis ditimbang lalu digerus
menggunakan mortar hingga homogen. Campuran tersebut kemudian diukur
menggunakan spektrofotometer FTIR pada bilangan gelombang 4000-400 cm-1
.
Pembuatan elektrokatalis
Pembuatan elektokatalis menggunakan modifikasi dari metode Al-Hoshan
et al. (2012). Hasil sintesis dan lem elektrik yang telah ditimbang dengan
perbandingan 1:3 dicampurkan dengan 2-propanol. Campuran diaduk hingga
membentuk tekstur yangg kalis. Campuran yang ada dicetak dan diratakan pada
cetakan elektrokatalis. Kemudian elektrokatalis dimasukkan ke oven pada suhu
50-60 ºC hingga kering. Elektrokatalis yang kering dilepaskan dari cetakan agar
dapat digunakan kembali.
Pengujian kinerja elektrokatalis (Singh et al. 2006)
Elektrokatalis yang telah dibuat dirangkaikan dengan alat potensiostat
menggunakan tiga elektroda, yaitu elektrokatalis sebagai elektrode kerja, kawat
platina sebagai elektode pembantu, dan Ag/AgCl sebagai elektrode pembanding.
Pengukuran dilakukan pada medium basa (NaOH) dengan konsentrasi 0.5 M, 1.0
M, dan 1.5 M. Polarisasi linier dilakukan pada rentang potensial 1 sampai -0.2 V,
laju pemayaran 0.01 mV/s. dan sensitivitas 1x 10-3
A/V. Data polarisasi
digunakan untuk menentukan nilai arus pertukaran (i0)dan kemiringan tafel (β).
4
HASIL DAN PEMBAHASAN
Kalsium Ferit dan Kalsium Ferit Terdoping Tembaga
Kalsium ferit (CaxFeyOz) disintesis dengan mereaksikan CaCl2•2H2O dan
FeCl3•6H2O menggunakan metode kopresipitasi pada suhu kalsinasi 750 °C.
Metode kopresipitasi menghasilkan pengotor berupa NaCl. Namun, Garam yang
terbentuk ini diharapkan berfungsi sebagai flux yang dapat mempercepat proses
pembentukan kalsium ferit seperti dalam metode lelehan garam (Aydoğan 2012).
Selanjutnya, NaCl dihilangkan dengan pencucian menggunakan akuades hangat.
Pencucian dilakukan setelah proses kalsinasi untuk mempemudah pemisahan
produk dan mengurangi hilangnya produk selama proses pencucian.
Kalsium ferit (CaxFeyOz) yang berhasil diperoleh memiliki warna coklat
pekat (Gambar 1a). Hasil ini sesuai dengan penelitian Shankar et al. (2015);
Khanna et al. (2013); dan Myndyk (2010). Namun, sifat kemagnetan kalsium ferit
semakin menurun seiring dengan bertambahnya doping tembaga (Cu), berturut-
turut 10% (Gambar 1b), 30% (Gambar 1c), dan 40% (Gambar 1d). Hal ini terjadi
karena adanya penggantian senyawa Fe yang memiliki sifat magnet dengan
senyawa diamagnetik Cu, sehingga berpengaruh pula terhadap penurunan sifat
kemagnetan material sintesis yang diperoleh.
(a) (b) (c) (d)
Gambar 1 Hasil sintesis kalsium ferit (a) dan kalsium ferit terdoping Cu 10% (b),
Cu 30% (c), dan Cu 40% (d)
Kalsium ferit dan senyawa dopingnya dengan tembaga akan digunakan
untuk mengkatalisis reaksi evolusi oksigen yang merupakan reaksi oksidasi air
menjadi molekul oksigen dalam reaksi elektrokimia (Reier et al. 2012). Reaksi ini
mencakup transfer empat elektron dan pembentukan oksigen-oksigen. Sehingga
secara kinetik membutuhkan energi yang besar dan membutuhkan katalis untuk
mempercepat reaksi (Kanan dan Nocera 2008). Reaksi evolusi oksigen
berlangsung sebagai berikut.
2 H2O 4 H+ + O2 + 4e (medium asam)
4 OH- 2 H2O + O2 + 4e (medium basa)
5
Pembentukan oksigen dan tranfer empat elektron dapat dipercepat dengan
katalis kalisum ferit. Hal ini karena kalsium ferit memiliki atom Fe pada tingkat
oksidasi +3 sehingga dapat membentuk senyawa peroksihidroksida secara
reversibel dalam medium alkali membentuk Fe2O5H2 (Fe4+
). Senyawa yang
terbentuk akan berinteraksi dengan hidroksi dalam medium pengelektrolisis dan
berubah menjadi senyawa besi oksida. Bentuk oksida tersebut akan berinteraksi
dengan sesamanya membentuk oksigen serta dihasilkan Fe seperti bentuk semula,
dan demikian seterusnya seperti yang terjadi pada katalis perovskit CaCu3Fe4O12
(Gambar 2).
Gambar 2 Model evolusi oksigen pada perovskit CaCu3Fe4O12 (Yagi et al. 2015)
Karakteristik Kalsium Ferit dan Kalsium Ferit Terdoping Tembaga
Fase kristalin yang terbentuk pada material anorganik dapat dikonfirmasi
dengan pengujian XRD, baik secara kualitatif maupun kuantitatif (Shankar et al.
2015). Selanjutnya, difraktogram yang dihasilkan dianalisis menggunakan
perangkat lunak HighScore Plus dengan analisis Rietveld. Data yang diperoleh
disesuaikan dengan Cristallography Open Database (COD). Berdasarkan analisis
Rietveld, menunjukkan bahwa komposisi fase yang terbentuk terdiri atas 45.2%
Ca2Fe2O5 yang didasarkan pada puncak-puncak sudut difraksi 33.63°, 36.75°,
41.65°, 50.52°, dan 62.04° serta 54.8% hematit (Fe2O3) pada sudut difraksi
24.14°, 56.16°, 65,93°, dan 72.26° (Gambar 3).
6
Gambar 3 Difraktogram hasil sintesis kalsium ferit
Fase Ca2Fe2O5 (Gambar 4) merupakan salah satu diantara bentuk fase
kristalin kalsium ferit yang lain, seperti CaFeO3, CaFe2O4, CaFe4O7, Ca4Fe9O17,
dan Ca4Fe14O25 (Hesham 2003). Senyawa Ca2Fe2O5 memiliki atom Fe dengan
struktur tetrahedral dan oktahedral yang mengikat atom O di setiap sudutnya.
Gambar 4 Struktur tiga dimensi Ca2Fe2O5 (Bertaut et al. 1959)
Sementara itu, kalsium ferit dengan doping tembaga tidak berhasil diperoleh
pada penelitian ini. Hal ini berdasarkan hasil Rietveld menggunakan perangkat
lunak HighScore Plus yang memperoleh komposisi fase berupa 50.3% CuFe2O4
pada sudut difraksi 30.29°, 35.53°, dan 67.32°, 20.4%; magnetit (Fe3O4) pada
sudut difraksi 53.61°, dan 75.35°; dan 29.3% kalsit (CaCO3) pada sudut difraksi
38.95°, 48.92°, dan 62.65° (Gambar 5).
Fe oktahedral (dengan atom
O terikat di setiap sudutnya)
Fe tetrahedral (dengan atom
O terikat di setiap sudutnya)
Ca
7
Gambar 5 Difraktogram hasil sintesis kalsium ferit dengan doping Cu 40%
Terbentuknya CuFe2O4 dimungkinkan karena Cu cenderung menggantikan
posisi Ca dibandingkan posisi Fe seperti yang diharapkan. Hal tersebut diduga
karena level energi Cu lebih dekat dengan Fe, sehingga Cu lebih mudah berikatan
dengan Fe dibandingkan dengan Ca. Selain itu, suhu kalsinasi yang digunakan
(750 °C) diduga belum mampu mendekomposisi senyawa kalsium ferit yang
didoping dengan tembaga. Candeia et al. (2004) menyebutkan bahwa kalsium
ferit akan terbentuk pada suhu kalsinasi 800oC, sedangkan perovskit CaCu3Fe4O12
berhasil disintesis pada suhu 1000 o
C (Yagi et al. 2015). Penggunaan suhu
kalsinasi sebesar 750 oC didasarkan pada terbentuknya garam NaCl yang
diharapkan dapat mempercepat terbentuknya katalis seperti dalam metode lelehan
garam.
Keberadaan senyawa kalsit (CaCO3) diduga karena terjadinya reaksi antara
Ca(OH)2 dan air (H2O) dengan kandungan CO2 bebas selama proses sintesis.
Berdasarkan uji kandungan CO2 bebas, akuades yang digunakan dalam proses
sintesis mengandung CO2 sebanyak 13.46 mg/L (Lampiran 4), sedangkan
senyawa Ca(OH)2 dapat dihasilkan dalam bentuk endapan melalui pencampuran
larutan kalsium klorida (CaCl2) dengan larutan natrium hidroksida (NaOH).
Data XRD tersebut juga didukung dengan analisis menggunakan
Spektrofotometer Inframerah Transformasi Fourier (FTIR) (Gambar 6). Spektrum
pada bilangan gelombang 871 cm-1
diduga sebagai vibrasi tekuk dari Fe-O-H. Hal
ini sesuai dengan penelitian Khanna dan Venna (2013) yang menyatakan bahwa
profil vibrasi tekuk Fe-O-H terlihat pada bilangan gelombang 855-895 cm-1
.
Spektrum pada bilangan gelombang 603 cm-1
diduga adalah ikatan vibrasi ulur
dari Cu-O (Ethiraj dan Kang 2012). Spektrum untuk ikatan Ca-O tidak terlihat
pada penelitian ini. Menurut Khanna dan Venna (2013), ikatan Ca-O akan terlihat
pada bilangan gelombang 508 cm-1
.
8
Gambar 6 Spektrum FTIR material kalsium ferit dan kalsium ferit terdoping
tembaga (10%, 30%, dan 40%)
Aktivitas Elektrokatalis
Sifat elektrokimia kalsium ferit dan dopingnya dengan tembaga dalam
medium alkali dipelajari melalui voltammetri lucutan linear. Teknik ini dilakukan
dengan mengaplikasikan potensial pada elektrode kerja yang dibandingkan
dengan elektrode pembanding sampai mencapai keadaan tunak (steady state).
Parameter elektrokimia berupa kemiringan tafel (β) dan arus pertukaran (i0) akan
diperoleh melalui plot hubungan overpotensial dan log |i| (Gambar 7) dengan
mengacu pada persamaan Volmer-Butler yang merupakan persamaan dasar
kinetik untuk proses elektrokimia, yang menunjukkan bahwa arus bergantung
pada arus pertukaran, koefisien tranfer muatan, dan overpotensial (Bard dan
Faulkner 2001).
Gambar 7 Kurva hubungan log |i| dan overpotensial
9
Parameter kemiringan tafel (β) dan arus pertukaran (i0) memberikan
informasi tentang aktivitas katalitik yang selanjutnya diamati pada konsentrasi
NaOH berbeda, yaitu 0.5 M, 1.0 M, dan 1.5 M. Hal ini dilakukan karena
konsentrasi NaOH memliki pola tertentu terhadap nilai paramater elektroktalis
sehingga setiap katalis memiliki konsentrasi NaOH optimum. Nilai i0 pada
elektrokatalis yan telah diuji menunjukkan adanya peningkatan akibat adanya Cu,
kecuali pada kalsium ferit dengan doping Cu 40% (Gambar 8a). Adanya
penurunan nilai i0 diduga karena fase yang terbentuk masih berupa prekursor-
prekursornya, seperti CaCO3 dan Fe3O4. Elektrokatalis kalsium ferit dengan
doping Cu 30% memiliki nilai i0 tertinggi dan β terendah pada konsentrasi NaOH
0.5 M (Gambar 8a dan Gambar 8b). Nilai i0 yang tinggi dan β yang rendah
menunjukkan aktivitas katalitik yang baik dari suatu material (Safizadeh et al.
2015).
Gambar 8 Parameter elektrokatalitik dari katalis berbasis kalisum ferit dalam
medium NaOH 0.5 M ( ), 1.0 M ( ), dan 1.5 M ( )
0,0000
0,0050
0,0100
0,0150
0,0200
0,0250
CaxFeyOz CaxFeyOz-Cu
10%
CaxFeyOz-Cu
30%
CaxFeyOz-Cu
40%
i 0 (
mA
)
Elektrokatalis
(a)
140
145
150
155
160
165
170
175
CaxFeyOz CaxFeyOz-Cu
10%
CaxFeyOz-Cu
30%
CaxFeyOz-Cu
40%
β (
mV
/dec
)
Elektrokatalis
(b)
10
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Berdasarkan karakterisasi menggunakan FTIR dan XRD, kalsium ferit
berhasil terbentuk dengan fase Ca2Fe2O5, sedangkan kalsium ferit dengan doping
tembaga belum berhasil didapatkan, melainkan senyawa CuFe2O4. Aktivitas
katalitik terbaik yaitu pada elektrokatalis kalsium ferit dengan doping Cu 30%
pada medium NaOH 0.5 M berdasarkan parameter arus pertukatan dan
kemiringan tafel, berturut-turut sebesar 0.0229 mA dan 150 mV/dec.
Saran
Perlu dilakukan optimasi suhu kalsinasi agar senyawa yang didoping dapat
terbentuk.
DAFTAR PUSTAKA
Aydoğan E. 2012. Processing and Characterization of Textured Barium Ferrite
Ceramics. A Thesis Submitted to The Graduate School of Natural and
Applied Sciences Of Middle East Technical University.
Bard AJ, Faulkner LR. 2001. Electrochemical methods-Foundamentals and
applications. New York(US): J. Wiley and Sons, Inc.
Bertaut EF, Blum P, Sagnieres A. 1959. Structure du ferrite bicalcique et de la
brownmillerite. Acta Crystallogr. 12(2), 149-159.
Burke MS, Zou S, Enman LJ, Kellon JE, Gabor CA, Pledger E, Boettcher SW.
2015. Revised oxygen-evolution-reaction activity trends for first-row
transition metal (oxy)hydroxides in alkaline media. J Phys Chem. Lett. 6: 1-
19.
Candeia RA, Bernardi MIB, Longo E, Santos IMG, Souza AG. 2004. Synthesis
and characterization of spinel pigment CaFe2O4 obtained by the polymeric
precursor method. Mater Lett. 58:569.
Carmo M, Fritz DL, Merge J, Stolten D. 2013. A comprehensive review on pem
water electrolysis. Int J Hydrogen Energy. 38: 4901-4934.
Ethiraj AS, Kang DJ. 2012. Synthesis and characterization of CuO nanowires by a
simple wet chemical method. Nanoscle Research Letters. 7:70
Hesham IS. 2003. Synthesis and formation mechanism of calcium ferrite
compounds. J. Material Science and Technology. 20(5): 11-19.
Kanan MW, Nocera DG. 2008. In situ formation of an oxygen-evolving catalyst
in neutral water containing phosphate and Co2+.
. Science. 32: 1072-1075
Khanna L, Venna NK. 2013. Synthesis, characterization and vitro cytotoxicity
study of calcium ferrite nanoparticles. Materials Science in Semiconductor
Processing. 16: 1842-1848.
11
Kwak JY, Lee CS, Kim D, Kim Y. 2012. Characteristics of barium hexaferrite
nanoparticles prepared by temperature-controlled chemical coprecipitation.
Journal of the Korean Chemical Society. 56 (5):609-616.
Myndyk M. 2010. Nanocrystalline oxides prepared by mechanochemical reactions
[Thesis]. Braunschweig (DE): Technischen Universität Carolo-Wilhelmina.
Reier T, Oezaslan M, Strasser P. 2012. Electrocatalytic oxygen evolution reaction
(OER) on Ru,Ir, and Pt catalysts: a comparative study of nanoparticles and
bulk materials. ACS Catal. 2: 1765−1772.
Safizadeh F, Ghali E, Houlaf G. 2015. Electrocatalysis developments for
hydrogen evolution reaction in alkaline solutions. Int. J. Hydrogen Energy.
40: 256-274.
Singh RN, Madhu, Awasthi R, Tiwari SK. 2009. Iron molybdates as
electrocatalysts for O2 evolution reaction in alkaline solution. Int. J.
Hydrogen Energy. 34: 4693-4700.
Singh RN, Singh JP, Lal B, Thomas MJK, Bera S. 2006. NewNiFe2-xCrxO4 spinel
films for O2 evolution in alkaline solutions. Electrochim Acta. 51(5):15–23.
Shankar P, Bhavyashri, Ravendra RS, Jayasheelan A, Prakash CS, Nagabhusana
BM, Nagabhusana H, Prasad BD. 2015. Synthesis, characterization and
magnetic properties of CaFe2O4 nanoparticles by solution combustion
method. Int.Journal of Advanced Scientific and Technical Research. 5(1):
445-452.
Xu, QZ, Su YZ, Wu H, Cheng H, Guo YP, Li N, Liu ZQ. 2015. Effect of
morphology of Co3O4 for oxygen evolution reaction in alkaline water
electrolysis. Current Nanosience. 11(1): 107-112.
Yagi S, Yamada I, Tsukasaki H, Seno A, Murakami M, Fujii H, Chen H,
Umezawa N, Abe H, Nishiyama N, Mori S. 2015. Covalency-reinforced
oxygen evolution reaction catalys. Nature Comminication. 6:8249
12
LAMPIRAN
Lampiran 1 Diagram alir penelitian
Lampiran 2 Komposisi material kalsium ferit
Senyawa BM (g/mol) n (mol) Massa (g)
CaCl2 110.9900 0.0281 3.1216
FeCl3•6H2O 270.2900 0.0563 15.2038
Contoh perhitungan:
n NaOH = 0.225 mol
n CaCl2
Massa CaCl2
n FeCl3•6H2O
Massa FeCl3•6H2O
13
Lampiran 3 Komposisi material kalsium ferit dengan doping tembaga
Contoh Perhitungan:
n NaOH = 0.225 mol
n CaCl2
Massa CaCl2
Mol FeCl3•6H2O
Massa FeCl3•6H2O
n Cu(NO3)2•3H2O
Massa Cu(NO3)2•3H2O
Penambahan Cu (%) Senyawa BM (g/mol) n (mol) Massa (g)
10
CaCl2 110.9900 0.0288 3.2016
FeCl3•6H2O 270.2900 0.0519 14.0343
Cu(NO3)2•3H2O 241.6000 0.0058 1.3938
30
CaCl2 110.9900 0.0304 3.3747
FeCl3•6H2O 270.2900 0.0426 11.5056
Cu(NO3)2•3H2O 241.6000 0.0182 4.4076
40
CaCl2 110.9900 0.0313 3.4684
FeCl3•6H2O 270.2900 0.0375 10.1359
Cu(NO3)2•3H2O 241.6000 0.0250 6.0400
14
Lampiran 4 Uji kandungan CO2 bebas dalam air dengan NaOH 0.1 N
Ulangan VNaOH (mL) Vsampel (mL) Kadar CO2 bebas (mg/L)
1 0.30 100 13.46
2 0.30 100 13.46
3 0.30 100 13.46
Rerata 13.46
Contoh perhitungan:
Kadar CO2 =
[ ]
=
= 13.46 mg/L
Lampiran 5 Hasil pengujian elektrokatalis dengan voltametri lucutan linier (LSV)
Material [NaOH]
(M)
Ukuran (cm) A (cm2)
Rct (ohm)
i0 (mA)
A
slope
(V-1)
j0
(mA/
cm2)
β
(mV/
dec)
αa p l t
CaxFeyOz
0.50
0.50 0.10 1.50
1.850 1649 0.0159 6.113 0.0086 164 0.36
1.00 1.850 1506 0.0171 6.030 0.0092 166 0.36
1.50 1.850 1547 0.0166 6.012 0.0090 166 0,36
CaxFeyOz-
Cu 10%
0.50
0.55 0.10 1.50
2.005 1498 0.0172 6.093 0.0086 164 0.36
1.00 2.005 1364 0.0188 6.046 0.0094 165 0.36
1.50 2.005 1127 0.0208 6.038 0.0104 166 0.36
CaxFeyOz-
Cu 30%
0.50
0.55 0.10 1.50
2.005 1153 0.0229 6.673 0.0114 150 0.40
1.00 2.005 1186 0.0217 6.272 0.0108 159 0.37
1.50 2.005 1252 0.0205 6.201 0.0102 161 0.37
CaxFeyOz-
Cu 40%
0.50
0.55 0.15 1.50
2.183 3386 0.0076 6.015 0.0035 166 0.36
1.00 2.183 3842 0.0067 5.901 0.0031 169 0.35
1.50 2.183 3734 0.0069 5.897 0.0032 170 0.35
Contoh perhitungan:
(( ) ( ) )
(( ) ( ) )
15
Lampiran 5 (lanjutan)
⁄
⁄
16
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Lampung Timur pada tanggal 18 April 1994 dari
pasangan Bapak Muslim dan Ibu Endang Purwiyanti. Penulis merupakan anak
kedua dari tiga bersaudara. Tahun 2012 penulis lulus dari Madrasah Aliyah
Negeri (MAN) 1 Bandar Lampung dan pada tahun yang sama penulis lulus seleksi
masuk Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur SNMPTN Undangan dan
diterima di Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam.
Selama mengikuti perkuliahan, penulis aktif di berbagai organisasi
kemahasiswaan, seperti Dewan Mushola Asrama A5 TPB IPB tahun 2012-2013
sebagai Ketua, BEM FMIPA 2014 sebagai Staf Departemen Kajian Strategis, dan
BEM KM IPB 2015 sebagai Sekretaris Kementerian Kebijakan Daerah. Penulis
juga aktif di berbagai kegiatan kepanitaan, seperti Masa Perkenalan Kampus
Mahasiswa Baru (MPKMB), Masa Perkanalan Fakultas (MPF), Masa Perkenalan
Departemn (MPD), dan Seminar Nasional Kimia Aplikatif. Selain itu, penulis
juga pernah menjadi asisten mata kuliah Pendidikan Agama Islam tahun 2013-
2014 dan asisten praktikum Kimia B tahun ajaran 2015. Penulis melakukan
praktik lapangan di Pusat Penelitian Karet, Bogor dengan judul Pengaruh Waktu,
Suhu, dan Konsentrasi Hidrogen Peroksida terhadap Kadar Epoksida Karet Alam
Terepoksidasi.