Magnetite

Sintesis Nanopartikel Magnetite dengan Kemurnian Tinggi dan Ukuran Seragam melalui Elektrooksidasi Besi dalam Air Sidang Terbuka Fauziatul Fajaroh 2308301003 Pembimbing: Prof. Dr. Ir. Sugeng Winardi, M. Eng. Prof. Dr. Ir. Heru Setyawan, M. Eng. Program Pascasarjana Jurusan Teknik Kimia ITS

Latar Belakang Magnetite (Fe3O4 )

Sifat-sifat: OPTIS, MAGNETIK, KATALITIK

APLIKASI : Teknologi, Bio-Medis, Lingkungan

SORBEN : As(III) dan As(V) dalam air Ferrofluid:

Pemisahan logam secara magnetik

Peralatan Elektronik: Rotary Shaft Sealing Mechanical engineering: Defense Oscilation damping Aerospace Analytical Instrument Magnetite yang Terfungsionaisasi Permukaan: Drug Delivery system Contrast agent Magnetic Hyperthermia Biosensor Enzym Immobilization System Catalyst

Syarat nanopartikel magnetite dalam banyak aplikasi: partikel dengan kemurnian dan kemagnetan tinggi serta ukuran yang seragam

Metode sintesis nanopartikel magnetite Ko-presipitasi Sol-Gel Hidrotermal Metode Elektrokimia

Menggunakan surfaktan untuk mendapatkan partikel yang ukurannya seragam Partikel cenderung bersifat hidropobik Ukuran partikel terkontrol Alkoksida (mahal) Temperatur kalsinasi tinggi

Ukuran partikel terkontrol Peralatan yang tidak sederhana, Temperatur tinggi

Peneliti Marques dkk (2008)

Sistem Elektrosintesis Elektrode: C Elektrolit: Fe(NO3)39H2O dalam etanol

Hasil

Keterangan

Magnetite yang superparamagnetis, ukuran seragam, antara 4 – 9 nm

Non-aqueous system, partikel yang dihasilkan cenderung hidropobik

mengandung hidroksida besi, jika ada air Franger dkk (2004,2007)

Elektrode besi dan platina Elektrolit: larutan alkali yang mengandung ion-ion seperti Cl-, SO42- , SCN-, dan S2O32-

Pure magnetite yang seragam, diameter 74-88 nm

Limbah tak ramah lingkungan

Cabrera dkk (2008)

Elektrode besi Elektrolit: larutan encerTMAC (tetrametil ammonium chloride)

Partikel feromagnetis, Limbah tak ramah ukuran seragam, diameter lingkungan 20 – 30 nm Surfaktan mengganggu fungsi magnetite

Sintesis nanopartikel magnetite yang ramah lingkungan melalui elektro-oksidasi besi dalam air

Dengan anodisasi material berbasis besi Burleigh dkk (2007) serta Liu dkk (2008): Memperoleh film magnetite

FeOOH sebagai impurities pada hasil sintesis Liu dkk (2008)

Anoda: Besi hasil elektroplating Elektrolit: air demineralisasi Suhu operasi: T kamar

Garis Besar Penelitian Tahap I

Mempelajari kemungkinan mensintesis nanopartikel magnetite dengan cara elektro-oksidasi besi dalam

Tahap II

Mengembangkan metode sintesis lebih lanjut untuk mendapatkan magnetite dengan kemurnian tinggi

air

Mekanisme Reaksi

Cara Isolasi

Cara Osilasi

Penyiapan anoda dengan elektroplating DC Power Supply Personal Computer

+

-

USB

Sintesis dan Observasi Multimeter -

Penyaringan dan pengeringan

+

Elektroda besi

Bejana acrylic

Tahap

Elektrolit

Sumber Arus

I

Air

CDC

Isolasi

Larutan encer Sodium Silikat

CDC

Osilasi

Air

PDC

II

Bubuk magnetite

Karakterisasi: XRD, FTIR, BET, SEM, VSM

Hasil Penelitian

Fe3O4(JCPDS 19-0629) FeOOH(JCPDS 44-1415)

without NaOH

with NaOH 10 20

30

40 q 2 (degree)

Pola XRD hasil sintesis dengan dan tanpa NaOH pada 205 µA/cm2 dengan jarak antar elektrode 6 cm

Spekrum FTIR hasil sintesis tanpa NaOH pada 205 µA/cm2 dengan jarak antar elektrode 6 cm

50

60

70

10 9 8

Transmittance (%)

Intensity (a.u.)

Tahap I: Elektro-oksidasi besi dalam air

7 6

5

3176.87

1022.31

4

OH

3 2

580 Fe3O4 442

1 0

3900

3400

2900

2400

1900

Wavenumber

1400

(cm-1)

900

400

Pengaruh rapat arus dan jarak antar elektroda terhadap ukuran partikel 30

Particle size (nm)

25

2 cm 6 cm

20

15

10 100

200

300

400

500 2

Current density (A/cm )

600

Pengaruh rapat arus terhadap kemagnetan 80

Magnetization (emu/g)

60 40

Current (µA/cm 2) 325 205

Ms (emu/g) 70 60

Hc (Oe) 140 295

325 A/cm 205 A/cm

2

2

20 0 -20 -40 -60 -80 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Applied Field (T)

Bulk = 92 emu/g

Mekanisme Pembentukan magnetite Hasil Observasi Visual

+

Hasil XRD dan FTIR

Bagaimana cara mendapatkan magnetite murni? Cara Isolasi

Cara Osilasi

Cara Isolasi (Elektro-oksidasi besi dalam larutan sodium silikat)

Mengisolasi magnetite yang terbentuk dengan cara melapisinya dengan silika yang bersumber dari sodium silikat Fe(s)  Fe2+(aq) + 2e Fe2+(aq) + 2OH(aq)  Fe(OH)2(s) 3Fe(OH)2(s) + ½O2(g)  Fe(OH)2(s) + 2FeOOH(s) + H2O(l) Fe(OH)2(s) + FeOOH(s)  Fe3O4(s) + 2H2O(l)

Magnetite siap mengikat berbagai gugus fungsi

(1) (2) (3) (4)

Hasil elektro-oksidasi besi dalam larutan sodium silikat (Cara Isolasi)

Pola XRD magnetite yang disintesis dengan larutan sodium silikat 200 ppm pada dua harga voltase yang berbeda Pola XRD magnetite yang disintesis pada 20 V

Spektrum FTIR Magnetite hasil sintesis pada 20 V Si-O-Si

200 ppm

%T

Si-O

150 ppm

Fe-O-Si

0 ppm H2 O

OH

H2O

OH

Fe-O

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 -1

Wavenumber (cm )

500

Verifikasi pelapisan silika 1. Uji pelarutan dalam asam: magnetite larut perlahan dalam asam, sedangkan silika relatif tidak larut

2. Uji Ketahanan Termal: magnetite teroksidasi pada suhu tinggi, dengan lapisan silika pada permukaannya magnetite menjadi relatif lebih sukar teroksidasi. Uji ini sekaligus untuk mempelajari pengaruh suhu terhadap ukuran, kristalinitas, dan kemagnetan partikel.

Uji pelarutan dalam asam

Perendaman sampel dalam HCl

• 20 mg sampel direndam dalam 100 mL HCl 10-5 M • Dikocok dalam orbital shaker

Reaksi aliquot dengan KSCN berlebih

• Pengambilan 5 mL aliquot tiap 30 menit • Mereaksikan aliquot dengan larutan KSCN berlebih

Pengukuran absorbansi larutan kompleks Fe(SCN)3

• Pengukuran absorbansi larutan kompleks Fe(SCN)3 Pada λmaks 463 nm

Hasil uji pelarutan dalam asam

Hasil uji stabilitas termal: Kurva TGDTA

120

0 ppm 20 V (S1)

100

100

140

200 ppm 20 V (S3)

120

100

50

0

40 -50

TG

20 0 -20

-100 100

200

300

400

Temperature (°C)

500

600

50

80

DTA

60

0 40 20

-50

TG

0 -20 100

200

300

400

Temperature/°C

500

-100 600

Heat Flow(µV)

DTA

60

Weight(%)

100

Heat flow(µV)

weight(%)

80

Mekanisme pelapisan silika pada permukaan magnetite

Citra SEM

magnetite bersalut silika

magnetite tak bersalut silika

Kurva magnetisasi

Cara Osilasi (Elektro-oksidasi besi dalam air dengan PDC)

Hasil elektro-oksidasi besi dalam air dengan PDC (Cara Osilasi)

Intensity (au)

PDC

pH = 7

CDC %T

PH = 9

30

40

50

60

2q

Spektrum IR

Fe-O 4000

3500

3000

2500

2000

1500 -1

wave number (cm )

1000

500

Pengaruh duty cycle, frekuensi, dan pH terhadap kristalinitas

Pola XRD hasil sintesis pada 10 V, 8 Hz, pH 8

Pola XRD hasil sintesis pada 10 V, duty cycle 80%, pH 8

Pola XRD hasil sintesis pada 10 V, 5 Hz, dan duty cycle 80%

Pengaruh berbagai parameter PDC terhadap diameter partikel 24

Mean of Particle Diameter (nm)

22 20 18 8 V 8 Hz 70 % 8 V 5 Hz 80 % 10 V 8 Hz 80 % 10 V 8 Hz 60 %

16 14 12 10 8 6

7.0

7.5

8.0

8.5 pH

9.0

9.5

10.0

Kemagnetan (a)

Magnetization (emu/g)

60 40

(b)

20

(c)

0 -20 -40 -60 -1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

Applied Field (Tesla)

Hasil analisis VSM dari produk pada duty cycle 80% 5 Hz dan: (a) 10 volt, pH 10; (b) 10 volt, pH 9; (c) 8 volt, pH 8

Kesimpulan Nanopartikel magnetite yang berukuran 10 - 30 nm berhasil disintesis dengan cara elektro-oksidasi besi dalam air tanpa penambahan bahan-bahan kimia lainnya. ● Nanopartikel magnetite dengan kemurnian tinggi, ukuran seragam dan superparamagnetis telah berhasil disintesis dengan bahan yang ramah lingkungan ● Penerapan pulsed direct current (PDC) pada elektro-oksidasi besi dalam air menghasilkan magnetite murni yang bersifat feromagnetis. ●