studi pengaruh penambahan (ngp) dan nanoparticles …

Universitas Indonesia

STUDI PENGARUH PENAMBAHAN NANOGRAPHENE PLATELETS (NGP) DAN

NANOPARTICLES AG PADA KOMPOSIT Fe3O4/CuO/ZnO: KARAKTERISASI

SIFAT MATERIAL DAN UJI CATALYTIC DEGRADASI METHYLENE BLUE (MB)

SEBAGAI MODEL POLUTAN

Hendry1,a dan Rosari Saleh1

1 Department of Physics, University of Indonesia, Depok, Jawa Barat, 16424, Indonesia

aE-mail : [email protected]

ABSTRAK

Penelitian ini membahas pengaruh penambahan material nanographene platelets (NGP) dan

nanoparticles Ag pada komposit Fe3O4/CuO/ZnO dengan menggunakan metode sol-gel

dilanjutkan dengan metode co-precipitation. Komposit yang terbentuk kemudian

dikarakterisasi dengan menggunakan X-ray diffraction (XRD), Energy-Dispersive X-ray

(EDX), Thermal Gravimetric Analysis (TGA), Fourier Transform Infrared (FT-IR), UV-

Visible Diffuse Reflectance (UV-Vis), UV-Vis Absorbance spectroscopy, Scanning Electron

Microscopy (SEM) dan Transmission Electron Microscopy (TEM). Pengujian karakterisasi

menunjukkan bahwa material yang disentasis merupakan gabungan dari nanoparticles Ag,

Fe3O4, CuO, ZnO, dan NGP, sesuai dengan yang diinginkan. Pengujian aktivitas catalytic

(photo-, sono-, dan sonophotocatalytic) dilakukan dengan menggunakan methylene blue (MB)

sebagai model polutan pada keadaan cair. Penambahan Ag dan NGP menunjukkan

peningkatan aktivitas catalytic dibandingkan dengan pure komposit Fe3O4/CuO/ZnO.

Pengujian scavengers didapatkan bahwa hole dan hydroxyl radicals merupakan spesies

dominan dalam aktivitas catalytic. Terakhir, sampel yang dibuat menunjukkan kestabilitasan

dalam degradasi limbah selama 4 kali percobaan berulang (reusability), hal tersebut

menunjukkan potensi dari material Ag/Fe3O4/CuO/ZnO/NGP komposit sebagai degradasi

limbah.

Kata kunci:

Ag, NGP, Fe3O4/CuO/ZnO, methylene blue, aktivitas catalytic

Studi Penambahan ..., Hendry, FMIPA UI, 2017


Study on the Effect of Adding Nanographene Platelets (NGP) and Ag Nanoparticles onto

Fe3O4/CuO/ZnO composites: Characterization and Catalytic Activity on the

Degradation of Organic Pollutant Methylene Blue (MB)

ABSTRACT

This research discusses the effect of adding nanographene platelets (NGP) and Ag

nanoparticles onto Fe3O4/CuO/ZnO composites by using sol-gel method followed by simple

hydrothermal method. The as-prepared composites were characterized using X-ray diffraction

(XRD), Energy-Dispersive X-ray (EDX), Thermal Gravimetric Analysis (TGA), Fourier

Transform Infrared (FT-IR), UV-Visible Diffuse Reflectance (UV-Vis), UV-Vis Absorbance

spectroscopy, Scanning Electron Microscopy (SEM) dan Transmission Electron Microscopy

(TEM). Characterization tests show that the as-prepared samples are combination of desired

Ag, Fe3O4, CuO, ZnO, and NGP nanoparticles. The catalytic activity (photo-, sono-, and

sonophotocatalytic) was performed using methylene blue (MB) as the pollutant model in

aqueous solution. The addition of Ag nanoparticles and NGP showed an increase in catalytic

activity compared to pristine Fe3O4/CuO/ZnO composites. The scavengers test showed that

hole and hydroxyl radicals are the dominant species in catalytic activity. Finally, the

Ag/Fe3O4/CuO/ZnO/NGP composite exhibits good catalytic stability in four times cycling

processes.

Keywords:

Ag, NGP, Fe3O4/CuO/ZnO, methylene blue, catalytic activity

LATAR BELAKANG

Bidang nanoscience adalah bidang yang mempelajari fenomena dan pemanipulasian

material pada skala atomic, molecular dan macromolecular, dimana sifat benda tersebut

sangat berbeda dibandingkan pada material besar (bulk) [1]. Sifat yang menarik diteliti

adalah sifat kuantum dari suatu material ketika material tersebut mencapai ukuran nano, sifat

kuantum tersebut dapat berupa sifat optik, sifat mekanik, dan sifat elektrik. Oleh karena hal

tersebutlah muncul penyebutan nanoteknologi yang didefinisikan sebagai pemodelan,

karakterisasi, produksi dan pengaplikasian struktur untuk menjadi suatu alat yang dapat

digunakan dengan efektif dan bermanfaat [1-2].

Salah satu bidang pengaplikasian nanoteknologi yang sangat diminati adalah dalam

bidang lingkungan baik dalam hal mendeteksi keadaan lingkungan ataupun dalam hal



meremediasi lingkungan. Sebagai contoh adalah penggunaan nanoparticles besi untuk

membersihkan air tanah dari pencemaran [2]..

Terdapat berbagai metode untuk mengatasi limbah pewarna dengan menggunakan

nanoteknologi seperti adsorption, coagulation, flocculation, reverse osmosis, biological

treatment, dan catalytic activity [3-5]. Salah satu metode dalam mengatasi limbah ialah

penggunaan radiasi berupa cahaya tampak/UV, radiasi ultrasonic, maupun gabungan

keduanya yang berikutnya akan disebut sebagai photolysis, sonolysis, dan sonophotolysis,

secara berurutan.

Beberapa tahun belakangan ini, material nano-semikonduktor menjadi perhatian

dikarenakan aplikasinya yang menakjubkan dalam degradasi limbah [4-5]. ZnO merupakan

semikonduktor yang sering digunakan dikarenakan biaya yang murah, high photochemical

dan biological stability, and low toxicity [6]. Telah banyak penelitian yang dilakukan untuk

membuat absorpsi ZnO berada pada rentang cahaya tampak yaitu dengan mengubah strukur

dari ZnO [7] ataupun menggabungkan ZnO dengan semikonduktor lain seperti CuO [8-9].

CuO merupakan salah satu semikonduktor dengan celah energi yang relatif kecil sehingga

diharapkan penggabungan dengan ZnO dapat memodifikasi nilai celah energi dari ZnO

supaya dapat bekerja dengan baik pada rentang cahaya tampak.

Untuk dapat melakukan proses recycling, dilakukan penambahan nanoparticles Fe3O4

dikarenakan salah satu sifat unggul pada material tersebut adalah superparamagnetic yang

dapat dimanfaatkan dalam proses separasi magnetik [10]. Proses separasai magnetik dianggap

sebagai salah satu cara yang dapat dengan efektif memisahkan material dari sistem

lingkungan tanpa merusak nanomaterial tersebut.

Penggunaan material logam mulia seperti perak (Ag) dapat membantu dalam aktivitas

catalytic terutama pada rentang cahaya tampak. Perak memiliki sifat yang unik seperti

resonansi plasmon pada cahaya tampak yang dapat dimanfaatkan sebagai plasmonic

photocatalyst [11], dan terbentuknya schottky barrier dimana berfungsi untuk menghambat

rekombinasi pasangan electron dan hole [12] dalam aktivitas catalytic.

Selain logam mulia, graphene dapat menjadi material pembantu (support material)

yang ideal bagi nanoparticles maupun nanocomposite dikarenakan property yang dimiliki:

high surface area , high carrier mobility, dan high electrical conductivity [13]. High surface

area dari graphene dianggap dapat meningkatkan kemampuan adsorpsi dari nanomaterial ,

tidak hanya itu sifat fisis dari graphene membuat graphene dapat menjadi trapping state untuk

electron sehingga dapat menghambat rekombinasi dari pasangan electron dan hole [14].



Dalam penelitian ini akan di sintesis komposit Fe3O4/CuO/ZnO dan

Ag/Fe3O4/CuO/ZnO menggunakan metode sol-gel, komposit yang telah di sintesis kemudian

digabungkan dengan nanographene platelets menggunakan metode simple hydrothermal

berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh khalid, dkk. [15]. Sampel yang telah di sintesis

tersebut dikarakterisasi dengan menggunakan X-ray Diffraction (XRD) untuk mengetahui

struktur kirstal, Energy Dispersive X-ray (EDX) untuk mengetahui komposisi atomik, Fourier

Transform Infra-red (FTIR), BET measurement, dan pengujian morfologi menggunakan

SEM. Untuk mengetahui lebih jelas presensi nanoparticles Ag pada sampel akan digunakan

uv-vis absorbance measurement untuk menganlisa fenomena SPR pada sampel. Aktivitas

catalytic akan diuji dengan menggunakan methylene blue sebagai model polutan.

Sistematika penulisan skripsi sebagai berikut: Bab 1 berisi latar belakang, bab 2

tinjauan pustaka mengenai material semikonduktor, aktivitas adsorpsi, dan aktivitas catalytic

yang akan diteliti, bab 3 membahas metode eksperimen pada penelitian mencakup metode

sintesis, karakterisasi, dan adsorpsi maupun catalytic, bab 4 membahas hasil karakterisasi dan

hasil uji aktivitas catalytic, dan pada bab 5 akan dirangkum hasil penelitian yang telah

dilakukan.

TINJAUAN TEORITIS

Nanoteknologi adalah bidang sains aplikatif, berfokus pada pendesainan, sintesis,

karakterisasi dan pengaplikasian material dalam skala nano. Penggunaan nanomaterial dapat

membantu secara langsung dalam mendegradasi limbah maupun sebagai sensor untuk

mendeteksi polutan. Dalam pengaplikasian nanoteknologi untuk degradasi limbah secara

langsung dimungkinkan dengan menggunakan metode berupa Advanced Oxidation Process

(AOPs). Metode AOPs telah diteliti dapat mendegradasi limbah dengan kelebihan: hasil

degradasi tidak menghasilkan pencemaran sekunder, pengoperasian yang lebih mudah, dan

biaya yang relatif lebih murah.

Aktivitas Advanced Oxidant Process dengan Material Semikonduktor

Proses AOPs adalah proses degradasi limbah dengan menggunakan semikonduktor

sebagai katalis dan sumber radiasi berupa cahaya maupun gelombang ultrasonic, metode

tersebut dilaporkan mampu mendegradasi limbah hingga 100% [6]. Proses AOPs tersebut

didasarkan pada pembentukan radikal (baik berupa O2 radikal maupun OH radikal) yang

mampu berperan sebagai spesies aktif dalam pengoksidasian polutan organik, hasil akhir dari

proses AOPs ini berupa H2O dan gas CO2 [4-6] yang dianggap tidak lagi berbahaya.



Proses AOPs dapat dibedakan sesuai dengan sumber radiasi yang digunakan yaitu:

radiasi cahaya (cahaya tampak maupun cahaya ultraviolet), gelombang ultrasonic, dan

gabungan kedua sumber radiasi tersebut dimana berikutnya akan disebut sebagai

photocatalytic, sonocatalytic, dan sonophotocatalytic. Dengan pemberian sumber radiasi yang

berbeda akan menimbulkan mekanisme yang berbeda pula, namun inti dari proses AOPs

dapat dijelaskan sebagai pengaplikasian sumber radiasi untuk mengeksitasi electron pada pita

valensi menuju pita konduksi [6]. Peristiwa tersebut menyebabkan kehadiran “hole” pada pita

valensi karena electron yang tereksitasi, dimana hole dan electron tersebut dapat bereaksi

dengan molekul dan oksigen membentuk radikal hidroksil dan radikal super oksida yang akan

mendegradasi limbah pewarna [6].

Aktivitas Photocatalytic

Mekanisme dari photocatalytic diinisialisasikan oleh terpaparnya semikonduktor oleh

radiasi cahaya (hv) dimana energi dari cahaya tersebut cukup untuk membuat electron pada

semikonduktor mengalami eksitasi. Eksitasi electron dari pita konduksi ke pita valensi

menyebabkan terbentuknya “hole” pada pita konduksi. Hole pada pita valensi akan

menghasilkan radiksal hidroksil yang mana akan mengoksidasi dye, sedangkan electron pada

pita konduksi akan bereaksi dengan oksigen membentuk radikal O2 yang akan pula mereduksi

limbah pewarna [5-6].

Aktivitas Sonocatalytic

Mekanisme yang mendasarkan dalam degradasi limbah pada proses sonocatalytic

adalah hot-spot dan sonoluminescence, proses meknaisme sonocatalytic dapat dijelaskan

dengan reaksi berikut [6]:

H2O + ultrasound à •OH + •H………………………………….(1)

ZnSe/TiO2 + ultrasound à SE (h+)/ (e-)………………..............(2)

e- + O2 à •O2-…………………………………….......................(3)

h+ + H2O à •OH-…………………………………….................(4)

SE + ultrasound + RhB à CO2 + H2O………………………….(5)

Mekanisme tersebut menjelaskan bahwa ultrasonic dapat bereaksi dengan H2O membentuk

kavitasi pada gelembung air yang kemudian pecah membentuk hotspot yang akan mem-

pyrolyze H2O untuk membentuk radikal •OH seperti yang ditunjukkan pada reaksi (1).

Pecahnya gelembung pada suhu yang sangat tinggi dapat mengakibatkan munculnya

fenomena sonoluminescence yang menghasilkan cahaya dengan panjang gelombang yang

lebar (wide) yang mengakibatkan reaksi pada no 2 yaitu eksitasi electron pada material.

Terbentuknya pasangan electron dan hole tersebut akan bereaksi dengan oksigen dan air



sehingga dapat menghasilkan radikal super oksida dan hidroksil radikal sesuai dengan reaksi

no 3 dan 4 maupun sesuai dengan proses photocatalytic.

Aktivitas Sonophotocatalytic

Sonophotocatalytic merupakan proses yang menggabungkan kedua radiasi yaitu

radiasi cahaya (UV ataupun visible) dengan radiasi ultrasonic. Dalam beberapa penelitian

disebutkan bahwa proses sonophotocatalytic jauh lebih baik dibandingkan proses

photocatalytic maupun sonocatalytic sendiri, dikarenakan dengan penggabungan kedua

sumber radiasi dapat meningkatkan jumlah dari radikal bebas yang terbentuk dan terjadinya

efek sinergi antara radiasi cahaya dan ultrasonic [6]. Efek sinergi dapat dijelaskan dengan

melihat kelebihan dari radiasi ultrasonic yang dapat membantu radiasi cahaya, pada radiasi

ultrasonic, pemaparan ultrasonic dapat membuat nanomaterial yang dimasukkan mengalami

dispersi sehingga meningkatkan active sites dari nanomaterial yang berarti membuat radiasi

cahaya jauh lebih efisien dan efektif.

Dapat disimpulkan dari ketiga metode AOPs tersebut bahwa ketiga metode dapat

mendegradasi limbah dengan menggunakan material semikonduktor sebagai katalis.

Terdapat tantangan dalam meningkatkan aktivitas catalytic pada ketiga metode tersebut yaitu

pembuatan material pada rentang cahaya tampak dan membuat waktu hidup (lifetime) yang

tinggi antara pasangan electron dan hole, atau dalam pengertian lain adalah menghalangi

proses rekombinasi antara electron dan hole pada material semikonduktor yang diteliti. Hal

ini dikarenakan rekombinasi yang terjadi membuat electron dan hole tidak lagi bereaksi

dengan oksigen dan molekul pewarna sehingga menurunkan kemampuan catalytic.

Efektivitas dalam degradasi limbah pewarna tidak hanya dipengaruhi dari nanomaterial yang

digunakan namun juga oleh kondisi-kondisi eksternal seperti konsentrasi awal larutan, dosis

dari nanomaterial yang digunakan, dan pH dari larutan yang digunakan [16].

Semikonduktor Seng Oksida (ZnO) Sebagai Katalis

Penggunaan semikonduktor sebagai katalis telah menarik minat para peneliti

dikarenakan potensi yang sangat besar sebagai pemecah masalah pencemaran lingkungan

yaitu dalam hal mendegradasi limbah-limbah berbahaya seperti dyes pada polusi air.

Dibutuhkannya suatu material semikonduktor yang baik yaitu material semikonduktor yang

memiliki sifat : photoactive, stabil secara kimia, dapat aktif pada rentang cahaya tampak atau

UV, murah, mudah diproduksi, dan tidak beracun [17].

Penggabungan Nanoparticles ZnO, CuO, dan Fe3O4

ZnO telah banyak diaplikasikan dalam bidang sensor dan dalam aktivitas catalyticnya

dikarenakan memiliki nilai celah energi yang dapat aktif pada energi cahaya UV, namun



dibutuhkan suatu modifikasi pada semikonduktor ZnO agar pengaplikasiannya tepat guna

untuk mendegradasi limbah pewarna pada cahaya dengan energi solar (matahari). Beberapa

penelitian menunjukkan bahwa pemodifikasian tersebut dapat dilakukan dengan

menggabungkan antara satu semikonduktor dengan semikonduktor lain [18]. CuO merupakan

semikonduktor tipe-p dengan nilai celah energi yang sempit (Eg=1.2 eV [18]), memiliki

bentuk kristal monoclinic, tidak beracun, dan mudah didapatkan. Dengan memanfaatkan sifat

CuO tersebut diharapkan dapat memodifikasi salah satu sifat yang berpengaruh pada aktivitas

catalytic yaitu celah energi, material CuO dengan nilai celah energi yang rendah diharapkan

dapat memodifikasi celah energi ZnO sehingga dapat berada pada rentang cahaya tampak.

Fe3O4 merupakan material magnetik yang telah banyak menjadi perhatian bagi

penelitian dalam bidang aktivitas catalytic, hal tersebut dikarenakan keefektivitasan Fe3O4

dalam proses separasi material yang dampaknya dapat dirasakan pada kemampuan

penggunaan kembali (reusability) [19].

Penggabungan Material Nanographene Platelets (NGP) dan Komposit Fe3O4/CuO/ZnO

Penambahan graphene pada semikonduktor maupun komposit telah menjadi perhatian

dunia [20-21]. Beberapa tahun belakangan penelitan pembuatan nanocomposite dengan

support graphene telah menunjukkan peningkatan efisiensi untuk degradasi limbah. graphene

adalah tipe material karbon dengan ketebalan satu atom, dengan layar dua dimensi (2D)

yang tersusun atas ikatan sp2-karbon [20]. Selain hal tersebut, graphene juga menunjukan

sifat yang luar biasa, seperti, sifat mekanik, thermal, dan optik yang sangat baik, dan luas

permukaan spesifik yang tinggi. Hal tersebut menjadi suatu motivasi untuk menambahkan

graphene pada material yang akan digunakan, beberapa kelebihan graphene yang

diharapkan dapat diaplikasikan dalam memodifikasi sifat material yaitu surface area yang

besar, mobilitas instrintic carrier yang tinggi pada suhu ruangan, dan stabilitas kimia dan

thermal yang baik [21]. Dalam penelitian ini akan digunakan salah satu tipe graphene yaitu

nanographene platelets (NGP). Nanographene platelets adalah bentuk penumpukan dari

material graphene, dengan ketebelan 1-15 tumpukan [22]. Material NGP tersedia dalam

harga yang murah dan mampu meningkatkan surface area, dimana surface area dari material

NGP sendiri adalah 120-150 m2/g [23].

Penambahan Nanoparticles Noble Metal: Silver (Ag) pada Komposit

Fe3O4/CuO/ZnO/NGP

Penggabungan Ag nanoparticles dengan material semikonduktor, cth: Ag/ZrO2,

Ag/SnO2, Ag/TiO2, dll menunjukkan terjadinya peningkatan aktivitas Photocatalytic pada

rentang cahaya tampak. Ag nanoparticles memiliki kemampuan untuk meningkatkan



absorspsi semikonduktor (ZnO, ZrO2, TiO2, dll) menuju rentang cahaya tampak dikarenakan

adanya fenomena surface plasmon resonance (SPR) [24]. Selain fenomena SPR, penambahan

nanoparticles Ag menciptakan schottky junction pada permukaan kontak antara Ag

nanoparticles dengan semikonduktor yang menghasilkan internal electric field dimana

membantu mereduksi rekombinasi antara pasangan electron -hole [25].

METODE PENELITIAN

Proses Sintesis Material

Proses sintesis nanoparticles Fe3O4 dan CuO digunakan dengan metode sol-gel,

sedangkan untuk proses sintesis nanoparticles Ag digunakan metode microwave-assisted.

Penggabungan nanoparticles Ag, Fe3O4, CuO, dan ZnO untuk membentuk nanocomposites

Fe3O4/CuO/ZnO maupun Ag/Fe3O4/CuO/ZnO dengan perbandingan 1:1:1 (untuk

perbandingan molar Fe3O4:CuO:ZnO) dan penambahan nanoparticles Ag dengan wt.%

sebesar 25 dilakukan dengan menggunakan metode sol gel [19]. Kemudian nanocomposites

yang telah dibuat akan digabungkan dengan NGP dengan menggunakan metode co-

precipitation [15], dilakukan pemvariasian konsentrasi dari NGP terhadap nanocomposites

Fe3O4/CuO/ZnO sebesar 5wt.%, 10wt.%, dan 15wt.%.

Material yang digunakan dalam proses sintesis yaitu: Iron sulfate heptahydrate

(FeSO4•7H2O, Merck), copper sulfate pentahydrate (CuSO4•5H2O, Merck), zinc sulfate

heptahydrate (ZnSO4•7H2O, Merck), silver nitrate (AgNO3, Merck), sodium dodecyl sulfate

(SDS, Merck) sodium hydroxide (NaOH, Merck), ethylene glycol (Merck), air suling, dan

NGP (NGP-N008-P, Angstron materials). Material tersebut digunakan tanpa adanya

purifikasi lebih lanjut.

Karakterisasi Material

Karakterisasi nanoparticles Fe3O4, CuO, ZnO, Ag dan komposit Fe3O4/CuO/ZnO,

Ag/Fe3O4/CuO/ZnO, Fe3O4/CuO/ZnO/NGP, dan Ag/Fe3O4/CuO/ZnO/NGP dilakukan dengan

menggunakan beberapa spectroscopy yaitu X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron

Microscopy (SEM), Transmission Electron Microscopy (TEM), Energy Dispersive X-ray

Analysis (EDX), Fourier Transform Infrared (FT-IR), Brunauer-Emmett-Teller (BET), UV-

Visible Diffuse Reflectance Spectra (UV-Vis), Thermal Gravimetric Analysis (TGA), dan

Vibrating Sample Magnetometer (VSM).

Pengujian Aktivitas Catalytic



Aktivitas catalytic diuji dengan menggunakan tiga metode yaitu photocatalytic

(cahaya tampak atau cahaya UV), sonocatalytic (radiasi ultrasonic), dan sonophotocatalytic

(gabungan antara cahaya dan radiasi ultrasonic). Secara singkat, sampel komposit sebanyak

0.3 g/L dilarutkan pada larutan MB dengan konsentrasi 20 mg/L dan pH=13 kemudian

diberikan perlakuan kondisi “gelap” selama 30 menit agar mencapai kesetimbangan absorbsi

dan desorpsi. Setelah pemberian kondisi gelap, diberikan radiasi berupa cahaya (tampak atau

UV), radiasi ultrasonic, dan gabungan radiasi cahaya dan ultrasonic. Selama pemberian

radiasi, sampel diaduk dengan menggunakan magnetic stirrer. Setiap 15 menit, dilakukan

pengambilan data dengan memisahkan 5 ml larutan MB, disentrifugasi, dan dilakukan

pengukuran konsentrasi MB dengan menggunakan spectroscopy UV-Vis absorbance, Hitachi

UH-5300, pada rentang panjang gelombang 450-750 nm. Aktivas catalytic dianalisis pada

setiap rentang 15 menit untuk 2 jam pengujian aktivitas catalytic.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Efek Penambahan Material NGP pada Komposit Fe3O4/CuO/ZnO

Pengukuran X-ray Diffraction spectroscopy (XRD) digunakan untuk mengetahui

struktur kristal pembentuk dari komposit yang telah di sintesis, pada Gambar 4.1 ditunjukkan

hasil pengukuran spinel structure Fe3O4, monoclinic structure CuO, dan hexagonal wurtzite

structure ZnO yang didapatkan dari perbandingan database material Crystallography Open

Database. Didapatkan puncak peak penyusun nanoparticles Fe3O4 pada 2θ = 30.14°, 35.49°,

43.28°, 53.76°, 57.20°, dan 62.83° yang berkorespondensi dengan keberadaan bidang dhkl

Fe3O4 yaitu (200), (311),(400), (422), (511), dan (440) hal ini menunjukan Fe3O4 berada

dalam fase cubical spinel. Untuk material CuO didapatkan peak penyusun pada 2θ = 38.81°

dan 48.70° yang berkorespondeksi dengan bidang dhkl yaitu (111) dan (202) yang

menunjukkan CuO memiliki fase monoclinic. Untuk ZnO didapatkan nilai peak pada 2θ =

34.47°, 36.26°, 47.50°, 56.70°, 68.06°, dan 69.21° yang berkorespondensi dengan bidang dhkl

(100) (002), (101), (102), (110), dan (103) yang didapat bahwa ZnO memliki struktur kristal

hexagonal wurtzite.

Penambahan NGP pada sampel struktur penyusun dari cubical spinel Fe3O4,

monoclinic structure CuO dan hexagonal wurtzite structure ZnO tetap dapat terdeteksi,

namun kehadiran peak baru pada 2θ = 26.40° dimana peak tersebut dapat diindikasikan

sebagai peak dari graphitic like structure NGP. Terjadinya peningkatan intensitas pada peak

2θ = 26.40° dengan meningkatnya konsentrasi NGP pada komposit Fe3O4/CuO/ZnO, hal

tersebut dapat mengindikasikan bertambahnya konsentrasi NGP pada sampel [26]. Tidak



terjadinya pergeseran peak dengan penambahan NGP menunjukkan tidak adanya perubahan

besar pada struktur kristal dari komposit [26].

Untuk mengetahui komposisi elemen penyusun dari komposit Fe3O4/CuO/ZnO dan

Fe3O4/CuO/ZnO–10wt.% NGP digunakan Energy Dispersive X-ray (EDX) spectroscopy,

hasil pengukuran dapat dilihat pada Gambar 4.2, dapat terlihat peak-peak pada nilai energi

tertentu yang berkorespondensi dengan atom-atom tertentu pula. Hasil dari spektrum X-ray

menunjukkan peak dari Fe pada 6.3 keV, Cu pada 1.0 keV, Zn pada 1.1 keV, O pada 0.6 keV

yang bersesuaian dengan elemen dari nanoparticles Fe3O4, CuO, dan ZnO. Untuk komposit

Fe3O4/CuO/ZnO- 10wt.% NGP menunjukkan peak baru pada rentang energi ~0.5 KeV yang

berkorespondensi sebagai elemen C yang menunjukkan terdapat atom karbon dari material

NGP pada sampel. Tidak terlihat adanya peak-peak lain diluar peak-peak yang telah

disebutkan,

hal tersebut menunjukkan tidak adanya impurity sesuai dengan hasil spektrum XRD yang

telah diperoleh.

Analisis morfologi dilakukan dengan menggunakan mikroskop electron FESEM

(Field Emission Scanning Electron Microscopy) dan TEM (Transmission Electron

Microscopy). Dari Gambar FESEM yang diperoleh (Gambar 4.3), dapat dilihat terjadinya

agregasi pada sampel yang diteliti. Fe3O4 yang diteliti memiliki bentuk struktur irregular

spherical shape, CuO memiliki struktur clew like shape, dan ZnO memiliki struktur seperti

spherical shape yang teraggregasi.

Dalam penggabungan membentuk komposit, hasil FESEM (Gambar 4.3)

menunjukkan keseluruhan dari bentuk irregular spherical shape Fe3O4 clew like shape CuO,

dan spherical like shape ZnO. Jika kita perhatikan Gambar tersebut, pencampuran dari

Gambar 4.1. Kurva hasil fitting XRD dari

sampel komposit Fe3O4/CuO/ZnO/NGP dengan

variasi wt.% NGP menggunakan aplikasi

MAUD.

Gambar 4.2. Hasil pengukuran EDX komposit

Fe3O4 /CuO/ZnO dan Fe3O4/CuO/ZnO- 10wt.%

NGP.



nanoparticles Fe3O4 dan CuO ke ZnO mengakibatkan pertumbuhan dari ZnO yang

mengeliling nanoparticles Fe3O4 dan CuO [27-28]. Dengan adanya penambahan material

NGP pada komposit Fe3O4/CuO/ZnO, dapat terlihat pada Gambar 4.3 kehadiran sheet like

yang diperkirakan dari material NGP.

Untuk mengetahui lebih lanjut salah satu sifat fisis yaitu sifat vibrasi dari komposit

yang telah dibuat, dilakukan pengujian menggunakan FT-IR (fourier transform infrared)

spectroscopy. Gambar 4.6 menunjukkan hasil kurva FTIR dari nanoparticles NGP, komposit

Fe3O4/CuO/ZnO dan Fe3O4/CuO/ZnO-10wt.% NGP. Spektrum NGP yang diperoleh memiliki

kecocokan dengan yang telah diteliti oleh Nekahi dkk. [29] memperoleh broad peak pada

rentang sekitar 3000-4000 cm-1 dengan maksium di 3411 cm-1 yang dapat disebabkan oleh air

yang terperangkap di NGP. Pada 1722 cm-1 dan 1626 cm-1 berkorespondensi pada stretching

band C=O dan C=C [29]. Pada komposit Fe3O4/CuO/ZnO terlihat peak-peak pada rentang

energi ~551 cm-1, ~606 cm-1 dan ~570 cm-1 yang berkorespondensi dengan stretching Zn-O

[30], Cu-O [31] dan Fe-O [32]. Dan pada hasil kurva untuk komposit Fe3O4/CuO/ZnO/NGP

Gambar 4.3. Hasil penggambaran morfologi menggunakan SEM untuk nanoparticles Fe3O4, CuO,

ZnO, material NGP, komposit Fe3O4/CuO/ZnO dan Fe3O4/CuO/ZnO/NGP.

Gambar 4.6. Kurva FTIR nanoparticles NGP,

komposit Fe3O4 /CuO/ZnO dan

Fe3O4/CuO/ZnO-10wt.% NGP.

Gambar 4.7. Kurva hasil pengukuran VSM dari

komposit Fe3O4 /CuO/ZnO dan

Fe3O4/CuO/ZnO/NGP dengan variasi wt.% NGP.



Tabel 4.3. Nilai celah energi komposit Fe3O4/CuO/ZnO/NGP.

Nama sampel Nilai celah energi (eV)

ZnO 3.37

Fe3O4 /CuO/ZnO 2.89

Fe3O4 /CuO/ZnO-5wt.% NGP 2.84



mengonfirmasi kehadiran peak-‐peak penyusun dari komposit Fe3O4/CuO/ZnO dan NGP. Hal

tersebut menunjukkan NGP telah efektif berada pada komposit Fe3O4/CuO/ZnO sesuai

dengan yang telah dikonfirmasi oleh pengukuran XRD dan SEM.

DRS UV-Vis merupakan metode pengukuran untuk mendapatkan nilai absorpsi optik

dari suatu material yang kemudian dapat dianalisis untuk mengetahui nilai celah energi dari

material tersebut. Nilai celah energi dari material nanoparticles ZnO, komposit

Tabel 4.4. Nilai surface area komposit Fe3O4/CuO/ZnO/NGP.

Nama sampel Specific surface area (m2/g)

Fe3O4 /CuO/ZnO 11.99




Tabel 4.5. Nilai magnetic saturation dari sampel Fe3O4/CuO/ZnO dan Fe3O4/CuO/ZnO/NGP.

Nama Sampel M-S (emu/g)

Fe3O4 82

Fe3O4 /CuO/ZnO 46

Fe3O4 /CuO/ZnO-05wt.% NGP 52



Fe3O4/CuO/ZnO dan Fe3O4/CuO/ZnO/NGP ditabulasi pada Tabel 4.3, dapat dilihat dari hasil

pengukuran bahwa penambahan material Fe3O4 dan CuO pada nanoparticles ZnO mengubah

nilai celah energi dari 3.4 eV menjadi 2.89 eV. Penurunan menuju nilai celah energi yang

lebih rendah disebut sebagai redshift, fenomena tersebut menunjukkan bahwa komposit Fe3O4

/CuO/ZnO dapat aktif bekerja pada rentang energi yang lebih rendah dibandingkan dengan

nanoparticles ZnO. Dengan penambahan NGP pada komposit Fe3O4/CuO/ZnO, nilai celah

energi kembali mengalami pergeseran redshift yang tidak terlalu signifikan. Pergeseran



tersebut dapat disebabkan oleh delokalisasi arus dikarenakan interaksi antara NGP dengan

komposit Fe3O4/CuO/ZnO.

Surface area dari komposit Fe3O4/CuO/ZnO/NGP didapatkan melalui pengukuran

Brunner-Emett Teller (BET), hasil pengukuran ditabulasi pada Tabel 4.4. Dapat dilihat,

komposit Fe3O4/CuO/ZnO memiliki nilai surface area 11.99 m2/g penambahkan material

NGP meningkatkan surface area dari komposit menjadi 13.96, 17.17, dan 21.45 m2/g untuk

penambahan 5, 10, dan 15wt.% NGP. Pada material katalis semikonduktor, surface area

menjadi salah satu faktor yang mempengaruhi aktivitas catalytic, dikarenakan semakin besar

surface area yang dimiliki suatu sampel akan memfasilitasi adsorpsi dari molekul polutan

pada permukaa aktif dari sampel tersebut sehingga meningkatkan aktivitas catalytic yang

terjadi [33].

Magnetic hysteresis curves dari Fe3O4/CuO/ZnO pada suhu ruangan di plot pada

Gambar 4.7. dan besar magnetic saturation ditabulasi pada Tabel 4.5. yang dapat menjelaskan

bahwa seluruh sampel komposit Fe3O4/CuO/ZnO dan Fe3O4/CuO/ZnO variasi wt.% NGP

menunjukkan sifat magnetik pada suhu ruangan. Terlihat pada Gambar 4.7. terjadi penurunan

magnetic saturation pada material Fe3O4 dengan menambahkan massa nanoparticles CuO

dan ZnO.

Penambahan nanographene platelets (NGP) 5 dan 10 wt.% menyebabkan terjadinya

peningkatan magnetic saturation pada Fe3O4 /CuO/ZnO namun untuk penambahan 15 wt.%

NGP terjadi penurunan namun tetap lebih tinggi dibandingkan dengan magnetic saturation

pada komposit Fe3O4/CuO/ZnO. Peningkatan magnetic saturation tersebut dapat disebabkan

oleh material Fe3O4 yang menempel pada surface dari NGP material menyebabkan defect

dan membuat stable NGP-based magnetic material [34].

Efek Penambahan Material Ag pada Komposit Fe3O4/CuO/ZnO/NGP

Pengujian XRD dilakukan kembali pada sampel komposit Fe3O4 /CuO/ZnO yang telah

ditambahkan oleh nanoparticles Ag dan NGP. Pada Gambar 4.8 ditunjukkan hasil fitting

dengan menggunakan aplikasi MAUD. Kurva-kurva penyusun dari nanoparticles Fe3O4 (2θ

= 30.14°, 35.49°, 43.28°, 53.76°, 57.20°, dan 62.83°) , CuO (2θ = 38.81° and 48.7°), ZnO (2θ

= 34.47°, 36.26°, 47.50°, 56.70°, 68.06°, and 69.21°), dan NGP (2θ = 26.40°) tetap dapat

terdeteksi pada seluruh sampel komposit Ag/Fe3O4/CuO/ZnO/NGP, dimana menunjukkan

eksistensi nanoparticles tersebut pada sampel. Hasil peak-peak tersebut juga sesuai dengan

hasil fitting XRD untuk komposit Fe3O4/CuO/ZnO/NGP pada Gambar 4.1. Terdapat

kehadiran peak baru pada 2θ = 38.14°, 44.26°, dan 64.42°dimana dapat dialokasikan sebagai



bidang (111), (200), dan (220) dari face- center cubic Ag. Tingkat intensitas peak Ag yang

rendah dapat disebabkan sedikitnya konten Ag pada sampel [35].

Untuk mengetahui lebih jelas eksistensi dari Ag pada komposit dilakukan pengujian

absorbance menggunakan UV-vis spectroscopy. Seperti yang dapat dilihat pada Gambar 4.9,

komposit Fe3O4/CuO/ZnO memiliki tepi absorbance pada rentang ~430 nm yang

menunjukkan Fe3O4/CuO/ZnO berada pada rentang cahaya tampak. Penambahan

nanoparticles Ag pada komposit Fe3O4 /CuO/ZnO membentuk Ag/Fe3O4/CuO/ZnO

menyebabkan terjadinya redshift (~10nm) tepi absorbance menuju ke panjang gelombang

yang lebih besar, hal ini dapat disebabkan karena interaksi yang terjadi antara nanoparticles

Ag dan ZnO [35-36].

Gambar 4.8. Kurva hasil fitting XRD dari seluruh

sample komposit Ag/Fe3O4/CuO/ZnO/NGP

(AgFCZ/ X wt% NGP) menggunakan aplikasi

MAUD.

Gambar 4.9. Kurva Hasil pengukuran UV-Vis

absorbance spectra dari komposit Fe3O4

/CuO/ZnO, Ag/Fe3O4 /CuO/ZnO dan Ag/Fe3O4

/CuO/ZnO/NGP.

Gambar 4.11. Kurva hasil pengukuran FTIR dari komposit Ag/Fe3O4 /CuO/ZnO dan Ag/Fe3O4

/CuO/ZnO/NGP

Tabel 4.6. Nilai celah energi dari komposit Ag/Fe3O4/CuO/ZnO dan Ag/Fe3O4/CuO/ZnO/NGP.

Sample name Nilai celah energi (eV)

Fe3O4/CuO/ZnO 2.89



Ag/ Fe3O4/CuO/ZnO 2.83

Ag/Fe3O4/CuO/ZnO: 5wt.% NGP 2.80



Dapat diobservasi kehadiran peak baru pada rentang 400-450 nm, peak tersebut menunjukkan

eksistansi dari surface plasmon resonance nanoparticles Ag pada permukaan ZnO [36], hal

ini dapat membantu pada penyerapan cahaya tampak untuk photocatalytic visible.

Penambahan material NGP pada Ag/Fe3O4/CuO/ZnO menyebabkan terjadinya pula redshift

menuju nilai panjang gelombang yang lebih besar, hal tersebut menunjukkan material

Ag/Fe3O4/CuO/ZnO dan Ag/Fe3O4/CuO/ZnO/NGP dapat bekerja dengan baik pada rentang

gelombang cahaya tampak [37].

Pengujian FT-IR dilakukan kembali untuk melihat sifat optis dari nanoparticles Ag

dan pengaruh Ag terhadap komposit Fe3O4 /CuO/ZnO/NGP, hasil pengukuran dapat dilihat

pada Gambar 4.11. Pada komposit Ag/Fe3O4/CuO/ZnO, nanoparticles ZnO [30], CuO [31],

dan Fe3O4 [32] tetap dapat terdeteksi pada rentang ~551, ~606 dan ~570 cm-1 sesuai dengan

pengukuran FT-IR sebelumnya (Gambar 4.12). Terdapat peak baru pada panjang gelombang

~1650 cm-1, berdasarkan literature, peak pada panjang gelombang tersebut dapat disebabkan

oleh stretching dari C=O [39]. Selain hal tersebut, hasil pengujian FT-IR tidak menunjukkan

adanya eksitensi peak Ag-O sehingga dapat dinyatakan pada sampel komposit

Ag/Fe3O4/CuO/ZnO Ag berada dalam bentuk nanoparticles metal.

Nilai celah energi dari sampel yang telah ditambahkan nanoparticles Ag dan NGP

ditabulasi pada Tabel 4.6., dapat dilihat dengan penambahan nanoparticles Ag nilai celah

energi mengalami pergeseran redshift ke rentang enegi yang lebih rendah, jadi penurunan

energi tersebut dapat menjadi keuntungan pada peningkatan aktivitas photocatalytic pada

rentang cahaya tampak. Pergeseran rentang energi tersebut dapat disebabkan oleh interaksi

interfacial electron antara nanoparticles ZnO dan Ag.

Penambahan NGP pada komposit Ag/Fe3O4/CuO/ZnO/NGP menyebabkan nilai celah

energi mengalami redshift menjadi 2.80, 2.77, dan 2.76 untuk penambahan NGP sebesar 5,

10, dan 15wt.% secara berurutan. Penurunann nilai celah energi tersebut dapat dijelaskan

kembali akibat interaksi antara antara material karbon (NGP) dengan komposit

Ag/Fe3O4/CuO/ZnO.

Analisis Aktivitas Catalytic Menggunakan Komposit Fe3O4/CuO/ZnO/NGP

Gambar 4.12. menunjukkan hasil penelitian pengaruh NGP pada Fe3O4/CuO/ZnO

terhadap aktivitas photocatalytic, sonocatalytic, dan sonophotocatalytic dengan



menggunakan sumber cahaya berupa cahaya tampak atau UV. Digunakan MB sebagai sumber

polutan organik dengan pH=13 dan konsentrasi larutan sebesar 20 mg/L. Aktivitas catalytic

tersebut direpresentasikan dalam kurva Ct/C0 vs waktu (Ct= konsentrasi MB pada waktu t

setalah diberikan radiasi, C0 = konsentrasi awal MB). Dilakukan pula eksperimen blank dan

eksperimen lysis (photolysis, sonolysis, dan sonophotolysis), eksperimen blank bertujuan

untuk mengetahui jikalau MB dapat terdegradasi sendiri atau tidak dan eksperimen lysis untuk

mengetahui seberapa besar degradasi MB yang terjadi ketika hanya diberikan energi radiasi

tanpa adanya katalis (semikonduktor).

Pada pemberian radiasi berupa cahaya tampak, dapat dilihat pada Gambar 4.12,

eksperimen blank menunjukkan tidak adanya degradasi yang signifikan dan eksperimen

photolysis hanya mampu mendegradasi sekitar 3% saja. Pemberian komposit Fe3O4

/CuO/ZnO

Gambar 4.12. Aktivitas catalytic seluruh sampel komposit Fe3O4 /CuO/ZnO dan Fe3O4 /CuO/ZnO/NGP

pada larutan pewarna MB dengan radiasi: (a) cahaya tampak, (b) cahaya UV, (c) gelombang ultrasonic,

(d) gabungan cahaya tampak dan gelombang ultrasonic, dan (e) gabungan cahaya UV dan gelombang

ultrasonic.

dapat mendegradasi limbah hingga ~70%, seperti yang telah disebutkan ZnO murni hanya

dapat aktif di rentang cahaya UV yang secara teori tidak dapat mendegradasi dengan

efektivitas pada rentang cahaya tampak [9] hal ini menunjukkan penambahan nanomaterial

lain (CuO dan Fe3O4) dapat meningkatkan aktivitas phtocatalytic ZnO pada rentang cahaya

tampak [9]. Hasil tersebut diduga karena terjadinya pemodifikasian dari ZnO ketika

digabungkan dengan material lain tersebut. Hal ini sesuai dengan yang dilaporkan

Dalam pengujian dengan menggunakan cahaya UV, terlihat terjadinya penurunan pada

aktivitas photocatalytic. Hal tersebut disebabkan rentang energi yang bergeser pada cahaya

tampak akibat interaksi dengan material CuO sehingga material tidak lagi dapat bekerja



dengan baik pada cahaya UV. Meskipun demikian, komposit Fe3O4/CuO/ZnO mampu

mendegradasi larutan MB hingga 50%.

Setelah ditambahkan material NGP dengan perbandingan massa 5, 10, dan 15 wt.%,

terlihat terjadinya peningkatan pada aktivitas photocatalytic cahaya tampak maupun UV.

Dengan maksimum degradasi MB terjadi pada sampel dengan penambahan 10 wt.% NGP.

Terjadinya peningkatan aktivitas photocatalytic dapat disebabkan karena sifat NGP yang

dapat menjadi seperti “jala” sebagai “penangkap electron” [40] sehingga menghambat

rekombinasi yang terjadi antara electron dan hole. Terjadinya penurunan ketika ditambahkan

NGP dengan berat 15wt.% mungkin disebabkan karena terjadinya “shielding effect” yaitu

peningkatan konsentrasi NGP pada komposit Fe3O4/CuO/ZnO dapat menghamburkan cahaya

dan mengurangi energi cahaya yang masuk sehingga menyebabkan penuruan pada aktivitas

photocatalytic [66]. Argumen mengenai fenomena tersebut dianggap benar dikarenakan jika

kita melihat dari morfologi TEM (komposit Fe3O4/CuO/ZnO/NGP dengan variasi 10wt.%)

maka dapat terlihat NGP tampak seperti menutupi komposit Fe3O4/CuO/ZnO jika

ditambahkan lagi wt.% NGP pada komposit maka akan semakin menyebabkan tertutupnya

active sites. Hal tersebut dapat juga dikonfirmasi pada pengukuran BET yang menunjukkan

pada komposit dengan keberadaan NGP sebesar 15wt.%, nilai yang diperoleh semakin besar

menandakan keberadaan NGP yang semakin banyak [41].

Pada Gambar 4.12 (c) juga menunjukkan pengujian sonocatalytic menggunakan

material komposit Fe3O4/CuO/ZnO yant telah di sintesis. Dapat dilihat dengan penggabungan

CuO dan Fe3O4 mampu meningkatkan aktivitas sonocatalytic yang terjadi, hal tersebut dapat

disebabkan karena pembentukan heterojunction yang terbentuk antar material seperti yang

telah dijelaskan pada proses photocatalytic [9]. Jika dilihat pada hasil yang diperoleh,

sonocatalytic (degradasi MB=~80%) memiliki kemampuan degradasi yang lebih baik

dibandingkan dengan photocatalytic (degradasi MB=~60%), hal tersebut dikarenakan dalam

proses sonocatalytic dapat menghasilkan sonoluminescene yang memiliki rentang panjang

gelombang yang lebar sehingga komposit yang dibuat dapat dengan mudah mengalami

eksitasi dan sonocatalytic juga menghasilkan radikal hidroksil yang berpengaruh dalam

degradasi limbah [42]. Penambahan NGP pada Fe3O4/CuO/ZnO menunjukkan terjadinya

peningkatan pada degradasi menggunakan radiasi ultrasonic. Hal tersebut dapat disebabkan

karena efek sinergi yang terjadi antara Fe3O4/CuO/ZnO dengan NGP, material NGP akan

menghambat rekombinasi electron-hole [41].



Penggabungan antara radiasi cahaya (UV maupun Vis) dengan radiasi ultrasonic telah

dilaporkan dapat meningkatkan dengan signifikan degradasi yang terjadi [69]. Hasil yang

diperoleh (Gambar 4.12(d dan e)) menunjukkan sonophotocatalytic memiliki hasil

pendegradasi terbaik dibandingkan dengan pemaparan cahaya UV/tampak dan radiasi

ultrasonic, hal tersebut dapat disebabkan karena timbulnya efek sinergi. Efek sinergi yang

dimaksud yaitu antara radiasi cahaya dan radiasi ultrasonic, dengan meningkatkan luas

permukaan katalis, meningkatkan dispersi katalis, dan meningkatkan eksitasi pasangan

electron-hole.

Dari Gambar 4.12 (d dan e) dapat dilihat komposit Fe3O4/CuO/ZnO/NGP

menunjukkan peningkatan aktivitas sonophotocatalytic dibandingkan dengan komposit

Fe3O4/CuO/ZnO. Diperoleh pula nilai maksimum untuk penambahan NGP yaitu sebesar

10wt.%. Hal tersebut dapat dijelaskan dengan argumen yang sama pada proses photocatalytic

dan sonocatalytic yaitu “shielding effect”. Dari seluruh eksperimen yang dilakukan diperoleh

komposit

Gambar 4.16. Uji scavenger pada komposit Fe3O4

/CuO/ZnO-10wt.% NGP untuk seluruh aktivitas

catalytic.

Gambar 4.17. Kemampuan catalytic reusability

komposit Fe3O4/CuO/ZnO-10wt.% NGP dalam

degradasi MB untuk 4 siklus berulang

Fe3O4/CuO/ZnO/NGP dengan penambahan 10wt.% NGP menunjukkan aktivitas optimum,

sehingga untuk eksperimen berikutnya akan digunakan komposit tersebut.

Untuk mengetahui lebih lanjut mekanisme yang terjadi dalam aktivitas catalytic,

eksperimen scavenger dilakukan pada keadaan optimum (pH=13 dan konsentrasi MB = 20

mg/L) dengan memberikan beberapa trapping agent berupa di-amonium oxalate, sodium

sulfate, dan ter-butyl alcohol yang berguna sebagai trapping agent untuk hole , electron, dan

hydroxyl radical secara berurutan. Dengan penambahan trapping agent (Gambar 4.16),

terlihat terjadinya penurunan pada proses catalytic yang terjadi menandakan proses catalytic



yang terjadi disebabkan oleh spesies-spesies aktif tersebut (hole, electron, atau hydroxyl

radical). Untuk photocatalytic (UV dan visible) diperoleh spesies aktif mengikuti urutan: hole

> hydroxyl radical > electron, sedangkan pada sonocatalytic dan sonophotocatalytic

diperoleh spesies aktif mengikuti : Hydroxil radical > Hole > Electron. Hal tersebut

menunjukkan bahwa terdapat perbedaan mekanisme yang terjadi pada proses catalytic.

Pengujian efektivitas dari komposit Fe3O4/CuO/ZnO-10wt.% NGP untuk percobaan

berulang (reusability) diuji pada seluruh aktivitas catalytic (photo, sono dan

sonophotocatalytic) untuk 4 kali pengulangan. Setelah setiap siklus penggunaan ulang,

sampel komposit Fe3O4/CuO/ZnO/NGP akan dipisahkan dari larutan pewarna menggunakan

batang magnet eksternal, dicuci dan akan digunakan untuk siklus berikutnya. Dapat dilihat

pada Gambar 4.17, efisiensi aktivitas catalytic dari komposit Fe3O4/CuO/ZnO-10wt.% NGP

tidak mengalami penurunan yang signifikan setelah digunakan dalam 4 kali degradasi MB

(kondisi optimum), mengindikasikan kestabilitasan sampel untuk digunakan sebagai komposit

berulang.

Analisis Aktivitas Catalytic Menggunakan Komposit Ag/Fe3O4/CuO/ZnO/NGP

Telah disebutkan sebelumnya degradasi MB menggunakan komposit Fe3O4/CuO/ZnO

adalah sebesar 75%, 51%, 79%, 79%, dan 94% dengan menggunakan metode photocatalytic

visible, photocatalytic UV, sonocatalytic , sonophotocatalytic visible, dan sonophotocatalytic

UV, secara berurutan. Dengan penambahan nanoparticles logam mulia perak, Ag, dapat

terlihat pada Gambar 19 terjadi peningkatan yang signifikan pada degradasi MB. Pada cahaya

tampak (Gambar 4.18), peningkatan degradasi MB yang sangat signifikan hingga mencapai

100% pada 120 menit iradiasi dapat disebabkan karena efek SPR (surface plasmon

resonance) dari nanoparticles Ag [58]. SPR dapat meningkatkan absorpsi cahaya tampak

yang bertujuan meningkatkan cahaya yang terserap pada permukaan aktif komposit sehingga

tingkat degradasi MB meningkat. Sedangkan pada cahaya UV (Gambar 4.18), peningkatan

degradasi MB dapat mencapai nilai ~70%. Terjadi peningkatan pada radiasi cahaya UV dapat

disebabkan karena terbentuknya schottky barrier pada pertemuan metal-semikonduktor (Ag-

ZnO) dapat mengimprovisasikan eksitasi electron dan menghambat rekombinasi [43].

Untuk proses sonocatalytic, penambahan nanoparticles Ag dapat meningkatkan

aktivitas catalytic dalam mendegradasi MB sampai 100%. Sampai saat ini, tidak banyak

penelitian yang membahas mengenai aktivitas sonocatalytic menggunakan Ag, namun jika

kita melihat dasar dari aktivitas sonocatalytic seperti yang telah disebutkan di atas (Bag. 4.3)

yaitu fenomena sonoluminescene dan hotspot maka kita dapat menarik suatu pendapat



mengenai kenaikan aktivitas Sonocatalytic tersebut. Sonoluminscene dapat menyebabkan

cahaya pada rentang gelombang yang lebar [43] dimana mengindikasikan bahwa Ag dapat

mengalami eksitasi SPR dan menghasilkan electron yang dapat membantu dalam aktivitas

catalytic. Selain hal tersebut, Ag-ZnO akan membentuk pula Schottky barrier yang akan

berguna dalam menghambat rekombinasi electron dan hole [43]. Maka jika kita lihat

degradasi MB menggunakan radiasi visible dan ultrasonic akan memiliki peningkatan yang

lebih besar jika dibandingkan dengan radiasi UV untuk material Ag/Fe3O4/CuO/ZnO.

Pada penggunaan radiasi gabungan (sonophotocatalytic) dengan radiasi cahaya

tampak maupun radiasi UV, menunjukkan peningkatan yang signifikan pula yaitu mampu

mendegradasi sebesar 100%. Fenomena peningkatan ini dapat pula dijelaskan dengan efek

SPR

Gambar 4.18. Aktivitas catalytic seluruh sampel komposit Fe3O4/CuO/ZnO (FCZ), dan

Ag/Fe3O4/CuO/ZnO/NGP (AgFCZ-X wt% NGP) pada larutan pewarna MB pada kondisi optimum

(pH=13, konsentrasi=20 mg/L, dan dosis komposit=0.3 g/L)

Gambar 4.19. Uji scavenger pada komposit

Ag/Fe3O4 /CuO/ZnO/NGP untuk seluruh aktivitas

catalytic.

Gambar 4.20. Kemampuan catalytic reusability

komposit Ag/Fe3O4/CuO/ZnO-10wt.% NGP

dalam degradasi MB untuk 4 siklus berulang



dan pembentuk Schottky barrier [43], sehingga muncul pula efek sinergisitas yang telah

dibahas sebelumnya pada bab 4.3.

Penambahan NGP pada Ag/Fe3O4 /CuO/ZnO dapat meningkatkan efektivitas

degradasi baik pada photocatalytic (cahaya tampak atau UV), sonocatalytic maupun

sonophotocatalytic (Gambar 4.18). Fenomena peningkatan efektivitas katalatik tersebut telah

dipahami sebelumnya sebagai akibat dari kinerja NGP sebagai perangkap untuk electron,

sehingga pada komposit Ag/Fe3O4 /CuO/ZnO/NGP terjadi efek sinergisitas antara seluruh

nanoparticles untuk meningkatkan absorbance pada cahaya tampak (nanoparticles CuO dan

Ag), penghambatan rekombinasi electron-hole (nanoparticles CuO, Ag, dan NGP), dan

meningkatkan lifetime electron (nanoparticles CuO, Ag, dan NGP).

Trend penambahan NGP menunjukkan terdapat maksimum efektivitas penambahan

NGP pada komposit yaitu 10wt.%, melebihi batas 10wt.% menyebabkan efektivitas catalytic

berkurang. Terjadinya penurunan efektivitas catalytic pada penambahan 15wt.% NGP dapat

disebabkan karena shielding effect yang menghambat permukaan aktif sehingga tidak

berfungsi dengan maksimal, fenomena tersebut sesuai dengan eksperimen pada komposit

Fe3O4/CuO/ZnO/NGP.

Dilakukan kembali uji scavenger untuk komposit Ag/Fe3O4 /CuO/ZnO/10wt.% NGP

untuk mendapatkan spesies aktif yang berperan pada aktivitas catalytic. Hasil uji tersebut

telah dihitung dan dapat dilihat pada Gambar 4.19 dalam bentuk kurva garis. Didapatkan

untuk penambahan scavenger berupa tert-butyl alkohol, diamonium oksalat, dan sodium

sulfate aktivitas catalytic akan menurun yang disebabkan karena tersapunya spesies aktif: OH,

hole, dan electron.

Untuk seluruh aktivitas kataltik (photocatalytic, sonocatalytic, dan

sonophotocatalytic) didapatkan spesies yang paling berperan aktif adalah hole diikuti oleh OH

dan electron. Penyebab spesies aktif hole dapat disebabkan karena adanya presensi

nanoparticles Ag pada komposit Ag/Fe3O4/CuO/ZnO, seperti yang telah disebutkan

sebelumnya Ag dapat berfungsi sebagai SPR dan Schotkky barrier. Secara garis besar kedua

fungsi tersebut memiliki suatu tujuan yang sama yaitu memperangkap electron untuk

meningkatkan efektivitas catalytic, electron yang terperangkap akan menyebabkan “hole”

dapat dengan aktif bekerja untuk mendegradasi MB (mekanisme hole dapat dilihat pada bag.

4.2) sesuai dengan teori tersebut maka hole adalah spesies paling aktif untuk aktivitas

catalytic Ag/Fe3O4/CuO/ZnO/NGP.



Dilakukan kembali pengujian reusability untuk komposit Ag/Fe3O4/CuO/ZnO-10wt.%

NGP dengan metode yang sama yaitu pemisahan sampel menggunakan batang magnetik

eksternal. Pada Gambar 4.20 ditunjukkan efisiensi aktivitas catalytic dari komposit

Ag/Fe3O4/CuO/ZnO-10wt.% NGP, dalam 4 kali proses reusability komposit tersebut tidak

menunjukkan penurunan aktivitas yang signifikan (penurunan terbesar terjadi pada pemaparan

radiasi cahaya UV (~3%)) dimana hasil tersebut menunjukkan kemampuan komposit untuk

skala industri.

KESIMPULAN

Pada penelitian yang telah dilakukan, komposits Fe3O4/CuO/ZnO/NGP telah di

sintesis menggunakan two-step method, metode sol-gel yang dilanjutkan dengan metode co-

precipitation. Hasil dari kurva XRD, EDX, dan FTIR telah mengonfirmasi keberadaan Fe3O4,

CuO, ZnO, dan NGP sehingga dari hasil spectroscopy dapat disimpulkan komposit

Fe3O4/CuO/ZnO/NGP berhasil di sintesis. Hasil pengujian VSM menunjukkan seluruh sample

memiliki sifat magnetic pada suhu ruangan. Pada aktivitas catalytic, dengan penambahan

NGP pada Fe3O4/CuO/ZnO dapat meningkatkan kemampuan catalytic yang dilakukan, hal

tersebut dikarenakan kemampuan dari NGP yang mampu menjadi “trapping state” untuk

electron sehingga memperlama lifetime dari electron itu sendiri. Performa catalytic terbaik

ditunjukkan oleh sampel dengan penambahan NGP sebesar 10wt.%, dimana aktivitas

catalytic terbaik mengikuti urutan: sonophotocatalytic > sonocatalytic > photocatalytic.

Penambahan scavenger menunjukkan bahwa hole sebagai spesies aktif utama pada

photocatalytic (UV maupun visible) dan hydroxyl radiacl sebagai spesies aktif utama pada

sonocatalytic dan sonophotocatalytic. Selanjutnya penggabungan nanoparticles Ag dengan

Fe3O4/CuO/ZnO/NGP membentuk Ag/Fe3O4/CuO/ZnO berhasil di sintesis dengan

menggunakan metode sol-gel. Karakterisasi XRD menunjukkan keberadaan nanoparticles Ag

pada Fe3O4/CuO/ZnO/NGP, keberadaan Ag diperjelas dengan melakukan pengukuran

absorbance UV-Vis dimana ditemukan adanya efek SPR pada rentang cahaya tampak.

Aktivitas catalytic komposit Ag/Fe3O4/CuO/ZnO/NGP menunjukkan peningkatan yang

signifikan jika dibandingkan dengan Fe3O4/CuO/ZnO/NGP, dikarenakan beberapa fenomena

Ag (SPR dan pembentukan Schottky barrier) yang berkerja sinergi dalam peningkatan

aktivitas catalytic. Dengan melakukan uji scavenger didapatkan spesies aktif utama adalah

hole diikuti OH dan electron.



DAFTAR PUSTAKA [1] L. Filipponi and D. Sutherland,”Nanotechnologies: Principles, Applications, Implications and Hands-on

Activites”, European commission, 2013. [2] G.A. Mansoori, T. R. Bastami, A. Ahmadpour, and Z. Eshaghi,”Enviromental application of

nanotechnology”, Vol. 2, Ch. 2, 2008. [3] L. Lonappan, T. Rouissi, R. K. Das, S. K. Brar, A. A. Ramirez, M. Verma, R. Y. Surampali, R. Y.

Surampali, and J. R. Valero,”Adsorption of methylene blue on biochar microparticles derived from different waste materails”, Waste Management, Vol. 49, pp. 537-533, 2016.

[4] L. Song, S. Zhang, X. Wu, and Q. Wei,”A metal-free and graphitic carbon nitride sonocatalyst with high sonocatalytic activity for degradation methylene blue”, Chemical Engineering Journal, Vol. 184, pp. 256-260, 2012.

[5] K. P. Jyothi, S. Yesodharan, and E. P. Yesodharan,”Ultrasound (US), ultraviolet light (UV) and combination (US+UV) assisted semiconductor catalyzed degradation of organic pollutants in water: Oscillation in the concentrasion of hydrogen peroxide formed in situ”, Ultrasonic Sonochemistry, Vol. 21, pp. 1787-1796, 2014.

[6] M. Ahmad, E. Ahmed, Z. L. Hong, W. Ahmed, A. Elhissi, and N. R. Khalid,”Photocatalytic, sonocatalytic, and sonophotocatalytic degradation of Rhodamine B using ZnO/CNTs composites photocatalysts”, Ultrasonics Sonochemistry, Vol. 21, pp. 761-773, 2014.

[7] Z. He, Y. Xia, B. Tang, X. Jiang, J. Su,”Fabriaction and Photocatalytic property of ZnO/Cu2O core-shell nanocomposites”, Materials Letters, Vol. 184, pp. 148-151, 2016.

[8] B. li and Y. Wang, “Facile synthesis and photocatalytic activity of ZnO-CuO nanocomposite”, Superlattices and Microstructure, Vol 47, pp. 615-623, 2010.

[9] P. S. Kumar, M. Selvakumar, S. G. Babu, S. Induja, and S. Karuthapandian,”CuO/ZnO nanorods: An affordable efficient p-n heterojunction and morphology dependent photocatalytic activity against organic contaminants”, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 701, pp. 562-573, 2017.

[10] X. Feng, H. Guo, K. Patel, H. Zhou, and X. Lou,”High performance, recoverable Fe3O4 /ZnO nanoparticles for enhanced photocatalytic degradation of phenol”, Chemical Engineering Journal, Vol. 244, pp. 327-334, 2014.

[11] A. Meng, J. Xiang, Z. Li, Q. Wei, and Q. Li,”Ag/AgCl/ZnO nano-networks: Preparasion, Characterization, mechanism, and photocatalytic activity”, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, Vol. 411, pp. 290-298, 2016.

[12] X. Zhang, L. Wang, C. Liu, Y. Ding, S. Zhang, Y. Zeng, Y. Liu, S. Luo,”A bamboo-inspired hierarchical nanoarchitecture of Ag/CuO/TiO2 nanotube arry for highly photocatalytic degradation of 2,4-dinitrophenol”, Journal of Hazardous materials,Vol. 313, pp. 244-252, 2016.

[13] J. Qin, X. Zhang, C. Yang, M. Cao, M. Ma, and R. Liu,”ZnO microspheres-reduced graphene oxide nanocomposite for photocatalytic degradation of methylene blue dye”, Applied Surface Science,Vol. 392, pp. 196-203, 2017.

[14] R. Beura, and P. Thangadurai,”Structural, optical, and photocatalytic properties of graphene-ZnO nanocomposites for varied compositions”, Journal of Physics and Chemistry of Solids, Vol. 102, pp. 168-177, 2017.

[15] N. R. Khalid, E. Ahmed, Z. Hong, L. Sana, and M. Ahmed,”Enhanced photocatalytic activity of graphene-TiO2 composite under visible light irradiation”, Current Applied Physics, Vol. 13, pp. 659-663, 2013.

[16] L. Borah, M. Goswani, and P. Phukan, “Adsorption of methylene blue and eosin yellow using porous carbon prepared from tea waste: Adsorption equilibrium, kinetics, and thermodynamics study”, Journal of Enviromental Chemical Engineering, Vol 3, pp. 1018-1028, 2015.

[17] G. Kumar dan K. S. R. Koteswara Rao,”Comparison of modification strartergies towards enhanced charge carrier separasion and Photocatalytic degradation activity of metal oxide semiconductors (TiO2, WO3, and ZnO)”, Applied Surface Science, Vol. 391, pp. 124-148, 2017.

[18] L. Xu, Y. Zhou, Z. Wu, G. Zheng, J. He, dan Y. Zhou,”Improved Photocatalytic activity of nanocrystalline ZnO by coupling with CuO”, Journal of Physics and Chemistry of Solids, Vol. 106, pp. 29-36, 2017.



[19] A. Taufik dan R. Saleh,”Synthesis of iron(II,III) oxide/zinc oxide/copper(II) oxide (Fe3O4 /ZnO/CuO) nanocomposites and their sonoPhotocatalytic property for organic dye removal”, Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 491, pp. 27-36, 2017.

[20] L. A. Al-Khateeb, S. Almotiry, and M. A. Salam,”Adsorption of pharmaceutical pollutants onto graphene nanoplatelets”, Chemical Engineering Journal, Vol. 248, pp. 191-199, 2014.

[21] P. Worajittiphon, K. Pingmuang, B. Inceesungvorn, N. Wetchakun, and S. Phanichphant, “Enhancing the Photocatalytic activity of ZnO nanoparticles for efficient rhodamine B degradation by functionalized graphene nanoplatelets”, Ceramics International, Vol 41, pp. 1885-1889, 2015.

[22] L. Xu, Y. Wang, J. Liu, S. Han, Z. Pan, dan L. Gan,”High-efficient visible-light photocatalyst based on graphene incorporated Ag3PO4 nanocomposite applicable for the degradation of a wide variety of dyes”, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, Vol. 340, pp. 70-79, 2017.

[23] C. S. Sebastian dan P. Anoop,”Analysis of GNP based composite material s”, International Research Journal of Engineering and Technology, Vol. 03, pp. 1213-1218, 2016.

[24] Z. Anwar, A. Kausar, I. Rafique, dan B. Muhammad,”Advances in Epoxy/graphene Nanoplaetelet composite with enhanced physical properties: A review”, Polymer-plastic Technology and Engineering, Vol. 55, pp. 643-662, 2016.

[25] Y. Cui, Q. Ma, X. Deng, Q. Meng, X. Cheng, M. Xie, X. Li, Q. Cheng, dan H. Liu,”Fabricatioin of Ag-Ag2O/reduced TiO2 nanophotocatalyst and its enhanced visible light driven Photocatalytic performance for degradation of diclofenac solution”, Applied Catalysis B: Enviromental, Vol. 206, pp. 136-145, 2017.

[26] A. Senthilraja, B. Subash, B. Krishnakumar, D. Rajamanickam, M. Swaminathan, dan M. Shanthi,”Synthesis, characterization and catalytic activity of co-doped Ag-Au-ZnO for MB dye degradation under UV-A light”, Materials Science in Semiconductor Processing, Vol. 22, pp. 83-91, 2014.

[27] X. Feng, H. Guo, K. Patel, H. Zhou, and X. Lou,”High performance, recoverable Fe3O4 /ZnO nanoparticles for enhanced Photocatalytic degradation of phenol”, Chemical Engineering Journal, Vol 244, pp. 327-334, 2014.

[28] S. Chidambaram, B. Pari, N. Kasi, S. Muthusamy,”ZnO/Ag heterostructures embedded in Fe3O4 nanoparticles for magnetically recoverable photocatalysis”, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 665, pp. 404-410, 2016.

[29] A. Nekahi, P. H. Marashi, and D. Haghshenas,”Transparent conductive thin film of ultra large reduced graphene oxide monolayers”, Applied Surface Science, Vol 295, pp. 59-65, 2014.

[30] S. Bandyopadhyay, G.K. Paul, R. Roy,”Study of optical properties of some sol-gel derived films of ZnO”, Solar energy materials and Solar Cells. Vol. 71, pp. 103-113, 2002.

[31] P. Rytlewski,”Laser-assisted metallization of composite coatings containing copper(II) acetylacetonate and copper(II) oxide or copper(II) hydroxide”, Surface and Coatings Technology, Vol 259, pp 660-666, 2014.

[32] X. Yu Xie, L. Chen, X. Yan Pan and S.C. Wang,”Synthesis of magnetic molecularly imprinted polymers by reversible addition fragmentation chain transfer strategy and its application in the Sudan dyes residue analysis”, Journal of Chromatography A, Vol 1405, pp 32-39, 2015.

[33] Y. C. Chen, K. Katsumata, Y. H. Chiu, K. Okada, N. Matsushita, dan Y. J. Hsu,”ZnO-graphene composites as practical photocatalysts for gaseous acetaldehyde degradation and electrolytic water oxidation”, Applied Catalysis A: General, Vol. 490, pp. 1-9, 2015.

[34] E. Kamali Heidari, A. Ataie, M. H. Sohi, J. Kim,”NiFe2O4/graphene nanocomposites with tunable magnetic properties”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 379, pp. 95-101, 2015.

[35] X. Zhang, Y. Wang, F. Hou, H. Li, Y. Yang, X. Zhang, Y. Yang, Y. Wang,”Effects of Ag loading on structural and Photocatalytic properties of flower-like ZnO microspheres”, Applied Surface Science, Vol. 391, pp. 476-483, 2017.

[36] Y. Yang, H. Li, F. Hou, J. Hu, X. Zhang, and Y. Wang,”Facile synthesis of ZnO/Ag nanocomposites with enhanced Photocatalytic properties under visible light”, Materials Letters, Vol 180, pp. 97-100, 2016.



[37] J. Qin, R. Li, C. Lu, Y. Jiang, H. Tang, and X. Yang,”Ag/ZnO/graphene oxide heterostructure for the removal of rhodamine B by the synergistic adsorption-degradation effects”,Ceramics International, Vol 41, pp. 4231-4237, 2015.

[38] X. Rong, F. Qiu, C. Zhang, L. Fu, Y. Wang, dan D. Yang,”Adsorption-photodegradation synergetic removal of methylene blue from aqueous solution by NiO/graphene oxide nanocomposite”,Powder Technology, 2015.

[39] G. He, M. Qian, X. Sun, Q. Chen, X. Wang, dan H. Chen,”Graphene sheets-based Ag@Ag3PO4 heterostructure for enhanced photocatalytic activity and stability under visible light”, Powder Technology, Vol. 246, pp. 278-283, 2013.

[40] Y. Zhang, Z. Chen, S. Liu, and Y. Xu,”Size effect induced activity enhancement and anti-photocorrosion of reduced graphene oxide/ZnO composites for degradation of organic dyes and reduction of Cr(VI) in water”, Applied Catalysis B: Enviromental, Vol. 140-141, pp. 598-607, 2013.

[41] S. P. Parkoso, H. Tju, V. Paramarta, A. Taufik, and R. Saleh,”One-pot microwave-assisted colloidal synthesis of Ag2O/ZnO/nanographene platelets composites: Photocatalytic studies”, Vol 1788, 030115, 2017.

[42] H. Zhao, G. Zhang, and Q. Zhang,”MnO2/CeO2 for catalytic ultrasonic degradation of methyl orange”, Ultrasonic Sonochemistry, Vol. 21, pp. 991-996, 2014.

[43] H. Liu, Y. Hu, Z. Zhang, X. Liu, H. Jia, and B. Xu,”Synthesis of spherical Ag/ZnO heterostructural composites with excellent photocatalytic activity under visible light and UV irradiation”, Applied Surface Science, Vol 355, pp. 644-652, 2015.


studi pengaruh penambahan (ngp) dan nanoparticles …

Documents