Terbit online pada laman web jurnal http://ejournal2.pnp.ac.id/index.php/jtm

## J URNAL T eknik M esin
Vol. 12 No. 2 (2019) 46 - 49
ISSN Media Elektronik: 2655-5670
Pembentukan Fasa Co 3 O 4 Dengan Metoda Dekomposisi CoCO 3 Menggunakan Sinar Diffraksi
1 Lusiana, 2 Sigit Dwi Yudanto
1,2 Pusat Penelitian Metalurgi dan Material – LIPI Kawasan Puspiptek Gedung 470, Tangerang Selatan - Banten, Indonesia 15314
1 lusianand@yahoo.com, 2 s.d.yudanto@gmail.com

## Abstract
Experiments have been carried out to obtain the decomposition of cobalt carbonate cobalt oxide to be used as raw material for the manufacture of calcium cobalt oxide thermoelectric materials. The experiments were performed by heating cobalt carbonate powder material (CoCO 3 ) from Kanto Chemical with a temperature of 1000°C. Heating aims to obtain Co 3 O 4 phase. Co 3 O 4 phase is what will be used in the manufacture of thermoelectric materials based on the phase diagram of the system Ca-Co-O. The results of X-ray diffraction CoCO 3 materials are heated to 1000°C showed that Co 3 O 4 phase has been formed. Analysis quantitative diffraction pattern shows the diffraction peaks are the property throughout the Co 3 O 4 phase. The crystal structure of Co 3 O 4 is Face Centered Cubic (FCC) with space group F d -3 m. Lattice parameters of the diffraction pattern is the result of smoothing a = 8.0838 Å.
Keywords: decomposion, CoCO 3 , Co 3 O 4 , difraction, structure

## Abstrak
Telah dilakukan percobaan dekomposisi kobalt karbonat untuk memperoleh kobalt oksida yang akan digunakan sebagai bahan baku pembuatan material termoelektrik calcium cobalt oxide . Percobaan dilakukan dengan memanaskan bahan serbuk kobalt karbonat (CoCO 3 ) dengan suhu 1000°C. Pemanasan bertujuan untuk memperoleh fasa Co 3 O 4 . Fasa Co 3 O 4 inilah yang akan digunakan pada pembuatan material termoelektrik berdasarkan diagram fasa sistem Ca-Co-O. Hasil difraksi sinar-X menunjukkan bahwa fasa Co 3 O 4 yang terbentuk dengan struktur kristal Co 3 O 4 adalah Face Centered Cubic (FCC) dengan space group F d -3 m . Parameter kisi hasil penghalusan pola difraksi adalah a=8,0838 Å
Kata kunci : dekomposisi, CoCO 3 , Co 3 O 4 , difraksi, struktur

## 1. Pendahuluan
Cobalt Oxide (Co 3 O 4 ) adalah bahan yang menjanjikan untuk digunakan sebagai sensor gas, katalis dalam proses hydrocracking bahan bakar minyak, dan pigmen untuk gelas dan keramik. Untuk menghasilkan kinerja yang baik dalam pengaplikasiannya, struktur spinel Co 3 O 4 harus mempunyai ukuran yang kecil (nanopartikel). Morfologi spesifik dan fasa kristalografi material dengan struktur nano sangat berpengaruh pada sifat optik, magnetik, dan listrik [1] . Selain itu, Co 3 O 4 banyak dipelajari untuk diaplikasikan sebagai elektroda baterai lithium ion, dan material magnetik [2] .
Gambar 1. Model struktur kristal Co 3 O 4 [3]
Co 3 O 4 merupakan prototipe spinels kobalt yang menunjukkan struktur kubik sederhana (Gambar 1) [3] dengan space group Fd-3m dan nilai a = 8,08 Å pada suhu kamar. Parameter u dari 32 atom oksigen dari struktur kubik ini, u = 0,39, sangat dekat dengan nilai ideal ( u = 0,375) [7] .
Jurnal Teknik Mesin (JTM) Vol. 12 No.2 (2019) 46–49
Pemanfaatan lain dari Co 3 O 4 adalah sebagai bahan baku pembuatan material termoelektrik berbasis Co, antara lain Ca 3 Co 2 O 6 [4][5] dan Ca 3 Co 4 O 9 [6][7] . Pemilihan bahan baku Co 3 O 4 pada pembuatan material termoelektrik karena sesuai dengan diagram fasa sistem
Ca-Co-O,
pembentukan material
Ca 3 Co 2 O 6 dan Ca 3 Co 4 O 9 dari fasa CaO dan Co 3 O 4 [6] . Berdasarkan analisis termal CoCO 3 . x H 2 O pada Gambar 2, reaksi dekomposisi CoCO 3 diberikan pada Persamaan 1 menyatakan bahwa CoCO 3 akan terdekomposisi menjadi Co 3 O 4 jika dipanaskan dengan suhu di atas 350°C [7] .
3CoCO 3 +1/2 O 2 --> Co 3 O 4 + 3CO 2 (1) Sedangkan urutan reaksi dekomposisi CoCO 3 dinyatakan pada persamaan reaksi 2 dan 3 sebagai berikut:
CoCO 3 --> CoO + CO 2
(2)
CoO + O 2 --> Co 3 O 4 (3)
Dekomposisi CoCO 3 menjadi CoO terjadi pada suhu 220°C [8][9] . Meskipun CoCO 3 berubah menjadi CoO, tetapi terdapat fasa yang lain, yaitu fasa CoCO 3 dan Co 3 O 4 .
Gambar 2. Kurva DTA/TG CoCO 3 .xH 2 O pada gas inert (atas) dan udara (bawah) [8].
Gambar 2 merupakan hasil pengujian dari DTA/TG CoCo 3 .xH 2 O menggunakan gas inert dan udara sampai temperature 500  C.

## 2. Metode Penelitian
Percobaan dilakukan dengan memanaskan serbuk kobalt karbonat (CoCO 3 ) pada temperatur 1000°C. Karakterisasi terhadap serbuk kobalt karbonat pada suhu kamar dan setelah dipanaskan menggunakan difraksi sinar-X. Karakterisasi ini bertujuan untuk mengetahui pola difraksi sinar-X serbuk kobalt karbonat sehingga dapat digunakan untuk
perbandingan pola difraksi sinar-X serbuk kobalt karbonat pada suhu kamar dengan kobalt karbonat yang telah dipanaskan 1000°C.
Gambar 3 . Diagram fasa Ca-Co-O Gambar 3 adalah diagram fasa Ca-Co-0 sebagai dasar pemilihan temperatur pada penelitian ini. Difraksi sinar-X menggunakan radiasi Cu Kα dengan panjang gelombang 1,5418 Å. Pengukuran dilakukan pada rentang sudut 2θ 10 – 80°. Analis kualitatif hasil difraksi menggunakan database International Centre for Diffraction Data (ICDD), sedangkan analisis kuantitatif pola menggunakan perangkat lunak General Structure Analysis System (GSAS). Mikrostruktur diamati dengan menggunakan citra mikroskop elektron.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Karakterisasi terhadap serbuk CoCO 3 dilakukan dengan menggunakan difraksi sinar-X. Pola difraksi sinar-X serbuk CoCO 3 pada suhu kamar ditunjukkan pada Gambar 4a.
Gambar 4 . a) Pola difraksi sinar-X CoCO 3 pada suhu kamar, b) Hasil penghalusan Pola difraksi sinar X CoCO 3 dengan menggunakan metode Rietvield [10]
Hasil analisis kualitatif terhadap pola difraksi menunjukkan bahwa pantulan difraksi sinar-X adalah fasa CoCO 3 yang sesuai dengan ICDD # 78-0209, a =
Jurnal Teknik Mesin (JTM) Vol. 12 No.2 (2019) 46–49
4,6618Å, c = 14,9630Å [10] . CoCO 3 memiliki struktur rhombohedral dengan space group R-3c. Dengan adanya data struktur kristal ini maka dilakukan analisis kuantitatif dengan menggunakan perangkat lunak GSAS. Hasil penghalusan pola difraksi sinar-X dengan menggunakan GSAS ditunjukkan pada Gambar 3b. Hasil penghalusan pola difraksi mendekati dengan data percobaan, hal ini ditunjukkan dengan nilai χ 2 = 1,061; wRp = 2,38 % dan Rp = 1,88 %. Parameter kisi struktur kristal CoCO 3 hasil penghalusan adalah a = 4,6653Å, dan c = 14,9425Å. Pada penelitian sebelumnya dengan tema pembuatan material Ca 3 Co 4 O 9 dengan menggunakan metode sintering, bahan baku yang digunakan adalah serbuk CoCO 3 . Pada tulisan sebelumnya [9] menyatakan bahwa serbuk CoCO 3 yang dipanaskan 1000°C masih berbentuk CoCO 3 . Karena akan dilakukan percobaan kembali untuk pembuatan modul termoelektrik, maka dilakukan lagi karakterisasi bahan baku untuk pembuatan material tersebut. Salah satu bahan baku pembuatan material termoelektrik adalah CoCO 3 . Untuk mengetahui perubahan yang terjadi pada pemanasan
serbuk CoCO 3 maka dilakukan karakterisasi hasil pemanasan serbuk CoCO 3 pada suhu 1000°C dengan menggunakan difraksi sinar-X. Hasil analisis kualitatif terhadap pola difraksi sinar-X serbuk CoCO 3 yang dipanaskan 1000°C pada Gambar 5a menunjukkan bahwa pantulan difraksi sinar-X adalah milik fasa Co 3 O 4 yang sesuai dengan ICDD # 76-1802, a = 8,072 Å [11] .
Gambar 5. a) Pola difraksi sinar-X CoCO 3 yang telah dipanaskan 1000°C, b) Hasil penghalusan pola difraksi sinar-X CoCO 3 yang telah dipanaskan 1000°C dengan menggunakan metode Rietvield [10]
Fasa Co 3 O 4 memiliki struktur cubic dengan space group Fd-3m. Dengan adanya data struktur kristal ini maka dilakukan analisis kuantitatif dengan menggunakan perangkat lunak GSAS. Hasil penghalusan pola difraksi sinar-X dengan menggunakan GSAS ditunjukkan pada Gambar 5b. Hasil penghalusan pola difraksi mendekati dengan data percobaan, hal ini ditunjukkan dengan nilai χ 2 = 1,411; wR p = 2,46 % dan R p = 1,92 %. Parameter kisi struktur kristal Co 3 O 4 hasil penghalusan adalah a = 8,0838 Å. Nilai parameter kisi ini tidak berbeda jauh dari nilai parameter kisi spinels Co 3 O 4 referensi, yaitu 8,08 [6] . Dengan demikian dapat dikatakan bahwa
pemanasan serbuk CoCO 3 dengan suhu 1000°C akan mengubah fasanya menjadi Co 3 O seperti. Ukuran kristal Co 3 O 4 dapat ditentukan berdasarkan pola difraksi sinar-X dengan menggunakan persamaan Scherrer [12][13] yang ditunjukkan pada Persamaan 4.
L = Kλ/βcosθ (4)
dimana L adalah ukuran kristal (nanometer),
K adalah konstanta
Scherrer , λ adalah panjang gelombang radiasi difraktometer sinar-X (nm), β adalah lebar penuh pada setengah maksimum puncak (rad), dan θ adalah sudut difraksi. Hasil perhitungan dengan pendekatan Scherrer tersebut diperoleh perkiraan ukuran kristal Co 3 O 4 yang ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Estimasi ukuran kristal Co 3 O 4
Dari perhitungan ukuran kristal dengan persamaan Scherrer diperoleh estimasi ukuran kristal Co 3 O 4 hasil dekomposisi CoCO 3 pada rentang 47 – 54 nm.
Gambar 6. Citra mikroskop elektron a). serbuk CoCO 3 komersial pada suhu kamar [7] , b). serbuk CoCO 3 hasil pemanasan 1000°C
Gambar 6 memperlihatkan citra mikroskop elektron serbuk CoCO 3 komersial dan serbuk CoCO 3 yang telah dipanaskan 1000°C. Berdasarkan hasil difraksi sinar-X, serbuk CoCO 3 yang dipanaskan 1000°C telah terdekomposisi menjadi Co 3 O 4 , sehingga struktur yang terlihat dalam citra mikroskop elektron adalah struktur Co 3 O 4 .

## 4. Kesimpulan
Setelah dilakukan penelitian pemanasan material CoCO 3 dapat disimpulkan sebagai berikut:
No. Sudut 2θ Puncak Bidang kristal ( h k l ) B ( deg ) L (ukuran kristal) (nm) 1. 18,99 1 1 1 0,1614 49,9690 2. 31,28 2 2 0 0,1610 51,2805 3. 36,87 3 1 1 0,1695 49,4427 4. 38,57 2 2 2 0,1784 47,2148 5. 44,84 4 0 0 0,1696 50,7109 6. 55,70 4 2 2 0,1783 50,4318 7. 59,40 5 1 1 0,1836 49,8523 8. 65,28 4 4 0 0,1779 53,0721
Jurnal Teknik Mesin (JTM) Vol. 12 No.2 (2019) 46–49
 Hasil pemanasan serbuk kobalt karbonat dengan suhu 1000ºC menghasilkan fasa Co 3 O 4 .
 Terjadinya perubahan struktur kristal dari rhombohedral ke struktur cubic

## Daftar Rujukan
[1] Saeed Farhadi, dkk. 2013. Synthesis, characterization, and investigation of optical and magnetic properties of cobalt oxide (Co 3 O 4 ) nanoparticles . Journal of Nanostructure in Chemistry
[2] Mostafa Y. Nassar. 2013. Size-controlled synthesis of CoCO 3 and Co 3 O 4 nanoparticles by free-surfactant hydrothermal method . Materials Letters 94 pp 112–115
[3] Raveau, Bernard, & Seikh, Md. Motin. 2012. Cobalt Oxides: From Crystal Chemistry to Physics . Wiley-VCH, Weinheim
[4] Kouta Iwasaki, dkk. 2003. Power Factors of Ca 3 Co 2 O 6 and Ca 3 Co 2 O 6 -based Solid Solutions . Journal of Alloys and Compounds Vol. 358 pp 210 - 215
[5] Tao Wei, dkk. 2013. Evaluation of Ca 3 Co 2 O 6 as Cathode Material for High-Performance Solid-Oxide Fuel Cell.
Scientific Report
[6] D. Sedmidubsky, dkk. 2012. Phase equilibria in Ca–Co–O system. Journal of Solid State Chemistry 194, pp 99–205
[7] Chong-Hu Wu. 2012. Low Energy-Consumption Industrial Production of Ultra-Fine Spherical Cobalt Powders . InTech open source publications
[8] Rahardjo Binudi, dkk. 2011. Sintesa Ca 3 Co 4 O 9 Sebagai Bahan Termoelektrik dengan Menggunakan Metode Sintering. Seminar Nasional Teknoin, UII Yogyakarta
[9] A. C. Larson, R. B. Von Dreele. 2004. “ General Structure Analysis System (GSAS) ” . University of California, Los Alamos National Laboratory Report LAUR .: 86-748
[10] Hui Li, dkk. 2011. Synthesis of urchin-like Co 3 O 4 hierarchical micro/nanostructures and their photocatalytic activity . Applied Surface Science 257: 6527–6530
[11] Ahmad Monshi, dkk. 2012. Modified Scherrer Equation to Estimate More Accurately Nano-Crystallite Size Using XRD . World Journal of Nano Science and Engineering Vol. 2 pp. 154-160
[12] Speakman, Scott A. 2014. Estimating Crystallite Size Using XRD . MIT Center for Materials Science and Engineering.