https://doi.org/10.22487/kovalen.2022.v8.i3.15644
Sintesis dan Karakterisasi Fe 2 TiO 5 dari Besi Oksida dan Titanium Dioksida dengan Metode Planetary Ball-Mill
[Synthesis and Characterization of Fe 2 TiO 5 from Iron Oxide and Titanium Dioxide Using the Planetary Ball-Mill Method]
Laode A. Kadir 1  , M. H. Azis 2 , S. Musiam 3 , V. A. Fabiani 4 , Karnelasatri 5 , D. Permana 6 ,
T. Azis 1 , Syahrir 1
1 Jurusan Kimia, Universitas Halu Oleo, Kampus Hijau Bumi Tridharma, Sulawesi Tenggara 93232
2 Jurusan Kimia, Universitas Mataram, Kota Mataram, Nusa Tenggara Bar. 83115
3 Jurusan Kimia, Sekolah Tinggi Ilmu Kesehatan ISFI Banjarmasin, Banjarmasin, Kalimantan Selatan 70123
4 Jurusan Kimia, Universitas Bangka Belitung, Gang IV No.1, Kepulauan Bangka Belitung 33172
5 Jurusan Farmasi, Universitas Pelita Harapan, MH Thamrin Boulevard 1100, Kota Tangerang, Banten 15811
6 Jurusan Kimia, Universitas Sembilan Belas November Kolaka, Jl. Pemuda, Sulawesi Tenggara 93561
Abstract. The  method  of  solid  hydrogen  storage  through  integration  in  metal  hydride  compounds  is  a  new, promising method. This research has succeeded in synthesizing and characterizing the metal hydride alloy Fe-Ti system through a planetary ball-mill process. Based on the XRF analysis, it was found that the composition of Fe oxide content reached 56.22% while Ti oxide reached 43.78%. The FTIR study showed absorption at wavenumbers of 900 cm -1 and 500 cm -1 . Both are typical absorptions for Ti-O and Fe-O groups, suggesting that the synthesized sample was successful. It can be seen from the XRD data that some of the diffractogram peaks of the resulting Fe- Ti compound match the peaks of the Fe 2 TiO 5 and TiO 2 compounds obtained from the Powder Diffraction File (PDF) database number 00-003-0374. After the refinement was performed, information was obtained that the synthesis of Fe-Ti alloy material using the planetary ball mill technique produced Fe 2 TiO 5 .
Keywords: Fe-Ti, alloy, Fe 2 TiO 5 , hydrogen storage
Abstrak. Metode penyimpanan hidrogen secara padat dengan cara diikat dalam senyawa metal-hidrid merupakan cara  baru  yang  memiliki  prospek  baik  di  masa  datang.  Penelitian  ini  telah  berhasil  melakukan  sintesis  dan karakterisasi paduan hidrida logam sistem Fe-Ti melalui proses planetary ball-mill . Hasil analisis XRF menunjukan bahwa komposisi kandungan Fe oksida mencapai 56,22%, sedangkan Ti oksida mencapai 43,78%. Studi FTIR menunjukan adanya serapan pada bilangan gelombang 900 cm -1 dan 500 cm -1 . Keduanya merupakan serapan khas untuk gugus Ti-O dan Fe-O, hal ini mengindikasikan bahwa sampel hasil sintesis telah berhasil. Hasil analisis XRD terlihat bahwa beberapa puncak difraktogram dari senyawa Fe-Ti yang dihasilkan berhimpit dengan puncak dari senyawa  Fe 2 TiO 5 dan  TiO 2 yang  didapat  dari database  Powder  Diffraction  File (PDF)  nomor  00-003-0374. Setelah  dilakukan refinement, diperoleh  informasi  bahwa  sintesis  material  alloy  Fe-Ti  menggunakan  teknik planetary ball-mill menghasilkan senyawa Fe 2 TiO 5. Kata kunci : Fe-Ti, alloy, Fe 2 TiO 5 , penyimpanan hidrogen
Diterima:  6 Oktober 2021, Disetujui: 18 November 2022 Sitasi:   Kadir,  L  A.,  Azis,  M  H.,  Musiam,  S.,  Fabiani,  V  A.,  Karnelasatri.,  Permana,  D.,  Azis,  T.,  dan  Syahrir.  (2022). Sintesis  dan Karakterisasi  Fe 2 TiO 5 Dari  Besi  Oksida  Dan  Titanium  Dioksida  Dengan  Metode  Planetary  Ball-Mill. KOVALEN:  Jurnal  Riset Kimia , 8(3): 210-214.
https://bestjournal.untad.ac.id/index.php/kovalen
 Corresponding author E-mail : laode.kadir90@uho.ac.id
Kadir et al.

## LATAR BELAKANG
Menyimpan hidrogen merupakan teknologi  cukup  yang  menantang    bagi    para ilmuwan    karena  dapat  dilakukan  dengan beberapa  metode  simpan.  Metode  simpan hidrogen  cara    konvensional  adalah  dalam bentuk  gas  bertekanan tinggi dan bentuk cair dengan teknik kriogenik (Bellosta von Colbe et al .,  2019).  Kedua  metode  simpan      ini dipandang   kurang   efisien   karena disamping memerlukan    teknologi    tinggi,  daya  tampung yang  rendah  dan  tingkat  bahaya  menjadi pertimbangan
tersendiri
untuk
mengembangkan  metode  simpan  baru,  yaitu dengan disimpan dalam bentuk padat sebagai metal hidrid (Tan et al. , 2007).
Fe 2 TiO 5 merupakan salah satu jenis titanat MxTiyOz  yang  memiliki  sifat  elektrik  dan magnetik. Beberapa potensi aplikasinya antara lain  adalah  sebagai  material  magnetik,  anoda baterai  lithium,  sensor  gas  dan  material penyimpan  gas.  Dalam  satu    dekade    terakhir beberapa  penelitian  mengenai  Fe 2 TiO 5 cukup berkembang  pesat  baik  mempelajari  sifat fotoelektrokimia, spin  glass,  dan   sensitivitas gas  Fe 2 TiO 5 telah  dilakukan (Cacciamani et al ., 2006). Selain itu, perkembangan penelitian tentang  material  ini  sampai  merambat  untuk diujikan sebagai bahan semikonduktor. Fe 2 TiO 5 dimanfaatkan  sebagai  bahan  filter  optik, fotokatalis,  fotoelektroda  untuk  elektrolisis  air, anoda baterai, pigmen warna kuning dan dapat digunakan sebagai membran pada suhu tinggi untuk aplikasi fuel cell (Sardjono dkk., 2013).
Pada umumnya sintesis Fe 2 TiO 5 menggunakan  bahan  baku  Fe 2 O 3 dan  TiO 2 melalui metode reaksi padatan dan metode sol- gel  untuk  mendapatkan  nanopartikel  Fe 2 TiO 5
(Melo et  al., 2020).  Namun  demikian,  metode ini  menghasilkan  ukuran  partikel  yang  tidak
seragam. Min et al . (2012) mensintesis Fe 2 TiO 5 menggunakan metode hidrotermal dengan raw material berbeda  dan  menghasilkan  ukuran partikel antara 50-200 nm.
Begitu berkembangnya penelitian tentang sintesis  Fe 2 TiO 5 ini,  masih  menjadi  tantangan tersendiri bagi peneliti untuk mengembangkan ide  dan  inovasi  dibidang  tersebut.  Dalam tulisan  ini,  disajikan  hasil  analisis  awal mengenai sintesis Fe 2 TiO 5
dengan menggunakan metode planetary ball-mill .

## METODE PENELITIAN

## Bahan dan Peralatan
Bahan-bahan  yang  digunakan  dalam sintesis anorganik
adalah aquades,
Fe(NO 3 ) 3 .9H 2 O (Merck), NH 3 (Merck), dan TiO 2 (Merck).
Alat-alat  yang  digunakan  dalam  sintesis anorganik  adalah  alat  pres, autoclave , ball- milling , furnace ,  oven,  seperangkat  alat  gelas standar,  Spektrometer  Infra  Merah  (FTIR Spectrometer  LI-5500)  dan X-Ray  Difraction (SmartLab).

## Prosedur Penelitian
Sintesis Fe 2 O 3
Sintesis  material  Fe-Ti  dilakukan  melalui metode alloy  ball-milling .  Tahap  pertama senyawa  Fe(NO 3 ) 3 .9H 2 O  dibuat  dalam  bentuk oksida dengan metode hidrotermal.
Fe(NO 3 ) 3 .9H 2 O  dicampurkan  dengan  NH 3 kemudian  distirer  selama  1  jam  pada  suhu ruang. Campuran reaksi dimasukkan ke dalam autoclave  hidrothermal dan  dimasukkan  ke oven pada suhu 120 o C selama 10 jam (Tadic et al ., 2019).
Sintesis Fe-Ti
Material  oksida  Fe 2 O 3 yang  terbentuk kemudian  dicampurkan  dengan  TiO 2 dan dimasukkan ke dalam wadah ball-milling . Ball-
Kadir et al.
mill yang digunakan sebanyak 1/3 dari volume wadah, setelah campuran dimasukkan bersama ball-  mill kemudian  alat ball-milling diatur  dengan  kecepatan  300  rpm  selama  3 jam.  Campuran reaksi hasil ball-milling dikalsinasi  pada  suhu  1000 o C  selama  6  jam. Hasil  kalsinasi  ini  kemudian  dilakukan  proses ball-milling kembali dengan kecepatan 300 rpm selama 1,5 jam, selanjutnya dicetak membentuk lempengan kecil dengan alat pres dan  dikalsinasi  pada  suhu  1200 o C  selama  3 jam (Dematteis et al. , 2021)

## Karakterisasi Fe-Ti
Material alloy dikarakterisasi  dengan  IR dan  XRD.  Karakterisasi  IR  dilakukan  pada untuk  melihat  gugus  fungsi  Fe-O  pada  oksida logam hasil sintesis, sedangkan XRD dilakukan untuk menentukan kristalinitas dan pembentukan Fe-Ti. Proses refinement dilakukan dengan program rietica .

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Sintesis alloy Fe-Ti  pada  penelitian      ini menggunakan  metode mechanical  alloying . Pada prinsipnya metode ini menggunakan gaya mekanik dalam pembentukan alloy . Metode ini dipilih  karena  tekniknya  sederhana  dan  relatif murah,  selain  itu  dapat  menghasilkan  partikel berukuruan kecil (<10 nm), sehingga meningkatkan  luas  permukaan  material.  Luas permukaan  yang  besar  menyebabkan  laju reaksi  pada  sintesis alloy ini  menjadi  cepat.
Salah  satu  jenis  metode  dari mechanical alloying yaitu  metode planetary  ball  mill , metode  ini  menggunakan  suatu  ball  mill  yang dapat  merubah  fasa  struktur  akibat  adanya gaya tekan berenergi tinggi dari proses milling menggunakan bola. Perubahan fasa struktur ini disebabkan  karena  akumulasi  cacat  kisi  pada
material  sehingga  terjadi  deformasi  plastik pada prekursor (El Kharbachi et al. , 2020).
Prekursor dalam sintesis alloy Fe-Ti  yaitu Fe 2 O 3 dan TiO 2 (Park et al ., 2021), sebelumnya prekursor Fe 2 O 3 diperoleh dari  metode hidrotermal dengan mereaksikan Fe(NO 3 ) 3 .9H 2 O dan mineralizer NH 3 .
Karakterisasi  hasil ball  mill ditunjukan  pada Gambar 1.
Gambar 1. Hasil karakterisasi FTIR untuk (a) hasil ball  mill ;  (b)  Fe 2 O 3 ;  dan  (c)
TiO 2
Berdasarkan karakterisasi inframerah nampak  bahwa  pada  spekrum  (b)  terdapat serapan khas Fe-O pada bilangan  gelombang 500  cm -1 ,  sedangkan  spektrum  (c)  terdapat serapan  khas  pada  Ti-O  pada  bilangan gelombang 900 cm -1 hal ini sesuai dengan hasil yang  diperoleh  oleh Mežinskis et  al .  (2018).
Spektrum  inframerah  sampel  hasil ball  milling (a)  tidak  menunjukkan  adanya  serapan  khas dari  kedua prekursor  tersebut,  hal  ini mengindikasikan  bahwa  adanya  senyawa  lain yang  bukan  merupakan  senyawa  dari  kedua prekursor  di  dalam  sampel  hasil ball-milling tersebut.
Sebagai pembanding, dari hasil karakterisasi  menggunakan  XRF,  diperoleh komposisi  senyawa  hasil ball  mill ,  disajikan pada Tabel 1.
4000       3500       3000       2500       2000       1500       1000        500
Bilangan gelombang(cm -1 ) (b) (c) (a) A b so rb an si ( a.u .)
Kadir et al.
Tabel 1. Komposisi senyawa hasil ball mill No. Komponen kimia Kadar (%) 1 Fe 2 O 3 56,22 2 TiO 2 43,78
Namun, karakterisasi inframerah dan XRF belum  dapat  membuktikan  secara  pasti material alloy yang dihasilkan, maka kemudian dilakukan karakterisasi dengan difraksi sinar-X. Karakterisasi difraksi sinar-X dilakukan terhadap  dua  sampel  hasil  tahapan  kalsinasi dan sintering.
Gambar 2. Difraktogram
material hasil sintesis (a) hasil sintering  1000 o C dan (b) hasil sintering 1200 o C
Difraktogram yang dihasilkan dari instrumen XRD merupakan plot antara intensitas dengan 2θ (dua theta). Terdapat dua grafik  dalam  satu  gambar,  difratogram  yang berwarna  hijau  menunjukkan  selisih  dari difraktogram  senyawa  hasil  sintesis  dengan difraktogram database . Gambar 2(a) menunjukkan bahwa beberapa puncak difraktogram dari senyawa Fe-Ti yang dihasilkan  berhimpit  dengan  puncak  dari
senyawa  Fe 2 TiO 5 dan  TiO 2 yang  didapat  dari database Powder Diffraction File (PDF) nomor 01-087-1996.  Sistem  kristal,  grup  ruang,  dan parameter  sel  satuan  dari  kristal  besi  (III) titanium  oksida  hasil  sintesis  didapatkan  dari hasil refinement dengan  program rietica .
Gambar  2(a)  memperlihatkan  difraktogram hasil refinement , yang berwarna hijau menunjukkan selisih dari difraktogram senyawa hasil sintesis dengan difraktogram dari database. Berdasarkan hasil refinement , diketahui  bahwa  senyawa  besi  (III)  titanium oksida  hasil  sintesis  memiliki  rumus  empiris Fe 2 TiO 5 dengan  sistem  kristal  monoklinik  dan grup ruang C 12 /C 1 , serta parameter sel a = 22,3
Å, b = 3,75 Å, c = 9,8 Å, β = 116,2 Å. Difraktogram pada gambar 2(b)
memperlihatkan  bahwa  beberapa  puncak difraktogram dari senyawa Fe-Ti yang dihasilkan  berhimpit  dengan  puncak  dari senyawa  Fe 2 TiO 5 dan  TiO 2 yang  didapat  dari database PDF  nomor  00-003-0374.  Merujuk hasil refinement ,  diketahui  bahwa  senyawa besi (III) titanium oksida hasil sintesis memiliki rumus  empiris  Fe 2 TiO 5 dengan  sistem  kristal monoklinik  dan  grup  ruang  C 12 /M 1 ,  serta parameter sel a = 10,1 Å, b = 5,037 Å, c = 7,024 Å, β = 110,9 Å.
Hasil refinement Gambar  2(a)  dan  2(b) menghasilkan  nilai  Z  yang  berbeda.  Nilai  Z merupakan jumlah atom dalam satu kisi kristal, dari hasil refinement nilai Z untuk material 2(a) yaitu  4  dan  sintering  2(b)  yaitu  8.  Hal  ini menyimpulkan  bahwa  kisi  kristal  material kalsinasi pada suhu 1200 o C lebih besar dari kisi kristal material kalsinasi pada suhu 1000 o C.

## KESIMPULAN
Sintesis material alloy Fe-Ti menggunakan teknik Planetary ball-mill telah berhasil
(a)
(b)
Kadir et al.
dilakukan.  Hasil  karakteriasi  didapatkan alloy stoikiometrik dengan rumus empiris Fe 2 TiO 5 .

## UCAPAN TERIMAKASIH
Terimakasih
kepada pengelola Laboratorium Kimia Anorganik Fisika, Jurusan Kimia  Intitut  Teknologi  Bandung  yang  telah membantu  proses  menyelesaikan  penelitian. LPPM  UHO  sebagai  sponsor  yang  membantu biaya penelitian dengan No: 966/UN29.2.1/KU/2021.

## DAFTAR PUSTAKA
Bellosta  von  Colbe,  J.,  Ares,  J.  R.,  Barale,  J.,
Baricco,  M.,  Buckley,  C.,  Capurso,  G., Gallandat, N., Grant, D. M., Guzik, M. N., Jacob,  I.,  Jensen,  E.  H.,  Jensen,  T., Jepsen,  J.,  Klassen,  T.,  Lototskyy,  M.  V., Manickam,  K.,  Montone,  A.,  Puszkiel,  J.,
Sartori, S., Dornheim, M. (2019). Application  of  hydrides  in  hydrogen storage  and  compression:  Achievements, outlook  and  perspectives. International Journal  of  Hydrogen  Energy ,  44(15), 7780 –7808. https://doi.org/10.1016/J.IJHYDENE.2019 .01.104
Cacciamani, G., De Keyzer, J., Ferro, R., Klotz, U.  E.,  Lacaze,  J.,  &  Wollants,  P.  (2006). Critical evaluation of the Fe-Ni, Fe-Ti and Fe-Ni-Ti  alloy  systems. Intermetallics , 14(10 –11),
1312 –1325. https://doi.org/10.1016/J.INTERMET.2005 .11.028
El  Kharbachi,  A.,  Dematteis,  E.  M.,  Shinzato, K.,  Stevenson,  S.  C.,  Bannenberg,  L.  J., Heere, M., Zlotea, C., Szilágyi, P., Bonnet, J.  P.,  Grochala,  W.,  Gregory,  D.  H., Ichikawa, T., Baricco, M., & Hauback, B. C. (2020).  Metal  Hydrides  and  Related Materials.  Energy  Carriers  for  Novel Hydrogen  and  Electrochemical  Storage. Journal of Physical Chemistry C , 124(14), 7599 –7607. https://doi.org/10.1021/ACS.JPCC.0C01806
M. Dematteis, E., Nicola Berti, Fermin Cuevas, Michel Latroche, & Marcello Baricco.
(2021).  Substitutional  effects  in  TiFe  for hydrogen  storage:  a  comprehensive review. Materials  Advances ,  2(8),  2524 – 2560. https://doi.org/10.1039/D1MA00101A
Melo,  M.A.,  Centurion,  H.A.,  Lucas,  T.T.A.,
Muche, D.N.F., Souza, F.L., and Gonçalves,  R.V.  (2020).  Pseudobrookite
Fe 2 TiO 5 Nanoparticles Loaded with Earth- Abundant  Nanosized  NiO  and  Co 3 O 4 Cocatalysts for Photocatalytic O 2 Evolution via Solar Water Splitting. A CS Appl. Nano Mater. 3(9), 9303 –9317.
https://doi.org/10.1021/acsanm.0c01957
Mežinskis,  G.,  Larionova,  D.,  and  Grase,  L.
(2018).  Characterization  of  Fe 2 O 3 -TiO 2
Thin  Films  Prepared  from  Sonicated  and Unsonicated Sols. Key Engineering Materials , 762, 306 –310. https://doi.org/10.4028/www.Scientific.Net /Kem.762.306 Min,  Kyung-Mi.,  Park,  Kyung-Soo.,  Lim,  Ah- Hyeon. (2012). Synthesis of pseudobrookite-type Fe 2 TiO 5 nanoparticles and their Li-ion
electroactivity. Ceramics International , 38, 6009-6013.
Park,  K.  B.,  Fadonougbo,  J.  O.,  Park,  C.  S., Lee, J. H., Na, T. W., Kang, H. S., Ko, W. S.,  and  Park,  H.  K.  (2021).  Effect  of  Fe substitution on first hydrogenation kinetics of  TiFe-based  hydrogen  storage  alloys after air exposure. International Journal of Hydrogen  Energy ,  46(60),  30780 –30789. https://doi.org/10.1016/J.IJHYDENE.2021.06.188.
Sardjono,  P.,  WisnuAri,  A.,  dan  Sudirman. (2013). Sintesis Bahan Magnetik Pseudobrookite Fe 2 TiO 5 Berbasis Sumber Daya Mineral Lokal. Indonesian Journal of Materials Science . 14(3), 209 – 213
Tadic, M., Trpkov, D., Kopanja, L., Vojnovic, S., dan  Panjan,  M.  (2019).  Hydrothermal synthesis of hematite (α-Fe 2 O 3 ) nanoparticle  forms:  Synthesis  conditions, structure, particle shape analysis, cytotoxicity  and  magnetic  properties. Journal  of  Alloys  and  Compounds ,  792, 599 –609. https://doi.org/10.1016/J.JALLCOM.2019. 03.414
Tan, S., Taylan, Ö., Akyıldız, H., Kalcıoğlu, A.
F.,  and  Öztürk,    T.  (2007).  Synthesis  of FeTi Hydrogen Storage Alloys for Stationary  Applications. Proceedings  2nd International  Hydrogen  Energy  Congress and  Exhibition  IHEC  2007 ,  Istanbul, Turkey, 13-15 July 2007. https://www.researchgate.net/publication/23 6161201_Synthesis_of_FeTi_Hydrogen_St orage_Alloys_for_Stationary_Applications