Sintesis Nanotitania dengan Cara Hidrotermal sebagai Fungsi Suhu

## Sumiyati*, Posman Manurung, dan Suprihatin
Jurusan Fisika, Universitas Lampung, Bandar Lampung, Indonesia, 35141
Article Information Abstract Article history: Received Oktober 26 th , 2021
Received in revised form November 16 th , 2021 Accepted November 18 th ,
2021
Keywords: Hydrothermal, nanotitania, TiOSO 4
Research has been carried out on the synthesis of nanotitania by hydrothermal as  a  function  of  temperature.  The  purpose  of  this  study  was  to  determine  the effect of temperature on the phase formation, structure and particle size of TiO 2 using the hydrothermal method with TiOSO 4 as the main ingredient. In this study, using  temperature  variations  of  150,  200,  250  and  300°C  and  samples  were characterized  using  X-Ray  Diffraction  (XRD)  and  Scanning  Electron  Microscopy (SEM).  The  phases  formed  are  the  anatase  and  rutile  phases  which  have  a tetragonal structure and the hilly phase with an orthorhombic structure. The rutile phase  appeared  predominantly  in  each  sample  and  the  sulfuric  phase  only appeared at 250ºC. The anatase phase obtains a particle size of 10-18 nm, where the  higher  the  temperature,  the  bigger  the  particle  size.  Furthermore,  the  rutile phase obtained a particle size of 14-25 nm, where the higher the temperature, the smaller the particle size. Informasi Artikel

## Abstrak
Proses artikel: Diterima 26 Oktober 2021
Diterima dan direvisi dari 16 November 2021
Diterima 18 November 2021 Kata kunci: Hidrotermal, nanotitania, TiOSO 4
Telah  dilakukan  penelitian  mengenai  sintesis  nanotitania  dengan  cara hidrotermal  sebagai  fungsi  suhu.  Tujuan  dari  penelitian  ini  yaitu  untuk mengetahui  pengaruh  temperatur  terhadap  pembentukan  fasa,  struktur  dan ukuran  partikel  TiO 2 menggunakan  metode  hidrotermal  dengan  bahan  utama yang  digunakan  yaitu  TiOSO 4 .  Pada  penelitian  ini  menggunakan  variasi temperatur 150, 200, 250 dan 300 º C dan sampel dikarakterisasi menggunakan X-Ray  Diffraction  (XRD)  dan  Scanning  Electron  Microscopy  (SEM).  Fasa  yang terbentuk yaitu fasa  anatase dan rutil yang memiliki struktur  tetragonal  serta fasa brukit dengan struktur ortorombik. Fasa rutil muncul dominan dalam setiap sampel  dan  fasa  brukit  hanya  muncul  pada  suhu  250 º C.  Fasa  anatase memperoleh  ukuran  partikel  sebesar  10-18  nm,  dimana  semakin  tinggi temperatur  maka  semakin  besar  ukuran  partikelnya.  Selanjutnya  fasa  rutil memperoleh  ukuran  partikel  sebesar  14-25  nm,  dimana  semakin  tinggi temperatur maka semakin kecil ukuran partikelnya.

## 1. Pendahuluan
Nanoteknologi dapat dianggap sebagai salah satu bidang ilmiah terkemuka saat ini, karena menggabungkan pengetahuan  dari  bidang  fisika,  kimia,  biologi,  kedokteran,  informatika  dan  teknik  (Logothetidis,  2012). Nanoteknologi memiliki cakupan yang luas salah satunya adalah nanomaterial (Pokropivny et al. , 2007).
Nanomaterial didefinisikan sebagai bahan dengan dimensi fisik yang relevan memiliki sifat kimia dan fisik (sifat termodinamika, dinamis, mekanis,  optik, elektronik dan magnetik) yang unik dan berbeda dibandingkan dengan material  dalam  bentuk  limpahannya  (Zhang et  al ,  2003),  serta  memiliki  beberapa  jenis  yang  banyak  diteliti diantaranya  yaitu  nanotitania  (Lauterwasser,  2006).  Nanotitania  atau  titanium  dioksida  (TiO 2 )  merupakan  salah satu  bahan  katalis  yang  paling  stabil  serta  memiliki  beberapa  keunggulan  dibandingkan  dengan  bahan  lain diantaranya  dapat  mengkristalisasi  serbuk  TiO 2 dan  mempercepat  transformasi  dari  fasa  anatase  ke  fasa  rutil (Dastan dan Chaure, 2014), harganya relatif murah  dan memiliki stabilitas termal tinggi (Hema et al., 2013). Preparasi  nanotitania  dapat  dilakukan  dengan  berbagai  metode  diantaranya  metode  sol  gel  (Listanti et  al., 2018), kosresipitasi (Nasution dan Fitri, 2018), dan hidrotermal (Setyani dan Wibowo, 2017, Rozman et al., 2019).

## JOURNAL OF ENERGY, MATERIAL, AND INSTRUMENTATION TECHNOLOGY
Journal Webpage https://jemit.fmipa.unila.ac.id/
Journal of Energy, Material, and Instrumentation Technology, Vol 2. No. 4, 2021
Sumiyati dkk, 2021 / J. Energy Mater. Instrum. Technol. Vol. 2, No. 4, 2021
Metode  yang  digunakan  pada  penelitian  ini  yaitu  metode  hidrotermal.  Sintesis  hidrotermal  dilakukan  pada temperatur tertentu dan tekanan tinggi (Ningsih, 2016). Reaksi hidrotermal dilakukan pada suhu tinggi (lebih dari 100 ° C) dalam autoclave yang berfungsi menjaga laju penguapan sama dengan laju kondensasi. Proses hidrotermal memungkinkan  pengontrolan  ukuran  kristal,  morfologi  dan  tingkat  aglomerasi  dengan  pemilihan  bahan  baku, keasaman (pH), waktu dan suhu (Famia dan Muldarisnur, 2019). Selain itu, reaksi ini berlangsung cukup cepat dengan pengontrolan kristalinitas, ukuran kristal, kemurnian, dan proses pembuatan yang mudah karena hanya memainkan suhu dan waktu sintesis (Ortiz-Landeros et al., 2012). Keuntungannya yaitu dapat dilakukan pada suhu relatif rendah dan menghasilkan produk kristal yang homogen (Retnantiti, 2010), lebih murni dan bebas dislokasi (Cejka et al. , 2007). Susilowati (2016) telah melakukan penelitian sintesis dan karakterisasi TiO 2 ditambah dengan nitrogen melalui metode hidrotermal dengan variasi temperatur hidrotermal 110, 120 dan 150 ° C serta diikuti dengan kalsinasi  pada  temperatur  450 ° C.  Hasil  penelitiannya  menunjukkan  bahwa  kenaikan  temperatur  mempengaruhi ukuran  partikel  N-TiO 2 antara  lain  adanya  peningkatan  ukuran  partikel  pada  fasa  rutil  dan  adanya  penurunan ukuran partikel pada fasa anatase. Pada penelitian ini dilakukan sintesis  TiO 2 menggunakan metode hidrotermal dengan  bahan  utama  Titanium  (IV)  Oksisulfat  (TiOSO 4 ).  Variasi  temperatur  yang  dilakukan  pada  penelitian  ini adalah 150, 200, 250 dan 300 ° C, serta  karakterisasi sampel dilakukan menggunakan XRD dan SEM.

## 2. Metode Penelitian
Serbuk  TiOSO 4 sebanyak  5  gram  dicampur  dengan  aquabides  sebanyak  50  ml  di  dalam  gelas beaker . Selanjutnya  dilakukan  pemutaran  serbuk  dan  pelarutan  menggunakan magnetic  stirrer sampai  larutan  menjadi transparan atau jernih, kemudian ditambahkan NH 4 OH 10% ke dalam larutan dalam keadaan tetap diputar hinggga terbentuk gel serta pH mencapai 8, dan diputar kembali selama 10 menit.
Gel  yang  terbentuk  disaring  dan  dibilas  menggunakan  aquades  hingga  bahan  sulfat  dan  ammonium  tidak tersisa lagi, sehingga akan menghasilkan TiO 2 basah. TiO 2 basah ditambahkan aquabides 50 ml, diputar pada alat centrifuse selama ± 30 menit. Larutan yang dihasilkan kemudian ditambahkan HNO 3 5 ml dan isopropil alcohol (IPA) 0,5 ml, lalu dimasukkan ke dalam autoclave dan dipanaskan selama ± 18 jam dengan variasi suhu 150, 200, 250 dan 300 ° C. Endapan TiO 2 yang terbentuk disaring dan dibilas, selanjutnya dikeringkan pada suhu ruang. Setelah kering digerus hingga halus sampai membentuk serbuk. Kemudian dikeringkan menggunakan oven selama ± 12 jam dan digerus kembali menggunakan mortar untuk kemudian dikarakterisasi.

## 3. Hasil Dan Pembahasan

## Hasil Analisis Kualitatif XRD
Analisis  kualitatif  dilakukan  dengan  metode  pencocokan database kristalografi.  Sampel  dianalisis menggunakan High Score Plus (HSP) version 3.0e (3.0.5) dan dari hasil output HSP digunakan sebagai input untuk membuat  grafik  dengan  perangkat  lunak MatLab .  Difraktogram  hasil  analisis  kualitatif  XRD  dapat  dilihat  pada Gambar 1 dengan menggunakan panjang gelombang sebesar 1,54059 Å.
Gambar 1. Difraktogram XRD sampel T-150, T-200, T-250 dan T-300. Legenda:a = anatase; b = brukit; r = rutil.
Berdasarkan difraktogram terlihat bahwa terdapat puncak difraksi tertinggi fasa anatase yaitu pada 2 θ = 25, fasa rutil  pada 2 θ = 27,43º dan fasa brukit pada 2 θ = 30,85º. Pangkalan data yang digunakan untuk identifikasi fasa adalah ICSD 01-086-1156 untuk fasa anatase, COD 96-900-7433 untuk fasa rutil dan COD 96-900-4139 untuk fasa brukit. Hasil puncak tertinggi pada fasa anatase sesuai dengan penelitian Manurung, et al (2020). Untuk fasa rutil dan brukit tidak jauh berbeda dengan penelitian Abdel-Azim, et al (2014).
Hal  yang  menarik  pada  penelitian  ini  adalah  kemunculan  fasa  rutil  yang  dominan  pada  setiap  sampel. Normalnya fasa rutil terbentuk di atas suhu 600 ° C (Mahshid et al ., 2007). Hal ini dapat dilihat dari titik leleh sampel. Sebagaimana diketahui semakin kecil ukuran partikel, maka semakin rendah titik leleh suatu sampel (Manurung, 2018). Metode preparasi hidrotermal juga memungkinkan memperoleh fasa rutil pada suhu yang lebih rendah jika dikaitkan antara hubungan tekanan dengan temperatur. Hal yang menarik lainnya yaitu fasa brukit yang hanya
Sumiyati,  Manurung  P,  dan  Suprihatin,  2021,  Sintesis  Nanotitania  dengan  Cara  Hidrotermal  sebagai  Fungsi Suhu, Journal of Energy, Material, and Instrumentation Technology, Vol. 2, No. 4, 2021
muncul pada sampel T-250. Fasa brukit diperoleh dari kristalisasi hidrotermal pada suhu 200-250 ° C (Zheng et al., 2000).

## Hasil Analisis Kuantitatif XRD
Gambar 2. Hasil refinement data XRD TiO 2 sampel T-250.
Analisis kuantitatif dilakukan dengan cara refinement data XRD menggunakan metode Rietveld dan perangkat lunak Rietica. Sebelum analisis dilakukan, file input diketik dalam program. Selanjutnya program dijalankan dan diperoleh hasil sebagai file keluaran. Model refinement yang digunakan untuk struktur kristal anatase adalah Djerdj and  Tonejc  (2006),  rutil  menggunakan  Howard et al (1991)  dan  brukit  menggunakan  Meagher  and  Lager  (1979). Hasil refinement data XRD TiO 2 pada sampel T-250 dapat dilihat pada Gambar 2 . Yang perlu diperhatikan dalam melakukan penghalusan yaitu nilai GoF ( Goodness of Fit ). Nilai GoF dapat diterima jika bernilai 2 ≤ 4 (Kisi, 1994), selain itu untuk nilai R wp , R p , dan R exp harus kurang dari 20 (Young, 1993). Berdasarkan hasil penghalusan secara keseluruhan  nilai GoF yang  dihasilkan  kurang  dari  1,  dan  nilai R wp , R p ,  dan R exp kurang  dari  20,  maka  nilai  ini memenuhi standar metode Rietveld . Dari nilai GoF yang kurang dari 1 itu artinya kristal  TiO 2 memiliki kemiripan struktur cukup tinggi dengan database . Berdasarkan database , fasa anatase memiliki struktur tetragonal dengan grup ruang 141/A M D, fasa rutil  memiliki  struktur  tetragonal  dengan  grup  ruang  P42/M  N  M  dan  fasa  brukit  memiliki  struktur  ortorombik dengan grup ruang P B C A.

## Hasil Analisis Ukuran Partikel
Untuk  mengetahui  ukuran  partikel  dilakukan  analisis  menggunakan  puncak  tertinggi  dalam  hal  ini menggunakan puncak anatase dan rutil. Puncak-puncak tersebut digunakan untuk mencari nilai Full-Width at Half Maximum (FWHM),  dimana  nilai  FWHM  digunakan  untuk  menghitung  ukuran  partikel  dengan  menggunakan persamaan Scherrer pada Persamaan 1 . Dimana semakin kecl nilai FWHM maka ukuran kristal semakin besar.
𝐿 = 0,9𝜆 𝐵 cos 𝜃 (1)
dengan L adalah diameter (nm), 0,9 adalah konstanta Scherrer , λ adalah panjang gelombang sinar-X, θ adalah sudut difraksi dan B adalah pelebaran berdasarkan Full-Width  at Half Maximum (FWHM) puncak difraksi dalam radian (Cullity, 1978).
Berdasarkan perhitungan yang dilakukan, terlihat bahwa ukuran partikel pada fasa anatase seiring naiknya suhu  pemanasan  maka  semakin besar  ukuran  partikel yang  dihasilkan.  Adapun  ukuran  partikel yang  diperoleh dari semua sampel yaitu antara 10-18 nm. Ukuran partikel pada sampel T-150 memperoleh ukuran partikel sebesar 2,17  nm.  Hasil  tersebut  tidak  dapat  dipertanggung  jawabkan  karena  jumlah  anatase  yang  digunakan  kurang representatife  dalam  arti  lebih  cendrung  amorph.  Adapun  hasil  perhitungan  ukuran  partikel  fasa  anatase  dapat dilihat pada Tabel 1 .
Tabel 1. Perhitungan ukuran partikel fasa anatase Sampel 2θ(º) θ(º) FWHM (rad) L (nm) T-200 25,40 12,700 0,01344 10,58 T-250 25,28 12,640 0,01309 10,86 T-300 25,28 12,635 0,00764 18,59
Sumiyati dkk, 2021 / J. Energy Mater. Instrum. Technol. Vol. 2, No. 4, 2021
Tabel 2. Perhitungan ukuran partikel fasa rutil Sampel 2θ(º) θ(º) FWHM (rad) L (nm) T-150 27,36 13,68 0,00553 25,79 T-200 27,42 13,71 0,00979 14,58 T-250 27,40 13,70 0,00731 19,52 T-300 27,42 13,71 0,00545 19,96
Hasil perhitungan ukuran partikel fasa rutil dapat dilihat pada Tabel 2 . Pada tabel tersebut terlihat bahwa ukuran partikel mengecil pada sampel T-200 dan kembali naik pada sampel T-250. Nilai FWHM berbanding terbalik dengan ukuran partikel dimana semakin naiknya suhu, maka semakin kecil nilai FWHM dan ukuran partikelnya semakin besar. Ukuran partikel fasa rutil secara keseluruhan diperoleh antara 14-25 nm.
Ukuran  partikel  dari  tiga  fasa  nanokristalin  sama,  fasa  anatase  paling  stabil  secara  termodinamika  pada ukuran kurang dari 11 nm dan fasa rutil paling stabil pada ukuran lebih dari 35 nm (Zhang dan Julian, 2000).

## Hasil Analisis SEM
Analisis  SEM  dilakukan  untuk  mengetahui  bentuk  morfologi  dari  TiO 2 .  Sampel  yang  dikarakterisasi  yaitu sampel  T-250,  selanjutnya  dianalisis  menggunakan  perangkat  lunak ImageJ .  Morfologi  hasil  karakterisasi  SEM dapat dilihat pada Gambar 3 .
Gambar 3. Morfologi hasil uji SEM
Gambar 3 terdapat penumpukan partikel dan terlihat butir-butir yang cukup kecil. Analisis sampel diambil 10 partikel dengan ukuran berbeda. Ukuran rata-rata butir adalah 6,858 𝜇𝑚 .

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa variasi suhu hidrotermal berpengaruh terhadap pembentukan fasa dan ukuran partikel TiO 2 . Fasa yang paling dominan muncul adalah fasa rutil. Ukuran partikel yang diperoleh yaitu untuk fasa anatase 10-18 nm dan fasa rutil sebesar 14-25 nm.

## 5. Daftar Pustaka
Abdel-Azim,  S.  M.,  Abdoel-Gheit,  A.  K.,  Ahmed,  S.  M.,  El-Desouki,  D.  S.,  and  Abdel-Mottaleb,  M.  S.  A.  2014. Preparation and application of mesoporous nanotitania photocatalysts using different templates and pH media. Internasional Journal of Photoenergy . Vol. 2014. pp. 1-11.
Cejka, J., Bekkum, H., Corma, A. and Schuth, F. 2007. Introduction to zeolite Science an Practice; 3rd Revised Edition . Vol. 168. pp. 39-103.
Cullity, B. D. 1978. Elements of X-Ray Diffraction . Departement of Metalulurgical Engeenering and Material Science. Addison-Wesley Publishing Company, Inc: USA.
Dastan,  D.,  and  Chaure,  N.  B.  2014.  Influence  of  surfactants  on  TiO 2 nanoparticles  grown  by  sol-gel  technique. Journal of Materials . Vol. 2. pp.  21-24.
Djerdj, I., and Tonejc, A. M. 2006. Strucrutal investigations of nanocrystalline TiO 2 samples. Journal of Alloys and Compounds . Vol. 413. pp. 159-174.
Sumiyati,  Manurung  P,  dan  Suprihatin,  2021,  Sintesis  Nanotitania  dengan  Cara  Hidrotermal  sebagai  Fungsi Suhu, Journal of Energy, Material, and Instrumentation Technology, Vol. 2, No. 4, 2021
Famia, A.S. dan Muldarisnur. 2019. Pengaruh temperatur sintesis hidrotermal terhadap diameter nanopartikel seng oksida. Jurnal Fisika Unand . Vol. 8. pp. 127-132.
Hema,  M.,  Yelil,  A.,  Tamil,  P.  and  Anbarasan,  R.  2013.  Titania  nanoparticles  synthesized  by  sol-gel  technique. Chemical Science Transactions . Vol. 2. pp. 239-245.
Howard, C. J., Sabine, T. M. and Dickson, F. 1991. Structural and thermal parameters for rutile and anatase. Acta Crystallographica Section B: Structural Science . Vol. 47. pp. 462-468.
Kisi, E. H. 1994. Rietveld analysis of powder diffraction patterns. In: Material Forum . Vol. 18. pp. 135-155.
Lauterwasser, C. 2006. Opportunities and Risks of Nanotechnologies . Allianz AG: Munchen.
Listanti, A., Taufiq, A., Hidayat, A., dan Sunaryono, S. 2018. Investigasi struktur dan energi band gap partikel nano TiO 2 hasil sintesis menggunakan metode sol-gel. Journal of Physical and Engineering . Vol. 3. pp. 8-15.
Logothetidis, S. 2012. Nanotechnology: Principles and Applications. Nanostructured Materials and Their Applications . Springer, Berlin, Heidelberg.
Mahshid, S., Askari, M., and Ghamsari, M. S. 2007. Synthesis of TiO 2 nanoparticles by hydrolysis and peptization of titanium isopropoxide solution. Journal of Materials Processing Technology . Vol. 189. pp. 296-300.
Manurung, P. G. 2018. Nanomaterial-Tinjauan Ilmu Masa Kini Edisi 1 . Penerbit ANDI. Yogyakarta.
Manurung, P., Situmeang, R., Sinuhaji, P., and Sembiring, S. 2020. Effect of sulfur doped nanotitania for degradation of remazol yellow and phenol. Asian Journal of Chemistry . Vol. 32. pp. 3019-3023.
Meagher, E P, and George A Lager. 1979. Thermal in the TiO 2 , polymofphs : and refinement of the crystal structures of rutile brukit at high temperature. Canadian Mineralogist 17: 77 – 85.
Nasution, N. dan Fitri A. 2018. Sintesis nanopartikel TiO 2 fasa rutile dengan metode kopresipitasi. Jurnal Ilmu Fisika dan Teknologi . Vol. 2. pp. 18-25.
Ningsih, S.K.W. 2016. Sintesis Anorganik. Universitas Negeri Padang Press. Padang.
Ortiz-Landeros,  J.,  Gomez-Yanez,  C.,  Lopez-Juarez,  R.,  Devalos-Velasio,  I.,  and  Pfeiffer,  H.  2012.  Synthesis  of advanced  ceramics  by  hydrothermal  crystallization  and  modified  related  methods. Journal  of  Advanced Ceramics . Vol. 1. pp. 204-220.
Pokropivny, V., Lohmos, R., Hussainova, I., Pokropivny, A. and Vlassov, S. 2007. Introduction to Nanomaterials and Nanotechnology . Tartu University Press. Ukraine.
Retnantiti, M.D. 2010. Sintesis Hidrotermal dan Karakterisasi Barium Titanat (BaTiO 3 ). Skripsi. Institut Pertanian Bogor. Bogor.
Rozman, N., Tobaldi, D.V., Puliyalil, H., Labrincha, J.A., Legat, A., and Andrijana, S.S. 2019. Hydrothermal Synthesis of Rare-Earth Modified Titania: Influence on Phase Composition, Optical Properties, and Photocatalytic Activity. Materials . Vol. 12. pp. 713.
Setyani,  A.,  dan  Wibowo,  E.A.P.  2017.  Fabrikasi  nanotubes  titanium  dioksida  (TiO 2 )  menggunakan  metode hidrotermal. Jurnal Penelitian dan Pengembangan Ilmu Kimia . Vol. 3. pp. 20-26.
Susilowati, P. 2016. Sintesis dan karakterisasi TiO 2 terhadap nitrogen melalui metode hidrotermal dengan variasi suhu dan kalsinasi. Skripsi . Universitas Negeri Yogyakarta. Yogyakarta.
Young, R. A. 1993. The Rietveld Method . Oxford University Press. New York.
Zhang, Hengzhong, and Julian F. Banfield. 2000. Understanding polymorphic phase transformation behavior during growth of nanocrystalline aggregates: insights from TiO 2 . Journal of Physical Chemistry B . Vol. 104. pp. 3481- 3487.
Zhang,  J.,  Wang,  Z.,  Liu,  J.,  Chen,  S.  dan  Liu,  G.  2003. Self-Assembled  Nanostructures .  Springer  Science  and Business Media. New York.
Zheng, Y., Shi, E., Cui, S., Li, W. and Hu, X. 2000. Hydrothermal preparation and characterization of brookite-type TiO 2 nanocrystallites. Journal of Materials Science Letters . Vol. 19. pp. 1445-1448.