Pengaruh Thermal Annealing terhadap Struktur Kristal dan Morfologi Bubuk Titanium Dioksida (TiO 2 )
The Thermal Annealing Effect on Crystal Structure and Morphology of Titanium Dioxide (TiO2) Powder
Edy Supriyanto *1) , Ashanal Holikin 1) dan Suwardiyanto 2)
1) Jurusan Fisika, FMIPA-Universitas Jember
2) Jurusan Kimia, FMIPA-Universitas Jember
* ) Email: edysupriyantounej@gmail.com

## ABSTRACT
In this research, crystal structure and morphology of TiO 2 (powder) has been observed. TiO 2 (powder) was heated  by  furnace  unit  at  temperature  200  °C  -  400  °C  to  obtain  the  relation  of  temperature  influences  to crystallty and morphology of TiO 2 . Structural characterization has been done using XRD whereas morphology using Scanning Electron Microscope (SEM) method. The result of this research showed that form of the TIO 2 structure was polycrystalline in which mostly dominated by crystal structure (101). Scherrer method used to obtain information that at temperature 300ºC, TiO2 has a real small particle size less than 10 nm and large pore size to serve the purpose of photocatalyst material.
Keywords : Crystal structure,crystalline size, photocatalyst, morphology, SEM, TiO 2 .

## PENDAHULUAN
Pesatnya perkembangan aktivitas perindustrian akhir-akhir  ini  berdampak  pada  penurunan kualitas lingkungan hidup. Hal ini dikarenakan bertambahnya limbah bahan organik berbahaya yang  dihasilkan  industri  tersebut.  Untuk  itu diperlukan inovasi dan pengembangan teknologi  sebagai  solusi  bagi  pencemaran limbah industri. Teknologi pengolahan limbah yang berkembang  saat  ini  sering  kali  tidak  efektif baik dari segi pembiayaan yang mahal maupun proses  pemeliharaan  dan  pengawasan  yang memakan  waktu  lama.  Oleh  sebab  itu  perlu adanya  teknologi  baru  yang  mudah,  praktis, murah dan efisien sehingga bisa dijangkau oleh masyarakat  terutama  industri  rumah  tangga. Salah  satu  teknologi  yang  dapat  mewakili pengolahan  limbah  organik  tersebut  adalah pemanfaatan proses fotokatalis TiO 2 . Fotokatalisis  adalah  suatu  proses  yang dibantu  oleh  adanya  cahaya  dan  material katalis. Dengan pencahayaan ultra violet ( λ  < 405  nm)  permukaan  TiO 2 mempunyai kemampuan  menginisiasi  reaksi  kimiawi. Dalam media air, kebanyakan senyawa organik dapat  dioksidasi  menjadi  karbondioksida  dan air, berarti proses tersebut dapat membersihkan air  dari  pencemar  organik.  Senyawa-senyawa anorganik  seperti  sianida  dan  nitrit  yang
beracun  dapat  diubah  menjadi  senyawa  lain yang  relatif  tidak  beracun.  Sementara  dengan mengelola  sisi  reduksi  proses  tersebut,  karbon dioksida  dapat  diubah  menjadi  alkohol,  suatu cara  produksi zat organik  yang berguna,  mirip dengan proses fotosintesa pada tumbuhan.
Teknologi fotokatalisis merupakan kombinasi  dari  proses  fotokimia  dan  katalis yang  terintegrasi  untuk  dapat  melangsungkan suatu  reaksi  transformasi  kimia.  Reaksi transformasi tersebut berlangsung pada permukaan  bahan  katalis  semikonduktor  yang terinduksi  oleh  sinar.  Dari  beberapa    jenis semikonduktor  yang  ada  hingga  saat  ini,  TiO 2 powder  memiliki  aktivitas  fotokatalitik  yang tinggi,  stabil  dan  tidak  beracun.  Secara komersial  TiO 2 powder  juga  mudah  didapat dan  diproduksi  dalam  jumlah  besar  (Slamet et al . 2003).
Semikonduktor  titanium  dioksida  (TiO 2 ) digunakan  secara  luas  sebagai  fotokatalis, karena  bersifat  inert  secara  kimia  maupun biologi,  non  toksik,  dan  tidak  mahal.  Pada perkembangan penelitian awal, TiO 2 digunakan sebagai  fotokatalisis  dalam  sistem  suspensi. Pada  saat  ini  penggunaan  TiO 2 sebagai fotokatalisis  banyak  dilakukan  dalam  bentuk lapisan
tipis, yaitu
dengan mengimmobilisasikan  TiO 2 pada  bermacam- macam material pendukung, di antaranya fiber, gelas  silika,  dan  plat  titanium  (Nurdin,  2007).
Pada  perkembangan  selanjutnya  fotokatalis TiO 2 digunakan secara luas sebagai antibakteri pada  pasta gigi dan kosmetika  serta  desinfeksi bakteri (Fatimah & Wijaya, 2005).
Aktivitas  fotokatalisis  TiO 2 dipengaruhi oleh beberapa faktor. Faktor yang menentukan aktivitas  fotokatalis  TiO 2 adalah  morfologi permukaan,  luas  permukaan,  fasa  kristal, kristalinitas  (Sutrisno et  al ,  2005)  dan  ukuran kristal terutama dalam skala  nano (Kustiningsi et al , 2009). Dalam  bentuk mikroskopis, TiO 2 mempunyai dua bentuk utama yaitu kristal dan amorf.  Bentuk  amorf    artinya  bahan  tidak memiliki  keteraturan  susunan  atom  sehingga tidak  memiliki  keteraturan  pita  konduksi  dan pita  valensi,  akan    tetapi  TiO 2 amorf  juga dikenal memiliki kemampuan untuk
mendegradasi polutan dalam waktu yang tidak singkat.  Hal  ini  disebabkan  TiO 2 amorf  tidak memiliki  defek  oksigen  dan  tidak  bersifat semikonduktor,  sehingga  tidak  mempunyai kemampuan fotokatalisis. Struktur kristal TiO 2 yang  berada  di  alam  secara  umum  yaitu anatase,  rutile  dan  brookite  (Tjahjanto  & Gunlazuardi,  2001).  Perbedaan  struktur  kristal TiO2 ini mengakibatkan perbedaan massa jenis (3,9  g/cc  untuk  anatase  dan  4,2  g/cc  untuk rutile).  Selain  itu,  perbedaan  struktur  kristal mengakibatkan  perbedaan  tingkat  energi struktur  pita  elektroniknya.  Besarnya  energi gap (Eg) antara anatase dan rutile akan berbeda bila susunan atom Ti dan O dalam kristal TiO 2 berbeda. Pada struktur anatase memiliki energi gap  sebesar  3,2  eV  dan  rutile  memiliki  energi gap  sebesar  3,0  eV  (Arutanti et  al ,  2009). Berdasarkan    perbedaan  energi  gap  pada sruktur  tersebut  maka  anatase  memiliki aktivitas  fotokatalis  yang  baik  (Tjahjanto  & Gunlazuardi, 2001).
Pada  proses  fotokatalitik  konvensional, TiO 2 powder digunakan  untuk  mendegradasi limbah  organik.  Proses  katalisis  terjadi  pada fasa  teradsorbsi  (Ibadurrohman  &  Slamet, 2009). Adsorbsi adalah suatu akibat dari medan gaya pada permukaan padatan (adsorben) yang menarik  molekul-molekul  gas  atau  cair (adsorbat)  (Greg  &  Sing,  1967).  Faktor  utama dalam  proses  adsorbsi  adalah  struktur  pori. Sedangkan  struktur    pori-pori    bahan mempengaruhi  perbandingan    antara    luas permukaan    dan    ukuran    partikel.  Ukuran partikel  tidak  terlalu  mempengaruhi  luas permukaan  secara  total,  akan  tetapi  luas permukaan  dipengaruhi  pori-pori  partikel.
Distribusi  ukuran  pori  menentukan  molekul yang masuk dalam partikel untuk diadsorb.
Berdasarkan  uraian  diatas  maka  pada penelitian  ini  akan  diinvestigasi  pengaruh temperatur  annealing  terhadap  sifat  struktur kristal dan morfologi TiO 2 powder . Dari proses annealing  terhadap  bahan  TiO 2 diharapkan akan  diperoleh  perubahan  bentuk  kristal  dan porositas  yang  dapat  diaplikasikan  sebagai material fotokatalis.

## METODE
Bahan  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah TiO 2 powder .  TiO 2 powder diletakkan  pada  kruss alumina  selanjutnya  dilakukan  annealing  di  dalam furnace  selama  satu  jam  dengan  suhu  yang bervariasi,  yaitu  200°C  -  400°C.  Tahapan  tersebut dilakukan untuk mendapatkan karakterisasi hubungan  pengaruh  temperatur  annealing  terhadap kristalinitas TiO 2 dan pengaruh temperatur annealing terhadap morfologi (ukuran pori) TiO 2 . Karakterisasi struktur  kristal  dilakukan  menggunakan  difraksi sinar-X  Philip  dengan  berkas  sinar-X  dari  tube anoda  Cu  Kα,  panjang  gelombang  λ=  1,54056Å, yang  dioperasikan  pada  40  kV  dan  30  mA,  jarak scanning  2θ  pada  range  (5°  –  90°)  dengan  interval 0,04°,  time  per  step  1,0  detik.  Morfologi  sampel dikarakterisasi  dengan  menggunakan Scanning Electron  Microscopy (SEM)  merk  JEOL  tipe  JSM. Hubungan  antara  ukuran  kristalin  dengan  lebar puncak  difraksi  sinar-X  dapat  ditentukan  dengan persamaan  Scherrer  (Tjahjanto &  Gunlazuardi, 2001).
𝐷 ≈ 𝐾 𝜆 𝐵 cos 𝜃 𝐵 (1)
dengan D adalah ukuran (diameter) kristal, λ panjang gelombang sinar-X yang digunakan, 𝜃 𝐵 adalah sudut Bragg, B adalah  FWHM  (Full  Width  at  Half Maximum)  yang  dipilih,  dan K adalah  konstanta material  yang  nilainya  kurang  dari  satu.  Nilai  yang umumnya dipakai untuk K adalah ~0,9 (Abdullah & Khairurrijal, 2009).

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar  1  menunjukkan  pola  XRD  sampel TiO 2 powder yang  di-annealing  pada  pada temperatur 200ºC - 450ºC. TiO 2 powder yang di-annealing  membentuk  bidang  polikristal dengan  struktur  anatase  sintetis,  dengan  pola difraksi untuk setiap sampel adalah sama, yang membedakan  adalah  besarnya  intensitas. Bidang kristal yang terbentuk meliputi bidang : Anatase  (101),  Anatase  (103),  Anatase  (004), Anatase  (112),  Anatase  (200),  Anatase  (105), Anatase  (211),  Anatase  (213),  Anatase  (204), Anatase  (116),  Anatase  (220)  dan  Anatase
(215). Bidang kristal (101) pada TiO 2 powder ini memiliki intensitas paling tinggi dibandingkan dengan bidang yang lain, hal ini
membuktikan  bahwa  bidang  kristal  (101) paling  dominan  di  dalam  bahan  TiO 2 powder .
Gambar 1. Pola difraksi dari Titanium Dioksida pada suhu: A= 200ºC, B = 250ºC, C = 300ºC,  D = 350ºC dan E = 400ºC.
Ukuran  kristalin  masing-masing  sampel TiO 2 dihitung dengan menggunakan persamaan Scherrer  (persamaan  1).  Ukuran  kristal  untuk masing-masing  bidang  kristal  pada  setiap sampel  TiO 2 pada  penelitian  ini  ditunjukkan pada  tabel  1.  Berdasarkan  hasil  perhitungan ukuran kristalin tersebut,  didapatkan informasi sebagai  berikut:  (a)  pada  bidang  kristal  (101), (004),  (200),  dan  (204)  semakin  tinggi temperatur anneling maka ukuran kristalin dari TiO 2 adalah  sama,  (b)  pada  bidang  bidang kristal  (103),  (112),  dan  (211)  semakin  tinggi temperatur  anneling  maka  ukuran  kristalin TiO 2 semakin  kecil,  (c)  pada  bidang  kristal (220) semakin tinggi temperatur anneling maka ukuran  kristalin  TiO 2 semakin  besar,  (d)  pada bidang kristal (213), (116) ukuran kristalin dari TiO 2 adalah  sama  pada  temperatur  200ºC, 250ºC,  dan  400ºC  sedangkan  pada  temperatur 300ºC, 350ºC semakin kecil ukuran kristalinnya artinya  pada  bidang  ini perubahan fase  amorf  ke  anatase  belum  terjadi  secara sempurna.
Pada gambar 2 diperlihatkan morfologi dari sampel  TiO 2 yang  di-annealing  di  dalam furnace selama satu jam. Perbesaran karakterisasi  morfologi  SEM  yang  digunakan dalam  range  20.000  kali.  Pada  gambar  (2a) sampel  di-annealing  pada  temperatur  200ºC, batas butiran partikel belum tampak jelas. Pada gambar  (2b)  sampel  di-annealing  pada temperatur  250ºC  dengan  sifat:  batas  butiran partikel  sudah  tampak  jelas  dibandingkan dengan  annealing  pada  temperatur  200ºC, ukuran  butiran  kristalin  setiap  bidang  semakin besar,  dan  pori-pori  butiran  partikel  sudah mulai  terbentuk.  Butiran  partikel  TiO 2 mengalami  gaya  tarik  antar  atom  dan membentuk  ukuran  butiran  partikel  semakin kecil.  Pada  temperatur  300ºC  (gambar  (2c)) sampel  memiliki  pori-pori  yang  besar  dan ukuran  kristalin  semakin  besar  seperti  yang ditunjukkan  pada  tabel  1.  Pada  temperatur tersebut,  TiO 2 memiliki  aktivitas  fotokatalis yang  paling  tinggi.  Hal  serupa  juga  pernah dilakukan  oleh  Krysa, et  al (2004),  pada penelitiannya  diperoleh  hasil  bahwa  pada
temperature  300ºC  TiO 2 memiliki  ukuran partikel  sekitar  10  nm  dan  pori-pori  partikel yang  besar  sehingga  substrat  organik  terserap dengan  baik  sesuai  dengan  meningkatnya  laju degradasi.  Penelitian  lain  juga  pernah dilakukan  oleh  Xu, et  al (1999)  dengan  hasil bahwa tingkat adsorpsi akan meningkat dengan menurunnya  ukuran  partikel  serta  aktivitas fotokatalis  mengalami  peningkatan  pada
ukuran  partikel  TiO 2 kurang  dari  10  nm.  Pada temperatur  350ºC  sampel  TiO 2 mengalami aglomerasi antar partikel tetangganya, sehingga ukuran  partikel  membesar  kembali  karena penggabungan  antar  partikel  tetangganya. Pembesaran  ukuran  pertikel  dengan  diameter seperti  yang  ditunjukkan  pada  tabel  1  terjadi pada temperatur 400 ºC.
Tabel 1. Data bidang dan ukuran kristalin TiO2 yang dipanaskan pada suhu 200ºC, 250ºC, 300ºC,
350ºC dan 400ºC No d hkl D (dalam nm) 200 o C 250 o C 300 o C 350 o C 400 o C 1 101 8,88 8,88 8,88 8,88 8,88 2 103 9,14 9,14 7,31 7,31 7,31 3 004 7,33 7,33 7,33 7,33 7,33 4 112 9,18 7,34 9,18 7,34 6,12 5 200 6,32 6,32 6,32 6,32 6,32 6 105 5,55 5,55 7,78 6,48 7,78 7 211 9,77 9,77 7,82 7,82 7,82 8 213 13,53 13,53 10,14 10,14 13,53 9 204 14,00 14,00 14,00 14,00 14,00 10 116 14,13 14,13 10,60 10,60 14,13 11 220 10,92 14,56 14,56 10,92 14,57
Gambar 2. Citra SEM dari sampel TiO2 yang telah mengalami proses annealing pada (a) 200ºC,    (b) 250ºC, (c) 300ºC, (d) 35 ºC dan (e) 400ºC
B E C (a ) (b ) (c ) (d) (e )
Pembesaran dan mengecilnya ukuran kristal seperti  yang  ditunjukkan  pada  tabel  1 mempengaruhi  ukuran  pori-pori  partikel. Distribusi  ukuran  pori  akan    mempengaruhi distribusi    ukuran    molekul  adsorbat  yang masuk  ke  dalam  partikel  adsorben.  Adsorben dengan  porositas  yang  besar  mempunyai kemampuan  menyerap  yang  lebih  tinggi dibandingkan  dengan  adsorben  yang  memilki porositas kecil. Kemampuan suatu semikonduktor  fotokatalis  oksida  logam transisi dilaporkan dapat mengalami peningkatan  apabila  memiliki  ukuran  partikel dalam  kisaran  nanometer.  Menurut  Tanaka, et al (dalam Xu. et al 1999), ukuran partikel TiO 2 sangat  mempengaruhi  proses  fotokatalisis untuk  mendegradasi  limbah  organik.  Hal  ini dikarenakan  luas  permukaan  yang  sama  pada TiO 2 namun  ukuran  partikel  yang  semakin kecil  menghasilkan  ukuran  pori-pori  TiO 2 semakin  besar.  Ukuran  pori  semakin  besar ketika  suhu  yang  diberikan  lebih  tinggi.  Pori- pori  ditunjukkan  sebagai  warna  gelap/hitam dan  butiran  dengan  warna  terang  atau  putih, sebagai  contoh  perbedaan  yang  kontras  untuk suhu  200ºC  dengan  400ºC  (gambar  (2e)). Pembesaran  ukuran  pori  diikuti  penggabungan butiran  (partikel  TiO 2 )  yang  satu  dengan lainnya mulai terlihat dengan adanya  kenaikan suhu.  Pada  suhu  300ºC  mempunyai  pori-pori paling besar.

## KESIMPULAN
Pada  penelitian  ini,  TiO 2 powder  telah dilakukan  annealing  pada  temperatur  200ºC sampai  400ºC  di  dalam  furnace.  Bentuk struktur kristal TiO 2 powder adalah polikristal dan  tidak  terjadi  perbedaan  yang  signifikan meskipun  dipanaskan  pada  temperatur  200ºC sampai  dengan  400ºC.  Bidang  kristal  (101) adalah  bidang  Kristal  yang  paling  dominan. Bentuk  kristal  TiO 2 powder  memiliki  bentuk kristal  yang  optimum  sebagai  bahan  katalis pada  saat  di-annealing  pada  temperatur  300ºC dan  memiliki  ukuran  partikel  yang  kecil (kurang  dari  10  nm)  dan  ukuran  pori  yang besar  sehingga  dihasilkan  aktivitas  fotokatalis yang baik.

## DAFTAR PUSTAKA
Abdullah  M  dan  Khairurrijal  K.  2009.  Review: Karakterisasi Nanomaterial. Jurnal Nanosains & Teknologi . ISSN 1979-0880. Vol. 2 (1): 1-9.
Arutanti  O,  Abdullah  M,  Khairurrijal    K  dan Mahfudz    H.  2009.  Penjernihan  Air  Dari Pencemaran  Organik  dengan  Proses  Fotokatalis pada  Permukaan  Titanium  Dioksida  (TiO2). Jurnal Nanosains dan Nanoteknologi : 53-55. Fatimah I, dan Wijaya K. 2005. Sintesis TiO 2 /Zeolit Sebagai  Fotokatalis  Pada  Pengolahan  Limbah Cair  Industri  Tapioka  Secara  Adsorbsi- Fotodegradasi. TEKNOIN, 10 (4): 257-267 Gregg SJ and Sing KSW. 1967, Adsorption, Surface Area,  and  Porosity ,  Academik  Press,  London and New York, pp.197, 221 Ibadurrohman  M  dan Slamet. 2009. Air Purfication From Cigar Smoke Pollutant Using Combination Of  Absorbtion-Photocatalysis  Processe  Over Nanocomposite  Of  TiO 2 -Activated  Carbon. Jurnal Penelitian Hibah bersaing .
Krysa,  Keppert,  Jirkovsky,  Stengl  dan  Subrt.  2004. The  Effect  of  Thermal  Treatment  on  The Properties  of  TiO 2 Photocatalyst. Materials Chemistry and Physics . (86): 333-339 Kustiningsih,  Slamet,  Mulia,  dan  Purwanto.  2009.
Sintesis  dan  Karakterisasi  Fotokatalis  TiO 2 Nanotubes Dengan Metode Kombinasi
Hydrothermal  dan  Sonikasi.  Seminar  Nasional Teknik Kimia Indonesia.
Nurdin    M.  2007.  Degradasi  Fotoelektrokatalitik pada    Potassium  Hydrogen  Phtalate. Jurnal Teknologi Pengolahan Limbah , 10 (2): 47-53. Slamet,  Syakur  R  dan  Danumulyo  W.  2003. Pengolahan  Limbah  Logam  Berat  Chromium (VI)  Dengan  Fotokatalis  TiO 2 .  Makara, Teknologi, 7 (1): 27-32.
Sutrisno  H,  Arianingrum  R  dan  Ariswan.  2005. Silikat  dan  Titanium  Silikat  Mesopori- Mesostruktur Berbasis Struktur Heksagonal  dan Kubik. Jurnal Matematika dan Sains , 10 (2): 69- 74.
Tjahjanto  RT  dan  Gunlazuardi  J.  2001.  Preparasi Lapisan  Tipis  TiO 2 Sebagai  Fotokatalis: Keterkaitan  Antara  Ketebalan  dan  Aktivitas Fotokatalis. Makara, Jurnal Penelitian
Universitas Indonesia , 5 (2): 81-91.
Xu,  Shi,  Fan,  Dong,  Shi,  dan  Hu.  1999.  Effects  of Particle  Size  of  TiO 2 on  Photocatalytic Degradation  of  Methylene  Blue  in  Aqueous Suspensions. Chemical Reviews , (38): 373-379.