ISSN: 1410-8917
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 19 (2) (2016) : 45 – 49
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi Journal of Scientific and Applied Chemistry
Journal homepage: http://ejournal.undip.ac.id/index.php/ksa
Sintesis ZnO-SiO 2 dan Aplikasinya pada Fotokatalisis Degradasi Limbah Organik Fenol dan Penurunan Kadar Cd(II) secara Simultan
Zasrie Puti Oktaviani a , Abdul Haris a*
a Analytical Chemistry Laboratory, Chemistry Department, Faculty of Sciences and Mathematics, Diponegoro University, Jalan Prof. Soedarto, Tembalang, Semarang
* Corresponding author: a.haris@live.undip.ac.id
A r t i c l e   I n f o A b s t r a c t
Keywords: Photocatalyst, composite, ZnO- SiO 2 , phenol, Heavy metal Cd
The synthesis of ZnO-SiO 2 and its application for photocatalysis degradation of phenol organic wastes and decreasing the level of Cd(II) simultaneously has been performed. The method used was the photocatalysis. The stages of this study included the synthesis of ZnO-SiO 2 semiconductors by sol-gel method, the fabrication of ZnO-SiO 2 photocatalyst thin film with Doctor Blade method, and the degradation of organic waste of phenol and metal Cd(II) at certain times by irradiation. The results showed that the morphology of the photocatalyst formed was uneven and granular. The XRD results showed that ZnO- SiO 2 composite formed in the form of wurzite hexagonal with crystal size of 27.73 nm. The UV-Vis DRS results displayed that the energy gap of the ZnO-SiO 2 photocatalyst is 2.56 eV. Degradation  of  ZnO-SiO 2 photocatalyst  with  7  hours  tungsteen  irradiation  was  able  to degrade phenol by 65.73% and reduce metal Cd by 48.64% simultaneously.

## A b s t r a k
Kata Kunci: Fotokatalisis, komposit, ZnO-
SiO 2 , Fenol, Logam Cd
Sintesis ZnO-SiO 2 dan aplikasinya untuk fotokatalisis degradasi limbah organik fenol dan menurunkan  kadar  Cd(II)  secara  simultan  telah  dilakukan.  Metode  yang  digunakan adalah  fotokatalis.  Tahapan  penelitian  ini  meliputi  sintesis  semikonduktor  ZnO-SiO 2 dengan  metode  sol-gel,  pembuatan  lapis  tipis  fotokatalis  ZnO-SiO 2 dengan  metode Doctor Blade, dan degradasi limbah organik fenol dan logam Cd(II) pada waktu tertentu dengan penyinaran. Hasil penelitian menunjukkan bahwa morfologi dari fotokatalis yang terbentuk  tidak  merata  dan  berbentuk  granula.  Hasil  XRD  menunjukkan  bahwa  telah terbentuk komposit ZnO-SiO 2 yang berbentuk wurzite hexagonal dengan ukuran kristal sebesar  27,73  nm.  Hasil  DRS  UV-Vis  menunjukkan  bahwa  energy  gap  dari  fotokatalis ZnO-SiO 2 sebesar 2,56 eV. Degradasi fotokatalis ZnO-SiO 2 dengan penyinaran tungsteen selama  7  jam  mampu  mendegradasi  fenol  sebesar  65,73%  dan  mereduksi  logam  Cd sebesar 48,64% secara simultan.

## 1. Pendahuluan
Logam  berat  Cd(II)  banyak  digunakan  berbagai industri,  seperti  pelapisan  logam,  pewarnaan  baterai, minyak  pelumas,  dan  bahan  bakar.  Kadmium  menjadi polutan  berbahaya  di  ekosistem  perairan.  Akumulasi logam  Cd  yang  berlebihan  dalam  tubuh  mahluk  hidup dapat mengakibatkan berbagai kerusakan dan disfungsi organ  serta  gangguan  metabolisme  tubuh,  seperti kerusakan ginjal, jantung, kanker paru-paru, kerapuhan tulang, dan kerusakan sel-sel darah.
Fenol  merupakan  senyawa  organik  yang  bersifat toksik.  Senyawa  ini  merupakan  polutan  yang  bersifat persisten di dalam air. Kontaminasi fenol di lingkungan dapat  berasal  dari  udara  dan  air  buangan  proses produksi, penggunaan, dan pembuangan produk-produk yang  mengandung  fenol.  Limbah  industri  yang  banyak mengandung  fenol  diantaranya,  industri  kimia, petrokimia, farmasi, tekstil, dan baja [1].
Diantara  berbagai  semikonduktor  baru  dipelajari, seng oksida (ZnO) dapat digunakan dalam dekomposisi
polutan  organik  karena  tinggi  fotosensitivitas, karakteristik  mekanik  sangat  baik,  rendah  biaya,  dan aman bagi lingkungan  [2-4]. ZnO memiliki pita valensi tepi yang terjadi sekitar 3,37 eV, lubang yang sangat kuat sebagai agen oksidasi dan mampu mengoksidasi molekul organik  serta  menghasilkan  radikal  hidroksil  dalam  air [5].
Silikat  dioksida  (SiO 2 )  digabungkan  dengan fotokatalis  semikonduktor  untuk  meningkatkan  proses fotokatalitik. SiO 2 memiliki stabilitas termal yang tinggi, kekuatan  mekanik  yang  baik,  dan  membantu menciptakan  katalitik  baru  situs  aktif  karena  interaksi antara  semikonduktor  fotokatalis  ZnO  dan  SiO 2 .  Selain itu, SiO 2 membantu untuk mendapatkan area permukaan besar serta struktur berpori yang cocok [6, 7].

## 2. Metode Penelitian

## Alat dan Bahan
Alat-alat  gelas, Magnetic  stirrer,  Lampu  UV  Philip T UV  15w  G15T8  Germicidal  Lamp  (308643),  Lampu Tungsteen  Philip  15w,  Neraca  Digital  (Ohaus  PA214 Pioneer),  Reaktor,  Furnace (Naberthem) . TEOS (Tetraetilortosilika),  Zn(CH 3 COOH) 2 ,  etanol,  aquades, HNO 3 , CdSO 4 .8H 2 O, fenol, 4-aminoantipirin, K 4 Fe(CN) 6 , NH 3 . Pembuatan Semikonduktor ZnO-SiO 2 Mensintesis ZnO-SiO 2 dengan TEOS dan Zn(CH 3 COO) 2 dengan  pengadukan  pada  suhu  kamar menghasilkan sol-gel kemudian dioven dan dikalsinasi.

## Pelapisan pada Kaca TCO
Pelapisan  pada  kaca  TCO  menggunakan  metode Doctor Blade menggunakan batang pengaduk. Kemudian dilakukan  pemanasan  dengan furnace  pada  suhu  150 0 C selama 2 jam.

## Preparasi Larutan Kerja
Pembuatan Larutan fenol dan CdSO 4 . 8H 2 O masing- masing  1000  ppm  kemudian  dilakukan  pengenceran menjadi  30  ppm.  Larutan  sampel  yang  akan  digunakan untuk  fotokatalisis  sebanyak  50  ml,  merupakan campuran  larutan  fenol  dan  CdSO 4 .8H 2 O  dengan perbandingan volume 1:1.

## Penentuan Panjang Gelombang Maksimum
Ditentukan  dengan  mengukur  besar  absorbansi larutan  sampel  pada  berbagai panjang  gelombang  dari 200 sampai 800 nm.

## Fotokatalis Larutan Sampel
Proses  fotokatalisis  dilakukan  di  dalam  reaktor fotokatalis dan dilakukan penyinaran dengan sinar UV -C dan tungsteen dalam waktu tertentu ( 3, 5, dan 7 jam).

## Metode Analisis
Larutan fenol baik sebelum dan setelah fotokatalisis, dilakukan analisis secara kuantitatif meliputi penentuan nilai absorbansi pada pembentukan kompleks fenol dan 4-aminoantipirin  menggunakan  spektrofotometer  UV -
Vis. Kadar Cd(II) dianalisis
menggunakan Spektrofotometer Serapan Atom (SAA). Kemudian kedua larutan tersebut ditentukan persentase penurunan kadar fenol dan Cd(II).

## 3. Hasil dan Pembahasan

## Sintesis Semikonduktor ZnO-SiO
2
Sintesis  fotokatalis  semikonduktor  ZnO-SiO 2 dengan  metode  sol-gel  dilakukan  dengan  dua  tahap, dimana  tahap  pertama  pembuatan  SiO 2 dan  kemudian pembuatan semikonduktor ZnO. Pembuatan SiO 2 berasal dari  Tetraetilortosilikat  (TEOS)  dengan  pengadukan selama  1  jam  pada  suhu  kamar  dan  kecepatan  yang konstan  memberikan  warna  larutan  jernih.  Sedangkan untuk  menghasilkan  seng  oksida,  berasal  dari Zn(CH 3 COO) 2 yang  ditambahkan  pada  larutan  yang mengandung  SiO 2. Setelah  terbentuk  ZnO  dan  SiO 2 berbentuk sol-gel. Sol-gel tersebut dioven dengan suhu 80 0 C selama 24 jam dan kemudian dikalsinasi pada suhu 550 0 C selama 3 jam sampai terbentuk serbuk putih.

## Karakterisasi Fotokatalis ZnO-SiO 2
Karakterisasi  menggunakan  SEM-EDX  digunakan untuk  memperoleh  gambaran  permukaan  atau  fitur material  dengan  resolusi  yang  sangat  tinggi  hingga memperoleh  suatu  tampilan  dari  permukaan  sampel yang kemudian dikomputasikan dengan software untuk menganalisis  komponen  materialnya baik  dari kuantitatif maupun dari kualitatifnya.
Gambar 1. Foto SEM Fotokatalis ZnO-SiO 2
Dari  hasil  SEM  didapatkan  bentuk  morfologi permukaan  dari  ZnO-SiO 2 berbentuk  seperti  granula, dimana  terlihat  jelas  bahwa  permukaan  pada  sampel tidak  merata  dan  terdiri  dari  gumpalan-gumpalan (cluster),  dimana  ukuran  butirnya  cukup  beragam dengan  distribusi  yang  tidak  merata  pada  permukaan sampel.
Berdasarkan  hasil  analisis  EDS  ini  dapat  diketahui komponen unsur yang terkandung dalam senyawa hasil sintesis yaitu unsur Zn, unsur Si, unsur O, dan unsur C.

## Gambar 2 Hasil Analisis dengan EDS
Tabel 1: Hasil EDS
Element (keV) Mass% Atom% C K 0.277 10.84 21.98 O K 0.525 36.99 56.34 Si K 1.739 4.51 3.91 Zn K 8.630 47.66 17.77 Total 100.00
Karakterisasi semikonduktor ZnO-SiO 2 dengan XRD digunakan  untuk  mengidentifikasi  fasa  kristalin  dalam material  dengan  cara  menentukan  parameter  struktur kisi  serta  untuk  mendapatkan  ukuran  partikel. Pengukuran  XRD  ini  menggunakan  tabung  anoda  Cu ( λ =0,154184 nm).
Dari  pola  difraksi,  ukuran  kristal  dapat  dihitung menggunakan persamaan Debye-Scherrer : 𝑥 = 57,3° ×𝑘 ×𝜆 𝛽 ×𝑐𝑜𝑠 𝜃 , dimana  ukuran  kristal  sampel  diperoleh  dari  setengah lebar  puncak  maksimum  dari  XRD  dengan  persamaan Scherrer  diperoleh  ukuran  kristal  yang  berukuran nanopartikel  sebesar  27,74  nm  berbentuk wurtzite (hexagonal).
Gambar 3. Difraktogram ZnO-SiO 2
Berdasarkan hasil difraktogram di atas, dapat dilihat bahwa ZnO-SiO 2 hasil sintesis menghasilkan peak untuk ZnO yaitu pada 31,97 0 , 34,63 0 , 36,46 0 , 47, 77 0 , 56,80 0 , 63,
06 0 , 68, 12 0 ,dan 69, 26 0 . Untuk peak SiO 2 yaitu pada 28, 82 0 , 32, 84 0 , dan 42,89 0 .
Karakterisasi semikonduktor ZnO-SiO 2 dengan DRS UV-Vis  dilakukan  untuk  menentukan  besarnya energy gap  yang  dihasilkan  oleh  semikonduktor  yang  telah disintesis. Energy  gap  merupakan  energi  celah  antara pita  valensi  yang  penuh  elektron  dengan  pita  konduksi yang  kosong  elektron.  Harga energy  gap  pada semikonduktor sangat penting untuk pengaruh terhadap kinerja semikonduktor dalam mengalirkan elektron dan hole.
Hasil karakterisasi DRS UV-Vis semikonduktor ZnO- SiO 2 berdasarkan nilai absorbansi:
Gambar 4. Grafik Hasil analisis DRS UV-Vis
Gambar 5. Grafik besarnya energy gap dengan pers. Kubelka-Munk
Dari  data  analisis  DRS  UV-Vis  didapatkan  plot dengan  panjang  gelombang  482,9  nm.  Berdasarkan persamaan  Kubelka-Munk  didapatkan  nilai  band  gap dari hasil sintesis ZnO-SiO 2 sebesar 2,56 eV.

## Pelapisan Fotokatalis ZnO-SiO
2 Pada Kaca TCO
Pembuatan  lapis  tipis  semikonduktor  ZnO-SiO 2 dilakukan  setelah  pensintesisan  ZnO-SiO 2 yang  berupa serbuk  ditempelkan  pada  kaca Tranparent  Conductive Oxide  (TCO)  dengan  metode  Doctor  blade.  Pada penempelan ini digunakan Polyvinil alcohol (PVA) untuk membantu  menempelnya  serbuk  semikonduktor  ZnO- SiO 2 pada kaca TCO. Kaca TCO yang digunakan, terlebih dahulu dicuci dengan menggunakan aseton dan aquades. Pelapisan pada kaca TCO ini dilakukan dengan setipis dan serata  mungkin  agar  dihasilkan  lapisan  yang  memiliki
permukaan yang baik. Kaca TCO yang telah dilapisi pasta ZnO-SiO 2 dikalsinasi pada suhu 150 0 C (dengan kenaikan suhu secara bertahap) selama 2 jam.
Aplikasi Fotokatalis ZnO-SiO 2
Aplikasi  lapis  tipis  semikonduktor  ZnO-SiO 2 ini dilakukan  dengan  fotokatalisis  untuk  pendegradasian limbah fenol dan penurunan kadar logam Cd(II) dengan variasi waktu kerja.
Pendegradasian  senyawa  fenol  dengan  reaksi fotokatalis memerlukan komponen utama yang penting yaitu  sumber  cahaya,  senyawa  target,  oksigen,  dan fotokatalis.  Pada  penelitian  ini  digunakan  dua  lampu yaitu lampu UV-C dan tungsten dengan masing-masing menggunakan  15  watt.  Fotodegradasi  fenol  dilakukan dengan  bantuan  sinar  UV  dan  visibel,  pengadukan dilakukan  agar  sinar  yang  diberikan  dapat  mengenai semua  bagian  fotokatalis  secara  merata  dan  memberi kesempatan  pada  katalis  untuk  bersinggungan  dengan senyawa  fenol.  Penyinaran  dengan  sinar  UV  dilakukan dengan  variasi  waktu  3,  5,  7  jam  untuk  mengetahui aktivitas  fotokatalitiknya  dan  mengetahui  waktu optimumnya.  Persentase  degradasi  fenol  dengan  sinar UV.
Sedangkan  untuk  daerah  visibel  didapatkan besarnya  prosentase  degradasi  65,73  %.  Berdasarkan hasil  tersebut,  degradasi  dengan  menggunakan  sinar visibel memiliki hasil yang lebih besar dibanding dengan menggunakan sinar UV. Hal ini berkaitan dengan energy gap yang dimiliki oleh fotokatalis ZnO-SiO 2.
Gambar 6. Grafik Persentase degradasi fenol dengan variasi waktu
Reduksi logam Cd ini terjadi secara simultan dengan adanya  senyawa  organik  fenol  pada  variasi  waktu. Mekanisme fotoreduksi ion Cd 2+ dengan fotokatalis ZnO- SiO 2 yang  dikenai  sumber  sinar  UV  atau  visibel  akan menghasilkan pasangan elektron (e - ) dan hole (h + ) yang bermuatan  positif,  dengan  adanya  elektron  pada permukaan katalis maka ion Cd 2+ yang teradsorbsi pada permukaan  ZnO-SiO 2 akan  mengalami  reduksi  menjadi logam Cd.
Gambar 7. Grafik Persentase Reduksi Logam Cd dengan variasi waktu
Reduksi kadar logam Cd menggunakan sinar UV-C 15 watt  diukur  absorbansi  kadar  logam  Cd  dengan menggunakan  Spektrofotometer  Serapan  Atom  (SSA). Berdasarkan grafik 4 terlihat bahwa peningkatan waktu reaksi  menyebabkan  bertambahnya  jumlah  Cd(II)  yang tereduksi dan memberikan waktu optimum pada jam ke- 7  dengan  besar  persentase  degradasi  logam  56,  49%. Sedangkan  untuk  daerah  visibel  persentase  penurunan kadar sebesar 48, 64%. Pada kondisi penyinaran dengan lampu UV aktifitas reduksi Cd 2+ lebih tinggi dibandingkan dengan  lampu  visibel,  hal  ini  terjadi  karena  intensitas sinar UV lebih tinggi dibanding pada lampu visibel. Pada hal  ini,  logam  Cd  memiliki  energi  potensial  negatif, sehingga dibutuhkan energi yang besar untuk mereduksi logam Cd.
Mekanisme  dasar  fotokatalitik  degradasi  fenol  dan reduksi  logam  Cd  terjadi  adanya  penyinaran  dengan lampu  UV  atau  visibel.  Fotokatalis  semikonduktor  akan mengabsorbsi foton apabila energi sinar hv sama dengan gap energi atau lebih besar dari gap energi. Maka elektron pada pita valensi (hv + ) akan tereksitasi ke pita konduksi dari ZnO-SiO 2 yang bersifat semikonduktor. Lubang yang terdapat pada pita valensi inilah yang akan menghasilkan hidroksi radikal yang akan mengoksidasi ikatan dari air, sehingga  elektron  akan  dipindahkan  dari  O 2 pada permukaan  fotokatalis  sehingga  akan  dihasilkan superoksida  (O 2 - ).  Elektron  ini  juga  digunakan  untuk mereduksi  logam  Cd(II).  Hidroksi  radikal  adalah  agen pengoksidasi yang digunakan untuk mengoksidasi fenol menjadi  hydroquinone,  resorchinol,  cathecol  dan oksidasi  lebih  lanjut  akan  membentuk  produk-produk mineralisasi  seperti:  CO 2 dan  H 2 O.  Radikal  hidroksil merupakan  agen  pengoksidasi  kuat,  memiliki  potensial oksidasi  yang  cukup besar,  yaitu  2,8  eV. Hole  pada  pita valensi dinetralkan muatannya oleh spesies reduktor.

## 4. Kesimpulan
Dari  hasil  karakterisasi  dengan  SEM-EDS  dapat diketahui morfologi dari fotokatalis yang terbentuk tidak merata dan berbentuk granula. hasil karakterisasi XRD, terbukti bahwa sudah terbentuk komposit ZnO-SiO 2 yang berbentuk wurzite  hexagonal  dengan  ukuran  kristal sebesar 27,73 nm. hasil karakterisasi DRS UV-Vis dapat diketahui besarnya energy gap dari fotokatalis ZnO-SiO 2 sebesar  2,56  eV.  Fotokatalis  semikonduktor  ZnO-SiO 2
selama 7 jam mampu mendegrdasi fenol sebesar 65,73% dan mereduksi logam Cd sebesar 48,64% secara simultan pada daerah visible.

## 5. Daftar Pustaka
[1]  L.  A.  Rocha,  M.  T.  Craig,  B.  W.  Bowen, Phylogeography  and  the  conservation  of  coral  reef fishes, Coral  Reefs,  26,  3,  (2007)  501-512 http://dx.doi.org/10.1007/s00338-007-0261-7
[2]  A. Singhal, S. N. Achary, A. K. Tyagi, P. K. Manna, S. M.  Yusuf,  Colloidal  Fe-doped  ZnO  nanocrystals: Facile  low  temperature  synthesis,  characterization and  properties, Materials  Science  and  Engineering: B, 153, 1, (2008) 47-52 http://dx.doi.org/10.1016/j.mseb.2008.09.030 [3]  Wenzhong  Shen,  Zhijie  Li,  Hui  Wang,  Yihong  Liu, Qingjie Guo, Yuanli Zhang, Photocatalytic
degradation  for  methylene  blue  using  zinc  oxide prepared  by  codeposition  and  sol – gel  methods, Journal of Hazardous Materials, 152, 1, (2008) 172- 175 http://dx.doi.org/10.1016/j.jhazmat.2007.06.082
[4]  Sulistias Mustika, Abdul Haris, Nor Basid Adiwibawa Prasetya,  Kajian  Metode  Elektrofotokatalisis, Elektrolisis  dan  Fotokatalisis  pada  Dekolorisasi Larutan  Zat  Warna  Remazol  Black  B  yang Mengandung  Ion  Logam  Cu2+, Jurnal  Kimia  Sains dan Aplikasi, 16, 1, (2013) 17-22
[5]  S.  Qourzal,  N.  Barka,  M.  Tamimi,  A.  Assabbane,  A. Nounah, A. Ihlal, Y. Ait-Ichou, Sol – gel synthesis of
TiO2 – SiO 2 photocatalyst for β -naphthol photodegradation, Materials Science and
Engineering:  C,  29,  5,  (2009)  1616-1620 http://dx.doi.org/10.1016/j.msec.2008.12.024
[6]  Radhiyah Abd Aziz, Iis Sopyan, Synthesis of TiO 2- SiO 2 powder and thin film photocatalysts by sol-gel method, Indian Journal of Chemistry - Section A, Vol. 48A, 7, (2009)
[7]  Siti  Fatimah,  Abdul  Haris,  Pengaruh  Dopan  Zink Oksida pada TiO2 terhadap Penurunan Kadar Limbah Fenol  dan  Cr  (VI)  secara  Simultan  dengan  Metode Fotokatalisis, Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi, 17, 3, (2014) 86-89