## EKASAKTI JURNAL PENELITIAN & PENGABDIAN (EJPP)
Doi: https://doi.org/10.31933/ejpp.v3i1 Lisensi: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Diterima: 20 Oktober 2022 ,   Diperbaiki: 01 November 2022, Diterbitkan: 10 November 2022

## PENURUNAN CELAH PITA ZnO DENGAN IMPREGNASINYA PADA KARBON AKTIF
Mutiara Syabila 1 , Miftahul Khair 2
1) Universitas Negeri Padang, Sumatera Barat, email: mutiarasyabila5@gmail.com 2) Universitas Negeri Padang, Sumatera Barat, email: mutiarasyabila5@gmail.com

## Corresponding Author: Mutiara Syabila
Abstract: The  reduction  of  the  band  gap  of  the  ZnO  photocatalyst  with  its  impregnation technique  on  activated  carbon  has  been  successfully  carried  out.  The  impregnation  method involves absorption, dehydration at 100 o C, and calcination at 400 o C for 6 hours. Variations of  Zn(NO 3 ) 2 .6H 2 O  used  5%,  10%,  15%,  20%,  and  25%  for  6  and  12  hours.  Band  gap  test was carried out with UV-DRS. The optimum photocatalyst was achieved at 75 mg Activated carbon-ZnO 15% impregnated for 6 hours, with a decrease in the ZnO band gap to 2.62 eV the presence of Zn-O groups in the FTIR characterization results.
Keywords: Activated Carbon, Photocatalyst, Impregnation, ZnO.
Abstrak: Penurunan  celah  pita  fotokatalis  ZnO  dengan  teknik  impregnasinya  pada  karbon aktif  telah  berhasil  dilakukan.  Metode  impregnasi  melalui  tahapan  penyerapan,  dehidrasi pada  100 o C,  dan  kalsinasi  pada  suhu  400 o C  selama  6  jam.  Variasi  Zn(NO 3 ) 2 .6H 2 O  yang digunakan  5%,  10%,  15%,  20%,  dan  25%  selama  6  dan  12  jam.  Uji  celah  pita  dilakukan dengan  UV-DRS.  Fotokatalis  optimum  tercapai  pada  75  mg  Karbon  aktif-ZnO  15% impregnasi 6 jam, dengan penurunan nilai celah pita ZnO menjadi 2,62 eV dan adanya gugus Zn-O pada hasil karakterisasi FTIR.
Kata Kunci: Karbon Aktif, Fotokatalis, Impregnasi, ZnO.

## PENDAHULUAN
Seng  oksida  (ZnO)  adalah  semikonduktor  tipe-n  yang  memiliki  struktur  heksagonal, tidak  beracun,  dan  ramah  lingkungan,  dengan  celah  pita  lebar  3,37  eV  sehingga menjadikannya lebih unggul dari semikonudktor lain (Varughese et al., 2015). Karena sifat- sifat ini maka semikonduktor ZnO berpotensi digunakan sebagai bahan sensor gas, sel surya, biosensor,  pembawa  obat,  kosmetik,  pembalut  luka,  dan  tambalan  bahan  medis  karena  sifat antibakteri  dan  antiinflamasinya,  fotodetektor  dan  fotokatalis  (Ali,  El-Molla,  Ibrahim, Mahmoud,  et  al.  2016).  Dibandingkan  material  semikonduktor  TiO 2 ,  katalis  ZnO  lebih efisien  digunakan  karena  dapat  menghasilkan  H 2 O 2 yang  lebih  banyak  (Durri  &  Sutanto, 2015).
Perkembangan  industri  yang  semakin  pesat  menyebabkan  jumlah  kontaminan antropogenik  meningkat  dengan  bertambahnya  limbah  zat  pewarna  organik  yang  dihasilkan industri  tekstil  (Sandi  &  Astuti,  2014).  Oleh  sebab  itu,  perlu  pengelolaan  yang  baik  dalam
penanganan  limbah  zat  warna  industri  sehingga  dapat  mencegah  kerusakan  sistem  perairan. Semikonduktor ZnO adalah fotokatalis yang juga dikenal bagus untuk mendegradasi polutan organik  yang  mudah  menguap  menjadi  CO 2 dan  H₂O  (Naimah  et  al.,  2014)  sehingga  bisa menjadi solusi dalam masalah lingkungan.
Preparasi  ZnO telah dilakukan dengan beragam  metode seperti penguapan larutan dan suspensi,  reaksi  keadaan  padat,  sintesis  kimia  basah,  aerosol,  ultrasonic,  mikro-emulsi,  sol- gel, dan metode keramik konvensional.
Bahan  pendukung  bagi  ZnO  yang  baik  adalah  silika,  alumina,  zeolit,  lempung  dan karbon  aktif.  Material  ini  dapat  bertindak  sebagai  tempat  untuk  mengumpulkan  elektron fotogenerasi  dari  pita  konduksi  semikonduktor  sehingga  bisa  mengurangi  rekombinasi elektron dan hole fotogenerasi melalui peningkatan pemisahan muatan (Mohamed & Aazam, 2012).  Impregnasi  ZnO  kedalam  karbon  aktif  adalah  metode  sederhana  yang  dilakukan dengan cara merendam, mengeringkan, dan diakhiri dengan kalsinasi (Desta, 2017).
Karbon  aktif  berbahan  pelepah  kelapa  sawit  merupakan  salah  satu  adsorben  efektif (Fanani & Ulfindrayani, 2019) dengan pori dan luas permukaan yang besar. Kombinasi kedua material ini akan meningkatkan kemampuan fotokatalitik dari ZnO karena mudah terdispersi kedalam  pori  karbon  aktif.  Daya  adsorpsi  karbon  aktif,  yakni  25-1000%  terhadap  beratnya (Meisrilestari et  al., 2013). Sifat adsorben dari karbon aktif pada dasarnya berkaitan dengan permukaannya  yang besar, reaktivitas permukaan  yang tinggi,  efek adsorpsi universal,  serta ukuran  pori  yang  menguntungkan  yang  membuat  permukaan  internal  dapat  diakses, meningkatkan laju adsorpsi, dan meningkatkan kekuatan mekanik (Aworn et al., 2008).
Berdasarkan  uraian  diatas,  maka  penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengetaui  nilai  band gap  dari  ZnO  yang  terimpregnasi  pada  karbon  aktif  sehingga  bisa  menjadi  referensi  dalam aplikasi fotokatalisis ZnO yang terimpregnasi dalam karbon aktif.

## METODE PENELITIAN
Bahan  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah  karbon  aktif  dari  pelepah  kelapa sawit,  Zn(NO 3 ) 2 .6H 2 O,  dan  aquades.  Karbon  aktif  diimpregnasi  dengan  Zn(NO 3 ) 2 .6H 2 O. Sebanyak 5g karbon aktif dilarutkan dalam Zn(NO 3 ) 2 .6H 2 O dengan konsentrasi 5g/ 100 mL; 10g/ 100 mL; 15g/ 100 mL; 20g/ 100 mL; dan 25g/ 100 mL aquades. Campuran diimpregnasi pada suhu kamar selama 24 jam  (Abdessemed et al., 2019) dan di shacker selama 6 dan 12 jam dengan kecepatan 250 rpm. Setelah itu, katalis dikeringkan dalam oven pada suhu 100℃ hingga padatan kering (Fanani & Ulfindrayani, 2019a), kemudian dipanaskan dalam furnace pada suhu 250℃ selama 4 jam. Setelah dibiarkan dingin hingga suhu ruang selanjutnya diuji nilai band gapnya dengan UV-DRS pada massa campuran yang bervariasi dan dikarakterisasi FTIR.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Impregnasi Karbon Aktif
Karbon aktif yang digunakan berasal dari pelepah kelapa sawit  yang telah diteliti oleh penelitian  sebelumnya  melalui  beberapa  tahapan,  yakni  tahap  dehidrasi,  karbonisasi,  dan aktivasi  dengan  microwave.  Proses  ini  dilakukan  dengan  memvariasikan  seng  nitrat heksahidrat yakni, 5%, 10%, 15%, 20%. dan 25%.
Sebanyak  5  gram  karbon  aktif  direndam  menggunakan  seng  nitrat  heksahidrat  selama 24  jam  pada  suhu  kamar  (Ginting,  et  al.,2017).  Selanjutnya,  shacker  kecepatan  250  rpm dengan waktu impregnasi selama 6 dan 12 jam. Hal ini bertujuan agar prekusor logam aktif seng  nitrat  heksahidrat  mengisi  pori-pori  karbon  aktif  melalui  adsorpsi  logam  (Munnik,  et al.,2014).
Setelah  proses  perendaman,  selanjutnya  karbon  aktif  dikeringkan  dalam  oven  dengan suhu  110 o C  untuk  menguapkan  sisa  molekul-molekul  air  yang  terdapat  didalam  karbon.
Kemudian AC-ZnO dikalsinasi pada suhu 400 o C selama 6 jam, agar garam logam seng nitrat heksahidrat  terdekomposisi  menjadi  oksida  logam  dan  stabilitas  katalis  terhadap  perubahan suhu meningkat (Desta, 2017).
2 Zn(NO 3 )2.6H 2 O  2 ZnO(s) + 4 NO 2 (g) + O 2 + 6H 2 O(g)

## Uji Band Gap Fotokatalis dengan UV-DRS
Karakterisasi  Karbon  aktif-ZnO  dengan  UV-DRS  bertujuan  untuk  menentukan  nilai celah  pita  dari  ZnO    nilainya  karena  berhubungan  dengan  kinerja  fotokatalitik  ZnO  dalam karbon  aktif.  Nilai  band  gap  yang  sesuai  bisa  optimal  digunakan  pada  penyinaran  tampak. Pengujian  dilakukan  dengan  variasi  massa  Karbon  aktif-ZnO,  yakni  25  mg,  50  mg,  dan  75 mg.
Penentuan  nilai band  gap optik  dilakukan  menggunakan  Tauc  plot.  Metode  ini membentuk  grafik  linear  hubungan  E  (eV)  pada  sumbu-x  dan  (ahv) 1/m di  sumbu-y  dengan menggunakan persamaan sebagai berikut: ( 𝛼 ℎ 𝜐 ) 1/m = c (ℎ 𝜐 − 𝐸𝑔 ) Dimana h = 6,63 × 10 -34 J.s, c adalah konstanta kecepatan cahaya dan Eg adalah celah energi material dan eksponen m tergantung pada jenis transisi.
Hasil pengukuran celah pita dari absorpsi optik ini dipengaruhi oleh terbentuknya band tail atau  energi  urbach.  Enegi  urbach  disebakan  karena band  gap mengalami  lokalisasi (localized  states) sebagai  akibat  dari  struktur  ZnO  yang  acak  dan  konsentarasi  karbon  aktif yang tinggi atau terjadinya cacat kristal dan tergabung dalam pita konduksi dan pita valensi sehingga  menghasilkan  tepi  eksponensial  pada  bahan  semikonduktor  ZnO  (Zhafirah, A.,2019). Berikut adalah grafik perbedaan band gap sebelum dan setelah impregnasi.
3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 1x10 17 2x10 17 3x10 17 4x10 17 (α hv) ^2 Energy (eV) ZnO Eg = 3,20 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 1x10 17 2x10 17 3x10 17 4x10 17 5x10 17 (α hv) ^2 Energy (eV) AC-ZnO 15% (a) Eg= 2,62
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 2,0x10 17 4,0x10 17 6,0x10 17 8,0x10 17 1,0x10 18 (α hv) ^2 Energy (eV) AC-ZnO 15% (b) Eg = 2,89 Gambar 1.
Grafik Nilai Band Gap ZnO, Karbon aktif-ZnO 15% Impregnasi 6 Jam, dan Karbon Aktif-ZnO 15%
Impregnasi 12 Jam
Proses  impregnasi  pada  karbon  aktif  mengakibatkan  penurunan  nilai  celah  pita semikonduktor  ZnO.    Nilai  band  gap  yang  lebih  rendah  akan  mempercepat  proses  eksitasi elektron  dari  pita  valensi  ke  pita  konduksi  ZnO  untuk  menghasilkan hole .  Elektron  yang tereksitasi dan hole kemudian akan bereaksi dengan melepaskan energi panas atau terjerat di dalam  akseptor  dan  donor  elektron  (reduktor  dan  oksidator).  Proses  ini  mengubah  energi radiasi menjadi energi kimia yang mempercepat terjadinya reaksi fotoredoks (Dhamayanti et al.,  2003)  dan  mampu  mendegradasi  polutan  organik  dengan  mekanisme  kerja  fotokatalis dalam persamaan berikut:
ZnO + hν → ZnO (e - cb + h + vb ) (1)
h + vb + H 2 O → H + + OH• (2)
h + vb + OH - → •OH (3)
e - cb + O 2 → •O 2 - (4)
•O 2 - + H 2 O → H 2 O 2 (5)
H 2 O 2 → 2 •OH (6) •OH + zat warna → Oksidasi senyawa polutan organik (7) •O2 + zat warna → Reduksi senyawa polutan organik (8)
Karbon  aktif  dengan  struktur  grafit  merupakan  konduktor  elektron  yang  baik,  serta memiliki  luas  permukaan  yang  besar,  dan  kemampuan  adsorpsi  yang  tinggi  .  Hal  ini membawa pengaruh  yang signifikan sebagai pendukung sistem fotokatalis ZnO. Penuruman band  gap ZnO  dari  nilai  3,2  eV  menjadi  2,6  eV  setelah  impregnasi  adalah  kondisi  yang disukai, karena mempercepat proses eksitasi elektron pada semikonduktor untu menghasilkan hole dalam rangka degradasi zat organik.
Grafik Perubahan Nilai Band Gap ZnO Pada Karbon aktif-ZnO Impregnasi 6 Jam
Karakterisasi  Karbon  aktif-ZnO  dengan  UV-DRS  ini  juga  menunjukkan  pengaruh penambahan  konsentrasi  semikonduktor  ZnO  pada  karbon  aktif  impregnasi  6  jam  yang mengakibatkan perubahan nilai celah pita, masing-masing variasi memiliki celah pita 4,62 eV pada 5%; 3,82 eV pada 10%; 2,62 eV pada 15%; 4,22 eV pada 20%; dan 5,01 eV pada 25%. Nilai optimum band gap adalah pada 15% Karbon aktif-ZnO. Hal ini disebabkan terputusnya ikatan  kovalen  yang  terbentuk  ketika  suhu  kristal  dan  konsentrasi  semikonduktor  dinaikkan sehingga  enghasilkan  elektron  bebas  yang  sudah  dalam  keadaan  konduksi  dengan  tingkat energi E c .
Suatu  katalis  dikategorikan  semikonduktor  apabila  memiliki  rentang  nilai  celah  pita (Eg) 0 hingga 4 eV. Energi ini dibutuhkan untuk melakukan eksitasi elektron dari pita valensi ke  pita  konduksi  (Aminullah  et  al.,  2019).  Dengan  berhasilnya  diturunkan band  gap dari Karbon  Aktif-ZnO  akan  menghasilkan  banyak  keuntungan  dari  rasio  degradasi  polutan organik  yang  tinggi,  waktu  penyinaran  yang  singkat,  biaya  rendah,  dan  tidak  ada  polutan sekunder.

## Uji Karakterisasi FTIR
Analisis FTIR dilakukan untuk melihat gugus-gugus yang terbentuk pada karbon aktif sebelum  dan  setelah  diimpregnasi  dengan  seng  nitrat  heksahidrat  yang  dilakukan  pada gelombang 4000-400 cm -1 .
Gambar 3. Hasil Karakterisasi FTIR Pada  spektrum  Zn(NO 3 ) 2 .6H 2 O,  bilangan  gelombang  417,60  cm -1 hingga  458,10  cm -1 menunjukkan  puncak  serapan  daerah  regangan  Zn-O.  Hal  ini  sesuai  dengan  penelitian Sanjaya  et  al.,  (2017)  yang  menyatakan,  daerah  regangan  Zn-O  berada  di  rentang  400-500 cm -1 .  Kemudian,  daerah  serapan  819,76  cm -1 menunjukkan  terbentuknya  koordinasi tetrahedral  Zn  (Rabia  et  al.,  2016).  Lalu  daerah  serapan  1311,62  cm -1 dan  3265,54  cm -1 dikaitkan dengan adanya gugus C-O dan regangan O-H.
Pada spektrum Karbon Aktif, meperlihatkan terdapat daerah regangan O-H di bilangan gelombang  3346,29  cm -1 .  Hal  Ini  membuktikan  bahwa  karbon  aktif  bersifat  higroskopis karena  terdapat  air  didalamnya  (Soleimani  &  Kaghazchi,  2014).  Selain  itu,  gugus  C=C aromatik di bilangan gelombang 1591,79 cm -1 menunjukkan struktur dasar grafit yang berupa
lembaran  graphene  dengan  heksagonal  C=C  terkonjugasi.  Lalu  di  bilangan  gelombang 1214,64 cm -1 terdapat regangan gugus fungsi C-O yang berasal dari lignin (Murti, 2008). Pada spektrum AC-ZnO 15% impregnasi 6 jam (AC-ZnO a), teridentifikasi daerah Zn- O stretching pada bilangan gelombang 445,27 cm -1 . Hal ini membuktikan bahwa ZnO telah terjerap  dalam  pori-pori  karbon  aktif.  Kemudian  adanya  daerah  regangan  C-O  alifatik  dan C=C  aromatik  membuktikan  bahwa  dalam  fotokatalis  tersebut  terdapat  karbon  aktif.  Hasil tersebut didukung dengan adanya puncak serapan pada bilangan gelombang 1231,36 cm -1 dan 1571,23 cm -1 (Saraswati et al., 2015). Lalu bilangan gelombang 3234,39 cm -1 menunjukkan adanya daerah regangan gugus fungsi O-H (hidroksil) dari pelarut air yang digunakan selama impregnasi.
Pada  spektrum  AC-ZnO  15%  impregnasi  12  jam  (AC-ZnO  b),  memperlihatkan spektrum  dengan  pola  yang  sama  dengan  AC-ZnO  20%  impregnasi  6  jam  dan  tidak memberikan perbedaan yang signifikan.

## KESIMPULAN
Berdasarkan  peelitian  dan  pembahasan  yang  telah  dilakukan,  maka  dapat  ditarik kesimpulan  bahwa  fotokatalis  dibuat  melalui  proses  impregnasi  dalam  larutan  Zn(NO 3 ) 2 . 6H 2 O, pengeringan, dan kalsinasi. Kondisi optimum katalis terdapat pada 75 mg 15% Karbon aktif-ZnO  teriimpregnasi  dengan  penurunan  nilai band  gap ZnO  menjadi  2,62  eV  dan teridentifikasinya gugus fungsi Zn-O di karbon aktif.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulisan artikel ini tidak terlepas dari bimbingan dan arahan dari semua pihak. Penulis mengucapkan  terimakasih  kepada  Bapak  Miftahul  Khair,  S.Si,M.Si,  Ph.D  selaku  dosen Pembimbing  dan  Penasehat  Akademik  yang  telah  membimbing  dalam  penulisan  artikel. Tidak lupa pula terima kasih atas dukungan kepada bapak/ibu analis Laboratorium Instrumen Kimia, FMIPA, Universitas Negeri Padang.

## REFERENSI
Abdessemed, A., Rasalingam, S., Djebbar, K. E. Z., & Koodali, R. (2019). Impregnation of ZnO onto a vegetal activated carbon from algerian olive waste: A sustainable photocatalyst for degradation of ethyl violet dye. International Journal of Photoenergy , 2019 . https://doi.org/10.1155/2019/4714107
Aminullah, M. W., Setiawan, H., Huda, A., Samaulah, H., Haryati, S., & Bustan, M. D. (2019). Pengaruh Komposisi Material Semikonduktor Dalam Menurunkan Energi Band Gap dan Terhadap Konversi Gelombang Mikro. Jurnal EECCIS , 13 (2), 65–70.
Aworn, A., Thiravetyan, P., & Nakbanpote, W. (2008). Preparation and characteristics of agricultural waste activated carbon by physical activation having micro- and mesopores. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 82, 279–285. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2008.04.007
Desta, V. (2017). Pemanfaatan Cangkang Kelapa Sawit sebagai Penyangga pada Katalis Cu/Zn/Karbon Aktif untuk Konversi SYGAS (H2/CO) Menjadi Metanol. Skripsi Universitas Islam Negeri Syarif Hidayatullah .
Dhamayanti, Y., Wijaya, K., & Tahir, I. (2003). Fotodegradasi Zat Warna Methyl Orange Menggunakan Fe2O3-Montmorillonit dan Sinar Ultraviolet. Proseding Seminar Nasional DIES KE 5O FMIPA UGM .
Durri, S., & Sutanto, H. (2015). Karakterisasi Sifat Optik Lapisan Tipis ZnO doping Al yang di Deposisi diatas Kaca dengan Metode Sol-Gel Teknik Spray-Coating. XIX, 38–40 Fanani, N., & Ulfindrayani, I. F. (2019). Synthesis of Activated Carbon (AC) from Bamboo Waste as A Support of Zinc Oxide (ZnO) Catalyst. Konversi , 8 (2), 108–112.
Ginting, B. S. O., Tarigan, B. D., & Hindryawati, N. (2017). Impregnasi Natrium Hidroksida pada Karbon Aktif Cangkang Jengkol sebagai Katalis dalam Pembuatan Biodiesel.
Prosiding Seminar Nasional Kimia, 143–147.
Meisrilestari, Y., Khomaini, R., & Wijayanti, H. (2013). Pembuatan Arang Aktif dari Cangkang Kelapa Sawit dengan Aktivasi Secara Fisika, Kimia, dan Fisika-Kimia. Jurnal Konversi, 2(1), 45–50
Mohamed, R. M., & Aazam, E. S. (2012). Enhancement of photocatalytic activity of ZnO– SiO2 by nano-sized Ag for visible photocatalytic reduction of Hg (II). Desalination and Water Treatment , 50 (1-3), 140–146.
Munnik, P., Jongh, P. E. De, & Jong, K. P. De. (2014). Recent Developments in the Synthesis of Supported Catalysts.
Murti, S. 2008. Pembuatan Karbon Aktif dari Tongkol Jagung umtuk Adsorpsi Molekul Amonia dan Ion Krom. Skripsi Universitas Indonesia .
Naimah, S., A, S. A., Jati, B. N., Nur, N., & Arianita, C. (2014). Degradasi Zat Warna pada Limbah Cair Industri Tekstil dengan Metode Fotokatalitik Menggunakan Nanokomposit TiO2-Zeolit. Jurnal Kimia Kemasan , 36 .
Rabia, J., Muhammad, U., Saira, T., & Zia, M. 2016. Effect of Capping Agents : Structural , Optical  and  Biological  Properties  of  ZnO  Nanoparticles. Applied  Surface  Science . https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.06.042
Sandi, A. P., & Astuti. (2014). Pengaruh Waktu Aktivasi Menggunakan H3PO4 terhadap Struktur dan Ukuran Pori Karbon Berbasis Arang Tempurung Kemiri ( Aleurites moluccana ). Jurnal Fisika Unand , 3 (2), 115–120.
Sanjaya, H., Pinta, R., & Nigsih, S. K. W. 2017. Degradasi Methylene Blue Menggunakan Katalis ZnO-PEG dengan Metode Fotosonolisis. Jurnal Eksakta , 18 (2).
Saraswati, I. G. A. A., Diantariani, N. P., & Surya, P. 2015. Fotodegradasi Zat Warna Tekstil Congo Red dengan Fotokatalis ZnO-arang Aktif dan Sinar Ultraviolet (UV). Jurnal Kimia , 9 (2).
Varughese, G., Jithin, P. W., & Usha, K. T. (2015). Determination of optical band gap energy of wurtzite ZnO: Ce nanocrystallites. Physical Science International Journal , 5 (2), 146 Zhafirah, A,. (2019). Studi Struktur Kristal, Morfologi, Dan Sifat Optik Film Tipis ZnO Doping Mg Yang Dideposisikan Dengan Metode Sol-Gel Spin Coating. Skripsi Universitas Negeri Semarang.