ISSN: 1410-8917 e-ISSN: 2597-9914
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 21 (4) (2018): 182 – 186

## Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi
Journal of Scientific and Applied Chemistry
Journal homepage: http://ejournal.undip.ac.id/index.php/ksa
Electrosynthesis of α -Fe 2 O 3 in a Fe(s)|KCl(aq)||H 2 O(aq)|C(s) System
Nia Siskawati a , Didik Setio Widodo a , W. H. Rahmanto a , Linda Suyati a,*
a Chemistry Department, Faculty of Sciences and Mathematics, Diponegoro University, Jalan Prof. Soedarto, Tembalang, Semarang
* Corresponding author: linda_suyati@live.undip.ac.id
https://doi.org/10.14710/jksa.21.4.182-186
A r t i c l e   I n fo

## A b s t r a c t
Article history: Received: 2 August 2018
Revised: 15 October 2018 Accepted: 17 October 2018 Online: 31 October 2018
Keywords: Electrosynthesis; Fe metal; KCl; α -Fe 2 O 3 Research  on α -Fe 2 O 3 electrosynthesis  has  been  performed  in  the  system Fe(s)|KCl(aq)||H 2 O(aq)|C(s). Electrolysis produces a reduction and oxidation reaction so that it requires a proper electrolyte concentration in the process. The purpose of this study was to obtain α -Fe 2 O 3 compounds, determine the products produced by FTIR and XRD, and determine the size of the grains of products with PSA. Electrolysis method of two compartment was used in this research. The cathode and anode compartments was connected with the salt bridge. In anode chamber containing electrolyte solution KCl was varied  (0,2  M;  0,3  M;  0,4  M;  0,5  M  and  0,6  M)  whereas  at  cathode  space  there  was aquades. Electrolysis was run at 12 V for 8 hours. The electrolysis result was then calcined for two hours at a temperature of 500°C. The resulting product was then characterized by (FTIR, XRD, and PSA). The resulting product is then characterized by (FTIR, XRD, and PSA). The results showed that brown ferrihydrite was obtained in a concentration of 0.2 M; 0.3 M; 0.4 M; 0.5 M and 0.6 M were 21.6 mg; 24.1 mg; 34.5 mg; 39.4 mg and 62.4 mg respectively.  Ferrihydrite  produced  from  electrolysis  of  KCl  0.4  M  concentration  was dark red The XRD results show the presence of α -Fe 2 O 3 and PSA results show that the α - Fe 2 O 3 particle size is 151.57-171.25 nm.

## A b s t r a k
Kata Kunci: Elektrosintesis; elektrolit; KCl; logam Fe; α -Fe 2 O 3
Penelitian  tentang  elektrosintesis α -Fe 2 O 3 sistem  Fe(s)|KCl(aq)||H 2 O(aq)|C(s)  telah dilakukan. Elektrolisis menghasilkan reaksi reduksi dan oksidasi sehingga memerlukan konsentrasi  elektrolit  yang  tepat  didalam  prosesnya.  Tujuan  penelitian  ini  adalah mendapatkan senyawa α -Fe 2 O 3 , menentukan produk yang dihasilkan dengan FTIR dan XRD,  serta  menentukan  ukuran  bulir  produk  dengan  PSA.  Metode  elektrolisis  dua kompartemen  digunakan  dalam  penelitian  ini.  Kompartemen  katoda  dan  anoda dihubungkan  dengan  jembatan garam.  Pada ruang  anoda berisi  larutan  elektrolit  KCl divariasikan  (0,2  M;  0,3  M;  0,4  M;  0,5  M  dan  0,6  M)  sedangkan  pada  ruang  katoda terdapat  aquades.  Elektrolisis  dijalankan  pada  tegangan  12  V  selama  8  jam.  Hasil elektrolisis  selanjutnya  dikalsinasi  selama  dua  jam  pada  suhu  500°C.  Produk  yang dihasilkan  kemudian  dikarakterisasi  dengan  (FTIR,  XRD,  dan  PSA).  Hasil  penelitian menunjukkan  bahwa ferrihydrite yang berwarna  coklat  didapatkan  dalam  konsentrasi 0,2 M; 0,3 M; 0,4 M; 0,5 M dan 0,6 M berturut-turut 21,6 mg; 24,1 mg; 34,5 mg; 39,4 mg dan  62,4  mg. Ferrihydrite yang  dihasilkan  dari  elektrolisis  konsentrasi  KCl  0,4  M berwarna  merah  gelap.  Hasil  XRD  menunjukkan  adanya α -Fe 2 O 3 dan  hasil  PSA menunjukkan bahwa ukuran partikel α - Fe 2 O 3 adalah 151,57-171,25 nm.
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 21 (4) (2018): 182 – 186

## 1. Pendahuluan
Hematit  ( α -Fe 2 O 3 )  adalah  jenis  oksida  besi  yang paling stabil dan sering dimanfaatkan sebagai pigmen [1]. Pigmen  menjadi  salah  satu  komponen  dasar  dalam pembuatan cat yang fungsinya sebagai pewarna dan daya penutup  ( hiding  power )  pada  cat.  Keunggulan  hematit adalah  lebih  ramah  lingkungan, nontoxicity ,  kekuatan tinggi  dalam  pewarnaan,  dan  daya  tahan  baik.  Ukuran partikel hematit untuk dijadikan pigmen berkisar antara 0.1 –0.5 μm [2].
Elektrolisis  satu  kompartemen  menggunakan karbon  sebagai  anoda  dan  platinum  sebagai  katodanya telah  dilakukan  oleh  Lucas-Granados dkk. [3]  dan Rangaraju dkk. [4].  Elektrolit  yang  dipakai  oleh  Lucas- Granados dkk. [3]  adalah  0,1  M  ammonium  fluorida (NH 4 F), sedangkan Rangaraju dkk. [4] memakai elektrolit 0,2 M natrium tetraborat direaksikan dengan 0,025-0,1M natrium tetra fluoroborat dan 0,2 M natrium tripolifosfat (Na 5 P 3 O 10 )  direaksikan  dengan  0,05  M  NH 4 F  (pH  5-8)  . Hasil penelitian kemudian dikalsinasi pada temperature 500°C  dan 550°C  hasilnya adalah α -Fe 2 O 3 .  Saito dkk. [5] melakukan elektrolisis satu kompartemen menggunakan elektroda  logam  Sn  dan  Pt  dalam  larutan  elektrolit  KCl dengan variasi konsentrasi 0,01 sampai 1,0 M selama satu jam dengan tegangan antara 70 sampai 190 V.  Sarahney dkk. [6] melakukan elektrolisis dua kompartemen dengan membran  Nafion-112.  Elekrolisis  dilakukan  dengan elektrolit  FeCl 2 .  Logam  besi  sebagai  anoda  dan Mixed Metal Oxide (MMO) berlapis titanium sebagai katoda.
Dari  uraian  di  atas  maka  dalam  penelitian  ini  akan dilakukan elektrolisis dengan sistem Fe(s)|KCl(aq)||H 2 O(aq)|C(s). Elektrolisis dilakukan dengan memvariasi konsentrasi larutan elektrolit KCl 0,2 M; 0,3 M; 0,4 M; 0,5 M dan 0,6 M. Produk hasil elektrolisis selanjutnya  dikalsinasi  pada  suhu  500°C  untuk mendapatkan  senyawa α -Fe 2 O 3 yang  diharapkan memiliki ukuran partikel berkisar antara 0.1 –0.5 μm.

## 1. Metodologi

## 1.1. Bahan dan Alat
KCl,  Aquades,  Elektroda  karbon,  Logam  Fe,  Kertas saring  dan  Silika  gel,  Power  suplay  Montana  5  Ampere, Multimeter Sanwa a8000, Termometer, pH meter, Kabel penjepit , Glasswere  laboratorium,  Neraca  analitik, Furnace , Instrument FTIR Perkin Elmer Spectrum Version 10.4.00,  Instrumen  XRD  Shimadzhu  Maxima  7000, Instrumen PSA Horiba SZ-100

## 1.2. Proses elektrolisis
Elektrolisis  dua  kompartemen  yang  dihubungkan dengan jembatan garam. Logam besi sebagai anoda dan carbon  sebagai  katoda. Pada  kompartemen anoda  berisi elektrolit KCl dengan variasi konsentrasi 0,2 M; 0,3 M; 0,4 M;  0,5  M  dan  0,6  M,  sedangkan  kompartemen  katoda berisi  akuades.  Proses  elektrolisis  dilakukan  selama delapan  jam  dengan  tegangan  12V  dan  jarak  antar elektroda  2  cm.  Endapan  hasil  elektrolisis  dikalsinasi pada suhu 500°C selama dua jam.

## 1.3. Karakterisasi
Analisis  FTIR  untuk  mengetahui  gugus  fungsi  dan analisis XRD untuk menentukan kristalinitas material.

## 2. Hasil dan Pembahasan

## 2.1. Proses Elektrolisis
Pada saat proses elektrolisis di ruang anodik terjadi oksidasi  logam  besi  membentuk  ionnya.  Proses pembentukan ion besi ini ditandai dengan endapan yang berwarna hijau yang mengindikasikan terbentuknya Fe 2+ . Menurut  Svehla  [7]  pada  kondisi  terbuka  Fe 2+ sangat mudah  terokidasi  menjadi  ion  Fe 3+ .  Perubahan  ion  Fe 2+ menjadi  Fe 3+ ditandai  dengan  perubahan  warna  larutan yang  berwarna  hijau  menjadi  kuning  muda.  Reaksi oksidasi logam besi ditunjukan pada persamaan berikut:
Fe(s) → Fe 2+ + e (1) Fe 2+ + e → Fe 3+ (2)
Pada ruang katodik terjadi reaksi reduksi air, di mana terjadi  peristiwa  penguraian  air  (H 2 O)  menjadi  OH - dan gas hidrogen (H 2 ). Selama proses elektrolisis berlangsung ion  hidroksida  (OH - )  hasil  peruraian  air  akan  bereaksi dengan  kation  kalium  dari  elektrolit  KCl.  Reaksi  antara ion  hidroksida  dan  ion  kalium  akan  membentuk  basa KOH. Menurut Ghalwa dan Farhat [8] reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:
Katoda: 2H 2 O (l) + 2e → H 2(g) + 2OH -(aq) (3)
Setelah terbentuk OH - , ion hidroksi tersebut bereaksi dengan kation kalium reaksi yang terjadi sebagai berikut [7]:
K + + OH - →KOH (aq) (4)

## 2.2. Pengaruh Konsentrasi Larutan KCl terhadap Produk Elektrolisis
Gambar  1  menunjukkan  hubungan  konsentrasi larutan  elektrolit  KCl  terhadap  massa  endapan  yang dihasilkan.  Pada  proses  elektrolisis  konsentrasi  larutan KCl  sebanding  dengan  massa  endapan  yang  dihasilkan dari  proses  elektrolisis.  Semakin  tinggi  konsentrasi larutan  KCl  maka  endapan  yang  dihasilkan  semakin banyak sesuai dengan Hukum Faraday 1 yang menyatakan bahwa  berat  (w)  logam  yang  terelektrolisis  sebanding dengan  jumlah  muatan  yang  dilewatkan  (q,  Coulomb) yang sebanding dengan kuat arus (I, Ampere) dan waktu (t, detik)
Gambar 1. Hubungan Massa Produk (mg) Vs konsentrasi
KCl (M)

## 2.3. Analisis FTIR
Warna oksida atau hidroksida besi dapat membantu untuk  identifikasi  fase  penyusun  utama  atau  sebagai ukuran  kemurnian  material  .  Sampel  hasil  elektrolisis dari  berbagai  konsentrasi  elektrolit  berwarna  coklat. Berdasarkan  perbandingan  warna  yang  dibandingkan dengan [9] diasumsikan bahwa sampel hasil elektrolisis yang berwarna coklat merupakan ferrihydrite (5Fe 2 O 3 ·9H 2 O) atau feroxyhyte ( δ -FeOOH).
Gambar 1 menunjukkan spektra FTIR pada berbagai konsentrasi KCl, spektra FTIR menunjukkan kristalinitas yang  rendah  dari ferrihydrite . Peak yang  luas  yang berpusat pada 3400 cm -1 ; 3391cm -1 ; 3403 cm -1 ; 3267 cm -1 dan  3188  cm -1 menunjukkan  vibrasi stretching molekul H 2 O [10]. Selain itu terdapat vibrasi bending dari molekul H 2 O  yang  muncul  pada  panjang  gelombang  1629  cm -1 ; 1627  cm -1 ;  1626  cm -1 dan  1628  cm -1 [9].  Spektra  IR menunjukkan  bahwa  pada  sampel  terdapat  gugus karbonat. Bilangan gelombang 1154 cm -1 ; 1153 cm -1 ; 1159 cm -1 dan  1155  cm -1 menunjukkan  vibrasi  asimetri  C=O. Panjang  gelombang  1021  cm -1 dan  1020  cm -1 menunjukkan  vibrasi  bending  C=O  [11].  Adanya  gugus karbonat  dalam  sampel  dikarenakan ferrihydrite sangat rentan terhadap karbon dioksida diudara sehingga terjadi proses adsrobsi CO 2 [12]. Peak pada 741 cm -1 dan 742 cm -1 menunjukkan stretching  mode Fe-O  [11]. Peak yang ditunjukkan pada bilangan gelombang 464 cm -1 , 467 cm - 1 , 456 cm -1 dan 472 cm -1 merupakan tipe dari ferrihydrite [12].
Berdasarkan spektra FTIR yang terbaca menunjukkan  bahwa  pada  setiap  variasi  kosentrasi elektrolit  KCl  menghasilkan  jenis  vibrasi  molekul  yang sama,  sehingga  diasumsikan  bahwa  produk  yang didapatkan juga sama yaitu sama peak ferrihydrite .
Gambar 2. Spektra FTIR pada b erbagai k onsentrasi
Selanjutnya sampel hasil elektrolisis pada konsentrasi elektrolit KCl 0,4 M. dianalisis menggunakan XRD. Pemilihan ini didasarkan karena elektrolit KCl 0,4 M merupakan  konsentrasi  tengah  dari  variasi  elektolit dalam penelitian ini.

## 2.4. Analisis XRD
Gambar 3 Spektra XRD s ebelum p roses k alsinasi
Gambar  3  merupakan  spektra  XRD  endapan  hasil elektrolisis  pada  konsentrasi  KCl  0,4  M.  Pengujian dengan  XRD  menunjukkan  difraktrogram  yang menggambarkan  hubungan  antara  intensitas  terhadap sudut  difraksi  (2 θ ).  Dari  data  XRD  nampak  bahwa senyawa  hasil  elektrolisis  merupakan  senyawa  dengan kristalinitas  yang  rendah.  Hal  ini  sesuai  dengan  hasil spektra FTIR yang menunjukkan bahwa terdapat spektra khas dari ferrihydrite kristalinitas rendah.  Semua  oksida besi bersifat kristalin kecuali ferrihydrite [13]. Ferrihydrite merupakan prekusor untuk  membentuk  fasa  oksida  besi yang  lebih  stabil  yaitu α -Fe 2 O 3 [14].  Teja  dan  Koh  [15] mensintesis α -Fe 2 O 3 dari prekusor ferrihydrite dengan kalsinasi  pada  suhu  500°C.  Lucas-Granados dkk. [3] menghasilkan α -Fe 2 O 3 dengan  metode  elektrolisis setelah proses kalsinasi pada suhu 500°C.
Gambar 4. Spektra XRD setelah proses kalsinasi
Gambar  4  menunjukkan  spektra  XRD  yang dihasilkan  setelah  kasinasi  pada  suhu  500°C.  Senyawa yang  dihasilkan  dari  proses  kalsinasi  ini  merupakan α - Fe 2 O 3 (rhombohedral). Keberadaan α -Fe 2 O 3 (rhombohedral)  ditunjukkan  dengan  lima  puncak tertinggi pada 2 θ sebesar 33,20°; 35,69°; 54,09°; 49,49° dan 40,86°, sedangkan pada database JCPDS No 89-2810 untuk α -Fe 2 O 3 (rhombohedral)  mempunyai  2 θ sebesar 33,146°; 35,598°; 54,045°; 49,428° dan 40,837°. Hematit α -Fe 2 O 3 merupakan senyawa yang berwarna merah gelap [9] . Hal ini sesuai dengan warna yang dihasilkan oleh [9] setelah proses kalsinasi yang ditunjukkan pada gambar 5.

## Gambar 5. Setelah kalsinasi
2.5. Analisis PSA ( Particle Size Analyzer )
Hasil pengujian distribusi ukuran partikel menggunakan Particle Size Analyzer ukuran partikel dari hematit  ( α -Fe 2 O 3 )  adalah  151,57-171,25  nm.  Ukuran partikel  yang  dihasilkan  sesuai  dengan  standar  ukuran pigmen  hematit  yaitu  berkisar  antara  0.1 –0.5  μm [2]. Hasil  pengukuran  PSA  nilai  indeks  polidispersitas α - Fe 2 O 3 adalah 0.894. Sistem polidispersi memperlihatkan distribusi ukuran partikel yang cenderung luas.

## 3. Kesimpulan
Hasil elektrolisis dari berbagai konsentrasi elektrolit KCl  menghasilkan ferrihydrite yang  berwarna  coklat dengan massa berturut turut 21,6 mg; 24,1 mg; 34,5 mg; 39,4 mg dan 62,4 mg. Produk yang dihasilkan dari proses kalsinasi  berwarna  merah  gelap.  Hasil  XRD  dan  PSA
menunjukkan  adanya  partikel α -  Fe2O3  dengan  ukuran partikel 151,57-171,25 nm.

## 4. Daftar Pustaka
[1]  S. K. Sahoo, K. Agarwal, A. K. Singh, B. G. Polke, K. C. Raha,  Characterization  of γ -  and α -Fe 2 O 3 nano powders  synthesized  by  emulsion  precipitation- calcination  route  and  rheological  behaviour  of α - Fe 2 O 3 , International Journal of Engineering, Science and Technology , 2, 8, (2010) 118-126
[2]  Lilik  Miftahul  Khoiroh,  Diah  Mardiana,  Akhmad Sabarudin,  Bambang  Ismuyanto,  Synthesis  of Hematite  Pigments  (alpha-Fe2O3)  by  Thermal Transformations  of  FeOOH, The  Journal  of  Pure  and Applied  Chemistry  Research ,  2,  1,  (2013)  27-34 http://dx.doi.org/10.21776/ub.jpacr.2013.002.01.120
[3]  Bianca Lucas-Granados, Rita Sánchez-Tovar, Ramón M. Fernández-Domene, Jose García-Antón, Controlled  hydrodynamic  conditions  on  the formation of iron oxide nanostructures synthesized by  electrochemical  anodization:  Effect  of  the electrode rotation speed, Applied Surface Science , 392,
(2017) 503-513
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.09.073
[4]  Raghu R. Rangaraju, K. S. Raja, A. Panday, M. Misra, An  investigation  on  room  temperature  synthesis  of vertically oriented arrays of iron oxide nanotubes by anodization of iron, Electrochimica Acta , 55, 3, (2010)
785-793
https://doi.org/10.1016/j.electacta.2009.07.012
[5]  Genki Saito, Wan Omar Sidiq Bin Wan Mohd Azman, Yuki Nakasugi, Tomohiro Akiyama, Optimization of electrolyte  concentration  and  voltage  for  effective formation of Sn/SnO2 nanoparticles by electrolysis in liquid, Advanced  Powder  Technology ,  25,  3,  (2014) 1038-1042 https://doi.org/10.1016/j.apt.2014.02.003
[6]  Hussam  Sarahney,  Xuhui  Mao,  Akram  N. Alshawabkeh,  The  role  of  iron  anode  oxidation  on transformation  of  chromium  by  electrolysis,
Electrochimica Acta , 86, (2012) 96-101 https://doi.org/10.1016/j.electacta.2012.07.011
[7]  G.  Svehla,  Vogel  -  Buku  Teks  Analisis  Anorganik Kualitatif  Makro  dan  Semimikro,  edisi  5  ed.,  L. Setiono, H. Pudjaatmaka, PT. Kalman Media Pusaka, Jakarta, 1985.
[8]  Nasser  Ghalwa,  Nader  Farhat,  Removal  of Imidacloprid Pesticide by Electrocoagulation Process using  Iron  and  aluminum  Electrodes, Journal  of Environmental Analytical Chemistry , 2, 154, (2015) 1-7 http://dx.doi.org/10.4172/2380-2391.1000154
[9]  Jorge Pedrosa, Benilde F. O. Costa, António Portugal, Luisa  Durães,  Controlled  phase  formation  of nanocrystalline iron oxides/hydroxides in solution – An insight on the phase transformation mechanisms, Materials  Chemistry  and  Physics ,  163,  (2015)  88-98 https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2015.07.018
[10] M.  Ristić,  E.  De  Grave,  S.  Musić,  S.  Popović,  Z. Orehovec,  Transformation  of  low  crystalline ferrihydrite to α -Fe2O3 in the solid state, Journal of Molecular  Structure ,  834-836,  (2007)  454-460 https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2006.10.016
[11]  Majid  Farahmandjou,  Farzaneh  Soflaee,  Low temperature  synthesis of α -Fe2O3 nano-rods  using
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 21 (4) (2018): 182 – 186
simple chemical route, Journal of Nanostructures , 4, 4, (2014) 413-418
[12] Mark  Žic,  Mira  Ristić,  Svetozar  Musić,  57Fe Mössbauer,  FT-IR  and  FE  SEM  investigation  of  the formation of hematite and goethite at high pH values, Journal  of  Molecular  Structure ,  834-836,  (2007)  141-
149 https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2006.10.030
[13] M Mohapatra, S Anand, Synthesis and applications of nano-structured  iron  oxides/hydroxides – a  review, International  Journal  of  Engineering,  Science  and Technology , 2, 8, (2010) 127-136
[14] Hui  Liu,  Yu  Wei,  Yuhan  Sun,  The  Formation  of hematite from ferrihydrite using Fe(II) as a catalyst, Journal  of  Molecular  Catalysis  A:  Chemical ,  226,  1,
(2005) 135-140
https://doi.org/10.1016/j.molcata.2004.09.019
[15] Amyn S. Teja, Pei-Yoong Koh, Synthesis, properties, and applications of magnetic iron oxide nanoparticles, Progress  in  Crystal  Growth  and Characterization  of  Materials ,  55,  1,  (2009)  22-45 https://doi.org/10.1016/j.pcrysgrow.2008.08.003