Sintesis Bi 4 Ti 3 O 12 Terdoping Vanadium dengan Metode Lelehan Garam Tunggal NaCl
The Moltens Salt Synthesis of Vanadium Doped Bi 4 Ti 3 O 12 using Single Salt NaCl
Khawiyatur Riv’ah Agustina 1 , Dwi Suheriyanto 2 , Anton Prasetyo 1*
1 Program Studi Kimia, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Islam Negeri Maulana Malik Ibrahim Malang, Jalan Gajayana 50 Malang, 65144, Indonesia
2 Program Studi Biologi, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Islam Negeri Maulana Malik Ibrahim Malang, Jalan Gajayana 50 Malang, 65144, Indonesia
*E-mail: anton@kim.uin-malang.ac.id
DOI: https://doi.org/10.26874/jkk.v3i1.50
Received : 19 May 2020, Revised : 31 May 2020, Accepted : 31 May 2020, O nline : 31 May 2020
Abstrak
Bi 4 Ti 3 O 12 merupakan senyawa Aurivillius lapis 3 yang berpotensi sebagai material fotokatalis dengan energi  celah  pita  2,9  eV  (427  nm).  Untuk  memperluas  pemanfaatannya,  maka  energi  celah  harus diturunkan. Salah satu usaha untuk menurunkan  energi celah pita adalah dengan teknik pendopingan logam.  Dalam  penelitian ini,  kami  melakukan  pendopingan  logam vanadium  pada  Bi 4 Ti 3 O 12 (Bi 4 Ti 3- x V x O 12 ( x = 0, 0,05; 0,1; 0,15, dan 0,2)) dengan metode lelehan garam. Data difraktogram menunjukkan fasa  Bi 4 Ti 3 O 12 terbentuk  dengan  fasa  pengotor  BiNaO 3 dan  NaV 6 O 11 .  Hasil  karakterisasi  dengan menggunakan Scanning  Electron  Microscopy (SEM)  menunjukkan  bahwa  bentuk  partikel  Bi 4 Ti 3 O 12 adalah plate-like .  Hasil  karakterisasi  dengan  menggunakan  ultraviolet  (UV)- visible (Vis) Diffuse Reflectance  Spectroscopy (UV-Vis  DRS)  menunjukkan  bahwa  sampel  yang  diperoleh  mempunyai energi celah pita yang lebih rendah dibandingkan dengan Bi 4 Ti 3 O 12.
Kata kunci: Bi 4 Ti 3 O 12 , dopant vanadium, energi celah

## Abstract
Bi 4 Ti 3 O 12 is  one  of  member  threelayer  Aurivillius  compound  family,  which  has  the  potential  as  a photocatalyst material with band gap energy 2.9 eV (427 nm). Therefore, to expand its utilization, the gap energy must be reduced. Doping with metal is one technique that can reduce the energy of a band gap. In this study, we synthesized vanadium doped Bi 4 Ti 3 O 12 (Bi 4 Ti 3-x V x O 12 (x = 0, 0.05; 0.1; 0.15 and 0.2) by molten salt synthesis. Difractogram data shows that the Bi 4 Ti 3 O 12 phase is formed with BiNaO 3 and NaV 6 O 11 impurities. The image of SEM showed that the particle shape of Bi 4 Ti 3 O 12 is plate like. UV-Vis  DRS  spectra  showed  that  the  vanadium  doped  Bi 4 Ti 3 O 12 have  lower  band  gap  energy  than Bi 4 Ti 3 O 12.
Keywords: Bi 4 Ti 3 O 12 , dopant vanadium, band gap energy
1 Pendahuluan
Perkembangan  industri  tekstil  yang  pesat menyebabkan  meningkatnya  limbah  zat  warna seperti  Rhodamin  B,  metil  oranye,  metilen  biru dan  zat  warna  tekstil  lainnya.  Beberapa  metode penanganan limbah zat warna telah dikembangkan antara  lain  metode  adsorpsi,  lumpur  aktif, bioremediasi, koagulasi, filtrasi membran,
elektrolisis dan fotokatalisis. Metode fotokatalisis dianggap sebagai metode yang sangat berpotensi dalam  mendegradasi  zat  warna  dengan  produk akhir yang ramah lingkungan [1].
Senyawa  Bi 4 Ti 3 O 12 merupakan  material semikonduktor  yang  memiliki  energi  celah  pita (E g ) sebesar 2,9 eV (427 nm) dan laju rekombinasi yang  tinggi  [2].  Hal  ini  menunjukkan  bahwa
energi yang dibutuhkan masih relatif tinggi. Untuk menurunkan  energi  celah  pita  yang  tinggi sehingga dapat meningkatkan kinerja fotokatalitik dapat digunakan beberapa metode seperti doping dengan  kation  atau  anion,  dimodifikasi  dengan logam mulia, atau berkomposisi dengan semikonduktor  lain  [1].  Beberapa  logam  telah dilaporkan digunakan untuk mendoping senyawa Bi 4 Ti 3 O 12 di antaranya adalah Fe, Cr, dan V [2–5]. Gu  dkk.  (2017)  melaporkan  Bi 4 Ti 3 O 12 didoping vanadium dengan variasi doping ( x = 0; 0,05; 0,1). Sintesis dilakukan dengan metode hidrotermal dan diperoleh  hasil  bahwa  ditemukan  penurunan energi  celah  pita  yang  lebih  kecil  [5].  Hal  ini menunjukkan bahwa logam vanadium berpotensi digunakan sebagai dopan.
Aktivitas  fotokatalitik  dipengaruhi  oleh banyak  faktor  yang  salah  satunya  adalah morfologi  partikel  [6].  Metode  lelehan  garam adalah  suatu  metode  yang  sederhana  yang mempunyai beberapa keuntungan yaitu memerlukan  suhu  reaksi  yang  relatif  rendah, mempunyai kemampuan untuk mengontrol ukuran/bentuk  partikel  [7].  Beberapa  pihak  telah melaporkan  bentuk  morfologi  partikel  senyawa Bi 4 Ti 3 O 12 yang  didoping  dengan  metode  lelehan garam  yaitu  berbentuk plate-like [8,9].  Oleh karena  itu,  dalam  penelitian  ini  dilakukan pendopingan material Bi 4 Ti 3 O 12 (Bi 4 Ti 3- x V x O 12 ( x = 0, 0,05; 0,1; 0,15 dan 0,2)) dengan metode lelehan garam  dengan  tujuan  mendapatkan  senyawa Bi 4 Ti 3 O 12 terdoping  vanadium  yang  mempunyai morfolgi  yang  khas.  Sampel  yang  diperoleh dikarakterisasi  menggunakan  difraksi  sinar- X (XRD), Scanning  Electron  Microscopy (SEM), dan UV-Vis DRS.
2 Metode Penelitian
Prekursor  yang  digunakan  Bi 2 O 3 (Aldrich, 99,9%  serbuk),  TiO 2 (Aldrich,  99,9%  serbuk), V 2 O 3 (Sigma  Aldrich),  NaCl  (Aldrich,  99,5% serbuk), Aseton, AgNO 3 dan akuades.
Sintesis  Bi 4 Ti 3- x V x O 12 ( x =  0;  0,05;  0,1; 0,15; 0,2) dilakukan dengan cara  mencampur prekursor  Bi 2 O 3 ,  TiO 2 ,  dan  V 2 O 3, yang disesuaikan dengan perhitungan stoikiometri. Prekursor dihomogenkan dengan cara digerus menggunakan mortar agate selama 1 jam dan ditambahkan dengan aseton. Sampel kemudian dikalsinasi pada suhu 700 o C selama 6  jam.  Dengan  cara  yang  sama  dilakukan setelah  sampel  dikeluarkan  dari  tanur  dan dipanaskan pada suhu 900 o C selama 8 jam.
Sampel yang diperoleh dikarakterisasi menggunakan  difraksi  sinar- X (XRD)  pada rentang  2 θ ( o )=  10-70.  Difraktogram  sampel dicocokkan  dengan  standar  yang  terdapat  pada Joint Committee on Powder Diffraction Standars (JCPDS)  untuk  mengetahui  fasa  yang  terbentuk. Morfologi  sampel  dikarakterisasi  menggunakan Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive X-Ray  Spectroscopy .  Energi  celah  dihitung  dari data spektrum adsorpsi yang diukur pada rentang panjang gelombang 200-800 nm.

## 3 Hasil dan Diskusi
Difraktogram  senyawa  Bi 4 Ti 3- x V x O 12 ( x = 0,05; 0,1;  0,15;  0,2)  ditampilkan  pada  Gambar 1 dan kemudian dicocokkan dengan  JCPDS No. 73- 2181  (Bi 4 Ti 3 O 12 )  dan  diperoleh  kemiripan,  akan tetapi  terdapat  fasa  pengotor  yaitu  senyawa NaV 6 O 11 dan  BiNaO 3 ,  fasa  pengotor  yang terbentuk  dapat  disebabkan  karena  reaksi  antar prekursor Bi 2 O 3 , V 2 O 3 dan NaCl yang terjadi pada suhu tinggi (900 o C).
Gambar 1 . Difraktogram senyawa Bi 4 Ti 3 O 12 terdoping vanadium
Pergeseran puncak difraktogram pada 2 θ ( o )= 30,1  yang  ditampilkan  pada Gambar  2 dan diketahui  terjadi  pergeseran  posisi  puncak  yang mengindikasikan adanya perubahan nilai parameter  kisi,  sehingga  terdapat  kemungkinan bahwa  logam  vanadium  menggantikan  sebagian posisi Ti 4+ .
Gambar 2 . Puncak difraktogram Bi 4 Ti 3- x V x O 12 ( x = 0,05; 0,1; 0,15; dan 0,2) pada posisi 2 θ ( o )= 30,1.
Gambar 3 . Mikrograf SEM Bi 4 Ti 3- x V x O 12 (a) x = 0, (b) x = 0,05, (c) x = 0,1 (d) x = 0,15, dan (e) x = 0,2
Mikrograf  SEM  sampel  ditampilkan  pada Gambar  3  dan  dapat  dilihat  bahwa  morfologi partikel senyawa Bi 4 Ti 3- x V x O 12 ( x = 0, 0,05;  0,1; 0,15 dan 0,2)  berbentuk plate-like atau lempengan. Hal ini sama dengan yang dilaporkan beberapa  pihak  lain  pada  penelitian  terdahulu [8,9].  Hasil  mikrograf  juga  menunjukkan  bahwa tidak terbentuk aglomerasi.
Gambar 4 . Spektra UV-Vis DRS Bi 4 Ti 3- x V x O 12 ( x = 0, 0,05; 0,1; 0,15; dan 0,2) (% reflektansi versus panjang gelombang)
Gambar 5 . Hubungan antara ( FR*hv ) 1/2 dengan energi celah pita ( hv )
Spektra  UV-Vis  DRS  sampel  dan  gambar analisis  energi  celah  dengan  menggunakan persamaan  Kubelka-Munk  ditampilkan  pada Gambar 4 dan 5 . Gambar 4 menunjukkan bahwa persen  reflektansi  pada  sampel  terdoping
vanadium mengalami penurunan dan bergeser ke arah  sinar  tampak  (pergeseran  merah).  Energi celah  hasil  perhitungan  dengan  menggunakan persamaan  Kubelka-Munk  ditampilkan  pada Tabel  1 .  Dari  nilai  energi  celah  dapat  diketahui bahwa  pendopingan  dengan  vanadium  dapat menurunkan energi celah. Jika vanadium berhasil didoping  maka  penurunan  ini  akibat  dari pembentukan  keadaan  baru  pita  konduksi  dari vanadium,  sedangkan  pada  sampel  ini  masih ditemukan  pengotor  sehingga  mekanisme  yang menyebabkan  masih  belum  jelas.  Hasil  ini  juga konsisten  dari  hasil  penelitian  Handayani,  dkk., (2019)  yang  mendoping  senyawa  Bi 4 Ti 3 O 12 dengan  logam  vanadium  dengan  metode  reaksi keadaan  padatan  dan  juga  ditemukan  terjadi penurunan  nilai  energi  celah  [10].  Takle,  dkk., (2018) juga melaporkan terjadi penurunan energi celah  pada  TiO 2 terdoping  vanadium  yang diakibatkan karena keberadaan V 4+ dan V 5+ pada kisi TiO 2 [11].
Tabel 1 . Enegi celah Bi 4 Ti 3- x V x O 12 ( x = 0, 0,05; 0,1; 0,15; dan 0,2) Sampel Energi celah (eV) Panjang gelombang (nm) x = 0 2,91 426 x = 0,05 2,53 490 x = 0,1 2,02 613 x = 0,15 1,98 626 x = 0,2 1,50 826 4 Kesimpulan
Sintesis  senyawa  Bi 4 Ti 3- x V x O 12 ( x =  0,  0,05; 0,1; 0,15; dan 0,2) dengan metode lelehan garam tunggal  NaCl  menghasilkan  senyawa  Bi 4 Ti 3 O 12 yang terdoping vanadium dan masih mengandung senyawa  pengotor  BiNaO 3 dan  NaV 6 O 11 .  Nilai energi  celah  Bi 4 Ti 3 O 12 terdoping  vanadium lebih rendah dibandingkan dengan senyawa murninya.

## Ucapan Terima Kasih
Penelitian ini dibiaya melalui skema bantuan Program  Penelitian  Pengembangan  Program Studi, 2018, Lembaga Penelitian dan Pengabdian Masyarakat,  Universitas  Islam  Negeri  Maulana Malik Ibrahim Malang.

## Daftar Pustaka
[1]   Wang  W,  Tadé  MO,  Shao  Z.  Research progress of perovskite materials in photocatalysis-  and  photovoltaics-related energy conversion and environmental treatment. Chem Soc Rev . 2015.
44(15):5371–408.
http://dx.doi.org/10.1039/c5cs00113g
[2]   Liu Y, Zhu G, Gao J, Hojamberdiev M, Zhu R,  Wei  X,  et  al.  Enhanced  photocatalytic activity  of  Bi4Ti3O12  nanosheets  by  Fe3+- doping and the addition of Au nanoparticles: Photodegradation of Phenol and bisphenol A. Appl  Catal  B  Environ .  2017.  200:72–82. http://dx.doi.org/10.1016/j.apcatb.2016.06.0 69
[3]   Xia  A,  Tan  G,  Ren  H.  Effect  of  Fe substitution on microstructure and properties of  bismuth  titanate  thin  films. Ceram  Int .
2016. 42(1):1267–71. http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2015.09
.061
[4]   Chen Z, Jiang X, Zhu C, Shi C. Chromium- modified  Bi  4  Ti  3  O  12  photocatalyst: Application  for  hydrogen  evolution  and pollutant degradation. Appl Catal B Environ .
2016. 199:241–51. http://dx.doi.org/10.1016/j.apcatb.2016.06.0
36
[5]   Gu D, Qin Y, Wen Y, Li T, Qin L, Seo HJ. Electronic structure and optical properties of V-doped  Bi4Ti3O12  nanoparticles. J  Alloys Compd . 2017. 695:2224–31. http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.11. 071 [6]   He R, Xu D, Cheng B, Yu J, Ho W. Review on nanoscale Bi-based photocatalysts. Nanoscale  Horizons .  2018.  3(5):464–504. http://dx.doi.org/10.1039/c8nh00062j
[7]   Xue P, Wu H, Lu Y, Zhu X. Recent progress in  molten  salt  synthesis  of  low-dimensional perovskite  oxide  nanostructures,  structural characterization,  properties,  and  functional applications: A review. J Mater Sci Technol . 2018. 34(6):914–30. http://dx.doi.org/10.1016/j.jmst.2017.10.005
[8]   Zhao W, Jia Z, Lei E, Wang L, Li Z, Dai Y. Photocatalytic degradation efficacy of Bi4Ti3O12 micro-scale platelets over methylene  blue  under  visible  light. J  Phys Chem Solids . 2013. 74(11):1604–7.
http://dx.doi.org/10.1016/j.jpcs.2013.06.003
[9]   Januari  T,  Aini  N,  Barroroh  H,  Prasetyo  A. The effect of synthesis time to particle size of Bi4Ti3O12  which  synthesized  using  molten single salt NaCl method. IOP Conf Ser Earth
Environ Sci . 2020. 456:12013. http://dx.doi.org/10.1088/1755-
1315/456/1/012013
[10]  Handayani R, Safitri WN, Aini N, Hardian A, Prasetyo A. Synthesis and characterization of
vanadium doped Bi4Ti3O12 as photocatalyst material. IOP Conf Ser Mater Sci Eng . 2019.
578:12017.  http://dx.doi.org/10.1088/1757-
899x/578/1/012017
[11]  Takle  SP,  Naik  SD,  Khore  SK,  Ohwal  SA,
Bhujbal NM, Landge SL, et al. Photodegradation  of  spent  wash,  a  sugar industry waste, using vanadium-doped TiO2 nanoparticles. RSC Adv . 2018. 8(36):20394– 405. http://dx.doi.org/10.1039/c8ra02869a