Sintesis Magnetit Fe3O4 Energi Rendah

A. Tujuan

Mensintesis magnetit Fe₃O₄dengan metode kopresipitasi energi rendah.
Mengetahui karakteristik dan gugus fungsi magnetit yang dihasilkan dengan instrumen FTIR.
Mengetahui ukuran partikel dan distribusi ukuran partikel magnetit yang dihasilkan dengan instrumen PSA.

B. Landasan Teori

Perkembangan nanoteknologi pada nanopartikel magnetik telah banyak mendapat perhatian dalam beberapa dekade, terutama dikarenakan fenomena sifat superparamagnetik yang muncul pada saat ukuran dibawah ukuran kritis (secara umum sekitar 10-20 nm). Nanopartikel magnetik yang banyak diteliti saat ini adalah ferit, salah satunya adalah Fe₃O₄ (magnetite) yang bersifat biokompatibel dan memiliki tingkat disperibilitas yang tinggi diantara ferit lain (Heriansyah, dkk, 2015). Magnetite (Fe₃O₄) adalah material hitam dengan sifat magnetik kuat sehingga membuat permukaan magnetite bersifat reaktif dan memiliki luas permukaan yang besar. Magnetite (Fe₃O₄) merupakan salah satu oksida besi selain maghemit (γ- Fe₂O₃) dan hematit (α-Fe₂O₃) yang menunjukkan kemagnetan paling kuat diantara oksida- oksida besi yang lain sehingga banyak dimanfaatkan di berbagai bidang (Pratiwi, dkk, 2017).

Sintesis partikel Fe₃O₄telah dikembangkan dengan berbagai metode diantaranya adalah metode sol gel, metode hidrolisis terkontron, dan metode kopresipitasi dalam air. Dari sekian banyak metode sintesis tersebut, metode kopresipitasi adalah metode yang dianggap mudah dilakukan dan memerlukan temperatur reaksi yang rendah ( kurang dari 100^oC) (Merdekani, 2013). Metode kopresipitasi adalah proses kimia yang akan membawa zat terlarut untuk membentuk endapan yang diinginkan (Khalil, 2015). Dalam sintesis partikel nano Fe₃O₄ dengan metode kopresipitasi, rasio antara ion ferrous dan ion ferric dalam media basa (alkali), pH, dan suhu larutan sangat mempengaruhi hasil akhir sintesis contohnya adalah ukuran partikel (Gnanaprakash, 2007). Senyawa-senyawa karbonat dapat digunakan sebagai bahan pengendap pada metode kopresipitasi. Senyawa-senyawa tersebut diantaranya adalah NaOH, NH₄OH dan tetrametil ammonium hidroksida (TMAOH) (Arisandi, 2007).

Hasil sintesis magnetit Fe3O4 dapat dikarakterisasi dengan FTIR dan PSA. Spektroskopi FTIR adalah metode analisis senyawa kimia yang menggunakan radiasi sinar infra merah. Energi yang diserap sampel akan direkam dan diteruskan ke interferometer. Sinar pengukuran tersebut akan diubah menjadi interferogram. Dalam praktikum ini, metode ini digunakan untuk menentukan karakteristik serta gugus fungsi dari magnetit hasil sintesis yang dibentuk. Komponen penyusun magnetit tersebut dianalisis secara kualitatif, yaitu menggunakan metode spektroskopi infra merah. Dalam penelitian yang dilakukan oleh Maity dan Agrawal (2007), Spektra FTIR senyawa dari Fe₃O₄ ditunjukkan dengan adanya peak yang lebar pada gelombang 570-580 cm^-1 yang menunjukan adanya ikatan Fe-O.

Particle Size Analyzer (PSA) dapat menganalisis partikel suatu sampel yang bertujuan menentukan ukuran partikel dan distribusinya dari sampel yang representatif. Distribusi ukuran partikel dapat diketahui melalui gambar yang dihasilkan. Ukuran tersebut dinyatakan dalam jari-jari untuk partikel yang berbentuk bola. Penentuan ukuran dan distribusi partikel menggunakan PSA dapat dilakuan dengan difraksi sinar laser untuk partikel dari ukuran submikron sampai dengan milimeter, counter principle untuk mengukur dan menghitung partikel yang berukuran mikron sampai dengan milimeter, dan penghamburan sinar untuk mengukur partikel yang berukuran mikron sampai dengan nanometer (Etzler, et al., 2004).

C. Alat dan Bahan

Alat yang digunakan pada percobaan ini adalah gelas kimia, gelas ukur 10mL, labu takar 10 mL, pengaduk magnet, hot plate, neraca analitik, buret, statif, klem, pipet tetes, kertas pH indikator universal, corong gelas, gelas arloji, pH meter, pengaduk kaca, oven, desikator, termometer, magnet permanen, spirtus, kaki tiga, kawat kasa, FTIR (Fourier Transform Infrared), PSA (Particle Size Analyzer).

Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah padatan FeSO4·7H2O, padatan FeCl3·6H2O, amoniak teknis 25%, aquades, kertas saring, kanji, HCL 0,1 N, dan padatan Na₂B₄O₇.10H₂O.

D. Prosedur kerja

a. Sintesis Magnetit, Fe₃O₄

Pada tahapan ini Fe₃O₄ disintesis dengan menggunakan metode kopresipitasi. Pertama-tama, larutan FeSO4·7H2O 0,005 mol dibuat dengan cara melarutkan 1,39 g serbuk FeSO4·7H2O ke dalam 10 ml aquades. Selanjutnya pembuatan larutan FeCl3·6H2O 0,01 mol dengan melarutkan 2,70 g serbuk FeCl3·6H2O ke dalam 10 mL aquades. Keduanya kemudian dicampur dan diletakkan pada magnetic stirer hot plate. Campuran larutan ini kemudian ditambah secara bertetes-tetes larutan amoniak teknis pada suhu 50 °C sambil diaduk hingga pH mencapai pH 12. Selanjutnya endapan disaring dengan kertas saring Whatman 42 dan dicuci hingga pH netral. Endapan dikeringkan pada suhu 100 °C selama 1 jam, sampai berat konstan. Sampel yang sudah kering kemudian dilakukan karakterisasi menggunakan FTIR untuk mengetahui gugus fungsinya, dan PSA untuk mengetahui ukuran partikelnya.

b. Uji Sifat Magnetik Fe₃O₄

Uji sifat kemagnetan Fe₃O₄ dilakukan menggunakan magnet permanen pada magnetit yang telah dimodifikasi menjadi slime. Pertama-tama dibuat larutan kandji 10% dengan melarutkan 10 gram tepung kanji ke dalam 100 ml aquades mendidih, dimasukan 1 gram serbuk magnetit ke dalamnya dan dihomogenkan, kemudian ditambahkan larutan Na₂B₄O₇.10H₂O 0,1 M tetes demi tetes hingga terbentuk slime yang tidak tengket di tangan. Larutan Na₂B₄O₇.10H₂O dibuat dengan melarutkan 0,9534 gram padatan Na₂B₄O₇.10H₂O ke dalam 25 ml aquades. Uji sifat kemagnetan Fe3O4 dilakukan dengan mendekatkan slime yang terbentuk pada magnet permanen.

Pembahasan

Pada percobaan kali ini bahan utama yang digunakan dalam sintesis magnetit adalah larutan FeSO4·7H2O dan larutan FeCl3·6H2O dengan perbandingan konsentrasi 1 : 2, dimana FeSO4·7H2O dengan konsentrasi 0,005 mol dan FeCl3·6H2O 0,01 mol. Kedua larutan dicampur dan diendapkan menggunakan amoniak teknis pada suhu 50^oC dan diaduk agar tetap homogen dengan kecepatan pengadukan 200 rpm. Pengendapan magnetit dapat terjadi karena proses oksidasi material logam besi yang terkandung dalam garam besi hasil pencampuran. Penambahan amoniak teknis dilakukan hingga presipitasi atau pengendapan lengkap, yaitu pada pH = 12 (Khalil, 2015). Reaksi yang berlangsung adalah sebagai berikut (Permana, dkk, 2017):

Fe²⁺_(aq) + 2OH^–_(aq) → Fe(OH)_2(aq)

2Fe³⁺_(aq) + 6OH^–_(aq) → 2Fe(OH)_3(aq)

Fe(OH)_2(aq) + 2Fe(OH)_3(aq) → Fe₃O_4(s) + 4H₂O_(l)

Pada penambahan 25 ml amoniak teknis pH larutan mencapai angka 9,1 sehingga amoniak teknis masih terus ditambahkan. Namun, pada penambahan 15 ml amoniak teknis pH yang seharusnya meningkat terjadi penurunan hingga angka 8,7. Pada penambahan 35 ml amoniak teknis, pH larutan kembali naik pada angka 9,53. Penambahan amoniak teknis terus dilakukan, penambahan 45 ml amoniak teknis membuat pH larutan turun hingga angka 10. Namun ketika ditambah kembali dengan amoniak teknis hingga penambahan 50 ml pH turun kembali pada 9,6. Nilai pH yang tidak konstan disebabkan karena belum homogennya amoniak teknis pada larutan. Sementara penyebab pH larutan yang tidak dapat naik hingga angka 12 dikarenakan basa yang digunakan adalah amoniak teknis yang konsentrasinya terlalu rendah. Total amoniak teknis yang digunakan untuk mengendapkan magnetit adalah 170 ml.

Endapan magnetit Fe₃O₄ adalah berupa endapan berwarna hitam. Namun, tampak pula sedikit sendapan berwarna coklat yang diprediksi adalah Fe₂O_3.Keberadaan Fe₂O₃merupakan hal yang wajar, karena Fe3O4 dapat mengalami oksidasi ketika sintesis. Reaksi yang terjadi adalah (Pauzan, dkk, 2013):

4Fe₃O_4(s) + O_2(g) → 6Fe₂O_3(s)

Dilihat dari keberadaan endapan coklat yang sedikit, dapat disimpulkan jika Fe₂O₃terbentuk dalam kadar kecil. Magnetit disaring dan dihilangkan dari garam-garam yang terbentuk dari proses sintesis Fe₃O₄ dengan aquades hingga pH netral (pH = 7). Magnetit dikeringkan pada suhu 100^oC selama 1 jam hingga tidak ada kandungan air di dalamnya. Untuk mengetahui masih ada atau tidaknya kandungan air di dalam magnetit dilakukan penimbangan secara berkala pada rentang waktu tertentu. Jika berat magnetit sudah konstan, artinya sudah tidak ada kandungan air lagi di dalamnya. Kandungan air pada magnetik dapat mengganggu phasil karakterisasi magnetik dengan FTIR juga PSA. Total magnetik yang dihasilkan dari sintesis kali ini adalah 1, 3756 gram.

Untuk karakterisasinya, kami menggunakan FTIR dan PSA. FTIR (Fourier Transform Infra Red) sendiri adalah metode analisis senyawa kimia dengan menggunakan radiasi sinar infra merah. Energi yang diserap sampel pada frekuensi tertentu akan diteruskan ke interferometer, sehingga sinar pengukuran sampel diubah menjadi interferogram. Cara penggunaannya dengan melewatkan sinar inframerah ke sampel melalui prisma, kemudian sinar difokuskan pada detektor yang mengubah berkas sinar menjadi sinyal listrik yang direkam oleh recorder. Penggunaan FTIR bertujuan untuk mengetahui guguss fungsi, mengidentifikasi senyawa dan menganalisis campuran pada sampel tanpa merusak sampel. Analisis gugus fungsi pada sampel dilaakukan dengan membandingkan pita absorbsi yang terbentuk pada spektrum infra merah dengan spektrum senyawa pembanding (yang telah diketahui). Instrumen ini sangat efisien, cepat dan prosesnya sederhana, serta tidak membutuhkan preparasi sampel terlebih dahulu sehingga baik sampel berupa padatan atau cairan dapat langsung dianalisa. Untuk menghasilkan spektrum pada berbagai panjang gelombang. Uji kali ini sampel adalah magnetit Fe₃O₄ yang berupa padatan. Preparasi sampel berupa padatan adalah dengan membuatnya menjadi pelet tipis dengan KBr. Pelet yang dibuat harus tipis agar sinar inframerah dapat melewati celah ke sampel, sementara digunakan KBr karena KBr tidak menghasilkan serapan pada FTIR sehingga yang teramati secara langsung adalah serapan dari sampel magnetit.

Figure 1. Spektra FTIR untuk Magnetit Fe₃O₄

Terdapat lima peak dalam grafik, daerah serapan pertama ditunjukkan dengan adanya peak vibrasi pada daerah 3300.04 cm-1 menunjukkan adanya gugus –OH dari air, daerah serapan 1626.79 cm^-1 menunjukkan adanya gugus H-C=O, daerah serapan 888.47 cm^-1 menunjukkan adanya cincin aromatik C-H, daerah serapan 780.77 cm^-1 menunjukkan adanya ikatan C-C golongan butil tersier, dan daerah serapan 500.27 cm^-1 menunjukkan adanya ikatan Fe-O.

Analisis ukuran partikel PSA digunakan untuk menggambarkan distribusi ukuran partikel dalam sampel. Pengukuran partikel dengan metode PSA biasanya menggunakan metode basah. Metode ini jauh lebih akurat jika dibandingkan dengan metode kering ataupun pengukuran partikel dengan metode ayakan dan analisis gambar. Polydispersity Index (PI) adalah nilai yang menunjukan keseragaman ukuran partikel dalam koloid, semakin kecil nilainya maka partikel seakin seragam. Dari hasil pengujian didapat distribusi rata-rata ukuran partikel 5249,1 nm dengan nilai PI sebesar 1,910 Hal ini menyatakan bahwa ukuran partikel masih belum dapat dikategorikan kedalam nanometer dan ukuran sampel belum seragam. Sampel dapat dikatakan berukuran nanometer apabila ukuran partikel ≤ 100 nm serta sampel dapat dikatakan seragam jika nilai PI ≤ 0,8.

Untuk uji sifat kemagnetan magnetit dalam percobaan ini dilakukan menggunakan magnet permanen pada magnetit yang telah dimodifikasi dalam bentuk slime berbahan dasar kanji. Kanji dibuat dengan mereaksikan tepung kanji dengan air, reaksinya adalah

(C₆H₁₀O₅)N + H₂O à NC₆H₁₂O₆

Magnetit yang didapat dihaluskan dan dicampurkan ke dalam larutan kanji yang telah mengental. Larutan kanji+magentit yang telah siap ditambahkan boraks. Penambahan boraks disini berfungsi agar larutan kanji yang kental menjadi tidak lengket atau kalis, hal ini berhubungan dengan pernyataan cahyadi (2008) dalam jurnal Jully,dkk (2010) yang mengatakan bahwa Boraks atau Bleng sering ditambahkan ke dalam bahan pangan sebagai pengenyal ataupun pengawet. Hasil dari uji coba sifat kemagnetan magnetit memperlihatkan bahwa daya magnet berkurang dalam modifikasi ini atau dengan kata lain uji sifat kemagnetan magnetit harus di lakukan dengan magnet permanen yang jumlahnya banyak.

Simpulan

Magnetit Fe₃O₄ dapat disintesis dengan metode kopresipitasi, yaitu proses dimana komponen dari campuran larutan FeSO4·7H2O dan FeCl3·6H2O diendapkan dengan basa (Amoniak teknis) pada pH dan temperatur tertentu untuk menghasilkan magnetit berukuran nano.
Magnetit yang dihasilkan diuji dengan instrumen FTIR, menunjukan adanya gugus –OH dari air dilihat dari daerah serapan 3300.04 cm-1, daerah serapan 1626.79 cm^-1 menunjukkan adanya gugus H-C=O, daerah serapan 888.47 cm^-1 menunjukkan adanya cincin aromatik C-H, daerah serapan 780.77 cm^-1 menunjukkan adanya ikatan C-C golongan butil tersier, dan daerah serapan 500.27 cm^-1 menunjukkan adanya ikatan Fe-O.
Dari hasil pengujian magnetit dengan PSA didapat distribusi rata-rata ukuran partikel 5249,1 nm dengan nilai PI sebesar 1,910 Hal ini menyatakan bahwa ukuran partikel masih belum dapat dikategorikan kedalam nanometer dan ukuran sampel belum seragam. Sampel dapat dikatakan berukuran nanometer apabila ukuran partikel ≤ 100 nm serta sampel dapat dikatakan seragam jika nilai PI ≤ 0,8.

Daftar Pustaka

Arisandi, Dhesi Mia. 2007. Pengaruh Penamasan dan Jenis Surfaktan pada Sifat Magnetik Ferofluida Berbahan Dasar Pasir Besi. Tugas Akhir, Institut Teknologi Sepuluh Nopember: Surabaya.

Etzler, Dr Frank M, Marie S. Sanderson. 2004. “Particle Size Analysis A Comparative Study of Various Methods”. Journal of Material Science. Vol. 12. Pp. 217-224.

Gnanaprakash, G., S. Mahadevan, T. Jayakumar, P. Kalyanasundaram, John Philip, dan Baldev. 2007. “Effect of Initial pH and Temperature of Iron Salt Solutions on Formation of Magnetite Nanoparticles. Journal Materials Chemistry and Physics. 103(1): 168-175.

Heriansyah, Mustawarman, Edi Suharyadi. 2015. “Kajian Sifat Dielektrik pada Nanopartikel Magnetite (Fe3O4) yang Dienkapsulasi Polimer Polyethylene Glycol (PEG-4000”). Jurnal Fisika dan Aplikasinya. 16(3) : 50-55.

Jully, Handoko, Sofia Anita, Christine Jose. 2010. Aspek Lingkungan Sosial dan Potensi Munculnya Perilaku Penambahan Boraks dalam Proses Produksi Bakso Daging Sapi di Kota Pekanbaru. Journal of Enviromental Science. 2 (4) : 128-138.

Khalil, Mutasim I. 2015. “Co-precipitation in Aqueous Solution Synthesis of Magnetite Nanoparticles using Iron(III) Salts as Precursor”. Arabian Jurnal of Chemistry. 8: 279-284.

Maity D., dan D. C. Agrawal. 2006. “Synthesis of Iron Oxide Nanoparticles under Oxiding Enviroment and Stabilization in Aqueous and Non-Aqueous Media”. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 308(1) : 46-55.

Merdekani, Sera. 2013. “Sintesis Pertikel Nanokomposit Fe₃O₄/SiO₂ dengan Metode Kopresipitasi.”. Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi Nuklir, Bandung: 4 Juli 2013. Hal. 472-477.

Permana, B., T. Saragi, M. Safriani, I. Rahayu, Risdiana. 2015. “Sintesis Nanopartikel Magnetik dengan Metode Kopresipitasi”. Jurnal Material dan Energi Indonesia. 7(2): 17-20.

Poppe, L. J., Eliason, A. H., Fredericsks, J. J. 1985. APSAS – An Automated Particle Size Analysis System. California: Library of Congress Cataloging in Publication Data.

Pratiwi, Yuli, Ramli, Ratnawulan. 2017. “Pengaruh Waktu Milling terhadap Struktur Kristal Magnetite (Fe3O4) Berbahan Dasar Mineral Vulkanik Dari Gunung Talang Sumatera Barat”. Pillar of Physics. 10 : 102-108.

Lampiran