ELEKTROKATALIS EVOLUSI OKSIGEN

BERBASIS KALSIUM FERIT (CaxFeyOz)

TERDOPING TEMBAGA

LUTHFI AFRIANI

DEPARTEMEN KIMIA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2017

PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN

SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK

CIPTA*

Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Elektrokatalis

Evolusi Oksigen Berbasis Kalsium Ferit (CaxFeyOz) Terdoping Tembaga

adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum

diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber

informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun

tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan

dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.

Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada

Institut Pertanian Bogor.

Bogor, Februari 2017

Luthfi Afriani

NIM G44120020

ABSTRAK

LUTHFI AFRIANI. Elektrokatalis Evolusi Oksigen Berbasis Kalsium Ferit

Terdoping Tembaga. Dibimbing oleh ARMI WULANAWATI dan

MOHAMMAD KHOTIB.

Salah satu sumber energi potensial dapat dikembangkan melalui reaksi

evolusi oksigen (OER). Langkah dalam reaksi evolusi oksigen mencakup transfer

4-elektron dan pembentukan ikatan oksigen-oksigen, sehingga secara kinetik

membutuhkan energi yang besar dan membutuhkan katalis untuk mempercepat

reaksi. Elektrokatalis yang dikembangkan dalam penelitian ini adalah kalsium

ferit (CaxFeyOz) dengan metode kopresipitasi menggunakan prekursor

CaCl22H2O dan FeCl36H2O. Aktivitas kalsium ferit dapat ditingkatkan dengan

mendoping susunan kristalnya menggunakan logam transisi, salah satunya

tembaga. Berdasarkan pencirian menggunakan spektrum inframerah dan difraksi

sinar X, kalsium ferit berhasil terbentuk dengan fase Ca2Fe2O5, sedangkan

kalsium ferit terdoping tembaga belum berhasil didapatkan. Aktivitas katalitik

terbaik ialah pada elektrokatalis kalsium ferit dengan substitusi Cu 30% pada

medium NaOH 0.5 M berdasarkan parameter i0 dan β.

Kata kunci: elektrokatalis, evolusi oksigen, kalsium ferit, tembaga

ABSTRACT

LUTHFI AFRIANI. Oxygen Evolution Electrocatalyst Based on Copper-Doped

Calcium Ferrite (CaxFeyOz). Supervised by ARMI WULANAWATI and

MOHAMMAD KHOTIB.

One source of potential energy can be developed by oxygen evolution

reaction (OER). The steps of oxygen evolution reaction are 4-electrons transfer

and the formation of oxygen-oxygen bond, so that the kinetic requires large

energy and a catalyst. In this experiment, the electrocatalyst was developed from

calcium ferrite using copresipitation method with CaCl22H2O and FeCl36H2O as

precursors. Activity of the calcium ferrite can be improved by transition metal

doped, such as copper. Based on the characterization using infrared spectra and X-

ray diffracction, the calcium ferrite was formed as Ca2Fe2O5 phase, meanwhile the

-doped calcium ferrite was not yet formed. The best catalytic activity was

electrocatalyst calcium ferrite with 30% Cu substitution in 0.5 M NaOH medium

based on i0 and β parameters.

Keywords: calcium ferrite, copper, electrocatalyst, oxygen evolution

Skripsi

sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Sains

pada

Departemen Kimia

ELEKTROKATALIS EVOLUSI OKSIGEN

BERBASIS KALSIUM FERIT (CaxFeyOz)

TERDOPING TEMBAGA

LUTHFI AFRIANI

DEPARTEMEN KIMIA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2017

PRAKATA

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala rahmat,

nikmat, karunia, dan ridho-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan

dengan judul Elektrokatalis Evolusi Oksigen Berbasis Kalsium Ferit (CaxFeyOz)

Terdoping Tembaga. Karya ilmiah ini didasarkan pada penelitian yang

dilaksanakan sejak bulan April hingga Juli 2016 di Laboratorium Kimia Fisik,

Departemen Kimia IPB Dramaga, Bogor.

Terima kasih penulis ucapkan kepada Ibu Armi Wulanawati, SSi, MSi dan

Bapak Mohammad Khotib, SSi, MSi selaku pembimbing yang telah memberikan

arahan, motivasi, dan dukungan selama penelitian. Penulis mengucapkan terima

kasih kepada staf unit Laboratorium Kimia Fisik Departemen Kimia IPB

Dramaga, Bogor serta rekan-rekan Departemen Kimia IPB 49 yang turut

membantu, memberikan masukan, dan semangat. Terima kasih juga sampaikan

kepada seluruh keluarga yang telah memberikan motivasinya selama penelitian

ini.

Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.

Bogor, Februari 2017

Luthfi Afriani

DAFTAR ISI

DAFTAR GAMBAR x

DAFTAR LAMPIRAN x

PENDAHULUAN 1

Latar Belakang 1

Tujuan Penelitian 2

Waktu dan Tempat Pelaksanaan 2

METODE 2

Bahan dan Alat 2

Lingkup Kerja 2

HASIL DAN PEMBAHASAN 4

Kalsium Ferit dan Kalsium Ferit Terdoping Tembaga 4

Karakteristik Kalsium Ferit dan Kalsium Ferit Terdoping Tembaga 5

Aktivitas Elektrokatalis 8

SIMPULAN DAN SARAN 10

Simpulan 10

Saran 10

DAFTAR PUSTAKA 10

LAMPIRAN 12

RIWAYAT HIDUP 16

DAFTAR GAMBAR

1 Hasil sintesis kalsium ferit (a) dan kalsium ferit terdoping Cu 10%

(b), Cu 30% (c), dan Cu 40% (d) 4 2 Model evolusi oksigen pada perovskit CaCu3Fe4O12 (Yagi et al.

2015) 5

3 Difraktogram hasil sintesis kalsium ferit 6

4 Struktur tiga dimensi Ca2Fe2O5 (Bertaut et al. 1959) 6

5 Difraktogram hasil sintesis kalisum ferit dengan doping Cu (40%) 7

6 Spektrum FTIR material kalsium ferit dan kalsium ferit terdoping

tembaga (10%, 30%, 40%) 8

7 Kurva hubungan log |i| dan overpotensial 8 8 Parameter elektrokatalitik dari katalis berbasis kalisum dalam

medium NaOH 0.5 M ( ), 1.0 M ( ), dan 1.5 M ( ) 9

DAFTAR LAMPIRAN

1 Diagram alir penelitian 12 2 Komposisi material kalsium ferit 12 3 Komposisi material kalsium ferit dengan doping tembaga 13 4 Uji kandungan CO2 bebas dalam air dengan NaOH 0.1 N 14

5 Hasil pengukuran elektroktalis dengan voltametri lucutan linier

(LSV) 14

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Konsumsi energi secara global terus meningkat setiap tahun. Sumber energi

yang digunakan saat ini masih bergantung pada bahan bakar fosil yang

ketersediaannya semakin berkurang. Selain itu, penggunaan sumber energi

berbahan bakar fosil cenderung kurang ramah lingkungan karena menghasilkan

emisi. Oleh karena itu, diperlukan sumber energi alternatif yang dapat diperbarui

dan lebih ramah lingkungan. Salah satu sumber energi potensial dapat

dikembangkan melalui reaksi evolusi oksigen (OER) (Xu et al. 2015). Reaksi

evolusi oksigen adalah reaksi konversi energi yang menjadi dasar pada

pengembangan rechargeable metal–air batteries dan direct solar water splitting

(Yagi et al. 2015). Reier et al. (2012) menyebutkan bahwa reaksi evolusi oksigen

merupakan reaksi oksidasi air menjadi molekul oksigen dalam reaksi

elektrokimia.

Langkah dalam reaksi evolusi oksigen mencakup transfer empat elektron

dan pembentukan ikatan oksigen-oksigen, sehingga secara kinetik membutuhkan

energi yang besar dan membutuhkan katalis untuk mempercepat reaksi (Kanan

dan Nocera 2008). Reaksi evolusi oksigen (OER), sebagai reaksi penting yang

terlibat dalam pemisahan air, telah banyak diteliti selama beberapa dekade (Carmo

et al. 2013). Salah satu katalis yang telah dikembangkan dan terbukti mampu

meningkatkan aktivitas katalitik pada OER adalah elektrokatalis berbasis

perovskit CaCu3Fe4O12 yang disintesis dengan metode polimerisasi dengan

mencampurkan prekursor CaCO3, Cu(NO3)2·3H2O dan Fe(NO3)3·9H2O dengan

perbandingan 1:3:4 (Yagi et al. 2015). Namun, metode polimerisasi tersebut

memiliki banyak tahapan dan memerlukan suhu tinggi.

Pembuatan katalis dalam penelitian ini menggunakan metode kopresipitasi

karena prosedurnya lebih sederhana dan tidak memerlukan suhu tinggi. Salah satu

katalis yang pernah dikembangkan dengan metode kopresipitasi adalah barium

heksaferit menggunakan prekursor BaCl2•2H2O dan FeCl3•6H2O (Kwak et al.

2012). Berdasarkan hal tersebut, penulis mengadaptasi pembuatan elektrokatalis

berbasis kalsium ferit (CaxFeyOz) dengan metode kopresipitasi menggunakan

prekursor CaCl2•2H2O dan FeCl3•6H2O. Penggantian atom Ba dengan Ca

diharapkan menghasilkan sifat yang mirip karena kedua atom tersebut berada

dalam satu gologan.

Burke et al. (2015) menyebutkan bahwa kalsium ferit dapat digunakan

sebagai elektroda pada sel bahan bakar yang memiliki aktivitas katalitik yang baik

pada medium basa. Material berbasis Ca-Fe-O banyak digunakan sebagai katalis

oksidasi, sensor suhu tinggi, absorben gas, dan sebagai elektroda pada sel bahan

bakar. Kalsium ferit mengandung Fe2O3 yang memiliki atom Fe berada pada

tingkat oksidasi +3 sehingga dapat mengalami oksidasi dan reduksi dalam proses

elektrolisis air dengan mengadsopsi OH-. Aktivitas kalsium ferit dapat

ditingkatkan dengan mendoping susunan kristalnya menggunakan logam transisi,

seperti logam Cu yang dapat meningkatkan sifat donor elektron dan kestabilan

struktur pada material berbasis Fe (Yagi et al. 2015).

2

Tujuan Penelitian

Penelitian ini bertujuan mendapatkan elektrokatalis berbasis kalsium ferit

dan kalsium ferit terdoping tembaga serta mengidentifikasi aktivitas katalitiknya

sebagai OER.

Waktu dan Tempat Pelaksanaan

Penelitian ini dilaksanakan dari bulan Mei sampai November 2016 di

Laboratorium Kimia Fisik Departemen Kimia IPB Dramaga, Bogor dan

Laboratorium Terpadu IPB Baranangsiang, Bogor.

METODE

Bahan dan Alat

Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini meliputi CaCl2•2H2O,

FeCl3•6H2O, NaOH, HCl, akuades, etanol, Cu(NO3)2•3H2O, aseton, 2-propanol

yang berasal dari Merck®

, elektroda Ag/AgCl, dan kawat Pt.

Alat yang dipakai diantanya seperangkat alat kaca, buret, neraca analitik,

hot plate, spin bar, oven, tanur, sentrifuse, cawan porselin, amplas,

Spektrofotometer Transform Fourier IR Prestige-21 Shimadzu dianalisis dengan

pelet KBr, potensiostat, dan XRD.

Lingkup Kerja

Penelitian ini terdiri atas dua tahap. Tahap pertama adalah sintesis dan

karakterisasi senyawa kalsium ferit dan kalsium ferit terdoping tembaga dengan

XRD dan FTIR. Tahap kedua adalah pembuatan dan pengujian kinerja

elektrokatalis menggunakan potensiostat (Lampiran 1).

Sintesis Kalsium Ferit Kalsium ferit disintesis menggunakan metode kopresipitasi yang mengacu

pada Kwak et al. (2012) dengan beberapa modifikasi. Mula-mula, CaCl2•2H2O,

dan FeCl3•6H2O ditimbang secara stoikiometri (Lampiran 2), kemudian dilarutkan

dalam 40 mL HCl 0.6 M. Setelah semua bahan larut, larutan ini ditambahkan tetes

demi tetes ke dalam 150 mL larutan NaOH 1.5 M sambil diaduk menggunakan

pengaduk magnet dan suhunya dijaga 0-4 °C. Setelah selesai ditambahkan, larutan

tetap diaduk selama 30 menit. Endapan dipisahkan meggunakan sentrifugasi

dengan kecepatan 3500 rpm selama 10 menit. Endapan dikeringkan dalam oven

pada suhu 150 °C, kemudian dikalsinasi menggunakan tanur pada suhu 750 °C

selama 4 jam. Endapan dicuci dengan akuades hingga bebas Cl dan dikeringkan

dalam oven.

3

Sintesis Kalsium Ferit Terdoping Tembaga

Kalsium ferit disintesis menggunakan metode kopresipitasi yang mengacu

pada Kwak et al. (2012) dengan beberapa modifikasi. Mula-mula, CaCl2•2H2O,

FeCl3•6H2O dan Cu(NO3)2•3H2O (10%, 30%, dan 40%) ditimbang secara

stoikiometri (Lampiran 3), kemudian dilarutkan dalam 40 mL HCl 0.6 M. Setelah

semua bahan larut, larutan ini ditambahkan tetes demi tetes ke dalam 150 mL

larutan NaOH 1.5 M sambil diaduk menggunakan pengaduk magnet dan suhunya

dijaga 0-4 °C. Setelah selesai ditambahkan, larutan tetap diaduk selama 30 menit.

Endapan dipisahkan meggunakan sentrifugasi dengan kecepatan 3500 rpm selama

10 menit. Endapan dikeringkan dalam oven pada suhu 150 °C, kemudian

dikalsinasi menggunakan tanur pada suhu 750 °C selama 4 jam. Endapan dicuci

dengan akuades hingga bebas Cl dan dikeringkan dalam oven.

Analisis fasa kalsium ferit dan kalsium ferit terdoping tembaga dengan XRD

Produk yang dihasilkan dalam sintesis dikarakterisasi struktur kristalnya

menggunakan XRD dengan rentang sudut difraksi (2) 0-120, laju pemayaran 0

mV/s dan laju 3°/menit. Sumber radiasi yang digunakan ialah CuKα (λ:1.54056

Å). Analisis Rietveld dilakukan pada difraktogram yang diperoleh untuk

menetukan komposisi fase, dan ukuran kristal dengan metode Williamson–Hall

menggunakan perangkat lunak HighScore Plus.

Pencirian kalsium ferit dan kalsium ferit terdoping tembaga dengan FTIR Sebanyak 0.1 gram KBr dan 0.01 gram hasil sintesis ditimbang lalu digerus

menggunakan mortar hingga homogen. Campuran tersebut kemudian diukur

menggunakan spektrofotometer FTIR pada bilangan gelombang 4000-400 cm-1

.

Pembuatan elektrokatalis

Pembuatan elektokatalis menggunakan modifikasi dari metode Al-Hoshan

et al. (2012). Hasil sintesis dan lem elektrik yang telah ditimbang dengan

perbandingan 1:3 dicampurkan dengan 2-propanol. Campuran diaduk hingga

membentuk tekstur yangg kalis. Campuran yang ada dicetak dan diratakan pada

cetakan elektrokatalis. Kemudian elektrokatalis dimasukkan ke oven pada suhu

50-60 ºC hingga kering. Elektrokatalis yang kering dilepaskan dari cetakan agar

dapat digunakan kembali.

Pengujian kinerja elektrokatalis (Singh et al. 2006)

Elektrokatalis yang telah dibuat dirangkaikan dengan alat potensiostat

menggunakan tiga elektroda, yaitu elektrokatalis sebagai elektrode kerja, kawat

platina sebagai elektode pembantu, dan Ag/AgCl sebagai elektrode pembanding.

Pengukuran dilakukan pada medium basa (NaOH) dengan konsentrasi 0.5 M, 1.0

M, dan 1.5 M. Polarisasi linier dilakukan pada rentang potensial 1 sampai -0.2 V,

laju pemayaran 0.01 mV/s. dan sensitivitas 1x 10-3

A/V. Data polarisasi

digunakan untuk menentukan nilai arus pertukaran (i0)dan kemiringan tafel (β).

4

HASIL DAN PEMBAHASAN

Kalsium Ferit dan Kalsium Ferit Terdoping Tembaga

Kalsium ferit (CaxFeyOz) disintesis dengan mereaksikan CaCl2•2H2O dan

FeCl3•6H2O menggunakan metode kopresipitasi pada suhu kalsinasi 750 °C.

Metode kopresipitasi menghasilkan pengotor berupa NaCl. Namun, Garam yang

terbentuk ini diharapkan berfungsi sebagai flux yang dapat mempercepat proses

pembentukan kalsium ferit seperti dalam metode lelehan garam (Aydoğan 2012).

Selanjutnya, NaCl dihilangkan dengan pencucian menggunakan akuades hangat.

Pencucian dilakukan setelah proses kalsinasi untuk mempemudah pemisahan

produk dan mengurangi hilangnya produk selama proses pencucian.

Kalsium ferit (CaxFeyOz) yang berhasil diperoleh memiliki warna coklat

pekat (Gambar 1a). Hasil ini sesuai dengan penelitian Shankar et al. (2015);

Khanna et al. (2013); dan Myndyk (2010). Namun, sifat kemagnetan kalsium ferit

semakin menurun seiring dengan bertambahnya doping tembaga (Cu), berturut-

turut 10% (Gambar 1b), 30% (Gambar 1c), dan 40% (Gambar 1d). Hal ini terjadi

karena adanya penggantian senyawa Fe yang memiliki sifat magnet dengan

senyawa diamagnetik Cu, sehingga berpengaruh pula terhadap penurunan sifat

kemagnetan material sintesis yang diperoleh.

(a) (b) (c) (d)

Gambar 1 Hasil sintesis kalsium ferit (a) dan kalsium ferit terdoping Cu 10% (b),

Cu 30% (c), dan Cu 40% (d)

Kalsium ferit dan senyawa dopingnya dengan tembaga akan digunakan

untuk mengkatalisis reaksi evolusi oksigen yang merupakan reaksi oksidasi air

menjadi molekul oksigen dalam reaksi elektrokimia (Reier et al. 2012). Reaksi ini

mencakup transfer empat elektron dan pembentukan oksigen-oksigen. Sehingga

secara kinetik membutuhkan energi yang besar dan membutuhkan katalis untuk

mempercepat reaksi (Kanan dan Nocera 2008). Reaksi evolusi oksigen

berlangsung sebagai berikut.

2 H2O 4 H+ + O2 + 4e (medium asam)

4 OH- 2 H2O + O2 + 4e (medium basa)

5

Pembentukan oksigen dan tranfer empat elektron dapat dipercepat dengan

katalis kalisum ferit. Hal ini karena kalsium ferit memiliki atom Fe pada tingkat

oksidasi +3 sehingga dapat membentuk senyawa peroksihidroksida secara

reversibel dalam medium alkali membentuk Fe2O5H2 (Fe4+

). Senyawa yang

terbentuk akan berinteraksi dengan hidroksi dalam medium pengelektrolisis dan

berubah menjadi senyawa besi oksida. Bentuk oksida tersebut akan berinteraksi

dengan sesamanya membentuk oksigen serta dihasilkan Fe seperti bentuk semula,

dan demikian seterusnya seperti yang terjadi pada katalis perovskit CaCu3Fe4O12

(Gambar 2).

Gambar 2 Model evolusi oksigen pada perovskit CaCu3Fe4O12 (Yagi et al. 2015)

Karakteristik Kalsium Ferit dan Kalsium Ferit Terdoping Tembaga

Fase kristalin yang terbentuk pada material anorganik dapat dikonfirmasi

dengan pengujian XRD, baik secara kualitatif maupun kuantitatif (Shankar et al.

2015). Selanjutnya, difraktogram yang dihasilkan dianalisis menggunakan

perangkat lunak HighScore Plus dengan analisis Rietveld. Data yang diperoleh

disesuaikan dengan Cristallography Open Database (COD). Berdasarkan analisis

Rietveld, menunjukkan bahwa komposisi fase yang terbentuk terdiri atas 45.2%

Ca2Fe2O5 yang didasarkan pada puncak-puncak sudut difraksi 33.63°, 36.75°,

41.65°, 50.52°, dan 62.04° serta 54.8% hematit (Fe2O3) pada sudut difraksi

24.14°, 56.16°, 65,93°, dan 72.26° (Gambar 3).

6

Gambar 3 Difraktogram hasil sintesis kalsium ferit

Fase Ca2Fe2O5 (Gambar 4) merupakan salah satu diantara bentuk fase

kristalin kalsium ferit yang lain, seperti CaFeO3, CaFe2O4, CaFe4O7, Ca4Fe9O17,

dan Ca4Fe14O25 (Hesham 2003). Senyawa Ca2Fe2O5 memiliki atom Fe dengan

struktur tetrahedral dan oktahedral yang mengikat atom O di setiap sudutnya.

Gambar 4 Struktur tiga dimensi Ca2Fe2O5 (Bertaut et al. 1959)

Sementara itu, kalsium ferit dengan doping tembaga tidak berhasil diperoleh

pada penelitian ini. Hal ini berdasarkan hasil Rietveld menggunakan perangkat

lunak HighScore Plus yang memperoleh komposisi fase berupa 50.3% CuFe2O4

pada sudut difraksi 30.29°, 35.53°, dan 67.32°, 20.4%; magnetit (Fe3O4) pada

sudut difraksi 53.61°, dan 75.35°; dan 29.3% kalsit (CaCO3) pada sudut difraksi

38.95°, 48.92°, dan 62.65° (Gambar 5).

Fe oktahedral (dengan atom

O terikat di setiap sudutnya)

Fe tetrahedral (dengan atom

O terikat di setiap sudutnya)

Ca

7

Gambar 5 Difraktogram hasil sintesis kalsium ferit dengan doping Cu 40%

Terbentuknya CuFe2O4 dimungkinkan karena Cu cenderung menggantikan

posisi Ca dibandingkan posisi Fe seperti yang diharapkan. Hal tersebut diduga

karena level energi Cu lebih dekat dengan Fe, sehingga Cu lebih mudah berikatan

dengan Fe dibandingkan dengan Ca. Selain itu, suhu kalsinasi yang digunakan

(750 °C) diduga belum mampu mendekomposisi senyawa kalsium ferit yang

didoping dengan tembaga. Candeia et al. (2004) menyebutkan bahwa kalsium

ferit akan terbentuk pada suhu kalsinasi 800oC, sedangkan perovskit CaCu3Fe4O12

berhasil disintesis pada suhu 1000 o

C (Yagi et al. 2015). Penggunaan suhu

kalsinasi sebesar 750 oC didasarkan pada terbentuknya garam NaCl yang

diharapkan dapat mempercepat terbentuknya katalis seperti dalam metode lelehan

garam.

Keberadaan senyawa kalsit (CaCO3) diduga karena terjadinya reaksi antara

Ca(OH)2 dan air (H2O) dengan kandungan CO2 bebas selama proses sintesis.

Berdasarkan uji kandungan CO2 bebas, akuades yang digunakan dalam proses

sintesis mengandung CO2 sebanyak 13.46 mg/L (Lampiran 4), sedangkan

senyawa Ca(OH)2 dapat dihasilkan dalam bentuk endapan melalui pencampuran

larutan kalsium klorida (CaCl2) dengan larutan natrium hidroksida (NaOH).

Data XRD tersebut juga didukung dengan analisis menggunakan

Spektrofotometer Inframerah Transformasi Fourier (FTIR) (Gambar 6). Spektrum

pada bilangan gelombang 871 cm-1

diduga sebagai vibrasi tekuk dari Fe-O-H. Hal

ini sesuai dengan penelitian Khanna dan Venna (2013) yang menyatakan bahwa

profil vibrasi tekuk Fe-O-H terlihat pada bilangan gelombang 855-895 cm-1

.

Spektrum pada bilangan gelombang 603 cm-1

diduga adalah ikatan vibrasi ulur

dari Cu-O (Ethiraj dan Kang 2012). Spektrum untuk ikatan Ca-O tidak terlihat

pada penelitian ini. Menurut Khanna dan Venna (2013), ikatan Ca-O akan terlihat

pada bilangan gelombang 508 cm-1

.

8

Gambar 6 Spektrum FTIR material kalsium ferit dan kalsium ferit terdoping

tembaga (10%, 30%, dan 40%)

Aktivitas Elektrokatalis

Sifat elektrokimia kalsium ferit dan dopingnya dengan tembaga dalam

medium alkali dipelajari melalui voltammetri lucutan linear. Teknik ini dilakukan

dengan mengaplikasikan potensial pada elektrode kerja yang dibandingkan

dengan elektrode pembanding sampai mencapai keadaan tunak (steady state).

Parameter elektrokimia berupa kemiringan tafel (β) dan arus pertukaran (i0) akan

diperoleh melalui plot hubungan overpotensial dan log |i| (Gambar 7) dengan

mengacu pada persamaan Volmer-Butler yang merupakan persamaan dasar

kinetik untuk proses elektrokimia, yang menunjukkan bahwa arus bergantung

pada arus pertukaran, koefisien tranfer muatan, dan overpotensial (Bard dan

Faulkner 2001).

Gambar 7 Kurva hubungan log |i| dan overpotensial

9

Parameter kemiringan tafel (β) dan arus pertukaran (i0) memberikan

informasi tentang aktivitas katalitik yang selanjutnya diamati pada konsentrasi

NaOH berbeda, yaitu 0.5 M, 1.0 M, dan 1.5 M. Hal ini dilakukan karena

konsentrasi NaOH memliki pola tertentu terhadap nilai paramater elektroktalis

sehingga setiap katalis memiliki konsentrasi NaOH optimum. Nilai i0 pada

elektrokatalis yan telah diuji menunjukkan adanya peningkatan akibat adanya Cu,

kecuali pada kalsium ferit dengan doping Cu 40% (Gambar 8a). Adanya

penurunan nilai i0 diduga karena fase yang terbentuk masih berupa prekursor-

prekursornya, seperti CaCO3 dan Fe3O4. Elektrokatalis kalsium ferit dengan

doping Cu 30% memiliki nilai i0 tertinggi dan β terendah pada konsentrasi NaOH

0.5 M (Gambar 8a dan Gambar 8b). Nilai i0 yang tinggi dan β yang rendah

menunjukkan aktivitas katalitik yang baik dari suatu material (Safizadeh et al.

2015).

Gambar 8 Parameter elektrokatalitik dari katalis berbasis kalisum ferit dalam

medium NaOH 0.5 M ( ), 1.0 M ( ), dan 1.5 M ( )

0,0000

0,0050

0,0100

0,0150

0,0200

0,0250

CaxFeyOz CaxFeyOz-Cu

10%

CaxFeyOz-Cu

30%

CaxFeyOz-Cu

40%

i 0 (

mA

)

Elektrokatalis

(a)

140

145

150

155

160

165

170

175

CaxFeyOz CaxFeyOz-Cu

10%

CaxFeyOz-Cu

30%

CaxFeyOz-Cu

40%

β (

mV

/dec

)

Elektrokatalis

(b)

10

SIMPULAN DAN SARAN

Simpulan

Berdasarkan karakterisasi menggunakan FTIR dan XRD, kalsium ferit

berhasil terbentuk dengan fase Ca2Fe2O5, sedangkan kalsium ferit dengan doping

tembaga belum berhasil didapatkan, melainkan senyawa CuFe2O4. Aktivitas

katalitik terbaik yaitu pada elektrokatalis kalsium ferit dengan doping Cu 30%

pada medium NaOH 0.5 M berdasarkan parameter arus pertukatan dan

kemiringan tafel, berturut-turut sebesar 0.0229 mA dan 150 mV/dec.

Saran

Perlu dilakukan optimasi suhu kalsinasi agar senyawa yang didoping dapat

terbentuk.

DAFTAR PUSTAKA

Aydoğan E. 2012. Processing and Characterization of Textured Barium Ferrite

Ceramics. A Thesis Submitted to The Graduate School of Natural and

Applied Sciences Of Middle East Technical University.

Bard AJ, Faulkner LR. 2001. Electrochemical methods-Foundamentals and

applications. New York(US): J. Wiley and Sons, Inc.

Bertaut EF, Blum P, Sagnieres A. 1959. Structure du ferrite bicalcique et de la

brownmillerite. Acta Crystallogr. 12(2), 149-159.

Burke MS, Zou S, Enman LJ, Kellon JE, Gabor CA, Pledger E, Boettcher SW.

2015. Revised oxygen-evolution-reaction activity trends for first-row

transition metal (oxy)hydroxides in alkaline media. J Phys Chem. Lett. 6: 1-

19.

Candeia RA, Bernardi MIB, Longo E, Santos IMG, Souza AG. 2004. Synthesis

and characterization of spinel pigment CaFe2O4 obtained by the polymeric

precursor method. Mater Lett. 58:569.

Carmo M, Fritz DL, Merge J, Stolten D. 2013. A comprehensive review on pem

water electrolysis. Int J Hydrogen Energy. 38: 4901-4934.

Ethiraj AS, Kang DJ. 2012. Synthesis and characterization of CuO nanowires by a

simple wet chemical method. Nanoscle Research Letters. 7:70

Hesham IS. 2003. Synthesis and formation mechanism of calcium ferrite

compounds. J. Material Science and Technology. 20(5): 11-19.

Kanan MW, Nocera DG. 2008. In situ formation of an oxygen-evolving catalyst

in neutral water containing phosphate and Co2+.

. Science. 32: 1072-1075

Khanna L, Venna NK. 2013. Synthesis, characterization and vitro cytotoxicity

study of calcium ferrite nanoparticles. Materials Science in Semiconductor

Processing. 16: 1842-1848.

11

Kwak JY, Lee CS, Kim D, Kim Y. 2012. Characteristics of barium hexaferrite

nanoparticles prepared by temperature-controlled chemical coprecipitation.

Journal of the Korean Chemical Society. 56 (5):609-616.

Myndyk M. 2010. Nanocrystalline oxides prepared by mechanochemical reactions

[Thesis]. Braunschweig (DE): Technischen Universität Carolo-Wilhelmina.

Reier T, Oezaslan M, Strasser P. 2012. Electrocatalytic oxygen evolution reaction

(OER) on Ru,Ir, and Pt catalysts: a comparative study of nanoparticles and

bulk materials. ACS Catal. 2: 1765−1772.

Safizadeh F, Ghali E, Houlaf G. 2015. Electrocatalysis developments for

hydrogen evolution reaction in alkaline solutions. Int. J. Hydrogen Energy.

40: 256-274.

Singh RN, Madhu, Awasthi R, Tiwari SK. 2009. Iron molybdates as

electrocatalysts for O2 evolution reaction in alkaline solution. Int. J.

Hydrogen Energy. 34: 4693-4700.

Singh RN, Singh JP, Lal B, Thomas MJK, Bera S. 2006. NewNiFe2-xCrxO4 spinel

films for O2 evolution in alkaline solutions. Electrochim Acta. 51(5):15–23.

Shankar P, Bhavyashri, Ravendra RS, Jayasheelan A, Prakash CS, Nagabhusana

BM, Nagabhusana H, Prasad BD. 2015. Synthesis, characterization and

magnetic properties of CaFe2O4 nanoparticles by solution combustion

method. Int.Journal of Advanced Scientific and Technical Research. 5(1):

445-452.

Xu, QZ, Su YZ, Wu H, Cheng H, Guo YP, Li N, Liu ZQ. 2015. Effect of

morphology of Co3O4 for oxygen evolution reaction in alkaline water

electrolysis. Current Nanosience. 11(1): 107-112.

Yagi S, Yamada I, Tsukasaki H, Seno A, Murakami M, Fujii H, Chen H,

Umezawa N, Abe H, Nishiyama N, Mori S. 2015. Covalency-reinforced

oxygen evolution reaction catalys. Nature Comminication. 6:8249

12

LAMPIRAN

Lampiran 1 Diagram alir penelitian

Lampiran 2 Komposisi material kalsium ferit

Senyawa BM (g/mol) n (mol) Massa (g)

CaCl2 110.9900 0.0281 3.1216

FeCl3•6H2O 270.2900 0.0563 15.2038

Contoh perhitungan:

n NaOH = 0.225 mol

n CaCl2

Massa CaCl2

n FeCl3•6H2O

Massa FeCl3•6H2O

13

Lampiran 3 Komposisi material kalsium ferit dengan doping tembaga

Contoh Perhitungan:

n NaOH = 0.225 mol

n CaCl2

Massa CaCl2

Mol FeCl3•6H2O

Massa FeCl3•6H2O

n Cu(NO3)2•3H2O

Massa Cu(NO3)2•3H2O

Penambahan Cu (%) Senyawa BM (g/mol) n (mol) Massa (g)

10

CaCl2 110.9900 0.0288 3.2016

FeCl3•6H2O 270.2900 0.0519 14.0343

Cu(NO3)2•3H2O 241.6000 0.0058 1.3938

30

CaCl2 110.9900 0.0304 3.3747

FeCl3•6H2O 270.2900 0.0426 11.5056

Cu(NO3)2•3H2O 241.6000 0.0182 4.4076

40

CaCl2 110.9900 0.0313 3.4684

FeCl3•6H2O 270.2900 0.0375 10.1359

Cu(NO3)2•3H2O 241.6000 0.0250 6.0400

14

Lampiran 4 Uji kandungan CO2 bebas dalam air dengan NaOH 0.1 N

Ulangan VNaOH (mL) Vsampel (mL) Kadar CO2 bebas (mg/L)

1 0.30 100 13.46

2 0.30 100 13.46

3 0.30 100 13.46

Rerata 13.46

Contoh perhitungan:

Kadar CO2 =

[ ]

=

= 13.46 mg/L

Lampiran 5 Hasil pengujian elektrokatalis dengan voltametri lucutan linier (LSV)

Material [NaOH]

(M)

Ukuran (cm) A (cm2)

Rct (ohm)

i0 (mA)

A

slope

(V-1)

j0

(mA/

cm2)

β

(mV/

dec)

αa p l t

CaxFeyOz

0.50

0.50 0.10 1.50

1.850 1649 0.0159 6.113 0.0086 164 0.36

1.00 1.850 1506 0.0171 6.030 0.0092 166 0.36

1.50 1.850 1547 0.0166 6.012 0.0090 166 0,36

CaxFeyOz-

Cu 10%

0.50

0.55 0.10 1.50

2.005 1498 0.0172 6.093 0.0086 164 0.36

1.00 2.005 1364 0.0188 6.046 0.0094 165 0.36

1.50 2.005 1127 0.0208 6.038 0.0104 166 0.36

CaxFeyOz-

Cu 30%

0.50

0.55 0.10 1.50

2.005 1153 0.0229 6.673 0.0114 150 0.40

1.00 2.005 1186 0.0217 6.272 0.0108 159 0.37

1.50 2.005 1252 0.0205 6.201 0.0102 161 0.37

CaxFeyOz-

Cu 40%

0.50

0.55 0.15 1.50

2.183 3386 0.0076 6.015 0.0035 166 0.36

1.00 2.183 3842 0.0067 5.901 0.0031 169 0.35

1.50 2.183 3734 0.0069 5.897 0.0032 170 0.35

Contoh perhitungan:

(( ) ( ) )

(( ) ( ) )

15

Lampiran 5 (lanjutan)

⁄

⁄

16

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Lampung Timur pada tanggal 18 April 1994 dari

pasangan Bapak Muslim dan Ibu Endang Purwiyanti. Penulis merupakan anak

kedua dari tiga bersaudara. Tahun 2012 penulis lulus dari Madrasah Aliyah

Negeri (MAN) 1 Bandar Lampung dan pada tahun yang sama penulis lulus seleksi

masuk Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur SNMPTN Undangan dan

diterima di Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam.

Selama mengikuti perkuliahan, penulis aktif di berbagai organisasi

kemahasiswaan, seperti Dewan Mushola Asrama A5 TPB IPB tahun 2012-2013

sebagai Ketua, BEM FMIPA 2014 sebagai Staf Departemen Kajian Strategis, dan

BEM KM IPB 2015 sebagai Sekretaris Kementerian Kebijakan Daerah. Penulis

juga aktif di berbagai kegiatan kepanitaan, seperti Masa Perkenalan Kampus

Mahasiswa Baru (MPKMB), Masa Perkanalan Fakultas (MPF), Masa Perkenalan

Departemn (MPD), dan Seminar Nasional Kimia Aplikatif. Selain itu, penulis

juga pernah menjadi asisten mata kuliah Pendidikan Agama Islam tahun 2013-

2014 dan asisten praktikum Kimia B tahun ajaran 2015. Penulis melakukan

praktik lapangan di Pusat Penelitian Karet, Bogor dengan judul Pengaruh Waktu,

Suhu, dan Konsentrasi Hidrogen Peroksida terhadap Kadar Epoksida Karet Alam

Terepoksidasi.