G:\MASTER JUSAMI YANG SUDAH LEN

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials ScienceEdisi Khusus Desember 2009, hal : 74 - 77ISSN : 1411-1098Akreditasi LIPI Nomor : 536/D/2007Tanggal 26 Juni 2007PENGGUNAAN POLIETILENGLIKOL-400 PADA SINTESISNANOPARTIKEL Fe 3O 4DAN KARAKTERISASI STRUKTURSERTA KEMAGNETANNYAABSTRAKMalikA. Baqiya dan DarmintoJurusan Fisika FMIPA-ITS,Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111PENGGUNAAN POLIETILENGLIKOL-400 PADA SINTESIS NANOPARTIKEL Fe 3O 4DANKARAKTERISASI STRUKTUR SERTAKEMAGNETANNYA. Partikel nano Fe 3O 4telah berhasil disintesisdari pasir alam dengan metode ko-presipitasi dengan dan tanpa penggunaan polietilenglikol (PEG)-400 sebagaitemplate dalam pelarut HCl dan pengendap NH 4OH. Hasil analisis X-Ray Diffractometer (XRD) terhadapFe 3O 4tanpa template menunjukkan ukuran kristalin 15 nm, sedangkan penggunaan PEG-400 meningkatkanukuran kristalin hingga 25 nm. Hasil ini didukung oleh pengamatan melalui Transmission Electron Microscope(TEM). Pengukuran terhadap sifat kemagnetan menggunakan Vibrating Sample Magnetometer (VSM)memperlihatkan adanya peningkatan magnetisasi saturasi pada partikel nano Fe 3O 4dengan PEG-400.Kata kunci : Fe 3O 4, Nanopartikel, PEG-400ABSTRACTEFFECTS OF USING POLYETHYLENEGLYCOL-400 ON Fe 3O 4NANOPARTICLESYNTHESIS AND ITS MAGNETIC CHARACTERIZATION. Fe 3O 4particles have been synthesized fromiron sand using co-precipitation method with and without polyethyleneglycol (PEG)-400 as template in HCl/NH 4OH as dissolving/precipitating agents. XRD analysis of Fe 3O 4nanoparticles synthesized without templategive the result of crystalline size 15 nm. Further, the use of PEG-400 increases the crystalline size up to 25nm. The results were confirmed by TEM observation. Magnetic characterization using VSM showed theincrease of magnetic saturation of Fe 3O 4nanoparticles using PEG-400.Key words : Fe 3O 4, Nanoparticles, PEG-400PENDAHULUANSalah satu nanopartikel magnetik yang banyakdipelajari baru-baru ini adalah Fe 3O 4(magnetite). Pasirbesi mengandung fasa Fe 3O 4yang cukup tinggi disamping terdapat fasa minor lainnya, seperti Fe 2O 3. Olehsebab itu, pasir besi sangat berpotensi untuk dijadikanFe 3O 4berukuran nanometer. Seiring perkembanganteknologi, partikel nano Fe 3O 4diaplikasikan sebagaiferofluida [1], dalam biomedikal [2] dan sebagai bahanpenyerap gelombang mikro radar [3].Banyak teknik yang dapat dipakai dalammensintesis partikel nano Fe 3O 4, seperti tekniksonochemical [4], hidrotermal [5], sol gel [6] dan metodekopresipitasi kimia [7]. Di antara beberapa metodetersebut, metode kopresipitasi kimia memiliki keunggulandalam hal kesederhanaan dalam prosedur sintesis dankebutuhan suhu reaksi yang lebih rendah. Namundemikian, teknik ini harus memperhatikan stoikiometrikimia yang terjadi saat reaksi pembentukan.Perbandingan ion ferrous (Fe 2+ ) dan ion ferric (Fe 3+ )dalam sintesis partikel nano Fe 3O 4sangat mempengaruhihasil akhir reaksi. Efeknya meliputi rentang distribusiukuran partikel dan sifat magnetik yang dihasilkan.Dilaporkan bahwa valensi garam logam yang digunakandalam sintesis memegang peranan penting dalammenentukan ukuran partikel [8]. Dalam penelitian ini,ukuran partikel nano Fe 3O 4yang dihasilkan bervariasidalam rentang ~9 nm sampai ~40 nm sebagai akibatperubahan persentase molar ion ferrous terhadap jumlahtotal ion besinya.Dalam beberapa tahun terakhir, para penelititertarik dalam memodifikasi partikel magnetik ini baikberkaitan dengan distribusi ukuran maupun bentukpartikelnya. Sangatlah penting dalam mengontroldistribusi partikel nano magnetik Fe 3O 4sebab dapatmempengaruhi tingkat aplikasi yang akan diterapkannantinya. Partikel yang memiliki distribusi ukuran yang74

Penggunaan Polietilenglikol-400 pada Sintesis Nanopartikel Fe 3O 4dan Karakterisasi Struktur serta Kemagnetannya(Malik A. Baqiya)sempit memiliki tingkat keefektifan tinggi dalampenggunaannya. Salah satu teknik yang dipakai dalammewujudkan hal tersebut ialah dengan menggunakanPEG di dalam sintesis nanopartikel Fe 3O 4. PEG dipakaisebagai template sehingga material tersebut berukurannano 1D atau dalam bentuk nanorods. NanopartikelZnFe 2O 4telah berhasil disintesis dengan penambahanPEG melalui metode hidrotermal dengan diameter ratarata~14 nm [9]. Dalam penelitian ini, nanopartikelmagnetik disintesis menggunakan bahan dasar alam,yakni pasir besi dengan metoda ko-presipitasi dengandan tanpa penggunaan PEG-400 sebagai template dalampelarut HCl dan pengendap NH 4OH.METODE PERCOBAANBahanPasir besi alam dipakai sebagai bahan dasarpembuatan partikel nano Fe 3O 4yang memiliki sebagianbesar fasa Fe 3O 4. Dalam metode kopresipitasi kimiayang dilakukan, digunakan HCl (Merck, 37%, 12,063 M)sebagai pelarut dan NH 4OH (Merck, 6,5 M) sebagaipengendap. PEG-400 dipakai sebagai template untukpartikel Fe 3O 4.Sintesis NanopartikelPasir besi untuk pertama kalinya diekstraksimenggunakan magnet permanen sampai diperoleh hanyafasa Fe 3O 4. Melalui metode ko-presipitasi, pasir besitersebut dilarutkan dalam HCl pada suhu 60 o C sambildiaduk menggunakan magnetic stirrer. Larutan yangdihasilkan dipisahkan dari pengotornya. Preparasipartikel magnetite ini dilakukan dengan maupun tanpapenggunaan PEG. Untuk preparasi partikel magnetitedengan PEG, PEG-400 ditambahkan dalam larutan ini.Kemudian dilanjutkan dengan proses pengendapan,dengan menambahkan larutan NH 4OH secara perlahanlahansambil diaduk sampai merata dalam magneticstirrer pada suhu yang sama. Beberapa saat setelah reaksipengendapan ini, endapan berwarna hitam pekat akanterbentuk. Reaksi diteruskan sampai 30 menit berikutnya.Endapan yang dihasilkan ini dicuci sampai memiliki pH 7dan dikeringkan pada suhu 60 o C.KarakterisasiSerbuk Fe 3O 4yang didapatkan dianalisismenggunakan X-Ray Diffractometer (XRD) (JEOL-3530Shimadzu Type; Cu-Ka 1,54 Å, 40 kV, 30 mA) untukmengidentifikasi fasa yang terkandung di dalamnya.Persamaan Scherrer dipakai untuk menghitung ukurankristalin partikel yang terbentuk. Pengamatan denganTransmission Electron Microscope (TEM) dilakukanuntuk melihat rentang distribusi ukuran partikel Fe 3O 4dan keterkaitan dengan perhitungan ukuran kristalinnya.Sifat magnetik dari serbuk Fe 3O 4diukur menggunakanVibrating Sample Magnetometer (VSM) (OXFORDVSM1.2H Type) yang beroperasi pada suhu kamar.HASIL DAN PEMBAHASANAnalisis Serbuk Hasil SintesisPasir besi yang telah memiliki fasa Fe 3O 4dilarutkandalam larutan HCl, sehingga menghasilkan larutandengan kandungan ion-ion Fe 2+ dan Fe 3+ sekaligus.Larutan dengan kandungan ion-ion ini sangat pentingsebagai bahan dasar pembentukan partikel nano Fe 3O 4melalui pengendapan dengan larutan basa NH 4OH.Proses reaksi ko-presipitasi yang dihasilkan dapat ditulismelalui reaksi sebagai berikut :3 Fe O ( s) 8 HCl( l) 2 FeCl ( l) FeCl ( l) 3 H O( l) 3 Fe O ( s) H3 4 3 2 2 2 3 23 Fe O ( s) 8 HCl ( l) 2 FeCl ( l) FeCl ( l) 3 H O( l) 3 Fe O ( s) H ( g)... (1)3 4 3 2 2 2 3 22FeCl3 ( l) FeCl2( l) 3H2O(l) 8NH4OH( l) Fe O s) 8NHCl(l) 7HO() ................. (2)3 4(42lEndapan (presipitat) berwarna hitam akanterbentuk dengan segera saat larutan hasil reaksi (1)dicampur dengan larutan basa. Reaksi pembentukan (2)yang cepat ini dimungkinkan menjadi penyebab partikelFe 3O 4berukuran nano, disamping faktor suhu, pH,perbandingan ion-ion Fe 2+ dan Fe 3+ .Analisis XRDPengujian XRD digunakan sebagai karakterisasiawal untuk mengetahui fasa yang terkandung dalamsampel hasil sintesis dengan metode ko-presipitasi. DataXRD sampel serbuk tanpa dan dengan PEG-400ditunjukkan pada Gambar 1. Analisis kualitatifmenunjukkan bahwa terdapat fasa Fe 3O 4dan tidakditemukan fasa lain. Fasa magnetite (Fe 3O 4) memilikikarakteristik puncak difraksi (022), (113), (004), (224),(115), and (044), sedangkan fasa maghemite (-Fe 2O 3)juga memiliki karakteristik puncak yang sama. Dengandemikian sangat sulit untuk membedakan antara dua fasaIntensitas(0 2 2)(1 1 3)(2 2 2)(0 0 4)Tanpa PEG 400Dengan PEG 400(2 2 4)(1 1 5)(0 4 4)20 30 40 50 60 702 ThetaGambar 1. Pola XRD untuk sampel tanpa/denganpenambahan PEG-40075

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials Sciencetersebut karena mempunyai struktur kristal yang serupa.Pembentukan fasa maghemite ini mungkin terjadimengingat bahwa dalam ukuran partikel nano, ion Fe 2+dapat dengan mudah teroksidasi menjadi ion Fe 3+ baikselama proses reaksi presipitasi maupun pada saatserbuk Fe 3O 4di udara bebas.Penghalusan Rietveld dilakukan untukmendapatkan ukuran kristal rata-rata dan parameter kisidari kedua sampel Fe 3O 4yang telah disintesis tanpamaupun dengan PEG-400. Dengan menggunakanpersamaan Scherrer dilakukan analisis pada pola XRDyang diperoleh pada Gambar 1 dan didapatkan ukurankristal rerata 16,9 ± 2,6 nmdan 26,7 ± 3,7 nm untuk sampelFe 3O 4tanpa dan dengan PEG secara berurutan.Sedangkan untuk kisi kristal dari kedua sampel Fe 3O 4tersebut adalah 8,405 Å untuk sampel tanpa PEG dan8,372 Å untuk sampel dengan penambahan PEG-400.Data parameter kisi ini mendekati ICSD number 30-860dengan a = 8,396 Å.Analisis TEMAnalisis lebih lanjut mengenai lebar puncak padaGambar 1 menunjukkan bahwa serbuk Fe 3O 4yangdisintesis dengan penambahan PEG-400 memilikiFWHM (Full Width at Half Maximum) lebih sempitdaripada sampel tanpa PEG. Hal ini dibuktikan darihasil perhitungan ukuran kristal dimana serbuk Fe 3O 4dengan penambahan PEG-400 mempunyai ukuran kristalrerata lebih besar. Ukuran-ukuran kristal yang diperolehdari XRD ini terkonfirmasi melalui pengamatanTEM. Perbandingan antara foto TEM sampel Fe 3O 4(a)(b)(a)Magnetisasi (emu/gr)300Edisi Khusus Desember 2009, hal : 74 - 77ISSN : 1411-1098298 o K(a)(a) Tanpa PEG-400(b) Dengan PEG-400(b)-30-0,15 0,00 0,15Medan Magnetik Luar (T)Gambar 3. Kurva histeresis serbuk Fe 3O 4tanpa dan denganpenambahan PEG-400tanpa/dengan penambahan PEG-400 diperlihatkanpada Gambar 2.Pengamatan TEM ini dilakukan untukmenentukan perbedaan ukuran partikel yang terbentukdari sintesis Fe 3O 4tanpa/dengan penambahan PEG-400.Gambar 2 menunjukkan bahwa penambahan PEGmempengaruhi pertumbuhan partikel Fe 3O 4, dimanapartikel dapat memiliki anisotropi bentuk. Tampak bahwapartikel Fe 3O 4mengalami aglomerasi terutama padasampel dengan PEG-400. Diameter rerata partikel untuksampel tanpa dan dengan PEG-400 berurutan ~10 dan~20 nm, yang mendekati ukuran kristal hasil analisispenghalusan Rietvield.Analisis Sifat KemagnetanPenambahan PEG-400 pada proses reaksi kopresipitasiyang mempengaruhi pertumbuhan partikelmempunyai konsekuensi dalam menentukan sifatkemagnetannya. Sifat magnetik serbuk Fe 3O 4hasilsintesis dikarakterisasi dengan mengukur medan luarterhadap magnetisasinya. Gambar 3 menunjukkan kurvahisteresis M terhadap H untuk sampel serbuk Fe 3O 4tanpa dan dengan PEG-400. Tampak bahwa kedua sampelmempunyai magnetisasi yang berbeda.Nilai magnetisasi saturasi (M s) untuk serbukFe 3O 4dengan penambahan PEG-400 lebih tinggidibanding serbuk Fe 3O 4tanpa PEG-400, dengan nilaiberturut-turut adalah 34,2 emu/g and 21,7 emu/g. Akibattingginya anisotropi bentuk pada serbuk Fe 3O 4denganpenambahan PEG, dimungkinkan terjadi anisotropikemagnetan pada sampel serbuk tersebut. Anisotropikemagnetan dengan domain yang lebih besar dapatditandai oleh ukuran kristal yang lebih besar. Ketikaserbuk Fe 3O 4dengan PEG diberi medan magnet luar, makaenergi yang dibutuhkan untuk memagnetisasi akan lebihbesar, sehingga mengakibatkan nilai M smeningkat.KESIMPULAN(b)Gambar 2. Foto pengamatan TEM sampel (a). tanpa dan(b). dengan penambahan PEG-400Sintesis Fe 3O 4dari pasir besi dengan metodekopresipitasi menghasilkan ukuran partikel < 50 nmterukur melalui analisis XRD dan dikonfirmasi dengan76

Penggunaan Polietilenglikol-400 pada Sintesis Nanopartikel Fe 3O 4dan Karakterisasi Struktur serta Kemagnetannya(Malik A. Baqiya)pengamatan TEM. Penambahan PEG-400 dalam sintesispartikel nano Fe 3O 4menyebabkan ukuran kristal yanglebih besar dan tingkat keanisotropian yang tinggi.Konsekuensinya akan menghasilkan nilai magnetisasisaturasi yang lebih tinggi.DAFTAR ACUAN[1]. R.Y. HONG, T.T. PAN, Y.P. HAN, H.Z. LI, J. DING,and SIJIN HAN, Journal of Magnetism andMagnetic Materials, 310 (2007) 37-47[2]. JULIAMÜRBE,ANNETTRECHTENBACH,JÖRGTÖPFER, Materials Chemistry and Physics, 110(2008)426-433[3]. VINCENT G.HARRIS,ANTON GEILER , YAJIECHEN, SOACK DAE YOON, MINGZHONG WU,ARIA YANG, ZHAOHUI CHEN, PENG HE,PATANJALI V.PARIMI, XU ZUO, CARLE.PATTON, MANASORIABE, OLIVIERACHER,CARMINE VITTORIA, Journal of Magnetism andMagnetic Materials, 321 (2009) 2035-2047[4]. R. VIJAYAKUMAR,YU. KOLTYPIN, I. FELNER,A. GEDANKEN, Materials Science andEngineering, A286 (2000) 101-105[5]. D. CHEN and R. XU, Materials Research Bulletin,33 (7) (1998) 1015-1021[6]. J. XU, H. YANG, W. FU, K. DU, Y. SUI, J. CHEN,YI ZENG, M. LI, G. ZOU, Journal of Magnetismand Magnetic Materials, 309 (2007) 307-311[7]. I. NEDKOV, T. MERODIISKA, L. SLAVOV, R.E.VANDENBERGHE, Y. KUSANO, J. TAKADA,Journal of Magnetism and Magnetic Materials,300 (2006) 358-367[8]. H. IIDA, K. TAKAYANAGI, T. NAKANISHI, T.OSAKA, Journal of Colloid and Interface Science,314 (2007) 274-280[9]. YÜKSELKÖSEOÐLU,ABDÜLHADI BAYKAL,MUHAMMET S. TOPRAK, FATMA GÖZÜAK,ALI CEMIL BAºARAN, and BEKIR AKTAº,Journal of Alloys and Compounds, 462 (2008)209-21377