sintesis multiferoik bifeo3 dengan metode kopresipitasi

Final-Project Presentation

Sintesis Multiferoik BiFeO3 dengan Metode Kopresipitasi, Wet-

Mixing dan Solid-State Reaction Menggunakan Fe2O3 Hasil Sintesis

dari Pasir Besi

Retno Asih

(1108 100 013)

Pembimbing:

Prof.Dr. Darminto, M.Sc

Malik Anjelh Baqiya, M.Si

Jurusan Fisika

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Institut Teknologi Sepuluh Nopember

©Surabaya, 30 Januari 2012 1

PENDAHULUAN

Multiferoik Apa???

Spaldin & Fiebig,

Science 309:391

(2005) 2

Sumber daya alam

yang melimpah

• Apakah hanya sebatas bahan bangunan

Fe2O3,

Fe3O4

Multiferoik BiFeO3

Pasir besi pada lokasi 50 m dari Pantai Jolosutro

(Arifani, 2012)

?

Perlu analisis lebih lanjut untuk

mensintesis BiFeO3

Variasi metode, variasi heat treatment

Final Project

Cont,…….

3

Perumusan Masalah

Batasan Masalah

Tujuan

• Bagaimana sintesis multiferoik BiFeO3 dengan

metode kopresipitasi, wet-mixing dan solid-state reaction dari Fe2O3

• Bagaimana pengaruh heat-treatment • Bagaimana identifikasi fasa dan ukuran kristal

• sintesis dari Fe2O3 hasil sintesis dari pasir

besi

• Karakterisasi ukuran kristal dan

identifikasi fasa

• Mengetahui sintesis multiferoik BiFeO3 dengan

metode kopresipitasi, wet-mixing dan solid-state reaction dari Fe2O3 hasil sintesis dari pasir besi

• mengetahui pengaruh heat-treatment • Mengetahui fasa yang terbentuk dan ukuran

kristal BiFeO3

Cont,…….

Final-

Project

4

TINJAUAN PUSTAKA

Multiferoik

struktur kristal BiFeO3

Diagram fasa BiFeO3

Metode Sintesis

5

http://physics.aps.org/

articles/v2/20

Physics 2, 20 (2009)

Daniel Khomskii

Illustration:

Alan Stonebraker

Material yang memiliki lebih dari satu sifat (listrik,magnet ) dalam satu material (Picozzi and Ederer, 2009)

BiFeO3 menunjukan koeksistensi feroelektrik dan antiferomagnetik pada suhu kamar BiFeO3 memiliki suhu transisi

fase yang tinggi (TN=370oC dan Tc=810oC)

(szafraniak,2007)

6

Ferroelectricity: Material yang memiliki

polarisasi listrik (net electric polarization) Sifat elektrik pada BiFeO3 terjadi akibat

adanya dipol listrik lokal (Schmid, 1994)

Antiferromagnetism: material yang net

momen magnetnya

sama dengan nol.

(Calister, 1989)

7

Bi Fe O

(Ederer, 2009)

(Levy, 2005)

Perovskit Terdistorsi

Kubik

Rhombohedral

SGR=R3C a=5.5876Ǻ b=5.5876Ǻ c=13.867Ǻ α=β=90,γ=120 (www.crystallograpy.net)

8

Diagram fasa BiFeO3 (Lu, 2011)

fasa α-BiFeO3 terbentuk pada saat konsentrasi Bi2O3 50% dan Fe2O3 50% yang disintering pada suhu 825oC

fasa β-BiFeO3 terbentuk pada suhu sinter di atas 825oC dan di bawah 937oC (Palai et al,2008).

BiFeO3 biasanya disiapkan dari Bi2O3 dan Fe2O3 dengan perbandingan mol 1:1, dan pada suhu tinggi dapat terurai kembali ke bahan-bahan awal

9

Metode Kopresipitasi -Ukuran partikel cukup kecil - kecenderungan beraglomerasi

Metode Wet-Mixing - melarutkan sampel serbuk ke dalam larutan asam dengan dijaga

derajat keasaman, temperatur dan kecepatan pengadukan hingga larutan tersebut mengerak membentuk padatan.

Metode Solid-State Reaction - pencampuran bahan-bahan dasar dalam keadaan padat tanpa menggunakan pelarut

- lebih ekonomis dan ramah lingkungan karena tidak menggunakan pelarut sehingga tidak menimbulkan limbah sisa pelarutan

10

METODE PENELITIAN

11

Pasir Besi

Fe2O3

Kopresipitasi Wet-mixing Solid-state reaction

Hasil sintesis

Perlakuan Panas

Karakterisasi

DTA-TGA

XRD

Diagram alir

sintesis

multiferoik

12

HASIL DAN PEMBAHASAN

13

Fasa Fraksi Volum (%)

Magnetite (Fe3O4) 26,9%

Hematite (Fe2O3) 39,3%

Nikel Zinc Iron Oxide (Ni,Zn)Fe2O4 33,78%

Pola XRD dan komposisi fasa pasir besi pantai Jolosutro Blitar

(Arifani, 2012))

Pasir Besi Pantai Jolosutro

88,29% Fe

14

• 93,96% Hematite • Kalsinasi pada suhu 800oC selama 2

jam

• kopresipitasi ulang Fe2O3 = 100% Fe2O3.H2O

15

Pemanasan Langsung 1,2 dan

3 jam pada suhu 750oC

Pemanasan bertahap pada

suhu 750oC

16

Hasil DTA-TGA pada penelitian

sebelumnya: 750oC

Cont,…….

No Perlakuan

Fraksi

volum

BiFeO3

(%)

Fraksi

volum BFO

(%)

1 Tanpa pemanasan - -

2 750oC_1 jam 9,76 9,76

3 750oC_2 jam 13.88 15,6

4 750oC_3 jam 23,98 24,81

5 750oC_2(1+1)jam 26,42 42,84

6 750oC_4(2+2) jam 37,08 55,31

7 750oC_6(3+3) jam 33,87 49,63

8 750oC_6(2+2+2) jam 22,28 71,03 Komposisi fase sekunder BFO semakin meningkat dengan kenaikan holding time

Komposisi BFO keseluruhan meningkat

Compare,,,,

17

(Carvalho dan Tavares, 2008)

• dipanaskan dengan kecepatan 10oC per menit dari suhu ruang sampai suhu 1100oC

• Weight loss sekitar 30% terjadi dalam rentang suhu 113,25oC – 501,78oC

• mengindikasikan penguapan air (25-150oC), dekomposisi urea (150-400oC) dan dekomposisi nitrat (400-470oC) (Carvalho dan Tavares, 2008)

Metode wet-mixing: heat treatment pada suhu 550oC-750oC

Hasil sintesis metode wet-mixing sebelum heat treatment

18

No Perlakuan Fraksi volum BiFeO3(%) Fase lain

Fraksi volum

BFO (%)

1 550oC_1jam 41,75 Bi2Fe4O9(26,89%) Bi25FeO40(24,11%) 92,75




5 750oC_1jam 5,324 Bi25FeO40(85,1%) 90,42

6 750oC_2jam 5,005 Bi25FeO40(84,27%) Bi, Fe2O3 89,28

Fase kedua, Bi2Fe4O9 terbentuk pada pemanasan diatas 675oC (Mukherjee,1971) dekomposisi fase BiFeO3 pada

suhu tinggi 19

Untuk mendapatkan fasa BiFeO3 yang lebih tinggi dapat diperoleh dengan pemanasan pada suhu rendah dan pemanasan cepat (~1jam) sehingga meminimalisisr terbentuknya fasa sekunder Bi2Fe4O9

dan Bi25FeO39 (Carvalho dan Tavares, 2008)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

500 550 600 650 700 750

Frak

si V

olum

(%)

Suhu (oC)

BiFeO3 Bi2Fe4O9 Bi25FeO40

fasa BiFeO3 yang terbentuk pada suhu rendah merupakan fasa yang metastabil sehingga harus dihindari untuk perlakuan panas yang terlalu lama

Cont,…

20

No Perlakuan Fraksi

Volum

BiFeO3(%) Fasa lain

Fraksi

Volum

BFO(%)

1 Tanpa Pemanasan 3,59%

Bi2O3, Fe2O3, NH4NO3, Fe, Bi, Bi25FeO40 (8,11%)

11,7

2 550oC_1jam 50,7427 Bi2Fe4O9(2,91%) Bi25FeO40(8,64%) Bi2O3 (37,7%)

62,297

3 600oC_1jam 47,143 Bi2Fe4O9(2,52%) Bi25FeO40(5,48%) Bi2O3 (44,49%)

55,14

4 650oC_1jam 37,41 Bi2Fe4O9(9,45%) Bi25FeO40(53.14%) 100

5 750oC_3jam 42,60 Bi2Fe4O9(7,89%) Bi25FeO40(49,5%) 100

Komposisi fasa sintesis dengan metode wet-mixing dari serbuk Fe

21

fraksi volum BFO sebesar 80,63% dengan komposisi BiFeO3 36,92%

komposisi fasa sekunder Bi2Fe4O9 sebesar 36,45% serta Bi46Fe2O72 sebesar 7,26%

fasa-fasa impuritas Bi2O3 dan Fe2O3

sintering pada suhu tinggi ini diperlukan ketika sintesis dengan metode solid-state reaction karena reaksi Bi2O3 dengan Fe2O3 terjadi ketika Bi2O3 menjadi fasa liquid yaitu pada suhu diatas 825oC

Sintering sampel pelet dilakukan pada suhu 880oC selama 480 sekon

22

Rumus Debye-Scherrer

Program Fit-YK

k = 0,9 λ = 1,54056 Ǻ θ = sudut Bragg FWHM sd = FWHM standar ITS

FWHM

No Metode Perlakuan Ukuran

(nm)

Fraksi

Volum

BiFeO3(%)

1 Wet Mixing_Fe2O3

550oC_1jam 23,33 41,75

600oC_1jam 27,52 32,85

650oC_1jam 32,04 29,63

700oC_1jam 39,63 12,79

750oC_1jam 40,68 5,324

2 Wet Mixing_Fe

550oC_1jam 69,88 50,74

600oC_1jam 80,69 47,14

650oC_1jam 136,15 37,41

3 Solid-State

Reaction 880oC_480 s 66,35 36,92

4 Kopresipitasi 750oC_4(2+2)

jam 110,89 37,06

23

Kesimpulan

Hasil & Pembahasan

Metode Penelitian

Tinjauan Pustaka

Pendahuluan

Kesimpulan 1. Fasa BiFeO3 dapat disintesis dengan metode

kopresipitasi, wet mixing dan solid-state

reaction menggunakan Fe2O3 hasil sintesis dari pasir besi Pantai Jolosutro, Blitar.

2. Metode, suhu dan holding time selama proses pemananasan sangat berpengaruh terhadap pembentukan fasa BiFeO3.

3. Ukuran kristal BiFeO3 yang disintesis dengan ketiga metode tersebut dalam rentang 23-136 nm.

24

1. Variabel pemanasan antara lain suhu

pemanasan, kecepatan pemanasan dan

pendinginan sangat berpengaruh terhadap

fasa yang terbentuk, sehingga perlu dikaji

kembali untuk mendapatkan parameter yang

tepat dalam memperoleh fasa tunggal BiFeO3

2. Perlunya mensintesis Fe2O3 murni untuk

meningkatkan fraksi volum BiFeO3

3. Mengontrol reaksi sesuai stoikiometri yang

tepat untuk meningkatkan pembentukan fasa

BiFeO3

4. Perlunya analisis DTA-TGA untuk semua

sampel yang disintesis dengan metode dan

raw material yang berbeda

Saran

25

26

TERIMAKASIH

Dioven 100oC 2jam

-Dicuci sampai pH 7

Disaring -

Endapan berwarna hitam pekat

-Ditambahkan perlahan-lahan sambil di stirrer kec 400-700 rpm 70oC

NH4OH 25% 58mL + Diambil larutan nya

20 gram pasir besi + HCl 12M 58 mL

Stirrer 650 rpm 70oC

Disaring

Kalsinasi 800oC 2jam Padatan digerus

Serbuk XRD

Diagram alir

sintesis Fe2O3

27

Distirrer pada 50oC-60oC sampai tercampur

Bi2O3 Aldrich 99,9% 5,864 gram

Fe2O3 2 gram

Ditambahkan HCl 7M sebanyak 11 mL

Ditambahkan HCl 12M sebanyak 6,3 mL

Distirer 500 rpm selama 30 menit tanpa pemanasan

Lar 2: 2BiCl3 + 3H2O

Stirer 500 rpm,50oC, 1jam

Semua terlarut

+HCl 12M 4mL +kembali HCl 12M 4 mL

Lar 1: 2FeCl3 + 3H2O

Ada yang belum larut (Disaring)

Distirer tanpa pemanasan selama 1 jam, kec 500 rpm

Tercampur Homogen, pH=1

+HCl 12M 5mL, distirrer 1jam +HCl 12M 3mL, distirrer 10 menit

28

Cont,….

Ditambahkan NH4OH sedikit demi sedikit sampai pH=10, distirrer selama 30-60 menit

Dioven

Kalsinasi 800oC 2jam

Serbuk XRD

Endapan

Dicuci sampai pH=7

Disaring

Heat Treatment

T (oC)

jam

750

2

Pemanasan sampel hasil

sintesis dengan metode

kopresipitasi pada suhu 750oC

dengan variasi holding time

29

Serbuk XRD

Perlakuan panas

1,05 gram Fe2O3.H2O + HNO3 14,7M

3,0641 gram Bi2O3 + HNO3 8 M

Di stirrer sampai semua larut Di stirrer sampai semua larut

Larutan Fe(NO3)3 Larutan Bi(NO3)3

Di stirrer 50oC, 500 rpm sampai mengerak

Di oven

0,419 gram serbuk Fe + HNO3 14,7M

3,5 gram Bi2O3 + HNO3 8 M

Di stirrer sampai semua larut Di stirrer sampai semua larut

Fe(NO3)3 Bi(NO3)3

Di stirrer 50oC, 500 rpm sampai mengerak

Di oven

Serbuk XRD

Perlakuan panas

Kopresipitasi ulang Fe2O3

Serbuk Fe

Kalsinasi selama 1 jam dengan variasi

suhu 550-700oC 30

1 gram serbuk Fe2O3 93,94%

2,918 gram serbuk Bi2O3 99,9%

Dicampur dalam medium aceton

Serbuk berwarna merah bata

•Stirrer selama 30 menit

Peletisasi dengan tekanan 6 MPa

Sintering Cepat (880oC, 480 sekon)

Di gerus

XRD

Heat Treatment

T (oC)

sekon

880

0 480

Pemanasan sampel hasil

sintesis dengan metode solid-state reaction pada suhu 880oC

selama 480 sekon

31

Pada suhu 741,43oC serbuk

kembali mengalami penurunan

masa sebesar

1,0094 mg

• Berdasarkan diagram fasa

Bi2O3-Fe2O3, pada suhu

sekitar 750oC sudah terbentuk

fasa BiFeO3

• Transisi fasa

feroelektrikparaelektrik

dengan kehilangan masa pada

serbuk di asumsikan terjadi

pada suhu 870,43 oC seperti

ditunjukkan pada kurva (Palai

et al,2008)

Hasil sintesis metode kopresipitasi

pada penelitian sebelumnya

32

(Fitriyah,2011)

sintesis multiferoik bifeo3 dengan metode kopresipitasi

Documents