Artikel 4i1k3b

SINTESIS DAN KARAKTERISASI SENYAWA Na1-xBaxTa1-xSnxO3 (x = 0; 0,1 dan 1) SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF Na1-xBaxTa1-xSnxO3 COMPOUND (x= 0, 0.1 and 1.0) A.K. Prodjosantoso,1,2 M. Pranjoto U.,1 dan Danar1 1

Jurusan Pendidikan Kimia, FPMIPA, UNY Yogyakarta, 55281 Yogyakarta 2

E_mail: [email protected] Abstrak

Penelitian ini bertujuan untuk mensintesis dan mengkarakterisasi senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 (x = 0; 0,1 dan 1). Sintesis dilakukan dengan mengkalsinasi sejumlah stoikiometrik oksida-oksida NaTaO5 dan BaSnO3(cara 1), atau Na2CO3, BaCO3, Ta2O5, dan SnO2 (cara 2). Campuran cara 1 dipanaskan dipanaskan pada suhu 700oC, 800oC, 900oC, dan 1100oC sedangkan cara 2 dipanaskan pada suhu 800oC, 1000oC, dan 1100oC masing-masing selama 6 jam, dengan disertai penggerusan di antara setiap tahapan proses kalsinasi. Data dikumpulkan menggunakan metode XRD serbuk dan dianalisis dengan Program Rietica versi 1.7.7 untuk mempelajari struktur kristal. Hasil analisis data menunjukkan bahwa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 (x = 0; 0,1 dan 1) berstruktur kubus tipe perovskit (Pm 3 m), dengan posisi atom-atom Na/Ba (0,5 0,5 0,5), Ta/Sn (0 0 0), dan O (0,5 0 0). Kata kunci: natrium tantalat, barium stanat, XRD, perovskit. Abstract This research aims to synthesize of Na1-xBaxTa1-xSnxO3 compound and characterization of NaxBa1-xTaxSn1-xO3 compound. The synthesis is conducted by calcination of the stoichiometric oxides of NaTaO 3 and BaSnO3 (1st method), or Na2CO3, BaCO3, Ta2O5, and SnO2 (2nd method). The mixture on first method is heated at 700oC, 800oC, 900oC, and 1100oC while the mixture on second method is heated at 800oC, 1000oC, and 1100oC for 6 hours and re-grinded in every heating step. The data collected by using powder XRD and analyzed by Program Rietica version 1.7.7 to study the crystal structure. The analysis of the data showed that NaxBa1-xTaxSn1-xO3 compound (x = 0; 0.9 and 1.0) has cubic structure type perovskite (Pm 3 m), with the position of Na/Ba atoms are (0,5 0,5 0,5), Ta/Sn (0 0 0), and O (0,5 0 0). Keywords: natrium tantalates, barium stanates, XRD, perovskite. Sudah Diseminarkan pada Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan, dan Penerapan MIPA UNY tanggal 2 Juni 2012

2

PENDAHULUAN Senyawa perovskit dengan rumus umum ABO3 menarik bagi banyak peneliti karena manfaat dan sifat fisik transisi fasanya [1]. Struktur perovskit menunjukkan variasi distorsi struktur pada temperature rendah berkaitan dengan ketidakstabilan kisi struktur, termasuk feroelektrik (misalnya PbTiO 3 dan BaTiO3), antiferoelektrik (PbZrO3 dan NaNbO3) dan antiferodistortif (SrTiO3, KTaO3 dan La0,5Na0,5TiO3) [2]. perovskit.

NaTaO3 adalah salah satu anggota ABO3

Oksida ini mempunyai komposisi dan struktur kisi hampir sama

dengan KTaO3 pada suhu tinggi.

Transisi fasanya telah dipelajari dengan

mikroskop optik [3-4], analisis termal diferensial [5] dan teknik difraksi serbuk [6]. Kennedy et al. [7] menunjukkan bahwa pada suhu di atas 620 oC, NaTaO3 berbentuk kubus dengan kelompok ruang Pm 3 m. Fotokatalitik

peruraian

air

menggunakan

semikonduktor

oksida

merupakan salah satu skema untuk menghasilkan hidrogen dari air yang sangat menjanjikan. Natrium tantalat (NaTaO3) merupakan salah satu metal oksida yang dapat bekerja sebagai fotokatalis yang paling efisien untuk peruraian air tanpa kokatalis. Potensial pita konduksi NaTaO3 yang relatif tinggi menyebabkan oksida ini sangat efektif untuk mereduksi air menghasilkan H2. Pita konduksi tantalat (Ta 5d) memiliki energi orbital lebih negatif daripada titanat (Ti 3d) atau niobat (Nb 4d) [8-10]. Penelitian tentang NaTaO3 berkembang pesat setelah ditemukannya sifat fotokatalitik oksida tersebut pada peruraian air [11] dan degradasi molekul organik, terutama bila didoping dengan logam tanah jarang seperti lantanium (La) [12]. Natrium tantalat juga dapat didoping dengan logam besi (Fe), perak (Ag), titanium (Ti), mangan (Mn), dan kromium (Cr) [13]. Natrium tantalat juga telah dilaporkan dapat didoping oleh karbon [14], karbon komposit [15], nitrogen [16], bismuth [17], dan niobium [18]. Senyawa stanat banyak digunakan sebagai komponen dielektrik keramik [19].

Stanat dengan rumus umum MSnO3, dimana M = Ca, Sr atau Ba,

merupakan bahan dielektrik yang digunakan sebagai kapasitor tahan panas [20]. Sudah Diseminarkan pada Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan, dan Penerapan MIPA UNY tanggal 2 Juni 2012

3

Barium stanat sebagai salah satu bahan dalam larutan padat perovskit menjanjikan banyak aplikasi pada peralatan dielektrik. Wainer [21] telah mematenkan peralatan dielektrik berbahan alkali tanah stanat dan alkali tanah titanat. Lapisan tipis BaSnO3 telah dilaporkan dapat digunakan sebagai sensor gas nitrogen oksida dan karbon monoksida [22]. Berbeda dengan alkali tanah titanat MTiO3 (M = Sr, Ca, dan Ba), alkali stanat murni dan terdopingnya belum banyak dipelajari secara mendalam. Hal ini mendorong peneliti untuk melakukan penelitian tentang sintesis dan karakterisasi BaSnO3 murni dan terdopingnya. Oksida NaTaO3 dan BaSnO3 merupakan oksida yang berstruktur kubus tipe perovskit, dengan posisi atom-atom Na/Ba (0,5 0,5 0,5), Ta/Sn (0 0 0), dan O (0,5 0 0) [7]. Kesamaan struktur ini memungkinkan dilakukannya doping Ba pada posisi Na dan Sn pada posisi Ta, dan sebaliknya.

Kemungkinan terjadinya

fenomena ini menarik untuk dikaji lebih lanjut. Kajian akan dilakukan melalui reaksi padatan antara natrium tantalat (NaTaO3) dengan barium stantat (BaSnO3) dengan jumlah mol oksida yang bervariasi (Na1-xBaxTa1-xSnxO3). Metode penelitian Senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 disintesis menggunakan bahan-bahan Na2CO3 (p.a. Merck), SnO2 (p.a. Aldrich), BaCO3 (p.a. Merck), dan Ta2O5 (p.a. Aldrich). Sintesis

Na1-xBaxTa1-xSnxO3 didahului dengan sintesis prekursor yaitu oksida

NaTaO3 dan BaSnO3 dengan cara kalsinasi campuran stoikiometrik Na2CO3 dan Ta2O5 (untuk NaTaO3), serta campuran BaCO3 dan SnO2 (untuk BaSnO3) dalam krus alumina pada suhu 700oC, 900oC, 1000oC, dan 1100oC masing-masing selama 6 jam, dengan disertai penggerusan di antara setiap tahapan proses kalsinasi. Senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 disintesis dengan mengkalsinasi campuran stoikiometrik NaTaO3 dan BaSnO3 (Cara 1), dan dengan mengkalsinasi campuran stoikiometrik Na2CO3, Ta2O5, BaCO3, dan SnO2 (Cara 2) dalam krus alumina pada suhu 800oC, 1000oC, dan 1100oC masing-masing selama 6 jam, dengan disertai penggerusan di antara setiap tahapan proses kalsinasi.

Sudah Diseminarkan pada Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan, dan Penerapan MIPA UNY tanggal 2 Juni 2012

4

Data menggunakan

difraksi

sinar-X

difraktometer

senyawa

Rigaku

Na1-xBaxTa1-xSnxO3

Multiflex

memakai

dikumpulkan

radiasi

Cu

Kα

monokromatik dengan panjang gelombang (λ) 1,5406 Ǻ pada kisaran 2θ antara 2o sampai 90o setiap 0,02o. Data difraksi sinar-X dianalisis dengan Program Rietica versi 1.7.7. yang berbasis pada metode Rietveld.

PEMBAHASAN Beberapa upaya telah dilakukan untuk mensintesis senyawa Na1-xBaxTa1SnxO3.

x

Sintesis senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 dilakukan menggunakan metode

keramik pada suhu 1100oC. Senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 disintesis dengan dua cara, yaitu dengan mengkalsinasi campuran NaTaO3 dan BaSnO3 (Cara 1), serta campuran prekursor Na2CO3, Ta2O5, BaCO3, dan SnO2 (Cara 2). Pola difraksi sinar-X (XRD) sampel yang diperoleh dari sintesis Cara 1. Pola XRD sampel hasil kalsinasi campuran NaTaO3 dan BaSnO3 dengan perbandingan mol 9:1 mengindikasikan adanya dua fasa, yaitu fasa yang mirip dengan BaSnO3 dan NaTaO3. Sampel lainnya merupakan fasa tunggal.

Gambar 1. Pola difraksi hasil kalsinasi campuran NaTaO3:BaSnO3 dengan perbandingan (a)10:0, (b) 9:1, dan (c) 0:10, pada suhu 1100oC selama 6 jam. Untuk memperoleh fasa tunggal senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3, dengan x = 0,1 dilakukan sintesis dengan Cara 2. Pola difraksi sinar-X (XRD) sampel yang diperoleh dari kalsinasi prekursor Na2CO3, Ta2O5, BaCO3, dan SnO2 dapat dilihat Sudah Diseminarkan pada Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan, dan Penerapan MIPA UNY tanggal 2 Juni 2012

5

pada Gambar 2. Pola XRD pada Gambar 2 mengindikasikan bahwa sampel berfasa tunggal dan isostruktural dengan NaTaO3 maupun BaSnO3, yaitu berbentuk kubik tipe perovskit.

Gambar 2. Pola difraksi senyawa (a) NaTaO3, (b) Na0,9Ba0,1Ta0,9Sn0,1O3, dan (c) BaSnO3. Data XRD dianalisis dengan metode Rietveld menggunakan program Rietica versi 1.7.7. [23]. Analisis dilakukan dengan mendasarkan pada parameter kisi senyawa berstruktur kubus tipe perovskit NaTaO3 ( a = 3,9313Ǻ) [7] dan BaSnO3 (a = 4,119 Ǻ)

[24]. Posisi atom-atom dalam NaTaO3 dan BaSnO3 adalah Na/Ba (0,5 0,5 0,5), Ta/Sn (0 0 0), dan O (0,5 0 0). Parameter kisi senyawa Na 1-xBaxTa1-xSnxO3 hasil analisis dapat dilihat pada Tabel 1 dan 2. Parameter kisi (a) senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 yang disintesis dari campuran NaTaO3 dan BaSnO3 dengan perbandingan mol 9:1 menunjukkan adanya dua fasa, yaitu fasa dengan parameter kisi hampir sama dengan NaTaO 3 dan BaSnO3. Fasa 1 menunjukkan pola XRD yang mirip dengan NaTaO 3. Hasil analisis menunjukkan bahwa Fasa 1 memiliki parameter kisi yang relatif besar dari parameter kisi NaTaO3. Hal ini menggindikasikan telah terjadinya penyisipan oksida BaSnO 3 pada struktur NaTaO3. Fasa 2 menunjukkan pola XRD yang mirip dengan BaSnO 3. Hasil analisis menunjukkan bahwa Fasa 2 memiliki parameter kisi yang relatif lebih kecil dari parameter kisi BaSnO3. Hal ini mengindikasikan telah terjadinya penyisipan oksida NaTaO3 pada struktur BaSnO3. Parameter kisi (a) senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 yang disintesis dengan Cara 2 menunjukkan semakin besar nilainya dengan semakin besarnya nilai x. Ini membuktikan bahwa telah terbentuk senyawa berfasa tunggal dengan rumus Na 1-xBaxTa1-xSnxO3 (x=0; 0,1 dan 1). Semakin besarnya nilai a mengindikasikan semakin banyaknya BaSnO3 yang

Sudah Diseminarkan pada Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan, dan Penerapan MIPA UNY tanggal 2 Juni 2012

6

terdapat dalam korporasi Na1-xBaxTa1-xSnxO3. Hubungan antara parameter kisi (a) dan

nilai x dalam senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 yang disintesis dari prekursor Na2CO3, Ta2O5, BaCO3, dan SnO2 (Cara 2) dapat dilihat pada Gambar 4. Tabel 1. Parameter kisi (a) senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 yang disintesis dengan Cara 1. Na1-xBaxTa1-xSnxO3, x= 0 0,1 1

a (Ǻ) Fasa kaya NaTaO3 Fasa kaya BaSnO3 3,8998(1) 3,9005(2) 4,1243(3) 4,1305(2)

Tabel 2. Parameter kisi (a) senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 yang disintesis dengan Cara 2. Na1-xBaxTa1-xSnxO3, x= 0 0,1 1

a (Ǻ) 3,8998(1) 3,9330(1) 4,1305(2)

Gambar 4. Hubungan antara parameter kisi (a) dan nilai x dalam senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 yang disintesis dengan Cara 2. Struktur kristal senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 dapat direpresentasikan dengan menggunakan Program ATOMS versi 5.0.7 [25] seperti terlihat pada Gambar 3. Jarak antar-atom (Ta/Sn)-O dan (Na/Ba)-O dalam senyawa Na1Sudah Diseminarkan pada Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan, dan Penerapan MIPA UNY tanggal 2 Juni 2012

7

BaxTa1-xSnxO3 dapat dilihat pada Tabel 3 dan 4. Terdapat kecenderungan jarak

x

antar atom-atom dalam senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 semakin besar dengan semakin besarnya harga x.

Hal ini bisa dimengerti, karena dengan semakin

besarnya nilai x berarti semakin besar pula parameter kisi senyawa Na1-xBaxTa1SnxO3 (lihat Tabel 1 dan 2), yang berarti pula semakin besar jarak antar atomnya.

x

Gambar 3. Struktur kristal senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3. Tabel 3. Jarak antar-atom dalam senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 yang disintesis dengan Cara 1. Senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3, x = 0 0,1 1

Jarak (Ta/Sn)-O (Ǻ) Fasa kaya Fasa kaya NaTaO3 BaSnO3 1,9499(1) 1,9503(1) 2,0621(2) 2,0652(1)

Jarak (Na/Ba)-O (Ǻ) Fasa kaya Fasa kaya NaTaO3 BaSnO3 2,7576(1) 2,7581(1) 2,9163(2) 2,9207(2)

Tabel 4. Jarak antar-atom dalam senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 yang disintesis dengan Cara 2. Ikatan antar-atom dalam Na1-xBaxTa1-xSnxO3 (Ta/Sn)-O (Na/Ba)-O

x=0 1,9499(1) 2,7576(1)

Jarak antar-atom (Ǻ) x=0,1 1,9665(0) 2,7811(0)

x=1 2,0652(1) 2,9207(2)

KESIMPULAN Senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 (x = 0; 0,1 dan 1) telah disintesis dan dikarakterisasi.

Sintesis

Na1-xBaxTa1-xSnxO3

dapat

dilakukan

Sudah Diseminarkan pada Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan, dan Penerapan MIPA UNY tanggal 2 Juni 2012

dengan

8

mengkalsinasi sejumlah stoikiometrik oksida-oksida NaTaO5 dan BaSnO3 (Cara 1), atau Na2CO3, BaCO3, Ta2O5, dan SnO2 (Cara 2) pada suhu 700oC, 900oC, 1000oC, dan 1100oC, masing-masing selama 6 jam. Analisis data XRD menunjukkan bahwa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 berstruktur kubus tipe perovskit, dengan posisi atom-atom Na/Ba (0,5 0,5 0,5), Ta/Sn (0 0 0), dan O (0,5 0 0). Senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 dengan nilai x yang semakin besar memiliki parameter kisi (a) yang semakin besar pula, dan mengindikasikan semakin banyaknya BaSnO3 yang terdapat dalam korporasi Na1-xBaxTa1-xSnxO3.

Daftar Pustaka [1]. Lines, M.E. and Glass, A.M. (1977). Principls and applications of ferroelectrics and related materials. Clarendon Press: Oxford. [2]. Inaguma, Y. Sohn, J.H. Kim, I.S. Itoh, M. and Nakamura, T. (1992). Quantum paraelectricity in a perovskite La0,5Na0,5TiO3. J. Phys. Soc. Jpn. 61. 383. [3]. Cross, L.E. (1956). Electric double hysteresis in (KxNa1-x)NbO3 single crystals. Phil. Mag. 1. 76. [4]. Iwasaki, H. and Ikeda, T. (1963). Studies on the system Na(Nb1−xTax)O3. J. Phys. Soc. Jpn. 18.157. [5]. Aleksandrowicz, A. and Wojcik, K. (1989). Electrical properties of single crystals and ceramic samples of NaTaO3. Ferroelectrics. 99.105. [6]. Ahtee, M. and Unonius, L. (1977). The structure of NaTaO3 by X-ray powder diffraction. Acta Cryst. A33. 150-154 . [7]. Kennedy, B.J, Prodjosantoso, A.K and Howard, C.J. (1999). Powder neutron diffraction study of the high temperature phase transitions in NaTaO 3. J. Phys.: Condens. Matter. 11. 6319–6327. [8]. Kudo, A. and H. Kato. (1999). Highly efficient decomposition of pure water into H2 and O2 over NaTaO3 photocatalysts. Catalysis Letters. 58.153–155. [9]. Kudo, A. and H. Kato. (2003). Photocatalytic water splitting into H2 and O2 over various tantalate photocatalysts. Catalysis Today. 78. 561–569. [10]. Kudo, A. (2006). Development of photocatalyst materials for water splitting. International Journal of Hydrogen Energy. 31(2). 197–202. [11]. Kato, H. and Kudo A. (1998). New tantalate photocatalysts for water decomposition into H and O2. Chem. Phys. Lett. 295(5–6). 487–492. Sudah Diseminarkan pada Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan, dan Penerapan MIPA UNY tanggal 2 Juni 2012

9

[12]. Yan S.C., Wang Z.Q., Li Z.S., Zou Z.G. (2009). Photocatalytic activities for water splitting of La-doped-NaTaO3 fabricated by microwave synthesis. Solid State Ionics. 1539–1542. [13].

Wunderlich, W. and Baufeld, B. (2010). Ceramic Materials. http://www.intechopen.com. Diakses pada tanggal 11 April 2012.

[14]. Kang, H.W. and Park, S.B. (2009). Co-doping of C and La on NaTaO3 in a spray pyrolysis reactor. Department of Chemical and Biomolecular Engineering: Korea. [15]. Kang, H.W. and Park, S.B. (2010). Water photolysis by NaTaO 3-C composite prepared by spray pyrolysis. Advanced Powder Technology. 21. 106–110. [16]. Fu, H., Zhang, S. Zhang, L. and Zhu, Y. (2008). Visible-light-driven NaTaO3xNx catalyst prepared by a hydrothermal process. Materials Research Bulletin. 43. 864–872. [17]. Kanhere, P.D., Zheng, J. and Chen, Z. (2011). Site specific optical and photocatalytic properties of Bi-doped NaTaO3. J. Phys. Chem. C. 115. 11846–11853. [18]. Aleksandrova, I.P., Ivanov, Y.N., Bodarev, V.S., Sukhovskii, A.A. and Voronov. V.N. (2009). Calorimetric and 23Na MAS NMR study of the phase diagram of NaNb1-xTaxO3 solid solutions. Functional materials. 17. 18-24. [19]. Coffeen, W.W. (1953). Ceramic and dielectric properties of the stannates, J. Am. Ceram. Soc. 36. 207. [20]. Jaffe, B ., Cook, Jr. W. R., and Jaffe, H. (1971). Piezoelectric ceramics. Academic Press: New York. [21]. Wainer, E . (1949). High dielectric materials and method of making. Ceram. Abstr. 1109. [22]. Lumpe, Gerblinger, J. and Meixner, H. (1995). Nitrogen oxide sensors based on thin filmsof BaSnO3, Sens. Actuators. B26/27. 97–98. [23]. Hunter, B.A. (1997). Rietica versi 1.7.7.

[24]. Upadhyay, S., Parkash, O. and Kumar, D. (1997). Preparation and characterization of barium stannate BaSnO3, J. Matt. Sc. Lett. 16(16). 1330-1332. [25]. Dowty, E. (1999). Program ATOMS versi 5.0.7

Sudah Diseminarkan pada Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan, dan Penerapan MIPA UNY tanggal 2 Juni 2012