Sintesis dan Modifikasi Karbon Dot dari Plastik HDPE dengan Heteroatom, Magnetit, dan Polipirol untuk Aplikasi Sensor Fe3+ Serta Fotokatalis Oksidasi Benzil Alkohol

RATIH LESTARI, Prof. Indriana Kartini, S.Si., M.Si., Ph.D ; Prof. Dra. Tutik Dwi Wahyuningsi, M.Si, Ph.D

2024 | Disertasi | S3 Ilmu Kimia

Pada penelitian ini dilakukan sintesis dan modifikasi karbon dot (carbon dot/CD) dari plastik high density polyethylene (HDPE) dengan gugus heteroatom sebagai sensor Fe3+, serta modifikasi CD dengan magnetit (Fe3O4) dan polipirol (PPy) sebagai fotokatalis oksidasi benzil alkohol menjadi benzaldehid. Beberapa optimasi dilakukan pada pembuatan CD seperti konsentrasi oksidator H2O2, metode pirolisis-hidrotermal (PH), dan pirolisis-sonikasi-hidrotermal (PSH). Metode PH juga digunakan untuk pembuatan CD termodifikasi gugus heteroatom meliputi sulfur (S-CD), nitrogen-sulfur (N-S-CD), dan nitrogen (N-CD). Gugus sulfur, nitrogen-sulfur, dan nitrogen diperoleh dengan penambahan natrium tiosianat, tiourea, dan urea secara berurutan. Modifikasi CD dengan Fe3O4 dan PPy dilakukan dalam beberapa tahapan. Tahap pertama dilakukan sintesis Fe3O4 menggunakan metode presipitasi antara besi (III) klorida dengan besi (II) sulfat dan amonium hidroksida. Pada tahap kedua dilakukan optimasi sintesis Fe3O4/CD dengan pencampuran Fe3O4 dan CD pada temperatur 60 °C. Tahap ketiga, Fe3O4/CD ditambahkan dengan campuran larutan pirol dan asam klorida, kemudian diaduk pada temperatur ruang serta penambahan H2O2 untuk memperoleh Fe3O4/CD/PPy. Karakterisasi sifat optik dari CD dan CD termodifikasi dilakukan menggunakan spektrofotometer UV-Vis, dan fluoresensi, sedangkan struktur dan komposisi menggunakan spektroskopi Raman, IR, XRD, TEM, SAED, EDS, zetasizer, elemental analyzer, dan XPS. Selain itu, sifat kemagnetan, luas permukaan, dan termal dari CD termodifikasi Fe3O4 dan PPy dianalisis menggunakan VSM, SSA, dan TG-DTA. Potensi CD dan CD termodifikasi sebagai sensor Fe3+ dan fotokatalis reaksi oksidasi benzil alkohol menjadi benzaldehida, masing-masing diuji menggunakan spektrofotometer fluoresensi dan GC.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa kombinasi PH dan PSH dapat menghasilkan CD dari plastik HDPE dengan waktu sintesis yang lebih singkat (< 12>

Dalam pembuatan nanokomposit Fe3O4/CD, massa Fe3O4 dan volume CD untuk menghasilkan nanokomposit dengan sifat optik paling optimal dilihat dari energi celah pita langsung dan tidak langsung paling rendah (2,44 eV dan 2,25 eV) yaitu masing-masing 100 mg dan 60 mL (Fe3O4 100/CD 60). Konsentrasi PPy untuk menghasilkan nanokomposit Fe3O4/CD/PPy yang memiliki sifat optik paling optimal dilihat dari energi celah pita langsung dan tidak langsung paling rendah (2,34 eV dan 1,88 eV) yaitu 100 mM (Fe3O4 100/CD 60/PPy 100). CD dan CD termodifikasi telah digunakan sebagai fotokatalis reaksi oksidasi benzil alkohol dan diketahui bahwa N-CD dapat menghasilkan rendemen benzaldehida lebih besar (24%) dibandingkan CD (13%) dengan selektivitas 100%. Nanokomposit Fe3O4 100/CD 60/PPy 100 juga telah diuji sebagai fotokatalis oksidasi benzil alkohol dan diketahui dapat menghasilkan produk benzaldehida dengan rendemen mencapai 60% serta selektivitas 100%, namun penggunaan Fe3O4/N-CD/PPy diketahui menghasilkan rendemen benzaldehida lebih rendah (35%).

In this research, the synthesis and modification of carbon dots (CD) from HDPE plastic with heteroatom groups as Fe3+ sensors were conducted, along with the modification of CD with magnetite (Fe3O4) and polypyrrole (PPy) as photocatalysts for the oxidation of benzyl alcohol to benzaldehyde. Several optimizations were carried out in the CD synthesis, including the concentration of H2O2 as oxidant, pyrolysis-hydrothermal (PH) and pyrolysis-sonication-hydrothermal (PSH) methods. The PH method was also used for the synthesis of CD modified heteroatom, including sulfur (S-CD), nitrogen-sulfur (N-S-CD), and nitrogen (N-CD). Sulfur, nitrogen-sulfur, and nitrogen groups were obtained by adding sodium thiocyanate, thiourea, and urea, respectively. The modification of CD with Fe3O4 and PPy was carried out in several stages. In the first stage, Fe3O4 synthesis was performed using the precipitation method between iron (III) chloride and iron (II) sulfate with ammonium hydroxide. In the second stage, the synthesis of Fe3O4/CD was optimized by mixing Fe3O4 and CD at 60 °C. In the third stage, Fe3O4/CD was added to a mixture of pyrrole solution and hydrochloric acid, followed by stirring at room temperature and the addition of H2O2 to obtain Fe3O4/CD/PPy. The optical properties of CD and modified CD were characterized using UV-Vis and fluorescence spectrophotometers, while the structure and composition were analyzed using Raman, IR, XRD, TEM, SAED, EDS, zetasizer, elemental analyzer, and XPS. Additionally, the magnetic, surface area, and thermal properties of modified CD with Fe3O4 and PPy were analyzed using VSM, SSA, and TG-DTA. The potential of CD and modified CD as Fe3+ sensors and photocatalysts for the oxidation of benzyl alcohol to benzaldehyde were tested using fluorescence spectrophotometry and GC, respectively.

The results indicate that the combination of PH and PSH can produce CD from HDPE plastic with a shorter synthesis time (<12>

In the fabrication of Fe3O4/CD nanocomposites, the mass of Fe3O4 and the volume of CD to produce nanocomposites with the most optimal optical properties, as seen from the lowest direct and indirect band gap energies (2.44 eV and 2.25 eV), were 100 mg and 60 mL, respectively (Fe3O4 100/CD 60). The concentration of PPy to produce Fe3O4/CD/PPy nanocomposites with the most optimal optical properties, as seen from the lowest direct and indirect band gap energies (2.34 eV and 1.88 eV), was 100 mM (Fe3O4 100/CD 60/PPy 100). CD and modified CD were used as photocatalysts for the oxidation reaction of benzyl alcohol, and it was found that N-CD could produce a higher benzaldehyde yield (24%) compared to CD (13%) with 100% selectivity. Fe3O4 100/CD 60/PPy 100 nanocomposites were also tested as photocatalysts for the oxidation of benzyl alcohol, and they were found to produce benzaldehyde with a yield of up to 60% and 100% selectivity, but the use of Fe3O4/N-CD/PPy was found to yield a lower benzaldehyde yield (35%).

Kata Kunci : Fe3O4, fotokatalis, karbon dot, oksidasi, PPy, quantum yield, sensor