Sintesis Nanokomposit TiO2-kitosan sebagai Fotokatalis untuk Fotodegradasi Zat Warna dan Fotoreduksi Logam Berat

IMELDA FAJRIATI, Prof. Drs. Mudasir, M.Eng., Ph.D; Prof. Dr. Endang Tri Wahyuni, M.S

2016 | Disertasi | S3 Kimia

Dalam upaya meningkatkan aktivitas dan kestabilan TiO2 sekaligus dalam rangka pengembangan metode fotokatalisis untuk penanganan limbah cair zat warna dan logam berat, telah dilakukan sintesis nanokomposit TiO2-kitosan sebagai fotokatalis untuk reaksi fotodegradasi zat warna dan fotoreduksi logam berat secara simultan. Sintesis dilakukan dengan reaksi sol gel antara titanium(IV) iso-propoksida (TTIP) sebagai sol prekursor dan kitosan sebagai host material pada temperatur kamar. Sintesis tersebut diawali dengan preparasi sol prekursor yang dilanjutkan dengan proses aging (penuaan) untuk membentuk nanokristal. Pada preparasi sol-gel dilakukan kajian pengaruh pH sol prekursor, proses aging dan konsentrasi TTIP untuk memperoleh nanokristal fotokatalis yang memiliki karakteristik optimum. Nanokomposit yang terbentuk dikarakterisasi menggunakan alat XRD, FTIR, DR-UV, TG/DTA, SEM-EDX, TEM dan BET untuk mengetahui ukuran, sifat kristalinitas, energi celah pita (Eg) partikel TiO2, dan luas permukaan fotokatalis. Adapun aktivitas fotokatalitik nanokomposit diuji pada fotodegradasi zat warna metil orange (MO) sebagai zat warna asam dan metilen biru (MB) sebagai zat warna basa, serta fotoreduksi ion logam Cu(II). Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa partikel TiO2 yang terbentuk dalam kitosan mempunyai ukuran yang lebih kecil, yang berdimensi nanopartikel (7-9 nm) dan berfasa kristalin, dengan Eg dan luas permukaan yang lebih besar daripada TiO2 yang disintesis tanpa kitosan (TiO2 bulk). Nanopartikel TiO2 yang terbentuk dalam kitosan telah membentuk nanokomposit TiO2-kitosan yang dimungkinkan melalui ikatan kovalen koordinasi dan ikatan hidrogen. Ukuran partikel dan kristalinitas TiO2 dalam kitosan dipengaruhi oleh pH dan waktu aging, dengan hasil tertinggi didapatkan pada pH 2-3 dan waktu aging selama 7 hari. Hasil kajian pengaruh konsentrasi TTIP juga menunjukkan bahwa ukuran partikel TiO2 dikontrol oleh konsentrasi TTIP, yaitu ukuran partikel bertambah dengan kenaikan konsentrasi TTIP. Hasil uji aktivitas menunjukkan bahwa efektivitas proses fotodegradasi zat warna dan fotoreduksi logam berat terkatalisis nanokomposit TiO2-kitosan, lebih tinggi daripada yang terkatalisis oleh TiO2 bulk. Efektivitas tersebut juga dipengaruhi oleh pH dan waktu penyinaran, dengan hasil tertinggi dicapai pada pH 4 untuk MO, pH 8 untuk MB dan pH 7 untuk Cu(II) serta waktu penyinaran setelah 3 jam. Kadar TiO2 pada nanokomposit TiO2-kitosan berpengaruh nyata terhadap aktivitas fotokatalitik. Pada nanokomposit dengan kadar TiO2 rendah dan Eg tinggi, aktivitas fotokatalitik ditentukan oleh Eg. Namun demikian, pada nanokomposit dengan kadar TiO2 dan Eg yang relatif tinggi, aktivitas fotokatalitik dipengaruhi oleh jumlah TiO2 dan Eg. Pada nanokomposit dengan kadar TiO2 tinggi dan Eg rendah, aktivitas fotokatalitik ditentukan oleh jumlah TiO2. Adapun hasil uji pengulangan nanokomposit menunjukkan bahwa fotokatalis dapat digunakan hingga 3 kali pengulangan dengan efektivitas mendegradasi serta menfotoreduksi lebih besar dari 50%.

In order to improve photocatalyst method for the treatment of dye and heavy metal, TiO2-chitosan nanocomposite has been synthesized as photocatalyst to increase TiO2 activity and stability for simultaneous dye photodegradation and heavy metal photoreduction. The synthesis was carried out by means of sol-gel method using titanium(IV)-isopropoxide (TTIP) as sol precursor and chitosan as host material in room temperature. The synthesis was started by preparing sol precursor followed by aging process to produce nanocrystal. In the preparation of sol-gel, the pH of sol precursor, the aging process and TTIP concentration were systematically investigated to obtain nanocrystal photocatalys with maximum performances. The nanocomposites were then characterized using XRD, FTIR, DR-UV, TG/DTA, SEM-EDX and TEM to determine size, crystallinity, and band gap energy (Eg) of TiO2 particles as well as the surface area of the nanocomposite. The photocatalytic activity of the nanocomposite was tested in the photodegradation of acidic methyl orange (MO) and basic methylene blue (MB) dyes and in the photoreduction of Cu(II). Characterization results indicate that TiO2 particles formed in the chitosan has nanoparticle dimensions (8-10 nm) and crystalline phase, with higher Eg and surface area than that of bulk TiO2 synthesized without chitosan. TiO2 nanoparticle formed in the chitosan produces TiO2-chitosan nanocomposite via covalent and hydrogen bond. The size and crystallinity of TiO2 particles in the chitosan are affected by pH and aging time, with the highest results obtained at pH 2-3 and aging time of 7 days. This study also shows that the size of TiO2 particles is controlled by TTIP concentration, i.e. the size of TiO2 nanoparticles increases along with the addition of TTIP concentration. The catalytic activity test shows that TiO2-chitosan nanocomposite has effective performance in dye photodegradation and heavy metal photoreduction as compared to that of TiO2 bulk. The effectiveness of photocatalyst is also influenced by pH and light exposure time, with the highest result for photodegradation of MO, MB, and photoreduction of Cu(II) are obtained at pH 4, 8 and 7 respectively, after 3 hours of light exposure. The amount of TiO2 in the TiO2-chitosan nanocomposite has been observed to influence to photocatalytic activity. The photocatalytic activity of nanocomposite with low TiO2 and high Eg is dominated by the Eg. While, the photocatalytic activity of nanocomposite with high TiO2 and low Eg was governed by the amount of TiO2. However, both TiO2 and Eg has been found to affect the photocatalytc activity of nanocomposite containing relatively high amount of TiO2 and Eg. The result of repeated test using the same nanocomposite suggests that photocatalyst can be used up to 3 times which still gives effective photodegradation and photoreduction of more than 50% from the initial concentration.

Kata Kunci : TiO2-chitosan nanocomposite, photocatalyst, photodegradation, photoreduction