Dyah Purwaningsih dan Hari Sutrisno
Jurusan Pendidikan Kimia FMIPA Universitas Negeri Yogyakarta

Abstrak

Bahan semikonduktor seperti titanium dioksida (TiO₂) secara luas digunakan sebagai fotokatalis zat organik pada sinar UV fotokatalis dengan bantuan sinar rnatahari, fotodegradasi polutan organic, elektroforetik, bahan pigmen putih, dan aplikasi lain seperti fotovoltaik dan fotohidrofilik. TiO₂ memerankan peranan yang sangat besar sebagai fotokatalis semikonduktor karena harganya yang murah, inert, stabilitas kimianya yang relatif tinggi, dan kemungkinan menggunakan sinar matahari sebagai sumber penyinaran. Pemaparan permukaan TiO₂ (bersifat semikonduktor) oleh sinar matahari (UV) menghasilkan pasangan elektron (e^–) dan hole (h⁺) pada permukaannya, sehingga menjadikan permukaan tersebut bersifat polar dan hidrofilik, kemudian akan berubah lagi menjadi nonpolar atau hidrofobik setelah beberapa lama tidak mendapatkan penyinaran. Sifat hidrofilik dan hidrofobik salah satunya ditandai dengan ukuran sudut kontak butiran air pada permukaan lapis tipis TiO_2, yaitu sedikit lebih besar dari 50˚ pada saat sebelum disinari kemudian berubah menjadi 0˚ setelah disinari UV. Material dengan sudut kontak sekecil itu akan sangat hidrofilik (superhidrofilik). Proses pengurangan sudut kontak air oleh lapisan TiO₂ melalui bantuan UV terjadi sebagai akibat efek fotokatalis. Manfaat dari superhidrofilisitas permukaan adalah sebagai material antiburam dan sebagai lapisan antidebu. Dalam artikel berikut akan dibahas tentang sifat-sifat TiO₂, fotoaktivitas TiO₂, sehingga dapat dipergunakan sebagai material antiburam dan sebagai lapisan antidebu dan metode sintesis yang dapat dipergunakan untuk rekayasa TiO₂ sebagai material antiburam.

Keywords: TiO₂, superhidrofilik, antiburam

I. PENDAHULUAN

Bahan semikonduktor seperti titanium dioksida (TiO₂), secara luas digunakan sebagai fotokatalis zat organik pada sinar UV (Yang et al., 2004), fotokatalis dengan bantuan sinar matahari, fotodegradasi polutan organik (Kathiravan et al., 2009), elektroforetik, bahan pigmen putih, dan aplikasi lain seperti fotovoltaik dan fotohidrofilik. TiO₂ memainkan peranan yang sangat besar sebagai fotokatalis semikonduktor karena harganya yang murah, inert, stabilitas kimianya yang relatif tinggi dan kemungkinan menggunakan sinar matahari sebagai sumber penyinaran. TiO₂ mempunyai keterbatasan bahwa kuantitas radikal OH tidak dapat ditingkatkan karena kelebihan dari TiO₂ saat menyebarkan cahaya dalam larutan. Oleh karena itu, perkembangan baru teknologi ini telah difokuskan pada pencarian oksida yang lebih baik untuk meningkatkan generasi radikal atau untuk mengoptimalkan proses fotodegradasi.

Kekuatan aktivitas fotokatalitik TiO₂ tergantung pada morfologi kristal (Fatimah dan Wijaya, 2005), struktur kristal, luas permukaan yang lebih besar, porositas/sifat penyerapan, kristalinitas, rata-rata ukuran partikel yang tergantung pada ukuran satuan, vaitu dalam kisaran nanometer, kemurnian, komposisi, temperatur kalsinasi (Wetchakun dan Phanichphant, 2008), dan ketebalannya (Tjahjanto dan Gunlazuardi, 2001). Tinggi aktivitas fotokatalitik diharapkan ketika TiO₂ adalah nanokristalin, karena energi band gap (Eg)-nya lebih besar yang disebabkan oleh efek kuantisasi ukuran (Yoda et al.,2002).

Pemaparan permukaan TiO₂ bersifat semikonduktor oleh sinar matahari (UV) menghasilkan pasangan elektron (e^–) dan hole (h⁺) pada permukaannya, sehingga menjadikan permukaan tersebut bersifat polar dan hidrofilik (suka air), kemudian akan berubah lagi menjadi nonpolar atau hidrofobik (tidak suka air) setelah beberapa lama tidak mendapatkan penyinaran (Fujishima et aI., 2008). Sifat hidrofilik dan hidrofobik salah satunya ditandai dengan ukuran sudut kontak butiran air pada permukaan lapis tipis TiO₂, yaitu sedikit lebih besar dari 50˚ pada saat sebelum disinari kemudian berubah menjadi 0˚ setelah disinari UV. Material dengan sudut kontak sekecil itu akan sangat hidrofilik (superhidrofilik). Proses pengurangan sudut kontak air oleh lapisan TiO₂ melalui bantuan UV terjadi sebagai akibat efek fotokatalis. Manfaat dari superhidrofilisitas permukaan adalah sebagai material antiburam dan sebagai lapisan antidebu. Kotoran yang bersifat polar akan terbawa oleh air sedangkan kotoran yang nonpolar (minyak) akan tergelincir saat berada pada permukaan yang sangat hidrofilik. Selain itu, kotoran nonpolar (zat organik) pada permukaan TiO₂ secara perlahan akan hancur dan pecah menjadi karbon dioksida dan air akibat fotokatalis.

Titanium dioksida (TiO₂) memiliki tiga fase struktur kristal di alam, yaitu anatas, rutil, dan brokit. Akan tetapi, hanya anatas dan rutil saja yang keberadaanya cukup stabil (Yanagisawa dan Overstone, 1999). Kemampuan fotoaktivitas semikonduktor TiO₂ dipengaruhi oleh morfologi, luas permukaan, kristanilitas, dan ukuran partikel. Anatas diketahui sebagai kristal titania yang lebih fotoaktif daripada rutil. Hal ini disebabkan harga energi celah pita TiO₂ anatas yang lebih tinggi yaitu 3,2 eV sedangkan rutil sebesar 3,0 eV. Harga Eg yang lebih tinggi akan menghasilkan luas permukaan aktif yang lebih besar sehingga menghasilkan fotoaktivitas yang lebih efektif.

Dalam pembahasan berikut akan diulas sifat-sifat TiO₂, fotoaktivitas TiO₂ sehingga dapat dipergunakan sebagai material antiburam dan sebagai lapisan antidebu serta metode sintesis yang dapat dipergunakan untuk rekayasa TiO₂ sebagai material antiburam.

II. PEMBAHASAN

A. Titanium Dioksida (TiO₂)

Titanium dioksida adalah bahan semikonduktor yang memiliki sejumiah besar aplikasi dan merupakan salah satu fotokatalis yang diselidiki paling luas. Hal ini terutama karena sifatnya yang menguntungkan seperti non-toksisitas, inert, stabilitasnya yang tinggi dan karakteristik semikonduktornya mampu menghasilkan pembawa muatan yang menyerap energi foton (Marius dan Gabriel, 2007).

Titanium dioksida (TiO₂) memiliki tiga fasa struktur kristal, yaitu anatas, rutil, dan brookit, tetapi hanya anatas dan rutil yang keberadaannya cukup stabil. Dalam aktivitas fotokatalitik, fasa anatas dan rutil mempunyai peran penting. Secara termodinamik, fasa anatas kurang stabil bila dibandingkan rutil. Akan tetapi, pembentukannya lebih disukai pada suhu rendah. Anatas mempunyai struktur kristal tetragonal dimana Ti-O oktahedral sharing 4 sudut, sedangkan rutil mempunyai struktur mirip anatas, tetapi Ti-O oktahedral pada rutil sharing 4 sisi bukan 4 sudut. Struktur anatas dan rutil dapat digambarkan sebagai rantai oktahedral TiO₆ di mana tiap ion Ti⁴⁺ dikelilingi oleh enam ion O^2-, kedua struktur kristal dibedakan oleh distorsi oktahedral dan pola susunan rantai oktahedralnya (Yanasigawa dan Overstone, 1999). Penataan tersebut menghasilkan terbentuknya rantai yang tersusun dalam simetri empat lipat seperti ditunjukkan oleh Gambar 1.

Gambar 1. Anatas, Rutil, dan Brokit

Perbandingan sifat struktur TiO₂ jenis rutil dan anatas dapat dilihat pada Tabel 1 (Fujishima et al, 1998).

Tabel 1. Perbandingan Sifat TiO₂ Rutil dan Anatas

Sifat	Rutil	Anatas
Bentuk Kristal	Tetragonal	Tetragonal
Parameter Kisi a	4,58 Ả	3,78 Ả
Parameter Kisi c	2,95 Ả	4,49 Ả
Berat Jenis	4,2	3,9
Indek Bias	2,71	2,52
Kekerasan	6,0-7,0	5,5-6,0
Permitivitas	114	31
Titik Didih	1858 ˚C	Berubah jadi rutil pada suhu tinggi

Orbital molekul pada ikatan TiO₂ dapat dipahami sebagai hibridisasi dari orbital 2p, atom O bertindak sebagai pita valensi, pita konduksi dan besarnya Eg di antara keduanya akan berbeda. Lingkungan atom Ti dan O di dalam kristal TiO₂ berbeda seperti pada anatas (Eg =3,2 eV) dan rutil (Eg=3,1 eV). Besar energi celah (Eg), posisi energi pita valensi, dan pita konduksi akan menentukan karakter fotokatalisis dalam hal kebutuhan energi foton yang dibutuhkan untuk mengaktifkan dan beberapa kekuatan oksidasi/reduksi setelah diaktifkan.

Serbuk TiO₂ dengan struktur rutil paling luas penggunaannya karena indeks biasnya yang tinggi, wama yang kuat, dan sifat kimianya yang inert. Struktur anatas lebih baik untuk aplikasi fotokatalisis pada lapis tipis TiO₂ (Yang et al, 1999). Dalam reaksi fotokatalis dengan titanium dioksida, anatas TiO₂ dilaporkan sebagai komponen aktif sedangkan rutil kurang menunjukkan aktivitas. Titanium dioksida dengan bentuk anatas dan rutil jika dikenai sinar UV dengan ƛ < 385 nm untuk anatas dan ƛ > 405 nm untuk rutil akan menghasilkan spesies oksidator pada permukaan.

B. Fotoaktivitas TiO₂

Telah disebutkan bahwa TiO₂ secara luas digunakan sebagai fotokatalis untuk konversi energi matahari dan sebagai material antiburam. TiO₂ sebagai material antiburam tidak lepas dari proses fotokatalis. Secara teoretis, material antiburam terjadi sebagai akibat proses fotokatalis yang menyebabkan permukaan lapis tipis TiO₂ bersifat polar atau hidrofilik (suka air). Proses fotohidrofilitas memerlukan suatu fotokatalis pada umumnya merupakan bahan semi konduktor dalam hal ini TiO₂ dengan struktur elektronik yang khas yaitu memiliki pita valensi dan pita konduksi yang kosong. Prinsip fotohidrofilitas adalah karena timbulnya hole (lubang elektron) jika suatu elektron berpindah dari pita valensi ke pita konduksi pada logam semikonduktor yang dikenai suatu energi foton. Timbulnya hole elektron ini akan berinteraksi dengan air sehingga air akan terurai membentuk radikal OH dan H⁺ (Fatimah dan Wijaya, 2005).

Interaksi antara air dengan hole dalam proses fotokatalis menyebabkan air pada permukaan TiO₂ akan tertarik menyebar sehingga sudut kontak air akan berkurang secara berangsur-angsur seiring dengan terus berjalannya proses fotokatalisasi TiO₂ dengan bantuan sinar UV. Dari tiga bentuk kristal TiO₂, yaitu anatas, rutil, dan brokit, fase anatas metastabil ditemukan sebagai fotokatalis yang aktif. Proses fotokatalis tersebut dapat diilustrasikan seperti Gambar 2 sebagai berikut.

Gambar 2. Ilustrasi Proses Fotokatalis

Berdasarkan Gambar 2 di atas, untuk menghasilkan proses fotokatalisis, bahan semikonduktor membutuhkan serapan energi yang lebih besar dari selang energinya (Eg= 3,2 eV). Penyerapan sinar matahari (UV) oleh partikel fotokatalis akan membentuk dua pasang elektron dan hole. Elektron bereaksi dengan oksigen membentuk anion (O₂^–) yang akan mengoksidasi secara kuat radikal hidroksil sedangkan hole berinteraksi dengan air (H₂O).

Pengaburan permukaan cermin atau kaca dapat terjadi ketika udara lembab pada permukaan sehingga membentuk droplets yang mengaburkan pandangan. Droplets ini mempunvai ukuran milimeter hingga mikrometer yang menyebar ke seluruh permukaan kaca atau cermin. Dalam beberapa kasus, hal ini terjadi sangat cepat dan drastis. Suatu permukaan TiO₂-SiO₂ dapat menjadi superhidrofilik jika terpapar sinar UV. Hasil dari peristiwa ini adalah air dapat menyebar ke seluruh permukaan. Jika jumlah air sangat kecil maka lapisan air menjadi sangat tipis dan akan dengan cepat diuapkan. Proses penguapan air ini terjadi karena adanya perpindahan kalor (panas) dari lingkungan sekitar. Jika jumlah air sangat besar, air akan membentuk lembaran yang rata seperti seprai sehingga tidak akan mengganggu pandangan. Skema diagram mekanisme superhidrofilisitas TiO₂ terjadi dalam 4 langkah sebagaimana yang ditunjukkan dalam Gambar 3 berikut.

Langkah 1

Air yang terikat secara kimia menjadi sangat tidak stabil yang akan distabilkan oleh permukaan hidrofilik.

Langkah 2

Dengan radiasi UV, dengan proses katalisis permukaan TiO₂ menjadi bersifat polar dan memecah lapis hidrofobik dengan terbentuknya electron (e^–) dan hole (h⁺).

Langkah 3

Dengan sifat kepolaran permukaan TiO₂, maka akan terbentuk grup hidrofilik sehingga akan mengikat air dari luar.

Langkah 4

Dengan tetap diekspos UV yang cukup grup hidrofilik akan tetap terbentuk, sehingga menjaga air tetap berinteraksi.

Gambar 3. Mekanisme Superhidrofilisitas

C. Sintesis TiO₂

Berbagai metode telah banyak dilakukan untuk sintesis TiO₂-nanopartikel. TiO₂ memiliki tiga fasa kristal yaitu anatas, rutil, dan brokit, akan tetapi hanya anatas dan rutil yang memiliki peran penting dalam aktivitas fotokatalitik. Secara termodinamika fasa kristal anatas kurang stabil bila dibandingkan dengan rutil, akan tetapi pembentukannya lebih disukai pada suhu rendah (Yanagisawa dan Overstone, 1999). Di antara ketiga fasa TiO₂ brokit jarang digunakan.

Kristal TiO₂-nanopartikel dapat disentesis dengan berbagai metode antara lain metode sol-gel, hidrotermal, solvotermal, mechanochemical, presipitasi/pengendapan basa. Metode hidrotermal ideal untuk sintesis TiO₂-nanopartikel karena kristal yang dihasilkan mempunyai tingkat kemumian tinggi, stoikiometri dapat dikontrol, ukuran partikel dapat dibatasi, morfologi terkontrol, seragam, dan kristalinitas tinggi (Byrappa dan Adschiri, 2007).

Sintesis TiO₂ dengan metode hidrotermal mampu menghasilkan padatan kristal dengan kristalinitas dan luas permukaan yang tinggi. Suhu yang diperlukan untuk pembentukan fasa anatas dengan metode hidrotermal juga relatif rendah. Metode ini lebih banyak digunakan dalam sintesis TiO₂ karena dapat menghasilkan padatan kristal yang memiliki sifat fotokatalis dengan aktivitas tinggi pada suhu rendah (sekitar 300 ˚C) meskipun metode sintesis ini memerlukan kalsinasi pada suhu lebih tinggi dari 550 ˚C. Kristal anatas berukuran 6 nm diperoleh melalui proses hidrotermal pada 80 ˚C tanpa pertumbuhan kristal atau aglomerasi partikel dengan proses kalsinasi. Anatas nanokristal dengan ukuran 10 nm yang diperoleh melalui proses hidrotermal pada 180 ˚C mempunyai stabilitas termal tinggi sehingga dapat memperlambat pertumbuhan kristal dan transformasi fasa anatas menjadi rutil (Wang dan Ying, 1999).

Sintesis TiO₂ dengan metode hidrotermal biasanya dilakukan di dalam autoclaves tipe Morey, kelebihan dari alat ini adalah menggunakan Teflon sebagai liner. Kondisi sintesis TiO_2-nanopartikel dapat dilakukan pada rentang temperatur di bawah 200 ˚C dan tekanan dibawah 100 bar ( T =< 200 ˚C, P < 100 bar). Kondisi tekanan dan temperatur demikian dicapai dengan penggunaan autoclaves liner Teflon. Penggunaan liner Teflon membantu untuk mengoptimalkan kemurnian dan homogenitas nanopartikel TiO₂. Meskipun dengan menggunakan temperature yang rendah sekalipun, yaitu 150 ˚C, sudah cukup untuk mendapatkan TiO₂ dengan kristalinitas tinggi dan ukuran partikel yang seragam tentunya dengan melakukan sintesis melalui media hidrotermal yang benar. Penggunaan metode ini mendukung untuk mendapatkan nanopartikel titanium (IV) dioksida yang mempunvai karakteristik sebagai fotokatalis dan pendispersi partikel pengotor. Adapun bagian-bagian dari alat hidrotermal ditunjukkan Gambar 4 sebagai berikut.

Gambar 4. Bagian-bagian Instrumen Proses Hidrotermal

Kristal TiO₂ juga dapat disintesis dengan proses sol-gel. Proses sol-gel diawali dengan reaksi hidrolisis yang menghasilkan sol, kemudian gel terbentuk melalui reaksi kondensasi. Bentuk sol diperoleh jika proses dihentikan pada saat dispersi partikel mempunyai dimensi koloidal dalam media cair, sementara gel diperoleh jika terbentuk jaringan tiga dimensi yarg berbentuk padat sedangkan pori akan terisi oleh cairan sebagai medianya (Ishizaki, 1998). Proses sol-gel logam alkoksida memberikan berbagai kemungkinan untuk memperoleh material dengan bentuk dan struktur yang stabil. Pada proses ini, partikel TiO₂ terjadi melalui hidrolisis TTIP dalam larutan n-heptana dengan pengadukan lambat dan kalsinasi pada 400 ˚C menghasilkan anatas dengan luas permukaan tinggi (132 m²/g) dan distribusi pori seragam.

Metode lain yang mendukung dalam pembentukan nanokristalin TiO₂ adalah metode pengendapan basa dengan menggunakan teknik refluks. Teknik refluks digunakan bagi proses pendidihan dan atau distilasi dengan suatu kolom fraksinasi, di mana uap yang terbentuk akan terkondensasi dan mengalir iagi ke bawah sehingga terjadi proses alir balik secara kontinyu. Pemanasan didasarkan pada kesetimbangan uap cair. Dengan demikian titik didih zat cair dalam waktu lama karena pengontrolan suhu campuran reaksi cukup efektif. Biasanya dimasukkan batu didih ke daiamnya dengan maksud mencegah terjadinya bumping atau pendidihan yang tiba-tiba. Teknik refluks banyak digunakan untuk menghasilkan kristal tunggal dengan keuntungan suhu dan tekanan dapat dikontrol, sehingga struktur morfologi pun dapat direkayasa (Ropp, 2003).

III. KESIMPULAN

TiO₂ dapat diaplikasikan sebagai material antiburam dan sebagai lapisan antidebu karena sifat superhidirofilitasnya. Secara teoretis, materiai antiburam terjadi sebagai akibat proses fotokatalis yang menyebabkan permukaan lapis tipis TiO₂ bersifat polar atau hidrofilik (suka air). Kristal TiO₂-nanopartikel dapat disentesis dengan berbagai metode antara lain metode sol-gel, hidrotermai, solvotermal, mechanochemical, presipitasi/pengendapan basa.

DAFTAR PUSTAKA

A. Fujishima, D.A. Tryk, T. Watanabe, K. Hashimoto. (1998). Self cleaning glass. International Glass Review. 114-116.

A. Kathiravan, M. Chandramohan, R. Reganathan, S. Sekar. (2009) Cyanobacterial Chlorophyll as A Sensitizer for Colloidal T1O2. Spectrochimica Acta Part A. 71 (5): 1783-1787.

Ftrjishima, A., ZhNry, X., A. Donald T1vk. (2008). TiO2 Photocatalysis and Related Surface Phenomena  Surface Science Report. 63 (12): 515-582.

Is Fatimah, K Wijaya (2005). Sintesis Tiozl Zeolit Sebagai Fotokatalis Pada Pengolahan LimbahCair Industri Tapioka secaraAdsorpsi-Fotodegradasi. Teknoin. 10 (4): 257-267.

Ishizaki, K., Komarneni, S., dan Nanko, M. (1998). Porous Material: Process Technology and Applications. Kluwer Academic Publisher.

K. Byrappa, T. Adschiri. (2007). Hydrothermal technology for nanotechnology. Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials. 53 (2): 117-I66.

Marius Stamate, Gabriel Lazar. (2007). Application of Titanium Dioxide Photocatalysis to Create Self-Cleaning Materials. Romanian Technical Sciences. 3: 280-285.

M.C. Yang, T.S Yang, M.S. Wong. (2004). Nitrogen-Doped Titanium Oxide Film as Visible Light Photocatalyst by Vapor Deposition. Thin Solid Films. 469 (470): 1-5.

N. Wetchakun, S. Phanichphant (2008). Effect of Temperature on The Degree of Anatase-Rutile Transformation in Titanium Dioxide Nanoparticles Synthesized by The Modified Sol-Gel Method. Current Applied Physics. 8:343-346.

Rachmat Triandi Tjahjanto, Jarrluzi Gunlazuardi. (2001). Preparasi Lapisan Tipis TiO2 sebagai Fotokatalis: Keterikatan antara ketebalan dan Aktivitas Fotokatalisis. Makara, Jurnal Penelifian Universitas Indonesia. 5 (2): 81-91.

R.C. Ropp. 2003. Solid State Chemisrry. Netherlands: Elsevier.

S. Yoda, Y. Sakurai, A Endo, T. Miyat4 K. Otake, H. Yanagishita, T. Tsuchiya. (2002). TiO2 Montmorill onite Comp os ites via Supercritical Intercalation.

Wang, Y. Q., danYing, J. Y. (1999). Sol-Gel Synthesis and Hydrothermal Processing of Anatas and Rutile Nanocrystal. Chemistry of Materials. 11: 3113-3120.