Kelompok 8 - X-ray Difraction PDF

Preview

Summary

Warning: TT: undefined function: 32UNIVERSITAS INDONESIAKATALIS HETEROGEN“KARAKTERISTIK KRISTALINITAS DENGAN XRD”OLEH :Ahmad Jamal (1506746342) Andreas Emil Simanjuntak (1506746260) Fachri Munadi (1506746323) Joshua Raymond V (1506746292)DEPARTEMEN TEKNIK KIMIAFAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS INDONESIADEP...

Description

UNIVERSITAS INDONESIA

KATALIS HETEROGEN “KARAKTERISTIK KRISTALINITAS DENGAN XRD”

OLEH :

Ahmad Jamal

(1506746342)

Andreas Emil Simanjuntak

(1506746260)

Fachri Munadi

(1506746323)

Joshua Raymond V.S

(1506746292)

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA DEPOK 2018

KATA PENGANTAR Puji syukur penyusun ucapkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena berkat rahmat-Nya kami bisa menyelesaikan makalah yang berjudul “Karakteristik Katalis dengan XRD” untuk memenuhi tugas mata kuliah Proses Petrokimia. Kami mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu dalam penyelesaian makalah ini, khususnya kepada Bapak Bambang Heru selaku dosen mata kuliah Katalis Heterogen, sehingga makalah ini dapat selesai tepat pada waktunya. Semoga makalah ini dapat menambah pemahaman dan wawasan kita tentang salah satu karakteristik katalis heterogegn, terutama mengenai karakteristik kristalinitas dari katalis tersebut dan prinsip kerja X-Ray Difraction. Makalah ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu kami mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun sehingga kesalahan yang masih terdapat pada makalah ini dapat diperbaiki pada pembuatan makalah berikutnya.

Depok, Oktober 2018

Penyusun

ii

DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ....................................................................................................... ii DAFTAR ISI..................................................................................................................... iii BAB I PENDAHULUAN .................................................................................................. 1 1.1

Pendahuluan ........................................................................................................... 1

1.2

Tujuan Penulisan.................................................................................................... 2

BAB II PEMBAHASAN ................................................................................................... 3 2.1

X-Ray Diffraction (XRD) ...................................................................................... 3

2.2

Klasifikasi Material................................................................................................ 4

2.3

Bragg’s Law ........................................................................................................... 5

2.4

Powder Diffraction................................................................................................. 6

2.5

Prinsip Kerja dan Difraktometer ............................................................................ 6

2.6

Karakteristik katalis dengan metode XRD............................................................. 8

2.7

Studi Kasus Karakteristik Kristalinitas Katalis X dengan XRD .......................... 10

BAB III KESIMPULAN................................................................................................. 12

iii

1

BAB I PENDAHULUAN 1.1

Pendahuluan Katalis adalah suatu senyawa kimia yang menyebabkan reaksi menjadi lebih

cepat untuk mencapai kesetimbangan tanpa mengalami perubahan kimiawi diakhir reaksi. Katalis tidak mengubah nilai kesetimbangan dan berperan dalam menurunkan energi aktivasi. Dalam penurunan energi aktivasi ini, maka energi minimum yang dibutuhkan untuk terjadinya tumbukan berkurang sehingga terjadinya reaksi berjalan cepat (Gates, 1992). Katalis pada umumnya mempunyai sifat-sifat sebagai berikut: aktivitas, stabilitas, selektivitas, umur, regenerasi dan kekuatan mekanik. Secara umum katalis mempunyai 2 fungsi yaitu mempercepat reaksi menuju kesetimbangan atau fungsi aktivitas dan meningkatkan hasil reaksi yang dikehendaki atau fungsi selektivitas (Nasikin dan Susanto, 2010). Katalis dapat digolongkan ke dalam 2 jenis, yaitu katalis homogen dan katalis heterogen. Dalam katalis heterogen, reaktan dan katalis berada dalam fasa yang berbeda. Dalam katalis heterogen, zat padat yang bertindak sebagai katalis dapat mengikat sejumlah gas atau cairan pada permukaannya berdasarkan adsorspsi. Saat ini, proses katalitik heterogen dibagi menjadi dua kelompok besar, reaksi-reaksi reduksi-oksidasi (redoks), dan reaksi-reaksi asam-basa. Dalam penggunaan katalis dalam suatu proses kimia, perlu diketahui karakteristik dari katalis yang digunakan. Karakterisasi adalah hal yang sangat penting dalam bidang katalisis. Berbagai jenis karakteristik dari katalis adalah deaktivasi katalis, regenerasi katalis, keasaman katalis, inti aktif katalis, komposisi katalis, kristalinitas katalis, morfologi katalis, luas permukaan katalis, dan karateristik pori katalis. Beberapa metode seperti difraksi, spektroskopi, dan mikroskopi memberikan kemudahan dalam menyelidiki sifat-sifat suatu katalis, sehingga diharapkan kita dapat mendapatkan pemahaman yang lebih baik tentang katalis agar kita dapat meningkatkan atau mendesain suatu katalis yang memiliki aktivitas yang lebih baik (Chorkendorf and Niemantsverdriet, 2003). Salah satu karakteristik dari katalis yang akan dibahas dalam makalah ini adalah karakteristik kristalinitas katalis. Kristalinitas katalis dapat diidentifikasi dengan menggunakan metode X-Ray Diffraction (XRD). Metode XRD akan

menentukan sifat katalis apakah memiliki bentuk kristal atau katalis tersebut bersifat amorf. Untuk pembahasan lebih lanjut, akan dibahas di bab berikutnya. 1.2

Tujuan Penulisan Adapun tujuan dari penulisan makalah ini adalah  Memahami mengenai kristalinitas pada katalis  Untuk mengetahui prinsip kerja XRD  Memahami karakterisasi suatu katalis dengan metode XRD  Memahami cara membaca hasil XRD dari suatu katalis

2

3

BAB II PEMBAHASAN 2.1

X-Ray Diffraction (XRD) Difraksi sinar-X pertama kali ditemukan oleh Max von Laue tahun 1913

dan pengembangannya oleh Bragg, merupakan salah satu metode baku yang penting untuk mengkarakterisasi material. Sejak saat itu sampai sekarang metode difraksi sinar-X digunakan untuk mendapatkan informasi struktur kristal material logam maupun paduan, mineral, senyawa inorganic,polimer, material organik, superkonduktor (Suharyana, 2012), orientasi kristal, jenis kristal, ukuran butir, konstanta kisi dan lain-lain. Pada perusahaan semen dan perusahaan-perusahaan besar lain, XRD digunakan sebagai alat uji jaminan mutu suatu bahan. X-ray adalah bentuk radiasi elektromagnetik yang memiliki rentang panjang gelombang dari 0,01-0,7 nm yang sebanding dengan jarak antara bidang kisi dalam kristal. Jarak antara atom dalam logam berkisar 0,2-0,3 nm. Atom dalam bidang kristal membentuk susunan periodik dari pola penyebaran yang koheren. Difraksi dari berbagai bidang atom menghasilkan pola difraksi, yang berisi informasi tentang susunan atom di dalam kristal. Proses analisis menggunakan X-ray diffraction (XRD) merupakan salah satu metode karakterisasi material yang paling tua dan paling sering digunakan hingga sekarang. Teknik ini digunakan untuk mengidentifikasi fasa kristalin dalam material dengan cara menentukan parameter struktur kisi serta untuk mendapatkan ukuran partikel. Sinar X merupakan radiasi elektromagnetik yang memiliki energi tinggi sekitar 200 eV sampai 1 MeV. Sinar X dihasilkan oleh interaksi antara berkas elektron eksternal dengan elektron pada kulit atom. Spektrum sinar X memilki panjang gelombang 10-10 s/d 5-10 nm, berfrekuensi 1017-1020 Hz dan memiliki energi 103-106 eV. Panjang gelombang sinar X memiliki orde yang sama dengan jarak antar atom sehingga dapat digunakan sebagai sumber difraksi kristal. SinarX dihasilkan dari tumbukan elektron berkecepatan tinggi dengan logam sasaran. Olehk arena itu, suatu tabung sinar X harus mempunyai suatu sumber elektron, voltase tinggi, dan logam sasaran. Selanjutnya elektron elektron yang ditumbukan ini mengalami pengurangan kecepatan dengan cepat dan energinya diubah menjadi foton.

XRD digunakan untuk analisis komposisi fasa atau senyawa pada material dan juga karakterisasi kristal. Prinsip dasar XRD adalah mendifraksi cahaya yang melalui celah kristal. Difraksi cahaya oleh kisi-kisi atau kristal ini dapat terjadi apabila difraksi tersebut berasal dari radius yang memiliki panjang gelombang yang setara dengan jarak antar atom, yaitu sekitar 1 Angstrom. Radiasi yang digunakan berupa radiasi sinar-X, elektron, dan neutron. Sinar-X merupakan foton dengan energi tinggi yang memiliki panjang gelombang berkisar antara 0.5 sampai 2.5 Angstrom. Ketika berkas sinar-X berinteraksi dengan suatu material, maka sebagian berkas akan diabsorbsi, ditransmisikan, dan sebagian lagi dihamburkan terdifraksi. Hamburan terdifraksi inilah yang dideteksi oleh XRD. Berkas sinar X yang dihamburkan tersebut ada yang saling menghilangkan karena fasanya berbeda dan ada juga yang saling menguatkan karena fasanya sama. Berkas sinar X yang saling menguatkan itulah yang disebut sebagai berkas difraksi. 2.2

Klasifikasi Material Suatu material dapat dibagi menjadi 2 jenis berdasarkan strukktur atomnya,

yaitu 2.2.1 Crystaline Material Crystaline material terdiri dari atom yang tersusun dalam pola yang lebih teratur dalam tiga dimensi. Struktur yang periodic ini dikenal sebagai struktur kristal. Strukrur ini memanjang dan strukturnya lebih besar dari struktur atom yang tidak berbententuk periodik. Dalam kristal tunggal, urutan ini meluas melalui seluruh volume material. Ada tujuh sistem kristal: kubik, tetragonal, ortorombik, rhombohedral, heksagonal, monoklinik dan triklinik. Struktur kristal yang berbeda didasarkan pada kerangka salah satu dari 14 kisi Bravais. Bidang parallel dari suatu atom yang berpotongan dengan unit sel digunakan untuk menentukan arah dan jarak dalam kristal. Suatu “d spacing” didefinisikan sebagai suatu jarak antara bidang yang saling berdekatan. Orientasi dan jarak antar bidang (d) dari bidang kisi ini ditentukan oleh tiga bilangan bulat h, k, l disebut Indeks Miller. Indeks tersebut (hkl) menunjuk karakter dari kristal atau jenis bidang dalam kisi kristal. Suatu material yang bersifat polikristalin terdiri dari banyak daerah kristal tunggal yang disebut grains. Grain yang satu dengan yang lain memiliki pembatas

4

yang memisahkan. Grains dapat memiliki bentuk dan ukuran yang berbeda dan disorientasi terhadap satu sama lain. 2.2.2 Amorphous Material Ketika suatu atom tidak tersusun secara periodic seperti susunan kristal sebelumnya, maka akan tergolong dalam material amorf. Material amorf tersebut hanya memiliki susunan atom yang jaraknya pendek (kurang dari nanometer) 2.3

Bragg’s Law Sinar X-ray yang ditembakkan ke padatan kristalin akan terdifraksi oleh

bidang kristalografi. Bragg’s law menjelaskan dengan pemodelan sederhana yang dibutuhkan untuk difraksi. Dengan persamaan n.λ=2dhkl sinθ, dimana dhkl merupakan jarak antara dua bidang hkl , n adalah bilangan bulat dan λ adalah panjang gelombang. Untuk atom pada bidang paralel, dengan jarak dhkl antara dua bidang, interferensi konstruktif muncul hanya ketika Bragg’s law terpenuhi. Pada difraktometrer, panjang gelombang X-ray adalah tetap. Oleh karenanya, sekumpulan bidang membentuk puncak difraksi pada sudut θ yang spesifik. Jarak antara bidang difraksi dari atom menentukan posisi puncak. Intensitas puncak ditentukan oleh atom-atom dalam bidang yang terdifraksi. Gambar 2.1 menjelaskan hukum Bragg.

Gambar 2.1 Analisis Bragg’s untuk XRD oleh bidang kristal

Dua gelombang insiden in-phase, sinar 1 dan sinar 2, dibelokkan oleh dua bidang kristal (Z dan Z1). Gelombang terdifraksi akan menjadi fase ketika Hukum Bragg, nλ = 2d sin θ, terpenuhi. Untuk menjaga sinar ini dalam fase, perbedaan jalur mereka (SQ + QT) harus sama dengan satu atau beberapa panjang gelombang Xray seperti (nλ) yaitu SQ + QT = nλ atau SQ + QT = 2PQ sin θ = 2d sin θ = nλ. Oleh karena itu perbedaan jalur tergantung pada sudut datang (θ) dan jarak antara bidang kristal paralel (d).

5

2.4

Powder Diffraction Sebuah kristal tunggal hanya menghasilkan satu bagian puncak dalam pola

difraksi. Sampel polikristalin mengandung ribuan kristal. Oleh karena itu, semua puncak difraksi yang mungkin diamati. Powder diffraction digunakan untuk karakterisasi bahan polikristalin. Asumsi dasar dari difraksi powder adalah bahwa untuk setiap bidang, terdapat jumlah kristal yang relevan secara statistik yang benar-benar berorientasi untuk membedakan sinar datang. Pola difraksi adalah ciri khas dari setiap fase kristal. Posisi, intensitas, bentuk dan lebar garis difraksi memberikan informasi pada sampel. Data difraksi serbuk terdiri atas catatan intensitas foton dibandingkan sudut detektor 2Ө. Data difraksi dapat direduksi menjadi daftar posisi puncak dan intensitas. 2.5

Prinsip Kerja dan Difraktometer Instrumen ini disebut difraktometer sinar-X. Dalam difraktometer, sinar X-

ray dari satu panjang gelombang digunakan untuk memeriksa spesimen. Dengan terus mengubah sudut insiden sinar X-ray, spektrum intensitas difraksi versus sudut antara kejadian dan sinar difraksi dicatat. Komponen utama difraktometer adalah  X-Ray Tube Sumber X-Ray  Incident Beam Optics Untuk mengatur kondisi sinar X-Ray sebelum mengenai sampel uji.  Goniometer Platform yang menyimpan dan memindahkan sampel, optik, detektor, dan / atau tabung.  Sample Holder  Receiving side-optics Untuk mengatur kondisi sinar X-Ray setelah mengenai sampel uji.  Detector Untuk menghitung jumlah sinar X-Ray yang tersebar oleh sampel. Komponen dasar dari difraktometer ditunjukkan pada Gambar di bawah ini. Simbol ‘θ’ adalah sudut antara sumber X -ray dan sampel, sedangkan 2θ adalah sudut antara sudut datang dan detektor. Sudut datang θ selalu setengah dari sudut detektor 2θ. Fungsi dasar dari diffractometer adalah untuk mendeteksi difraksi

6

sinar-X dari sampel dan untuk merekam intensitas difraksi sebagai fungsi dari sudut difraksi (2θ). Radiasi sinar X yang dihasilkan oleh tabung X-ray melewati celah Soller yang mengkolaborasikan sinar Xray. Sinar X-ray melewati celah-celah menyerang spesimen. Sinar-X terdifraksi oleh spesimen dan membentuk sinar konvergen pada celah penerima sebelum mereka memasuki detektor.

Gambar 2.2. Komponen dasar X-Ray Difraktometer

Sinar X-ray yang terdifraksi melewati filter monokromatik untuk menekan panjang gelombang selain radiasi Kα dan mengurangi radiasi dasar, sebelum diterima oleh detektor. Radiasi Kα dihasilkan dengan membombardir permukaan target (Cu, Fe, Cr) oleh elektron yang dipercepat. Paling umum target tembaga digunakan menghasilkan panjang gelombang Kα 0,154 nm. Gerakan relatif antara X-ray tube, spesimen dan detektor memastikan intensitas difraksi yang tercatat dalam kisaran 2θ. Alat difraktometer dapat digunakan dengan dua cara, yaitu  Tube yang diam, tapi sampel uji dan detector yang berputar (𝜃: 2 − 𝜃𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑔𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 )  Sampel uji yang diam, x-ray tube dan detector yang berputar. (𝜃: 𝜃𝑎𝑟𝑟𝑎𝑛𝑔𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 ) Elektron dan Neutron memiliki panjang gelombang yang sebanding dengan dimensi atomik sehingga radiasi sinar X dapat digunakan untuk menginvestigasi material kristalin. Teknik difraksi memanfaatkan radiasi yang terpantul dari berbagai sumber seperti atom dan kelompok atom dalam kristal. Ada beberapa macam difraksi yang dipakai dalam studi material yaitu: difraksi sinar X, difraksi

7

neutron dan difraksi elektron. Namun yang sekarang umum dipakai adalah difraksi sinar X dan elektron. Metode yang sering digunakan untuk menganalisa struktur kristal adalah metode Scherrer. Ukuran kristallin ditentukan berdasarkan pelebaran puncak difraksi sinar X yang muncul. Metode ini sebenarnya memprediksi ukuran kristallin dalam material, bukan ukuran partikel. Jika satu partikel mengandung sejumlah kritallites yang kecil-kecil maka informasi yang diberikan metiode Schrerrer adalah ukuran kristallin tersebut, bukan ukuran partikel. Untuk partikel berukuran nanometer, biasanya satu partikel hanya mengandung satu kristallites. Dengan demikian, ukuran kristallinitas yang diprediksi dengan metode Schreer juga merupakan ukuran partikel. Berdasarkan metode ini, makin kecil ukuran kristallites maka makin lebar puncak difraksi yang dihasilkan. Kristal yang berukuran besar dengan satu orientasi menghasilkan puncak difraksi yang mendekati sebuah garis vertikal. Kristallites yang sangat kecil menghasilkan puncak difraksi yang sangat lebar. Lebar puncak difraksi tersebut memberikan informasi tentang ukuran kristallites. Hubungan antara ukuran ksirtallites dengan lebar puncal difraksi sinar X dapat diproksimasi dengan persamaan Schrerer. 2.6

Karakteristik katalis dengan metode XRD Katalis secara umum karakteristiknya diuji dengan teknik XRD. Aplikasi

utama dari XRD dibahas di bawah ini. 2.6.1 Identifikasi Fasa Katalis umumnya terdiri dari campuran beberapa fase. Pola difraksi untuk setiap fase sama uniknya dengan sidik jari. Fasa dengan komposisi kimia yang sama dapat memiliki pola difraksi yang berbeda secara drastis. Identifikasi fase didasarkan pada perbandingan pola difraksi spesimen dengan fase referensi murni atau dengan database. Database seperti Powder Diffraction File (PDF) berisi daftar untuk ribuan fase kristal. PDF berisi lebih dari 200.000 pola difraksi. Berbagai fase kristal dapat dikuantifikasi berdasarkan fakta bahwa setiap fase campuran memberikan karakteristik difraktogram secara independen dari yang lain dan intensitasnya tergantung pada jumlah yang ada dalam campuran. Intensitas garis difraksi (hkl) dari fase α diberikan oleh 𝐼𝛼 (ℎ𝑘𝑙) =

𝐾𝛼 (ℎ𝑘𝑙)𝑥 𝑋𝛼 𝜇 𝜌𝛼 𝑥 ( 𝜌) 𝑚

8

Dimana. 𝑋𝛼 = 𝑓𝑟𝑎𝑘𝑠𝑖 𝑏𝑒𝑟𝑎𝑡 𝑓𝑎𝑠𝑎 𝛼 𝜌𝛼 = 𝑓𝑟𝑎𝑘𝑠𝑖 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑓𝑎𝑠𝑎 𝛼 𝜇

( ) = 𝐾𝑜𝑒𝑓𝑖𝑠𝑖𝑒𝑛 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑝𝑠𝑖 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑎𝑟𝑖 𝑐𝑎𝑚𝑝𝑢𝑟𝑎𝑛 𝜌 𝑚

𝐾𝛼 (ℎ𝑘𝑙) = 𝐾𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑎 𝑑𝑎𝑟𝑖 𝑠𝑡𝑟𝑢𝑘𝑡𝑢𝑟 𝑓𝑎𝑠𝑎 𝛼, 𝑔𝑎𝑟𝑖𝑠 𝑑𝑖𝑓𝑟𝑎𝑘𝑠𝑖 (ℎ𝑘𝑙) Intensitas puncak umumnya diukur dari ketinggian puncak dengan asumsi bahwa ketinggian puncak sebanding dengan luas puncak. 2.6.2 Ukuran Rata-rata Struktur Kristal Katalis Idealnya, puncak difraksi Bragg adalah garis tanpa lebar. Pada kenyataannya, difraksi dari spesimen kristal menghasilkan puncak dengan lebar tertentu. Ini dikenal sebagai perluasan puncak. Lebar puncak tergantung pada ukuran kristal. Lebar puncak berbanding terbalik dengan ukuran kristal; yaitu, lebar puncak meningkat dengan penurunan ukuran partikel kristal. Ukuran kristal ratarata dapat ditentukan dengan rumus Scherrer menggunakan analisis perluasan garis dasar. Formula Scherrer mengasumsikan bahwa luas puncak difraksi kristal (kristal tunggal kecil) terutama tergantung pada karakteristik kristal (ukuran dan kerusakan pada kisi). Analisis dasar dari perluasan mengasumsikan bahwa deformasi kisi dapat diabaikan. Menurut Scherrer, ketebalan kristal, L, dapat ditentukan oleh 𝐿=

𝑘λ βcosθ

Dimana, k

= konstanta

λ

= Panjang gelombang sumber sinar X-Ray

𝛽

= 𝐿𝑢𝑎𝑠 𝑑𝑖𝑓𝑟𝑎𝑘𝑠𝑖 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑡𝑒𝑟𝑏𝑒𝑛𝑡𝑢𝑘.

𝜃

= 𝑆𝑢𝑑𝑢𝑡 𝐵𝑟𝑎𝑔𝑔. Difraksi yang sesuai dengan puncak paling intens dipilih untuk menghitung

ukuran kristal rata-rata menggunakan hubungan Scherrer. Formula Scherrer mengasumsikan bahwa ukuran kristal adalah sumber utama yang menyebabkan efek pelebaran garis dari puncak difraksi, tetapi perluasan garis juga dapat disebabkan oleh faktor instrumen seperti lebar celah, ukuran sampel, fokus tidak sempurna atau misalignment dari difraktometer.

9

2.6.3 Jarak antara Bidang Atom dan Kristal Berdasarkan Hukum Bragg, informasi tentang jarak antara bidang atom dapat diperoleh ketika gangguan konstruktif terjadi. Mengetahui jarak dari bidang kristalografi dengan metode difraksi, struktur kristal material dapat ditentukan. Jarak bidang kristal kubik terkait dengan parameter kisi (a) dengan persamaan berikut. 𝑑ℎ𝑘𝑙 =