Melihat Lebih Dekat: Teknik Karakterisasi Material
Di dunia modern, kebutuhan untuk memahami struktur material pada tingkat mikroskopis dan molekuler semakin penting seiring perkembangan teknologi material baru yang lebih kompleks. Metode karakterisasi seperti X-ray Diffraction (XRD), Fourier Transform Infra-Red (FTIR), Scanning Electron Microscopy (SEM), Transmission Electron Microscopy (TEM), dan Thermal Gravimetric Analysis (TGA) menjadi penting dalam mengatasi keterbatasan analisis karakterstik material. XRD membantu menentukan struktur kristal suatu material, sedangkan FTIR mengungkapkan gugus fungsional dan ikatan kimia dalam material. SEM dan TEM memungkinkan pengamatan morfologi hingga skala nano, memberikan wawasan penting tentang topografi dan struktur internal material. TGA berperan dalam menganalisis stabilitas termal serta perubahan komposisi kimia material terhadap suhu. Kombinasi teknik-teknik ini membantu para peneliti dalam mengembangkan material yang lebih tahan lama, efisien, dan sesuai untuk berbagai aplikasi industri, seperti katalis, membran, dan nanokomposit. Oleh karena itu, perlu adanya pengenalan lebih jauh mengenai uji-uji karakteristik material ini.
1. XRD (X-Ray Diffraction)
X-ray Diffraction (XRD) adalah metode analisis yang memanfaatkan difraksi sinar-X untuk mengidentifikasi struktur kristal dari suatu bahan. Teknik ini memberikan informasi tentang jarak antar atom dalam suatu kristal, orientasi kristal, dan distribusi atom dalam material.
Teknik difraksi sinar-x dapat digunakan untuk analisis kualitatif karena setiap unsur atau senyawa mempunyai pola difraksi tertentu. Dengan demikian, jika pola difraksi unsur atau senyawa diketahui maka unsur atau senyawa tersebut dapat diidentifikasi. Prinsip kerja pada pengujian XRD adalah ketika suatu material dikenai sinar-x, maka intensitas sinar yang ditransmisikan lebih rendah dari intensitas sinar datang. Hal ini disebabkan adanya penyerapan oleh material dan juga penghamburan oleh atom-atom dalam material tersebut. 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 (Kaufmann, 2003).
Contoh Analisis XRD pada membran:
Gambar 1 menunjukkan pola difraksi sinar X membran yang dihasilkan disintesis dengan penyangga kasa 304-200, 304-400, dan AISI 316-180 semuanya mempunyai intensitas tertinggi pada 2θ = 8º dan 23° yang merupakan ciri khas ZSM-5 (ICSD 91010) (Thommes et al., 2015). Hal ini menunjukkan bahwa membran yang dihasilkan adalah membran ZSM-5. Setiap kristal/material akan memiliki puncak difraksi yang berbeda-beda. Sehingga dari pola ini kita dapat menentukan material atau unsur apa saja kah yang terbentuk.
Cara Menganalisis Grafik Hasil XRD
Berikut adalah langkah-langkah umum untuk menganalisis grafik hasil XRD:
1. Identifikasi Puncak Difraksi:
Identifikasi puncak-puncak pada grafik yang muncul sebagai bentuk puncak atau puncahan. Setiap puncak merujuk pada difraksi dari suatu bidang kisi kristal tertentu. Puncak-puncak ini mungkin muncul pada berbagai sudut difraksi (θ).
2. Sudut Difraksi (θ): Pada sumbu horizontal (biasanya sumbu x) adalah sudut difraksi (θ). Setiap puncak difraksi pada grafik akan terletak pada sudut tertentu, dan posisi sudut difraksi dapat memberikan informasi tentang jarak antar bidang kisi kristal.
3. Intensitas Puncak:
Intensitas puncak difraksi mencerminkan jumlah sinar-X yang diterdifraksi oleh kisi kristal pada sudut tertentu. Puncak yang lebih tinggi menunjukkan bahwa struktur kristal memiliki tingkat difraksi yang lebih tinggi pada sudut tersebut.
Gambar 2. Illustration of minimum 2θ value and the maximum 2θ value at half the maximum intensity
4. Lebar Puncak:
Lebar puncak difraksi dapat memberikan informasi tentang ukuran kristal. Puncak yang lebih lebar biasanya menunjukkan ukuran kristal yang lebih kecil. Lebar puncak (Full Widht at Half Maximum, FWHM) dapat dirumuskan sebagai:
β = ½ (2θmax - 2θmin)
Jika nilai FWHM tinggi, artinya puncak difraksi pada pola XRD menjadi lebih lebar berarti partikel-partikel dalam material kemungkinan sangat kecil atau memiliki cacat kristal. Ini dapat mempengaruhi sifat fisik dan kimia material, baik dalam konteks positif (misalnya, dalam katalis atau bahan baterai, karena ukuran partikel yang kecil dapat meningkatkan luas permukaan dan reaktivitas) atau negatif (Dalam industri semikonduktor, struktur kristal yang sempurna sangat penting untuk menjaga aliran elektron yang terkontrol di dalam bahan).
5. Interpretasi Struktur Kristal:
Setelah mengidentifikasi puncak-puncak difraksi utama, langkah berikutnya adalah menginterpretasi hasil tersebut untuk menentukan struktur kristal dari sampel. Buku panduan atau basis data difraksi sinar-X dapat membantu dalam mengidentifikasi fase dan struktur kristal yang sesuai. Ukuran kristal dapat dicari dengan Persamaan Scherrer:
6. Referensi Basis Data Difraksi:
Perbandingan pola difraksi hasil eksperimen dengan pola difraksi yang terdaftar dalam basis data difraksi sinar-X adalah langkah penting untuk identifikasi fase kristal. Beberapa basis data difraksi populer termasuk ICDD (International Centre for Diffraction Data) dan JCPDS (Joint Committee on Powder Diffraction Standards).
7. Analisis Peak Splitting atau Puncak Tertinggi Ganda:
Kadang-kadang, puncak tunggal dapat terbagi menjadi dua atau lebih puncak yang lebih kecil (peak splitting). Hal ini dapat menunjukkan adanya struktur kristal dengan orientasi tertentu atau adanya gangguan pada kisi kristal.
Kisaran harga ujii XRD di UNS (PUI)
Tanpa Interpretasi data 200.000
Dengan Interpretasi data 350.000
2. FTIR (Fourier Transform Infra-Red)
Spektroskopi infrared (IR) adalah pengukuran penyerapan radiasi inframerah oleh bahan sebagai fungsi dari panjang gelombang (atau frekuensi). Spektroskopi inframerah menyelidiki spektrum termal dasar bahan yang terutama disebabkan oleh getaran dan pita serapan rotasi molekul yang menyertainya. Karena pita serapan dikaitkan dengan getaran gugus fungsi tertentu di dalam molekul (Gaffney et al, 2012). Saat ini, FTIR digunakan untuk mengidentifikasi gugus fungsional (seperti –OH, –NH, –COOH, dan sebagainya), menganalisis senyawa dalam berbagai fase (padat, cair, atau gas), dan mengukur kuantitas dari suatu senyawa.
Ketika seberkas sinar IR (radiasi inframerah) dengan panjang gelombang kontinu melewati sampel, cahaya dari bilangan gelombang tertentu diserap, yang menyebabkan spektrum absorbansi. Kesetaraan energi cahaya dan perbedaan antara dua tingkat energi adalah kondisi penyerapan yang sangat diperlukan, sehingga menentukan posisi penyerapan dalam spektrum. Terakhir, spektrum tersebut diproses lebih lanjut dengan teknik transformasi Fourier agar lebih mudah dianalisis (Hou et al, 2018).
Cara Menafsirkan Spektrum FTIR
Gambar 3. Grafik FTIR Propanal, Acetone, dan Propanic Acid
1. Tentukan sumbu X dan Y-sumbu dari spektrum. X-sumbu dari spektrum IR diberi label sebagai "bilangan gelombang" dan jumlahnya berkisar dari 400 di paling kanan untuk 4.000 di paling kiri. X-sumbu menyediakan nomor penyerapan. Sumbu Y diberi label sebagai "transmitansi Persen" dan jumlahnya berkisar dari 0 pada bagian bawah dan 100 di atas.
2. Tentukan karakteristik puncak dalam spektrum IR. Semua spektrum inframerah mengandung banyak puncak. Selanjutnya melihat data daerah gugus fungsi yang diperlukan untuk membaca spektrum.
3. Tentukan daerah spektrum di mana puncak karakteristik ada. Spektrum IR dapat dipisahkan menjadi empat wilayah. Rentang wilayah pertama dari 4.000 ke 2.500. Rentang wilayah kedua dari 2.500 sampai 2.000. Ketiga wilayah berkisar dari 2.000 sampai 1.500. Rentang wilayah keempat dari 1.500 ke 400.
4. Tentukan kelompok fungsional diserap di wilayah pertama. Jika spektrum memiliki karakteristik puncak di kisaran 4.000 hingga 2.500, puncak sesuai dengan penyerapan yang disebabkan oleh NH, CH dan obligasi OH tunggal.
5. Tentukan kelompok fungsional diserap di wilayah kedua. Jika spektrum memiliki karakteristik puncak di kisaran 2.500 hingga 2.000, puncak sesuai dengan penyerapan yang disebabkan oleh ikatan rangkap tiga.
6. Tentukan kelompok fungsional diserap di wilayah ketiga. Jika spektrum memiliki karakteristik puncak di kisaran 2.000 sampai 1.500, puncak sesuai dengan penyerapan yang disebabkan oleh ikatan rangkap seperti C = O, C = N dan C = C.
Kisaran harga uji FTIR di UNS (PUI) sekitar Rp 80.000 tanpa interpretasi data
3. Scanning Electron Microscopy (SEM)
SEM adalah instrumen canggih serbaguna yang sebagian besar digunakan untuk mengamati fenomena permukaan material. Sampel ditembak dalam SEM menggunakan elektron berenergi tinggi, dan elektron/sinar-X yang keluar dianalisis. Elektron/sinar-X yang keluar ini memberikan informasi tentang topografi, morfologi, komposisi, orientasi butir, informasi kristalografi dari suatu material secara 3D. Morfologi menunjukkan bentuk dan ukuran, sedangkan topografi menunjukkan fitur permukaan suatu objek atau teksturnya, kehalusan atau kekasarannya. Demikian juga komposisi berarti unsur dan senyawa yang menyusun bahan, sedangkan kristalografi berarti susunan atom-atom dalam bahan (Akhtar et al.2018).
Berdasarkan Gambar, prinsip kerja SEM didasarkan pada memancarkan berkas elektron melalui medan elektromagnetik dan lensa. Berkas elektron difokuskan oleh lensa objektif pada spesimen. Kemudian sinar terfokus memindai area tertentu dari permukaan spesimen di mana sinar terfokus dÃraster melintasi permukaan material dengan bantuan kumparan deflektor yang dikendalikan oleh generator pemindai. Pembesaran mengontrol ukuran pola raster. Perubahan perbesaran mengubah ukuran area raster pada sampel. Ketika berkas elektron mengenai material, pemogokan ini menghasilkan sejumlah besar sinyal, yaitu elektron dan sinar-X dipancarkan dari spesimen. Sinyal-sinyal ini dideteksi oleh detektor (tergantung pada jenis detektor) dan diubah menjadi sinyal di mana gambar dihasilkan dari sinyal tersebut. Sinyal yang berasal dari interaksi elektron-sampel memberikan informasi rinci tentang bahan seperti morfologi eksternal (tekstur), komposisi kimia dan struktur kristal dan orientasi bahan penyusun sampel (Akhtar et al, 2018).
Cara Membaca Analisis SEM
Gambar 4. Hasil Analisis SEM Baterai Lithium Ion
Dari gambar 4, berikut adalah beberapa aspek yang dapat dievaluasi:
Ukuran dan Distribusi Partikel: Partikel yang lebih kecil menawarkan lebih banyak area permukaan untuk interaksi dengan ion litium selama proses charge/discharge, tetapi juga dapat meningkatkan resiko pembentukan lapisan SEI (Solid Electrolyte Interphase) yang tebal.
Bentuk dan Struktur Partikel: Bentuk partikel tampak bersudut dan tidak teratur. Ini disebabkan oleh proses produksi seperti milling atau penggilingan yang menyebabkan deformasi dan pecahan partikel. Partikel grafit yang lebih halus dan homogen biasanya lebih disukai karena lebih stabil selama siklus baterai.
Kerapatan Partikel: Beberapa gambar menunjukkan partikel yang saling berdekatan, sementara lainnya tampak lebih terdispersi. Penyusunan dan kontak antar partikel sangat penting dalam performa baterai karena mempengaruhi konduktivitas listrik dan transportasi ion di dalam material anoda.
Kisaran harga uji SEM di UNS (PUI)
SEM Top view (sampel): 250.000 (2 titik 3 pembesaran)
SEM-EDX (Energy Dispersive X-Ray) (sampel): 300.000 (1 titik)
SEM (cross section & top view) (sampel): 500.000 (2 titik 2 pembesaran)
Elemental Mapping SEM (sampel): 500.000
Interpretasi data SEM (gambar): 150.000 (ukuran partikel, roughness)
Preparasi/coating untuk SEM (sampel/menit): 50.000
4. Transmittion Elecron Microscopy (TEM)
TEM merupakan mikroskop elektron yang memiliki sistem kerja sama dengan mikroskop cahaya, perbedaannya TEM menggunakan elektron sebagai pengganti cahaya, serta menggunakan magnet sebagai pengganti lensa. TEM bekerja dengan tiga teknik yaitu imaging, Diffraction, dan Spectroscopy, dengan beitu TEM dapat menghasil berbagai data, yaitu morfologi, bentuk, dan struktur kristal penyusun material objek secara 2D.
Prinsip Kerja TEM
TEM menggunakan tabung sinar katoda atau filamen (sumber untuk menghasilkan elektron yang sangat baik) dalam ruang hampa, elektron dipercepat menuju spesimen yang diberikan dengan menciptakan perbedaan potensial. Serangkaian magnet dan lubang logam digunakan untuk memfokuskan uap elektron menjadi monokromatik balok, yang kemudian bertabrakan dengan spesimen dan berinteraksi sesuai dengan kerapatan dan muatan material. Interaksi ini sangat dipengaruhi oleh bagaimana spesimen yang telah disiapkan. Berikut merupakan gambar skema rangkaian pada TEM.
Cara Analisa TEM
Data hasil analisa TEM biasanya berupa image seperti pada gambar dibawah. Pada gambar terdapat keterangan skala yang berbentuk bar. Uji TEM pada komposit Fe3O4/SiO2/TiO2 untuk mengetahui struktur dan ukuran butirannya. Berikut merupakan citra TEM yang diperoleh.
Foto TEM komposit Fe3O4/SiO2/TiO2
Dari gambar diatas terlihat bahwa struktur komposit yang terbentuk adalah multi layer (Coreshell). Fe3O4 sebagai core yang diselimuti lapisan tengah SiO2 dan TiO2 sebagai shell terluar. Berikut data pengukuran ukuran butiran menggunakan penggaris.
Menggunakan persamaan (2) diperoleh diameter partikel sebenernya, yaitu :
Panjang bar = 3 cm = 0,003 mm
D real= 0,00315 cm0,003 cm x 50 nm
=52,5 nm
Kisaran harga uji TEM
Standard Rp 1.100.000 Per sampel
+ HRTEM Rp 300.000 Per sampel
+ EDX Spectrum Rp 100.000 Per spektrum
+ Electron Diffraction Rp 100.000 Per gambar
+ Biological Sample Preparation Rp 2.000.000 Per sampel
5. Thermal Gravimetric Analysis (TGA)
Analisis thermal merupakan teknik pengukuran dari perubahan sifat fisik dan kimia atau perubahan massa suatu sampel terhadap temperatur atau waktu dalam atmosfer yang terkendali (Setiabudi et al, 2012). Skema TGA diilustrasikan pada Gambar 3 terdiri dari tungku, unit switching gas, dan unit keseimbangan mikro.
Dalam aplikasinya, unit timbangan mikro memerlukan wadah sampel kosong untuk menyeimbangkan wadah sampel untuk mendapatkan berat sampel aktual secara akurat. Selama percobaan, pembawa oksigen ditempatkan di tempat sampel (yaitu, diameter 10 mm dan tinggi 2 mm) dan tungku kemudian akan diangkat secara otomatis untuk mengarahkan pemegang sampel ke zona stabil suhu. Laju aliran gas yang bereaksi diatur melalui pengontrol aliran massa atau Mass Flow Controller (MFC) yang dilengkapi dengan TGA dan bervariasi dari 60 hingga 180 mL/menit. Selain itu, aliran gas inert yang terpisah dengan kecepatan 60 mL/menit, dimasukkan ke dalam neraca mikro sepanjang waktu untuk melindungi neraca mikro, Waktu reaksi khas 30 menit ditetapkan untuk proses reduksi dan oksidasi. Berat dan suhu tungku dicatat oleh sistem akuisisi data TGA. Semua percobaan dilakukan pada kondisi isotermal pada kisaran suhu 800-975°C di bawah kondisi siklik reduksi-oksidasi. Sampel dipanaskan sampai suhu yang diinginkan dalam lingkungan udara pada laju pemanasan 1-20°C/menit dan kemudian diekspos ke kondisi siklus reduksi dan oksidasi. Umumnya, lima siklus reduksi-oksidasi dilakukan untuk semua proses. (Song et al, 2014).
Cara Membaca Grafik TGA
Di bawah ini contoh hasil analisa TGA dari sampel yang mengandung karbon.
Untuk garis hijau adalah grafik weight loss (TG) yang merupakan penurunan berat sampel seiring dengan peningkatan suhu fungsi waktu, merah adalah temperatur fungsi waktu sedangkan biru adalah DTA menunjukkan laju perubahan massa terhadap waktu fungsi waktu. Bisa dilihat pada grafik TG pada suhu sekitar 100oC, 200oC dan 500oC terjadi penurunan berat yg signifikan yg kemungkinan besar dikarenakan kehilangan air, unsur volatil dan karbon secara berurutan.
Kisaran harga uji TGA :
DTA/TGA s.d 300oC per sampel = 440.000
DTA/TGA s.d 600oC per sampel = 770.000
Reference
https://materialcerdas.wordpress.com/alat-karakterisasi/thermo-gravimetric-analyzer-tga/
Akhtar, Kalsoom. Shahid Ali Khan, Sher Bahadar Khan, and Abdullah M. Asiri. 2018. Scanning Electron Microscopy: Principle and Applications in Nanomaterials Characterization. Pp. 113-45 in Handbook of Materials Characterization. Seoul, South Korea: Springer International Publishing.
Bambang. 2011. Instrumen FTIR dan Membaca Spektra FTIR. Diakses pada 22 Oktober 2024 pukul 23.12 WIB. Aneka Kimia.
Kaufmann, E.N. 2003. Characterization of Materials: Volumes 1 and 2. Hokoben: John Wiley & Sons.
Gaffney, Jeffrey S., Nancy A. Marley, and Darin E. Jones. 2012. Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy. Characterization of Materials, edited by Elton N. Kaufmann. USA.
Hanifah, U. 2023. Sintesis Senyawa Lanthanum Doped Cerium (LDC) Menggunakan Metode Sol-Gel dengan Variasi Suhu Kalsinasi (Bachelor's thesis, Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Islam Negeri Syarif Hidayatullah Jakarta).
Hou, Xiangdao. Songtao Lv. Zheng Chen, and Feipeng Xiao. 2018. Applications of Fourier Transform Infrared Spectroscopy Technologies on Asphalt Materials. Measurement. 1-35.
Kesuma, W. A. P. Karakterisasi Material Berbahan Dasar Silika.
Setiabudi, Agus, Rifan Hardian, and Ahmad Muzakir. 2012. Karakterisasi Material: Prinsip dan Aplikasinya Dalam Penelitian Kimia. Vol. 1. 1st ed. Bandung: UPI Press.
Song. Hui, Kalpit Shah, Elham Doroodchi. Terry Wall, and Behdad Moghtaderi. 2014. Reactivity of A12O3- or SIO2- Supported Cu, Mn, and Co-Based Oxygen Carriers for Chemical Looping Air Separation. Energy and Fuels. 28(1):173-182.
Sun, Q., Fu. Z. & Yang, Z. 2018. Effects of Rare-Earth Doping on the lonic Conduction of CeO2 in Solid Oxide Fuel Cells. Ceramics International 44(4):3707-3711.
