Pengaruh Asam Peptizer terhadap Komposisi Fase TiO₂ dan Efisiensi Fotokatalitik: Studi Perbandingan Asam Sulfat, Nitrat, dan Asetat
Abstrak
Kami menyintesis nanopartikel TiO₂ dari titanium isopropoxide melalui rute peptisasi suhu rendah menggunakan asam sulfur, asam nitrat, dan asam asetat sebagai agen peptizer. Analisis komprehensif XRD, TEM, BET, Raman, UV-vis, FTIR, dan XPS mengungkapkan bahwa asam asetat mempromosikan terbentuknya anatase murni, asam nitrat menginduksi campuran anatase-rutile 3:1, dan asam sulfur menghasilkan rasio anatase-rutile 95:5. Pengujian fotokatalitik pada kristal violet, metilen biru, dan p-nitrofenol menunjukkan bahwa sampel peptisasi asam nitrat memberikan tingkat degradasi tertinggi—melebihi P25 komersial hingga 20%—berkat pemisahan elektron-lubang yang ditingkatkan, diameter pori yang lebih besar (≈15 nm), dan densitas arus foto yang lebih tinggi (0,545 mA cm⁻²). Temuan ini menyoroti peran kritis jenis asam dalam menyesuaikan nanostruktur TiO₂ untuk rehabilitasi lingkungan lanjutan.
Latar Belakang
Dioksida titanium (TiO₂) tetap menjadi benchmark semiconductor untuk fotokatalisis, berkat stabilitas kimia, biaya rendah, dan struktur band yang cocok. Anatase, rutile, dan brookite adalah tiga polimorf, dengan anatase umumnya dianggap fase paling aktif untuk degradasi polutan organik. Komposisi fase, ukuran kristal, dan porositas sangat mempengaruhi performa fotokatalitik, namun dampak kimia asam peptizer terhadap parameter ini belum banyak dieksplorasi. Studi sebelumnya telah menunjukkan bahwa asam kuat dapat menekan atau mempromosikan transisi anatase-ke-rutile selama pemrosesan hidrotermal atau sol-gel. Di sini, kami secara sistematis menyelidiki bagaimana asam sulfur, asam nitrat, dan asam asetat mempengaruhi evolusi fase TiO₂ dan aktivitas fotokatalitik selanjutnya.
Material dan Metode
Prosedur Peptisasi
Ti(OR)₄ (isopropoxide) dimadura (15 hari, 25 °C, 50% RH) untuk membentuk gel amorf. Xerogel disperdi dalam asam peptisasi 1 N (100 mL) dan diultrasonikasi pada 40 °C selama 10 min. Koloid yang dihasilkan di sentrifugasi, dicuci, dan dianil pada 500 °C selama 3 jam. Sampel diberi nama TiO₂-ace (asetat), TiO₂-nit (nitrat), dan TiO₂-sul (sulfat).
Karakterisasi
XRD (Cu Kα), TEM, BET (fisisorp N₂), Raman, UV-vis difraksi difusi, FTIR, dan XPS digunakan untuk menentukan komposisi fase, ukuran partikel, luas permukaan, band gap optik, dan kimia permukaan. Fraksi fase dihitung melalui persamaan Spurr–Myers, dan ukuran kristal melalui rumus Scherrer.
Uji Fotokatalitik
100 mg katalis disuspendi dalam 100 mL larutan pewarna 10 ppm (CV, MB, atau p-NP). Setelah keseimbangan adsorpsi 45 menit, campuran diiradiasi oleh cahaya UV 13 W m⁻² (8 × lampu F20). Degradasi dipantau oleh spektroskopi UV-vis, dan efisiensi pengiriman dihitung sebagai ξ = (1 – C/C₀) × 100%. Penggunaan berulang dievaluasi selama lima siklus dengan pencucian dan pengeringan sederhana.
Hasil dan Pembahasan
Analisis Fase
TiO₂-ace menunjukkan 100% anatase (ukuran partikel ≈ 48 nm). TiO₂-sul mengandung 95% anatase (≈ 23 nm) dengan rutile minor (≈ 5%). TiO₂-nit menunjukkan campuran 67% rutile / 33% anatase (rutile ≈ 50 nm, anatase ≈ 41 nm). Asam yang lebih kuat (HNO₃, H₂SO₄) mendukung pembentukan rutile, sementara asam asetat lemah mempertahankan anatase.
Morfologi dan Luas Permukaan
TEM mengungkapkan bahwa TiO₂-sul membentuk agregat padat 7 nm, TiO₂-nit menunjukkan partikel sfaris 10–20 nm dengan lembaran yang lebih besar, dan TiO₂-ace terdiri dari sfaris 15–20 nm. Pengukuran BET memberikan 115 m² g⁻¹ (ace), 98 m² g⁻¹ (sul), dan 82 m² g⁻¹ (nit). Peptisasi asam nitrat menghasilkan luas permukaan sedikit lebih rendah tetapi diameter pori yang lebih besar (~15 nm), yang meningkatkan difusi reaktan.
Sifat Optik
Tepi serapan UV-vis bergeser dari 372 nm (sul) ke 383 nm (ace) ke 402 nm (nit). Band gap adalah 3,12 eV (sul), 2,99 eV (ace), dan 2,97 eV (nit). Pengurangan band gap pada nit berkorelasi dengan konten rutile yang lebih tinggi.
Performa Fotokatalitik
Dalam 120 menit, TiO₂-nit mencapai 99% degradasi untuk CV dan MB, dan 95% untuk p-NP, melebihi P25 komersial (≈ 85% untuk p-NP). TiO₂-ace dan TiO₂-sul hanya mencapai 70–80% untuk p-NP. Aktivitas superior TiO₂-nit disebabkan oleh transfer muatan inter-fase yang efisien (rutile CB → anatase CB, anatase VB → rutile VB) dan densitas arus foto yang tinggi (0,545 mA cm⁻²). Eksperimen penggunaan berulang menunjukkan >90% aktivitas setelah tiga siklus, menurun menjadi 75% pada siklus kelima karena kehilangan katalis yang kecil.
Kesimpulan
Kimia asam peptizer secara menentukan mengontrol komposisi fase, morfologi, dan perilaku fotokatalitik TiO₂. Peptisasi asam nitrat menghasilkan nanostruktur campuran anatase-rutile dengan pemisahan elektron-lubang optimal, memberikan performa degradasi pewarna terbaik di antara asam yang diteliti. Hasil ini menyediakan rute yang sederhana dan dapat diskalakan untuk menyesuaikan nanokatalis TiO₂ untuk aplikasi lingkungan.
