Sintesis Nanopartikel ZnO dari Larutan Klorida Seng Terkonsentrasi dengan Stabilizer Glycerol pada Suhu Ruangan
Abstrak
Rute sederhana pada suhu ruangan telah dikembangkan untuk menghasilkan nanopartikel ZnO secara langsung dari larutan klorida seng yang sangat terkonsentrasi (65–80 wt %) dan larutan basa dengan glycerol sebagai stabilisator. Konsentrasi ZnCl₂ dan rasio mol glycerol-ke-Zn²⁺ secara kuat mempengaruhi ukuran dan morfologi partikel: seiring bertambahnya konsentrasi ZnCl₂ dan rasio glycerol, nanopartikel bertransisi dari batang 50–120 nm menjadi globul 20 nm. Glycerol, poliol yang larut dalam air, secara efektif mencegah pengaglomerasi dan bertindak sebagai templat bahkan di bawah konsentrasi seng yang ekstrim.
Latar Belakang
Nanopartikel oksida seng (ZnO) adalah semikonductor yang paling serbaguna, digunakan dalam elektronika, optoelektronika, sel surya, perangkat emisi medan, sensor, dan fotokatalisis. Biokompatibilitas intrinsik dan toksisitas rendahnya juga memungkinkan aplikasi dalam pengiriman obat, biosensor, perlindungan UV, dan lapisan antimikroba.
Rute sintesis tradisional—deposisi uap kimia, sol-gel, hidrotermal, ablasi laser, dan mikroemulsi—sering memerlukan konsentrasi prekursor rendah dan suhu tinggi, yang mengarah pada penggunaan pelarut yang signifikan dan pengaglomerasi partikel. Sintesis poliol, yang menggunakan diol titik didih tinggi sebagai pelarut dan stabilisator, telah terbukti efektif untuk oksida logam namun masih menderita muatan prekursor rendah dan suhu reaksi yang tinggi.
Klorida seng sangat larut dalam air (432 g/100 g pada 25 °C, hingga 81,2 wt %) dan dapat berfungsi sebagai prekursor ZnO yang terkonsentrasi. Pekerjaan sebelumnya telah menunjukkan bahwa ZnO dapat diperoleh dari larutan klorida seng yang terkonsentrasi dengan kehadiran pati atau selulosa, tetapi metode tersebut memerlukan suhu yang lebih tinggi dan proses multi-langkah. Studi ini memperkenalkan metode satu langkah pada suhu ruangan yang menggunakan glycerol—poliol yang ramah lingkungan dan sangat larut dalam air—sebagai stabilisator dan templat untuk menghasilkan nanopartikel ZnO dari larutan klorida seng yang sangat terkonsentrasi.
Metode/Eksperimen
Bahan-bahan
ZnCl₂, NaOH, KOH, LiOH, ammonia air, dan glycerol kelas analitis digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut (Pabrik Reagen Kimia Nanjing, China).
Penyediaan Nanopartikel ZnO
Glycerol pertama dicampur dengan larutan air ZnCl₂ pada rasio mol yang ditetapkan (Zn²⁺:glycerol). Kemudian larutan basa (NaOH, KOH, LiOH, atau NH₄OH) ditambahkan secara bertitik-titik di bawah pengadukan berkelanjutan pada suhu ruangan untuk mencapai pH 12. Campuran diaduk selama 5 menit tambahan. Emulsi putih terbentuk, yang dicuci dua kali dengan air dan etanol, kemudian di-sentrifugasi (6000 rpm, 10 menit). Setelah pengeringan pada 80 °C, nanopartikel ZnO dipulihkan.
Karakterisasi Nanopartikel ZnO
Struktur kristal dievaluasi dengan XRD (Ultima IV, Jepang). Morfologi diperiksa dengan SEM (JSM-7600F, JEOL) dan TEM (JEM-2100, JEOL). XPS (AXIS Ultra DLD, Inggris) mengidentifikasi status kimia. Spektrum penyerapan UV–vis direkam dengan Lambda 950 (Perkin Elmer), dengan puncak pada 325 nm.
Hasil dan Pembahasan
Efek Rasio Glycerol-ke-Zn²⁺ terhadap Ukuran dan Morfologi
Gambar 1 menunjukkan pengaruh yang jelas dari glycerol terhadap pembentukan nanopartikel ketika 65 wt % ZnCl₂ dan 50 wt % NaOH digunakan. Tanpa glycerol (Fig. 1a), partikel besar dan heterogen. Meningkatnya rasio glycerol secara bertahap menghasilkan globul yang lebih kecil dan lebih seragam: 0,33 : 1 menghasilkan batang 180 nm; 1 : 1 menghasilkan bola 40–80 nm; 3,33 : 1 menghasilkan globul 15–25 nm. Jadi, glycerol bertindak baik sebagai stabilisator sterik dan sebagai templat.
Citra SEM nanopartikel ZnO yang diperoleh dari 65% ZnCl₂ dengan berbagai rasio glycerol (a 0:1; b 0,33:1; c 1:1; d 1,67:1; e 3,33:1) dan (f) tabel statistik.
Secara mekanisme, tiga grup hidroksil glycerol koordinasi Zn²⁺, membentuk kompleks Zn-glycerol. Setelah penambahan NaOH, kompleks ini menghasilkan Zn(OH)₄²⁻ yang mendidih menjadi ZnO di dekat glycerol. Konsentrasi NaOH yang tinggi (50 wt %) menginduksi nukleasi homogen ledakan, sementara glycerol mencegah pengaglomerasi. Pada kandungan glycerol rendah, pertumbuhan tidak merata dan ukuran partikel meningkat; pada kandungan glycerol tinggi, efek pemblokiran menghasilkan partikel seragam, sub-30 nm.
Representasi skematik peran glycerol dalam sintesis nanopartikel ZnO.
Gambar 3 mengonfirmasi observasi ini: Citra TEM menunjukkan batang pada 0,33 : 1 (20–160 nm) dan globul pada 1 : 1 (≈40–50 nm) dan 3,33 : 1 (≈15–25 nm). Analisis XPS (Fig. 4) menunjukkan Zn yang sepenuhnya dioksidasi (Zn²⁺) dengan sisa glycerol minimal. Pola XRD (Fig. 5a) cocok dengan struktur wurtzite ZnO, sementara spektrum UV–vis (Fig. 5b) menampilkan puncak penyerapan kuat di dekat 380 nm, mengonfirmasi kemampuan pemblokiran UV nanoskala ZnO.
Citra TEM nanopartikel ZnO dari berbagai rasio glycerol (a 0,33:1; b 1:1; c 3,33:1). Histogram yang sesuai ditunjukkan.
Spektra XPS nanopartikel ZnO (a lebar; b Zn-2p; c O-1s).
Pola XRD (a) dan spektrum penyerapan UV–vis (b) nanopartikel ZnO.
Efek Konsentrasi ZnCl₂ terhadap Morfologi Nanopartikel
Menggunakan rasio glycerol:Zn²⁺ 1:1 dan NaOH 50 wt %, konsentrasi ZnCl₂ bervariasi dari 50 hingga 80 wt %. Gambar 6 menunjukkan bahwa peningkatan konsentrasi ZnCl₂ (menurunnya rasio hidrasi) mengubah batang menjadi partikel globular dan mengurangi ukuran. Pada 50 wt % ZnCl₂, batang berukuran ≈130 nm; pada 65 wt % mereka menjadi bola 40–80 nm; pada 80 wt % mereka menyusut menjadi globul ≈40 nm. Efek pemblokiran glycerol yang ditingkatkan pada konsentrasi ZnCl₂ yang lebih tinggi menjelaskan partikel yang lebih kecil.
Citra SEM nanopartikel ZnO dari larutan ZnCl₂ 50 wt % (a), 65 wt % (b), dan 80 wt % (c).
Pengaruh Jenis Hidroksida terhadap Ukuran Nanopartikel
Kami menyelidiki larutan jenuh NaOH, KOH, LiOH, dan NH₄OH pada suhu ruangan (konsentrasi: 50 wt %, 60 wt %, 8 wt %, dan 25 wt %, masing-masing). Dengan rasio glycerol:Zn²⁺ 3,33 : 1, partikel ZnO berkisar dari ≈20 nm (NaOH) hingga ≈300 nm (NH₄OH). Tren ukuran mencerminkan kemampuan kation untuk memassiv permukaan ZnO; kation terhidrasi yang lebih besar (Li⁺ > Na⁺ > NH₄⁺ > K⁺) memerlukan konsentrasi yang lebih tinggi untuk mencapai passivasi yang serupa. Konsentrasi LiOH dan NH₄OH yang rendah mengurangi efek pemblokiran glycerol, yang mengarah pada partikel yang lebih besar.
Citra SEM nanopartikel ZnO dari 65 % ZnCl₂ dengan berbagai hidroksida (a NaOH; b KOH; c LiOH; d NH₄OH).
Perbandingan dengan Sistem Pati atau Selulosa
Pekerjaan sebelumnya menyintesis ZnO dari pati atau selulosa yang dilarutkan dalam klorida seng terkonsentrasi. Gambar 8 membandingkan partikel yang dihasilkan: rute berbasis pati dan selulosa menghasilkan globul 40–60 nm, sedangkan sistem glycerol menghasilkan partikel 15–25 nm. Viskositas yang lebih rendah dari larutan glycerol memungkinkan pembentukan titik yang lebih efisien selama penggilingan, yang meningkatkan keseragaman partikel.
Citra TEM nanopartikel ZnO dari 65 % ZnCl₂ menggunakan sistem glycerol (a), pati (b), dan selulosa (c).
Jadi, pendekatan glycerol lebih sederhana, lebih hemat biaya, dan menghasilkan nanopartikel ZnO yang lebih kecil dan lebih seragam.
Kesimpulan
Dengan menambahkan larutan basa ke campuran glycerol-ZnCl₂ pada suhu ruangan, nanopartikel ZnO ≈20 nm dapat dihasilkan dari klorida seng yang sangat terkonsentrasi (hingga 80 wt %). Ukuran dan morfologi partikel dapat disesuaikan melalui rasio glycerol:Zn²⁺, konsentrasi ZnCl₂, dan jenis hidroksida. Pemblokiran sterik glycerol menjadi lebih jelas pada muatan ZnCl₂ yang lebih tinggi, mengubah morfologi dari batang menjadi globul dan mengurangi ukuran. NaOH dan KOH menghasilkan partikel 20–50 nm, sedangkan LiOH dan NH₄OH menghasilkan partikel yang lebih besar karena passivasi permukaan yang kurang efektif. Metode ini menawarkan rute yang mudah, terukur, dan ramah lingkungan untuk nanopartikel ZnO yang dapat dikontrol ukurannya.
