Dokumen ini membahas metode sol-gel dalam sintesis nanopartikel, menjelaskan proses hidrolisis dan kondensasi untuk menghasilkan senyawa anorganik dan keuntungan dari metode tersebut, seperti kemurnian tinggi dan biaya yang relatif rendah. Rute logam organik dan anorganik serta pengaruh pH terhadap ukuran partikel juga diuraikan, bersama dengan hasil karakterisasi titanium dioksida (TiO2) setelah sintesis. Kesimpulan menunjukkan bahwa meningkatnya suhu kalsinasi memperbesar ukuran partikel TiO2 dan memberikan kemurnian tinggi pada produk.

1. PROSES SOL-GEL
Makalah Kimia Material
Oleh :
ZEFRI AZHARMAN
1320412002
Dosen Pembimbing:
Dr. Upita Septiani, M.Si
PROGRAM PASCASARJANA KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS ANDALAS
PADANG
2014

2. Proses Sol-Gel
A. Pendahuluan
 Nanopartikel menjadi kajian menarik dalam bidang material. Ukuran nanometer
meberikan banyak keuntungan diantaranya memberikan nilai tambah suatu bahan
material, untuk mencapai bahan material yang efisien, hemat dan ramah lingkungan.
Terdapat dua metoda yang dilakukan untuk mencapai tujuan tersebut. Metoda sintesis
nanopartikel itu adalah top down dan bottom up. Proses top down tidak melibatkan
reaksi kimia, terjadinya pemecahan material dari ukuran besar ke ukuran kecil.
Sedangkan proses bottom up terjadi reaksi kimia dari material awal sehingga
dihasilkan material lain berukuran nanometer. Dalam proses bottom up dikenal
dengan metoda sol-gel. Proses sol gel dapat didefinisikan sebagai proses
pembentukan senyawa anorganik melalui reaksi kimia dalam larutan pada suhu
rendah, dimana dalam Proses tersebut terjadi perubahan fasa dari suspensi koloid (sol)
membentuk fasa cair kontinyu (gel) [1].
Gambar 1. Proses fisika dan kimia dalam sintesi nanomaterial
Sol-gel merupakan bagian dari koloid. Koloid adalah suspensi dengan fasa
terdispersi yang sangat kecil yaitu sekitar 1-1000 nm. Sol merupakan suspensi partikel
padat yang terdispersi dalam cair. Sedangkan gel merupakan suspensi koloid cair yang
terdispersi dalam padat. Aerosol merupakan suspensi koloid partikel dalam gas atau yang
sering dikenal dengan embun. Untuk hasil akhir dari proses sol-gel sering dikenal dengan
keramik [2].

3. Gambar 2. Alur Proses sol gel
Proses sol gel bisa didefinisikan sebagai proses pembentukan senyawa anorganik
melalui reaksi kimia dalam larutan pada suhu rendah, dalam proses tersebut terjadi
perubahan fasa dari suspensi koloid (sol) membentuk fasa cair kontinyu (gel). Metoda
sol-gel merupakan metoda yang paling banyak dilakukan. Hal ini disebabkan karena
beberapa keunggulannya, antara lain: proses berlangsung pada temperatur rendah,
prosesnya relatif lebih mudah, bisa diaplikasikan dalam segala kondisi (versatile),
menghasilkan produk dengan kemurnian dan kehomogenan yang tinggi jika parameternya
divariasikan. Dimana bisa dilakukan kontrol terhadap ukuran dan distribusi pori dengan
mengubah rasio molar air/prekursor, tipe katalis atau prekursor, suhu gelasi, pengeringan,
dan proses stabilisasi [3]. Selain itu, yang paling mengesankan dari proses sol-gel adalah
biayanya relatif murah dan produk berupa xerogel silika yang dihasilkan tidak beracun
[2].
B. Tahapan Hidrolisis dan Kondensasi
Dari beberapa tahapan proses sol-gel, terdapat dua tahapan umum dalam pembuatan
oksida logam melalui proses sol-gel, yaitu hidrolisis dan kondensasi yang terjadi pada no.
2 pada gambar 2.

4. Pada tahap hidrolisis terjadi penyerangan molekul air. Logam prekursor (alkoksida)
dilarutkan dalam alkohol dan terhidrolisis dengan penambahan air pada kondisi asam atau
basa [4] atau netral menghasilkan koloid. Hidrolisis terjadi penggantian ligan alkoksi (-
OR) dengan gugus hidroksil (OH) [2].
Reaksi kondensasi akan terjadi setelah terjadinya reaksi hidrolisis. Produk dari
reaksi intermediet hasil reaksi hidrolisis sangat berperan dalam proses reaksi kondensasi,
sehingga didapatkan nanopartikel kondensasi juga ada dikenal dengan kondensasi alkohol
dan kondensasi air.
Reaksi Sol Gel
(1) Hidrolisis metal alkoksida
(2) Kondensasi
Ada dua pendekatan yang saat ini dikenal yaitu pendekatan dengan rute logam organik dan
anorganik.
1. Metal Organic Route
Rute logam organik lebih sering dikenal dengan alkoksida logam yang dilarutkan
dalam larutan organik yang terjadi reaksi oxolation atau olation pada jembatan hidrogen.
2. The Inorganic Route
Rute ini menggunakan garam logam yang dilarutkan dalam larutan air (klorida,
oksiklorida, dan nitrat). Rute ini lebih murah dan lebih mudah untuk dikerjakan daripada
alkosida (rute organik), tetapi reaksinya lebih sulit untuk dikontrol [5].

5. C. Penggunaan Katalis dalam Metoda Sol Gel
Katalis pada proses sol-gel sangat berpengaruh pada ukuran kristal dari produk.
Katalis yang digunakan harus dapat lepas pada proses kalsinasi. Katalis yang biasa
digunakan dalam rute organik yaitu amonia (kondisi basa) pada sintesis silika.
Pertambahan konsentrasi amonia mempengaruhi ukuran dari silika yang terbentuk.
Dengan meningkatnya konsentrasi dari amonia, maka ukuran partikel dari silika akan
semakin besar. Reaksi hidrolisis dan kondensasi terjadi dengan cepat seiring
meningkatnya konsentrasi dari amonia, sehingga nukleasi berlangsung dengan singkat
yang berakibatkan ukuran partikel silika relatif lebih besar [6].
Gambar 3. Mekanisme raksi menggunakan katalis asam dan basa pada hidrolisis
Dari gambar diatas dapat dilihat katalis asam dan basa memiliki mekanisme yang
berbeda dalam proses hidrolisis dan kondensasi. Pada reaksi dengan menggunakan katalis
asam, yang pertama terjadi adalah protonasi pada grup alkoksil. Si memberikan
elektronnya kepada grup alkoxyl yang terprotonasi sehingga Si bersifat elektrofilik
sehingga memudahkan molekul H2O masuk. Molekul air akan menyerang Si dari arah
yang berlainan dari gugus hidroksil yang terprotonasi. Setelah gugus air masuk, gugus
alkohol akan lepas dan gugus air akan melepaskan protonnya. Sedangkan katalis basa,
tahap awal reaksi adalah silikon akan diserang oleh gugus hidroksil. Dengan masuknya
gugus hidroksil akan membuat bentuk intermediet berupa Si dengan betuk pentakordinat.

6. Bentuk pentakoordinat dari Si tidak stabil sehingga gugur OR dengan ukuran yang lebih
besar akan lebim mudah lepas.
D. Pengaruh pH (water glass sytem)
Dalam metoda sol-gel sangat dipengaruhi dengan pH sebagai kondisi terjadi reaksi.
pH berkontribusi atas efek hidrolisis dan kondensasi selama proses pembentukan gel serta
terhadap bentuk morforlogi dari produk yang disintesis. Pengaruh variasi pH yang
dilakukan terhadap sintesis nanopartikel ZnO dengan metoda sol-gel, dilakukan titrasi
NaOH untuk pengatur pH 7-12. Pada pH yang lebih rendah (pH=7) meenunjukkan
distribusi partikel yang lebih kecil (1,3 nm+0,3nm), sedangkan pada pH yang tinggi (pH -
12) memberikan kemurnian terhadap hasil ZnO yang terbentuk dengan ukuran partikel
yang lebih besar (73,8 nm + 149,3 nm) [7].
Gambar 4. Data karakterisasi XRD Variasi pH Sintesis ZnO
Penurunan pH dilakukan dengan penambahan HCl pada Natrium silikat sehingga
pembentukan gel menjadi lebih lambat. Maka, pH dinaikkan dengan penambahan larutan
NaOH 1M sehingga pH menjadi 7 dan proses pembentukan polimerasi menjadi lebih
cepat[8]. Peningkatan pH maka ukuran partikel akan bertambah hal ini dapat dilihat dari
morfologi partikel [1].

7. Gambar 5. Morfologi hasil SEM Silika dengan ukuran berbeda terhadap Variasi pH
(a) 21 nm, (b) 131 nm, (c) 369 nm, (d) 565 nm.
Bentuk dari morfologi partikel silika dalam proses sol gel bergantung terhadap
kondisi asam atau basa larutan, sehingga dapat digambarkan dalam struktural sebagai
berikut:
Gambar 6. Struktural gel silika

8. E. Pematangan (Ageing)
Jika reaksi hidrolisis dan kondensasi selesai maka dilanjutkan dengan ageing,
merupakan proses pematangan gel yang terbentuk. Proses ageing terjadi reaksi
pembentukan jaringan gel yang lebih kaku, kuat dan menyusut di dalam larutan.
F. KEUNTUNGAN SOL-GEL
Proses sol-gel memiliki keuntungan dalam sintesis keramik, seperti:
1. Kemurnian yang tinggi, karena prekursor organologam alkoksi dapat dimurnikan
dengan cara destilasi dan rekristalisasi.
2. Homogenitasnya lebih baik, karena reagen yang digunakan dicampur pada
ukuran atau tingkatan molekul.
3. Porositasnya rendah dan tinggi, dengan menggunakan pendekatan perlakuan
pada pemanasan dan pembakaran.
G. Kelemahan Metoda Sol Gel
Kelemahan dalam metoda sol gel sebagai berikut:
1. Biaya yang mahal untuk proses menggunakan prekusor alkoksida
2. Waktu proses yang relatif lama
3. Terjadi penyusutan volume yg besar saat pengeringan
4. Penggunaan pelarut organik yang dapat merusak kesehatan

9. Synthesis and characterization of titanium oxide
nanomaterials using sol-gel method
I. Abstrak
Jurnal ini memberitakan pengaruh temperatur terhadap sifat nanomaterial TiO2,
sintesis dan karakterisasi TiO2. Serbuk TiO2 disintesis dengan metoda sol gel
menggunakan larutan TiCl4 dengan penambahan etanol diaduk selama 30 menit pada
suhu kamar. Larutan gel yang terbentuk kemudian dikering pada suhu 200o
C selama 4
jam. Kemudian, gel yang telah dikeringkan dikalsinasi pada suhu 250o
C, 400o
C, dan
600o
C selama 4 jam. Hasil sintesis nanomaterial TiO2 dikarakterisasi dengan XRD, UV-
Vis, spectrophotometer, Transmission electron microscope (TEM), Scanning electron
microscope (SEM), Energy dispersive spectroscopy (EDS). XRD menunjukan ukuran
partikel dengan kritalinitas dan kemurnian yang tinggi didukung dengan hasil dari TEM.
Ukuran partikel TiO2 yang disintesis pada suhu kalsinasi 250o
C, 400o
C, dan 600o
C adalah
9.22 nm, 14.33 nm, dan 36.72 nm dari hasil XRD. Perhitungan energi gap TiO2 adalah
3.54 eV. Struktur nanomaterial TiO2 berupa struktur poligonal dari hasil SEM. Hasil EDS
menunjukkan bahwa pada 250o
C, 400o
C, dan 600o
C , konsentrasi titaniumnya adalah
33.34%, 32.6%, dan 31.89%; dan konsentrasi klorida adalah 2.64%, 0%, dan 0%; dan
konsentrasi oksigen adalah 64.02%, 67.4% dan 68.11% dalam sintesis nanopowder TiO2.
II. Metoda
Bahan yang digunakan berupa TiCl4, Etanol (CH3CH2OH), AgNO3, dan Ammonium
Hidroksida (NH4OH).
Titanium tetraklorida (TiCl4) 3.5 ml dilarutkan dalam air 50 ml dan kemudian
dilakuakan penambahan 35 ml etanol diaduk selama 30 menit pada suhu kamar.
Tambahkan Ammonium hidroksida sambil pengadukan berlangsung. Kemudian
dilakukan pengendapan selama 12 jam. Endapan kemudian disentrifus. Selanjutnya
dilakukan pencucian endapan samapai ion clorida yang terkandung hilang. Kemudian
dilakukan pengeringan pada suhu 200o
C bertujuan untuk menghilangkan pelarut selama 4
jam dan akhirnya TiO2 amorf terbentuk. Kemudian dilakukan kalsinasi pada suhu 250o
C,
400o
C, dan 600o
C selama 4 jam. Akhirnya powder nanomaterial TiO2 terbentuk.

10. III. Hasil dan Pembahasan
Titanium tetraklorida (TiCl4) 3.5 ml dilarutkan dalam air 50 ml dan kemudian dilakuakan
penambahan 35 ml etanol diaduk selama 30 menit pada suhu kamar. Tambahkan Ammonium
hidroksida sambil pengadukan berlangsung. Kemudian dilakukan pengendapan selama 12
jam menghasilkan endapan putih. Endapan kemudian disentrifus. Selanjutnya dilakukan
washing dan pengeringan pada suhu 200o
C terbentunya TiO2 amorf. Kemudian dilakukan
kalsinasi pada suhu 250o
C, 400o
C, dan 600o
C selama 4 jam dengan cara bertahap. Akhirnya
powder nanomaterial TiO2 terbentuk berupa warna putih.
Titanium tetraklorida (TiCl4) 3.5
ml
Dalam 50 ml air
Etanol 35 ml
Pengadukan (30 min, at 25oC)
NH4OH
sentrifus
Pengendapan (12 h)
washing
Drying (200oC, 4h)
Calcinated (250, 400,600oC, 4h)
TiO2 nanopowder
Karakterisasi

11. a) Hasil XRD
Pengukuran X-ray Diffraction yang dilakukan terhadap suhu kalsinasi 200, 400, dan
600o
C meberikan hasil yang berbeda. Grafik pada suhu 600o
C memberikan puncak
grafik yang lebih tanjam menandakan terbentuknya kristal TiO2 yang lebih baik. TiO2
yang terbentuk berupa kristal anatase.
Ukuran kristal dihitung dengan persamaan Schereer, menunjukkan ukuran partikel
suuhu kalisinasi 600o
C paling besar, dan 250o
C paling kecil. Dari hasil spektrum dan
tabel diatas menunjukkan bahwa dengan meningkatnya suhu maka ukuran partikel
dari TiO2 juga makin besar.

12. b) Hasil UV-Vis
Hasil UV-Vis yang dilakukan terhadap absorban pada produk pada suhu kalsinasi
250, 400, dan 600o
C memiliki absorbansi yang sama yaitu 350 nm. Energi gab yang
dihasilkan yang dihitung melalui persamaan berdasarkan absorbansi adalah 3.54 eV.
c. Hasil TEM
Transmission electron microscope (TEM) yang digunakan untuk mengukur hasil
produk suhu kasinasi dari sintesis TiO2 memperlihatkan struktur poligonal. Pada suhu
kalsinasi 250o
C ukuran dari nanopartikel seragam begitu juga pada suhu 400o
C.
Sedangkan pada suhu 600o
C tidak lagi seragam dan ukuran partikelnya lebih besar.

13. d. Hasil SEM
Scanning electron microscopy (SEM) juga menunjukkan hasil yang serupa dengan
TEM, dengan meningkatnya suhu kalsinasi, maka ukuran partikelnya juga meningkat.
e. Hasil EDS
Energy dispersive x-ray spectroscopy (EDS) adalah analisis yang digunakan untuk
mengetahui komposisi kimia dari suatu sampel. Hasil EDS menunjukkan pada suhu 400
dan 600o
C memiliki kemurnian yang tinggi kandungan Cl sudah tidak ada. Hal ini
menandakan hasil produk yang dihasilkan murni.

15. IV. Kesimpulan
Dari hasil dan pembahasan dari karakterisasi yan dilakukan terhadap TiO2 dapat disimpulkan,
sebagai berikut:
1. TiO2 nanomaterial telah disintesis dengan menggunakan metoda sol-gel yang bekerja
pada suhu rendah. Metoda ini memiliki banyak keuntungan salah satunya
memberikan kemurnian yang tinggi.
2. Hasil XRD menunjukan peningkatan suhu kalsinasi menyebabkan meniknya ukuran
partikel. TiO2 yang terbentuk berupa anatase.
3. Absorbansi dari ketiga suhu kalsinasi 200, 400, dan 600o
C sama-sama 350 nm dan
energi gabnya 3.54 eV dari hasil pengukuran UV-Vis.
4. TiO2 yang dihasilkan berupa struktur poligonal, dan pada suhu kalsinasi 600o
C
memiliki kemurnian yang tinggi.
5. Hasil XRD dan TEM menunjukkan dengan meningkatnya suhu kalsinasi, ukuran
pertikel TiO2 juga lebih besar.
Reference
[1] Ismail Ab Rahman and Vejayakumaran Padavettan, Synthesis of Silica Nanoparticles
by Sol-Gel: Size-Dependent Properties, Surface Modification, and Applications in
Silica-Polymer Nanocomposites—A Review, Journal of Nanomaterials Volume 2012,
15 pages.
[2] Brinker, C. Jeffrey. Sol-Gel Science : The Physics And Chemistry Of Sol-Gel
Processing. Academic Press, Inc. An Imprint of Elsevier 1250 Sixth Avenue, San
Diego.
[3] Zawrah, M. F., El-Kheshen, A. A., Abd-El-All, H., Facile and Economic Synthesis of
Silica Nanoparticles, Journal of Ovonic Reasearch, vol.5, No.5, 2009, pp.129-133
[4] Ibrahim, I. A. M., Zikry, A. A. F., Sharaf, M. A., Preparation of Sperical silica
Nanoparticles: Ströber Silica, Journal of American Science, vol.6, No.11, 2010,
pp.985-989.
[5] Sarbjit kaur, Niraj Bala and Charu Khosla, Preparation and Deposition of
Hydroxyapatite on Biomaterials by Sol-Gel Technique-A Review, Chitkara Chemistry
Review 2013, Vol. 1, No. 2 ,pp. 59–69.
[6] Singh, L. P., Agarwal, S. K., Bhattacharyya, S. K., Sharma, U., Ahalawat, S.,
Preparation of Silica Nanoparticles and Its Beneficial Role in Cementitious Materials,
Nanomater Nanotechnol, vol.1, No.1, 2011, pp.44-51.

16. [7] Dwi Wahyu Nugroho, Putri RiskiaAkwalia, Tito Prastyo Rahman, RadyumIkono,
Wahyu Bambang Widayanto, Agus Sukarto, Siswanto dan Nurul Taufiqu Rochman,
Pengaruh Variasi pH Pada Sintesis Nanopartikel, ZnO Dengan Metode Sol-
Gel. Prosiding Pertemuan Ilmiah Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan 2012.
[8] Stotaw Talbachew Hayle, Girma Goro Gonfa, Synthesis And Characterization Of
Titanium Oxide Nanomaterials Using Sol-Gel Method, American Journal of
Nanoscience and Nanotechnology 2014; 2(1): 1-7.