SINTESIS DAN KARAKTERISASISENYAWA Na1-xBaxTa1-xSnxO3 (x = 0; 0,1; 0,9 dan 1)

A.K. Prodjosantoso,1,2 M. Pranjoto U.,1 dan Danar1

1Jurusan Pendidikan Kimia, FPMIPA, UNY Yogyakarta, 55281 Yogyakarta2E_mail: prodjosantoso@uny.ac.id

Abstrak

Penelitian ini bertujuan untuk mensintesis dan mengkarakterisasi senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 (x = 0; 0,1; 0,9 dan 1). Sintesis dilakukan dengan mengkalsinasi sejumlah stoikiometrik oksida-oksida NaTaO5 dan BaSnO3, atau Na2CO3, BaCO3, Ta2O5, dan SnO2. Campuran dipanaskan pada suhu 700oC, 900oC, 1000oC, dan 1100oC masing-masing selama 4 jam, dengan disertai penggerusan di antara setiap tahapan proses kalsinasi. Data dikumpulkan menggunakan metode XRD serbuk dan dianalisis dengan Program Rietica versi 1.7.7 untuk mempelajari struktur kristal. Hasil analisis data menunjukkan bahwa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 (x = 0; 0,1; 0,9 dan 1) berstruktur kubus tipe perovskite, dengan posisi atom-atom Na/Ba (0,5 0,5 0,5), Ta/Sn (0 0 0), dan O (0,5 0 0).

Kata kunci: natrium tantalat, barium stanat, XRD, perovskite.

Pendahuluan

Senyawa perovskite dengan rumus umum ABO3 menarik bagi banyak peneliti

karena manfaat dan sifat fisik transisi fasanya (Lines & Glass, 1977). Struktur perovskite

menunjukkan variasi distorsi struktur pada temperature rendah berkaitan dengan

ketidakstabilan kisi struktur, termasuk feroelektrik (misalnya PbTiO3 dan BaTiO3),

antiferoelektrik (PbZrO3 dan NaNbO3) dan antiferodistortif (SrTiO3, KTaO3 dan

La0,5Na0,5TiO3) (Inaguma et al., 1992:3830. NaTaO3 adalah salah satu anggota ABO3

perovskite. Oksida ini mempunyai komposisi dan struktur kisi hampir sama dengan

KTaO3 pada suhu tinggi. Transisi fasanya telah dipelajari dengan mikroskop optik (Cross,

1956:76; Iwasaki & Ikeda, 1963:1570), analisis termal diferensial (Aleksandrowicz &

Wojcik, 1989:105) dan teknik difraksi serbuk (Ahtee &  Unonius, 1977:150). Kennedy et

al. (1999:6319) menunjukkan bahwa pada suhu di atas 620 oC, NaTaO3 berbentuk kubus

dengan kelompok ruang Pm m.

Fotokatalitik peruraian air menggunakan semikonduktor oksida merupakan salah

satu skema untuk menghasilkan hidrogen dari air yang sangat menjanjikan. Natrium

tantalat (NaTaO3) merupakan salah satu metal oksida yang dapat bekerja sebagai

fotokatalis yang paling efisien untuk peruraian air tanpa kokatalis. Potensial pita konduksi

NaTaO3 yang relatif tinggi menyebabkan oksida ini sangat efektif untuk mereduksi air

menghasilkan H2. Pita konduksi tantalat (Ta 5d) memiliki energi orbital lebih negatif

daripada titanat (Ti 3d) atau niobat (Nb 4d) (Kudo & Kato, 1999; Kudo & Kato, 2003;

Kudo, 2006).

Penelitian tentang NaTaO3 berkembang pesat setelah ditemukannya sifat

fotokatalitik oksida tersebut pada peruraian air (Kato & Kudo, 1998) dan degradasi

molekul organik, terutama bila didoping dengan logam tanah jarang seperti lantanium (La)

(Yan et al., 2009). Natrium tantalat juga dapat didoping dengan logam besi (Fe), perak

(Ag), titanium (Ti), mangan (Mn), dan kromium (Cr) (Wunderlich & Baufeld, 2010: 1-28).

Natrium tantalat juga telah dilaporkan dapat didoping oleh karbon (Kang & Park, 2009),

karbon komposit (Kang & Park, 2010: 106-110), nitrogen (Fu, et al., 2008: 864-872),

bismuth (Kanhere, et al., 2011: 11846–11853), dan niobium (Aleksandrova et al., 2009:

18-24).

Senyawa stanat banyak digunakan sebagai komponen dielektrik keramik (Coffeen,

1953:207). Stanat dengan rumus umum MSnO3, dimana M = Ca, Sr atau Ba, merupakan

bahan dielektrik yang digunakan sebagai kapasitor tahan panas (Jaffe et al., 1971;

Buchanan, 1986). Barium stanat sebagai salah satu bahan dalam larutan padat perovskit

menjanjikan banyak aplikasi pada peralatan dielektrik. Wainer (1949:1109) telah

mematentkan peralatan dielektrik berbahan alkali tanah stanat dan alkali tanah titanat.

Lapisan tipis BaSnO3 telah dilaporkan dapat digunakan sebagai sensor gas nitrogen oksida

dan karbon monoksida (Lumpe et al., 1995). Tidak seperti alkali tanah titanat MTiO3 (M =

Sr, Ca, dan Ba), alkali stanat murni dan terdopingnya belum banyak dipelajari secara

mendalam. Hal ini mendorong peneliti untuk melakukan penelitian tentang sintesis dan

karakterisasi BaSnO3 murni dan terdopingnya.

Oksida NaTaO3 dan BaSnO3 merupakan oksida yang bestruktur kubus tipe

perovskite, dengan posisi atom-atom Na/Ba (0,5 0,5 0,5), Ta/Sn (0 0 0), dan O (0,5 0 0)

(Kennedy et al., 1999:6319). Kesamaan struktur ini memungkinkan dilakukannya doping

Ba pada posisi Na dan Sn pada posisi Ta, dan sebaliknya. Kemungkinan terjadinya

fenomena ini menarik untuk dikaji lebih lanjut. Kajian akan dilakukan melalui reaksi

2

padatan antara natrium tantalat (NaTaO3) dengan barium stantat (BaSnO3) dengan jumlah

mol oksida yang bervariasi (Na1-xBaxTa1-xSnxO3).

Metode penelitian

Senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 disintesis menggunakan bahan-bahan Na2CO3 (p.a.

Merck), SnO2 (p.a. Aldrich), BaCO3 (p.a. Merck), dan Ta2O5 (p.a. Aldrich). Sintesis Na1-

xBaxTa1-xSnxO3 didahului dengan sintesis prekursor yaitu oksida NaTaO3 dan BaSnO3

dengan cara kalsinasi campuran stoikiometrik Na2CO3 dan Ta2O5 (untuk NaTaO3), serta

campuran BaCO3 dan SnO2 (untuk BaSnO3) dalam krus alumina pada suhu 700oC, 900oC,

1000oC, dan 1100oC masing-masing selama 4 jam, dengan disertai penggerusan di antara

setiap tahapan proses kalsinasi. Senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 disintesis dengan

mengkalsinasi campuran stoikiometrik NaTaO3 dan BaSnO3 (Cara 1), dan dengan

mengkalsinasi campuran stoikiometrik Na2CO3, Ta2O5, BaCO3, dan SnO2 (Cara 2) dalam

krus alumina pada suhu 700oC, 900oC, 1000oC, dan 1100oC masing-masing selama 4 jam,

dengan disertai penggerusan di antara setiap tahapan proses kalsinasi.

Data difraksi sinar-X senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 dikumpulkan menggunakan

difraktometer Shimadzu S-6000 memakai radiasi Cu Kα monokromatik dengan panjang

gelombang (λ) 1,5406 Ǻ pada kisaran 2θ antara 2o sampai 90o setiap 0,02o. Data difraksi

sinar-X dianalisis dengan Program Rietica versi 1.7.7. yang berbasis pada metode Rietveld.

Hasil Penelitian dan Pembahasan

Telah dilakukan upaya untuk mensintesis senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3. Sintesis

senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 dilakukan menggunakan metode keramik pada suhu 1100oC.

Senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 disintesis dengan dua cara, yaitu dengan mengkalsinasi

campuran NaTaO3 dan BaSnO3 (Cara 1), serta campuran prekursor Na2CO3, Ta2O5, BaCO3,

dan SnO2 (Cara 2). Pola difraksi sinar-X (XRD) sampel yang diperoleh dari sintesis Cara

1. Pola XRD sampel hasil kalsinasi campuran NaTaO3 dan BaSnO3 dengan perbandingan

mol 1:9 dan 9:1 mengindikasikan adanya dua fasa, yaitu fasa yang mirip dengan BaSnO3

dan NaTaO3. Sampel lainnya merupakan fasa tunggal.

3

Gambar 1. Pola difraksi hasil kalsinasi campuran NaTaO3:BaSnO3 dengan perbandingan (a)10:0, (b) 9:1, (c) 1:9, dan (d) 0:10, pada suhu 1100oC selama 4 jam.

Untuk memperoleh fasa tunggal senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3, dengan x = 0,1 dan

0,9, dilakukan sintesis dengan Cara 2. Pola difraksi sinar-X (XRD) sampel yang diperoleh

dari kalsinasi prekursor Na2CO3, Ta2O5, BaCO3, dan SnO2 dapat dilihat pada Gambar 2.

Pola XRD pada Gambar 2 mengindikasikan bahwa sampel berfasa tunggal dan

isostruktural dengan NaTaO3 maupun BaSnO3, yaitu berbentuk kubik tipe perovskite.

4

Gambar 2. Pola difraksi senyawa (a) NaTaO3, (b) Na0,9Ba0,1Ta0,9Sn0,1O3, (c) Na0,1Ba0,9Ta0,1Sn0,9O3, dan (d) BaSnO3.

Data XRD dianalisis dengan metode Rietveld menggunakan program Rietica versi 1.7.7.

(Hunter, 1997). Analisis dilakukan dengan mendasarkan pada parameter kisi senyawa bestruktur

kubus tipe perovskite NaTaO3 ( a = 3,9313Ǻ) (Kennedy, et al., 1999:6319) dan BaSnO3 (a =

4,119 Ǻ) (Upadhyay, et al., 1997:1330). Posisi atom-atom dalam NaTaO3 dan BaSnO3 adalah

Na/Ba (0,5 0,5 0,5), Ta/Sn (0 0 0), dan O (0,5 0 0). Parameter kisi senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3

hasil analisis dapat dilihat pada Tabel 1 dan 2. Parameter kisi (a) senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 yang

disintesis dari campuran NaTaO3 dan BaSnO3 dengan perbandingan mol 1:9 dan 9:1 menunjukkan adanya dua fasa, yaitu fasa dengan parameter kisi hampir sama dengan NaTaO3 dan

BaSnO3. Fasa 1 menunjukkan pola XRD yang mirip dengan NaTaO3. Hasil analisis menunjukkan

bahwa Fasa 1 memiliki parameter kisi yang relatif besar dari parameter kisi NaTaO 3. Hal ini

menggindikasikan telah terjadinya penyisipan oksida BaSnO3 pada struktur NaTaO3. Fasa 2

menunjukkan pola XRD yang mirip dengan BaSnO3. Hasil analisis menunjukkan bahwa Fasa 2

memiliki parameter kisi yang relative lebih kecil dari parameter kisi BaSnO3. Hal ini

menggindikasikan telah terjadinya penyisipan oksida NaTaO3 pada struktur BaSnO3.

Parameter kisi (a) senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 yang disintesis dengan Cara 2 menunjukkan

semakin besar nilainya dengan semakin besarnya nilai x. Ini membuktikan bahwa telah terbentuk

senyawa berfasa tunggal dengan rumus Na1-xBaxTa1-xSnxO3 (x=0; 0,1; 0,9 dan 1). Semakin

besarnya nilai a mengindikasikan semakin banyaknya BaSnO3 yang terdapat dalam korporasi Na1-

xBaxTa1-xSnxO3. Hubungan antara parameter kisi (a) dan nilai x dalam senyawa Na1-xBaxTa1-

xSnxO3 yang disintesis dari prekursor Na2CO3, Ta2O5, BaCO3, dan SnO2 (Cara 2) dapat

dilihat pada Gambar 4.

Tabel 1. Parameter kisi (a) senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 yang disintesis dengan Cara 1.

Na1-xBaxTa1-xSnxO3, x =

a (Ǻ)Fasa kaya NaTaO3 Fasa kaya BaSnO3

0 3,8998(1) -0,1 3,9005(2) 4,1243(3)0,9 3,9043(5) 4,1276(2)1 - 4,1305(2)

Tabel 2. Parameter kisi (a) senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 yang disintesis dengan Cara 2.

Na1-xBaxTa1-xSnxO3, x = a (Ǻ)

0 3,8998(1)0,1 3,9330(1)0,9 4,1288(2)1 4,1305(2)

5

0,0 0,1 0,8 1,0

3,90

3,95

4,00

4,05

4,10

4,15

x = 1x = 0,9

x = 0,1

a (Å

)

x dalam Na1-xBaxTa1-xSnxO3

x = 0

Gambar 4. Hubungan antara parameter kisi (a) dan nilai x dalam senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 yang disintesis dengan Cara 2.

Struktur kristal senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 dapat direpresentasikan dengan

menggunakan Program ATOMS versi 5.0.7 (Dowty, 1999) seperti terlihat pada Gambar 3.

Jarak antar-atom (Ta/Sn)-O dan (Na/Ba)-O dalam senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 dapat

dilihat pada Tabel 3 dan 4. Terdapat kecenderungan jarak antar atom-atom dalam senyawa

Na1-xBaxTa1-xSnxO3 semakin besar dengan semakin besarnya harga x. Hal ini bisa

dimengerti, karena dengan semakin besarnya nilai x berarti semakin besar pula parameter

kisi senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 (lihat Tabel 1 dan 2), yang berarti pula semakin besar

jarak antar atomnya.

Gambar 3. Struktur kristal senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3.

6

Table 3. Jarak antar-atom dalam senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 yang disintesis dengan Cara 1.

Senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3, x =

Jarak (Ta/Sn)-O (Ǻ) Jarak (Na/Ba)-O (Ǻ)Fasa kaya NaTaO3

Fasa kaya BaSnO3

Fasa kaya NaTaO3

Fasa kaya BaSnO3

0 1,9499(1) - 2,7576(1) -0,1 1,9503(1) 2,0621(2) 2,7581(1) 2,9163(2)0,9 1,9521(2) 2,0638(1) 2,7608(3) 2,9186(1)1 - 2,0652(1) - 2,9207(2)

Table 4. Jarak antar-atom dalam senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 yang disintesis dengan Cara 2.

Ikatan antar-atom dalam Na1-xBaxTa1-xSnxO3

Jarak antar-atom (Ǻ)x=0 x=0,1 x=0,9 x=1

(Ta/Sn)-O 1,9499(1) 1,9665(0) 2,0644(1) 2,0652(1)(Na/Ba)-O 2,7576(1) 2,7811(0) 2,9195(2) 2,9207(2)

Kesimpulan

Senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 (x = 0; 0,1; 0,9 dan 1) telah disintesis dan

dikarakterisasi. Sintesis Na1-xBaxTa1-xSnxO3 dapat dilakukan dengan mengkalsinasi

sejumlah stoikiometrik oksida-oksida NaTaO5 dan BaSnO3 (Cara 1), atau Na2CO3, BaCO3,

Ta2O5, dan SnO2 (Cara 2) pada suhu 700oC, 900oC, 1000oC, dan 1100oC, masing-masing

selama 4 jam. Analisis data XRD menunjukkan bahwa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 berstruktur

kubus tipe perovskite, dengan posisi atom-atom Na/Ba (0,5 0,5 0,5), Ta/Sn (0 0 0), dan O

(0,5 0 0). Senyawa Na1-xBaxTa1-xSnxO3 dengan nilai x yang semakin besar memiliki

parameter kisi (a) yang semakin besar pula, dan mengindikasikan semakin banyaknya BaSnO3

yang terdapat dalam korporasi Na1-xBaxTa1-xSnxO3.

Daftar Pustaka

Ahtee, M. and  Unonius, L. (1977). The structure of NaTaO3 by X-ray powder diffraction. Acta Cryst.  A33. 150-154 .

Aleksandrova, I.P., Ivanov, Y.N., Bodarev, V.S., Sukhovskii, A.A. and Voronov. V.N. (2009). Calorimetric and 23Na MAS NMR study of the phase diagram of NaNb1-

xTaxO3 solid solutions. Functional materials. 17. 18-24.

Aleksandrowicz, A. and Wojcik, K. (1989). Electrical properties of single crystals and ceramic samples of NaTaO3. Ferroelectrics. 99.105.

Coffeen, W.W. (1953). Ceramic and dielectric properties of the stannates, J. Am. Ceram. Soc. 36. 207.

7

Cross, L.E. (1956). Electric double hysteresis in (KxNa1-x)NbO3 single crystals. Phil. Mag. 1. 76.

Dowty, E. (1999). Program ATOMS versi 5.0.7

Fu, H., Zhang, S. Zhang, L. and Zhu, Y. (2008). Visible-light-driven NaTaO3xNx catalyst prepared by a hydrothermal process. Materials Research Bulletin. 43. 864–872.

Hunter, B.A. (1997). Rietica versi 1.7.7.

Inaguma, Y. Sohn, J.H. Kim, I.S. Itoh, M. and Nakamura, T. (1992). Quantum paraelectricity in a perovskite La0,5Na0,5TiO3. J. Phys. Soc. Jpn. 61. 383.

Iwasaki, H. and Ikeda, T. (1963). Studies on the system Na(Nb1−xTax)O3. J. Phys. Soc. Jpn. 18.157.

Jaffe, B ., Cook, J r. W. R., and Jaffe, H. (1971). Piezoelectric ceramics. Academic Press: New York.

Kang, H.W. and Park, S.B. (2009). Co-doping of C and La on NaTaO3 in a spray pyrolysis reactor. Department of Chemical and Biomolecular Engineering: Korea.

Kang, H.W. and Park, S.B. (2010). Water photolysis by NaTaO3-C composite prepared by spray pyrolysis. Advanced Powder Technology. 21. 106–110.

Kanhere, P.D., Zheng, J. and Chen, Z. (2011). Site specific optical and photocatalytic properties of Bi-doped NaTaO3. J. Phys. Chem. C. 115. 11846–11853.

Kato, H. and Kudo A. (1998). New tantalate photocatalysts for water decomposition into H and O2. Chem. Phys. Lett. 295(5–6). 487–492.

Kennedy, B.J, Prodjosantoso, A.K and Howard, C.J. (1999). Powder neutron diffraction study of the high temperature phase transitions in NaTaO3. J. Phys.: Condens. Matter. 11. 6319–6327.

Kudo, A. (2006). Development of photocatalyst materials for water splitting. International Journal of Hydrogen Energy. 31(2). 197–202.

Kudo, A. and H. Kato. (1999). Highly efficient decomposition of pure water into H2 and O2

over NaTaO3 photocatalysts. Catalysis Letters. 58.153–155.

Kudo, A. and H. Kato. (2003). Photocatalytic water splitting into H2 and O2 over various tantalate photocatalysts. Catalysis Today. 78. 561–569.

Lines, M.E. and Glass, A.M. (1977). Principls and applications of ferroelectrics and related materials. Clarendon Press: Oxford.

Lumpe,  Gerblinger, J. and  Meixner, H. (1995). Nitrogen oxide sensors based on thin filmsof BaSnO3, Sens. Actuators. B26/27. 97–98.

Upadhyay, S., Parkash, O. and  Kumar, D. (1997). Preparation and characterization of barium stannate BaSnO3, J. Matt. Sc. Lett. 16(16). 1330-1332.

Wainer, E . (1949). High dielectric materials and method of making. Ceram. Abstr. 1109.

Wunderlich, W. and Baufeld, B. (2010). Ceramic Materials. http://www.intechopen.com. Diakses pada tanggal 11 April 2012.

Yan S.C., Wang Z.Q., Li Z.S., Zou Z.G. (2009). Photocatalytic activities for water splitting of La-doped-NaTaO3 fabricated by microwave synthesis. Solid State Ionics. 1539–1542.

8