Hollow TiO2 sebagai Fotokatalisis: Spilitting Water dan Pendegradasi Limbah

Ditulis oleh Diki Permana

Fotokatalisis adalah cara yang efisien untuk membersihkan limbah cair maupun gas yang ada di lingkungan. Ameta (2017) menyatakan bahwa dengan fotokatalisis, maka akan bermanfaat besar bagi manusia maupun lingkungan. Fotokatalisis akan mengubah energi gelombang/cahaya menjadi energi kimia. Keuntungan utama fotokatalisis menggunakan TiO₂ adalah mempunyai stabilitas kimia yang tinggi pada kondisi asam dan basa, tidak beracun, harga yang relatif murah, dan pengoksidasi yang aman bagi lingkungan menjadikan TiO₂ potensial untuk banyak aplikasi fotokatalitik (Ameta & Ameta, 2016)

Dalam proses oksidasi fotokatalisis, polutan organik didegradasi dengan adanya fotokatalis semikonduktor, sumber cahaya, dan zat pengoksidasi seperti oksigen atau udara. Gambar. 1 menunjukkan mekanisme fotokatalisis TiO₂. Hanya foton dengan energi yang lebih besar dari energi celah-pita (ΔE) yang dapat menghasilkan eksitasi elektron pita valensi dan mendorong reaksi terjadi. Hole positif mengoksidasi polutan secara langsung atau melalui intermediet air untuk menghasilkan radikal OH, sedangkan elektron dalam pita konduksi mengurangi oksigen yang diserap pada katalis (Ahmed et al., 2010).

Gambar 1. Mekanisme fotokatalisis TiO₂ (Ahmed et al., 2010)

Struktur nano atau mikro dari bola adalah yang paling banyak dipelajari dan digunakan dalam senyawa TiO₂. Bola TiO₂ ini biasanya memiliki luas permukaan spesifik dan volume pori yang tinggi (Gambar 2). Dengan sifat-sifat ini maka akan meningkatkan ukuran area permukaan yang dapat dimafaatkan untuk adsorpsi polutan organik. Secara umum, peningkatan ini menghasilkan kemampuan fotokatalitik yang lebih baik karena reaksi fotokatalitik didasarkan pada reaksi kimia pada permukaan fotokatalis. Selain itu, struktur ini meningkatkan kemampuan penangkapan cahaya karena cahaya untuk dapat sebanyak mungkin menjangkau bagian dalam dari material (Li et al., 2007).

Gambar 2. Ilustrasi dimensi struktur dari material dengan kemungkinan sifatnya (Li et al., 2007)

Struktur mikro berongga (hollow) pada TiO₂ akan membuat reaksi katalitik lebih baik karena proses pembebasan molekul reaktan dan produk ke sisi aktif akan lebih mudah (Qi et al., 2016). Tu et al. (2012) juga melaporkan aktivitas fotokatalitik hollow TiO₂ yang dikompositkan dengan graphene terjadi peningkatan sembilan kali relatif terhadap P25. Selain itu, energi celah pita untuk TiO₂ yang telah dikompositkan dengan nanopartikel emas menghasilkan celah pita terendah, menjadi 2,24 eV dan efisiensi fotokatalitik yang maksimum selama degradasi fenol (Chowdhury et al., 2019).

Zheng et al. (2018) telah menyintesis hollow TiO₂ dengan metode sol-gel menggunakan template SiO₂ dan penggunaan tetrabutil ortotitanat sebagai prekusor untuk TiO₂ serta mengkompositkannya dengan logam Pd, Pt dan Au untuk fotokatalisis pemisahan air. Hasil menunjukkan bentuk hollow TiO₂ yang smooth, dan optimum untuk fotokatalisis pemisahan air diperoleh dengan doping Pd 0,95%, sedangkan pada komposil Au 1% menunjukkan hasil pemisahan air yang kecil dibandingkan komposit Pd dan Pt.

Klorofenol adalah polutan air dengan tingkat toksisitas sedang dan diduga memiliki sifat karsinogenik. Nitrofenol adalah polutan air dengan toksisitas tinggi dan dilepaskan ke lingkungan air karena sintesis dan penggunaan pestisida organo-fosfor, pewarna azo, dan beberapa barang medis. Produk samping utama yang terdeteksi selama degradasi fotokatalitik fenol adalah 4-nitrokatekol, benzokuinon, hidrokuinon dan sejumLah asam organik. Gambar 3 mengilustrasikan degradasi fotokatalitik fenol dan pembentukan zat antara.

Gambar 3. Fotokatalisis dari degradasi fenol dengan nanomaterial TiO₂  (Guo et al., 2006)

Daftar Pustaka

• Ahmed, S., Rasul, M. G., Martens, W. N., Brown, R. & Hashib, M. A. (2010). Heterogeneous photocatalytic degradation of phenols in wastewater: A review on current status and developments. Desalination. Vol 261, pp 3–18.
• Ameta, R., & Ameta, S. C. 01 Dec 2016. Binary Semiconductors from: Photocatalysis, Principles and Applications. CRC Press. Accessed on: 25 Feb 2019
• Chowdhury, I. H., Roy, M., Kundu, S. & Naskar, M. K. (2019). TiO₂ hollow microspheres impregnated with biogenic gold nanoparticles for efficient visible light-induced photodegradation of phenol. Journal of Physics and Chemistry of Solids.
• Guo, Z., Ma, R. & Li, G. (2006). Degradation of phenol by TiO₂ nanomaterials in wastewater. Chemical Engineering Journal. Vol. 119, pp 55–59.
• Li, H., Bian, Z., Zhu, J., Zhang, D., Li, G., Huo, Y., Li, H., & Lu, Y. (2007). Mesoporous titania spheres with tunable chamber stucture and enhanced photocatalytic activity. J. Am. Chem. Soc. Vol 129, pp 8406–8407.
• Qi, L., Cheng, B., Yu, J. & Ho, W. (2016). The high-surface area of the unique Pt/TiO₂ hollow chains for efficient formaldehyde decomposition at ambient temperature. Journal of Hazardous Materials. Vol. 301, pp 522–530.
• Tu, W., Zhou, Y., Liu, Q., Tian, Z., Gao, J., Chen, X., Zhang, H., Liu, J. & Zou, Z. (2012). Robust Hollow Spheres Consisting of Alternating Titania Nanosheets and Graphene Nanosheets with High Photocatalytic Activity for CO₂ Conversion into Renewable Fuels. Adv. Funct. Mater. Vol 22, pp 1215–1221
• Zheng, H., Svengren, H., Huang, Z., Yang, Z., Zou, X. & Johnsson, Mats. (2018). Hollow titania spheres loaded with noble metal nanoparticles for photocatalytic water oxidation. Microporous and Mesoporous Materials. Vol. 264. pp 147-150