ABSTRACT

Evolution of Formation BIMEVOX with Sol Gel Method

One technology that can reduce the dependencies on current energy resources is fuel cells and one of them is solid oxide fuel cells (SOFC). Generally, SOFC have three components, i.e. catode, anode, and electrolyte. Electrolyte material of fuel cell must have a high ionic conductivity. Bi₂VO_5.5 (Bismuth vanadate, BIVOX) is one of oxide with high ionic conductivity. This oxide has three polymorphs, namely alpha, beta, and gamma. Gamma polymorph is the polymorph with the highest ionic conductivity. However, this polymorph is not stable at low temperatures and will transform to polymorph alpha or beta. To stabilize the gamma phases, one can substitute vanadium with various cation dopants. The result of this subtitution is a new family oxides namely bismuth metal vanadium oxide (BIMEVOX). BIMEVOX is generally synthesized via solid state reaction at high temperature and usually still has impurities. Thus a different synthesis method to obtain the gamma phase of BIMEVOX at low temperatures is needed. BIMEVOX synthesis method used in this study is a sol-gel method. This method can produce a high purity product because all of the metal cations are well mixed at the atomic level. BIMEVOX successfully synthesized using sol gel method with citric acid and ethylene glycol as chelating agent and a mole ratio of citric acid: ethylene glycol: total of cations = 10:4:1, at pH 1-3, and the gel was burned at the final temperature of 600 °C. Formation of BIMEVOX via sol-gel method is through gel to bismuth metal, complex of vanadium(IV), and complex of zinc, then a mixture oxide (BiVO₄ and BIMEVOX) and finally BIMEVOX. This γ-BIMEVOX has a tetragonal structure with space group I4/mmm. Coordination of vanadium in this BIMEVOX is octahedral, tetrahedral, and square pyramidal. This BIMEVOX has a direct band gap energy of 2.18 eV. This BIMEVOX has γ-γ’ transition at 450 °C.

Keywords: BIMEVOX, sol gel, polymorph, vanadium coordination, band gap,γ-γ’ transition

ABSTRAK

EVOLUSI PEMBENTUKAN BIMEVOX DENGAN METODE SOL GEL

Salah satu teknologi yang dapat mengatasi keterbatasan energi saat ini adalah sel bahan bakar, yang salah satunya adalah sel bahan bakar padat (solid oxides fuel cell, SOFC). SOFC umumnya terdiri atas tiga komponen, yaitu katoda, anoda, dan elektrolit. Elektrolit sel bahan bakar harus memiliki konduktivitas ionik yang tinggi. Salah satu oksida yang memiliki konduktivitas yang tinggi adalah oksida berbasis bismut vanadat, yaitu Bi₂VO_5,5 (BIVOX). Oksida ini memiliki tiga polimorf yaitu alfa, beta, dan gama. Polimorf yang memiliki konduktivitas tinggi adalah polimorf gama. Akan tetapi polimorf ini tidak stabil pada suhu rendah, karena pada suhu rendah akan berubah menjadi polimorf alfa atau beta. Untuk menstabilkan fasa gama, dilakukan substitusi pada posisi vanadium dengan berbagai kation dopan. Oksida hasil substitusi dari BIVOX dengan berbagai kation dopan ini dikenal sebagai suatu oksida baru dengan nama bismuth metal vanadium oxide (BIMEVOX). BIMEVOX ini umumnya disintesis dengan metode reaksi kimia padat pada suhu tinggi dan produk akhirnya biasanya masih memiliki pengotor. Untuk itu diperlukan suatu metode sintesis lain agar diperoleh oksida fasa gama dari BIMEVOX pada suhu rendah.   Metode sintesis BIMEVOX yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode sol gel. Metode ini dapat menghasilkan produk dengan kemurnian yang tinggi karena semua kation-kation logamnya tercampur dengan baik pada level atomik. BIMEVOX berhasil disintesis dengan menggunakan metode sol gel dengan menggunakan pengkhelat asam sitrat dan etilen glikol dengan perbandingan mol asam sitrat: etilen glikol: total mol kation = 10:4:1, pada pH 1-3, dan gel yang dihasilkan dibakar pada suhu akhir 600 °C. Pembentukan BIMEVOX dengan menggunakan metode sol gel ini melalui tahap evolusi dari gel menjadi campuran logam bismut dan kompleks vanadium(IV) serta kompleks zink, kemudian menjadi campuran oksida (BiVO₄ dan BIMEVOX) dan terakhir diperoleh BIMEVOX. BIMEVOX hasil sintesis ini memiliki struktur tetragonal dengan grup ruang I4/mmm dan berfasa gama. Koordinasi vanadium pada BIMEVOX hasil sintesis ini adalah oktahedral, tetrahedral, dan piramida bujur sangkar. BIMEVOX hasil sintesis memiliki energi direct band gap sebesar 2,18 eV. Pada rentang suhu ruang sampai 750 °C, oksida yang dihasilkan mengalami transisi γ-γ’ pada suhu sekitar 450 °C.

Kata kunci: BIMEVOX, sol gel, polimorf, koordinasi vanadium, band gap, transisi γ–γ’