1. Titanium Dioxide (TiO2)
TiO2 (Titanium dioxide / titania) merupakan material semikonduktor yang termasuk kedalam keluarga oksida logam. Pada umumnya TiO2 digunakan sebagai pigmen putih pada cat, plastik, dan kertas. Selain aplikasi sebagai pigmen, karakteristik fotokatalis dan semikonduktor dari TiO2 juga membuat material ini banyak digunakan sebagai pendekomposisi bahan organik dengan proses oksidasi, sel surya, dan juga sensor gas. Aplikasi ini dikarenakan TiO2 mempunyai indeks bias yang tinggi (n = 2,4) dan juga tahan terhadap degradasi warna akibat sinar matahari.
Aplikasi dari TiO2 pada umumnya dapat ditunjukkan pada gambar berikut :
Gambar 1. Aplikasi TiO2
TiO2 polikristalin merupakan semikonduktor yang paling banyak digunakan sebagai fotokatalis. Hal ini disebabkan karena sifatnya yaitu: stabil terhadap cahaya (tidak mudah mengalami fotodegradasi)[8], mempunyai kestabilan kimia yang tinggi, nilai celah energi yang tidak terlalu besar, pasangan electron-hole memiliki umur yang lama dan tidak beracun.
TiO2 yang ada di alam pada umumnya mempunyai tiga fasa yaitu rutile, anatase, dan brookite. Struktur kristal TiO2 pada fasa rutile, anatase dan brookite seperti dalam gambar.
Gambar 2. Struktur Kristal Fasa-Fasa Titania
Rutile dan anatase memiliki struktur tetragonal dengan tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda, sedangkan brookite memiliki struktur ortorombik. Rutile memiliki parameter kisi a = b ≠ c, anatase memiliki parameter kisi a = b ≠ c, dan brookite memiliki parameter kisi a ≠ b ≠ c. Kedua struktur kristal rutile dan anatase dibedakan oleh distorsi setiap oktahedron dan susunan rantai oktahedralnya. Pada kedua fasa tersebut, setiap oksigen dan kation titanium yang bertetanggaan membentuk segitiga datar. Pada rutile, ketiga sudut Ti-O-Ti memiliki nilai 120º. Sedangkan pada anatase posisi atom pada kisi mengalami distorsi sehingga salah satu sudut adalah 180º dan dua lainnya mendekati 90º.
Rutile lebih stabil pada suhu tinggi, sedangkan rutile lebih stabil pada suhu rendah. Dalam aplikasinya pada fotokatalis, hanya dua fasa TiO2 yang sering digunakan sebagai fotokatalis, yaitu: anatase dan rutile. Terbentuknya fasa anatase maupun fasa rutile pada struktur polikristalin TiO2 bergantung pada transisi fasa yang kristalin TiO2. Titania pada fasa anatase umumnya stabil pada ukuran partikel kurang dari 11 nm, fasa brookite pada ukuran partikel 11 – 35 nm, dan fasa rutile diatas 35 nm. Dalam aplikasinya pada fotokatalis, umumnya digunakan TiO2 pada fasa anatase karena mempunyai kemampuan fotokatalitik yang tinggi. Selain itu, untuk meningkatkan kinerja sistem, struktur nanokristal dan juga luas permukaan yang tinggi dari TiO2 adalah faktor yang penting untuk meningkatkan densitas dan transfer elektron.Karakteristik dari fasa-fasa titania ini ditunjukkan pada Tabel 1 dibawah ini.
Tabel 1 Tabel Karakteristik Fasa-Fasa Titania
TiO2 telah diproduksi secara komersial. Salah satu merek dagang TiO2 adalah Degussa P-25 dengan fasa kristal campuran antara rutile dan anatase. Degussa P-25 diperoleh melalui metode klorida. TiO2 Degussa P-25 memiliki luas permukaan yang cukup besar (sekitar 50 m2g-1), ukuran rata-rata partikel 21 nm dan cacat kristal dalam jumlah yang sedikit.
2. Fotokatalisis Pada Permukaan Lapisan TiO2
Fotokatalisis merupakan proses terjadinya reaksi suatu materi terhadap materi lainnya yang diperantarai oleh energi dari penyinaran ultraviolet. Penyinaran permukaan TiO2 (bersifat semikonduktor) menghasilkan pasangan electron dan hole positif pada permukaannya juga menjadikan permukaan tersebut bersifat polar dan/atau hidrofilik (suka akan air) dan kemudian berubah lagi menjadi nonpolar dan/atau hidrofobik (tidak suka air) setelah beberapa lama tidak mendapatkan penyinaran lagi.
Sifat hidrofilik dan hidrofobik, salah satunya, ditandai dengan ukuran sudut kontak butiran air pada permukaan lapisan tipis TiO2 tersebut, yaitu sedikit lebih besar dari 50 derajat pada saat sebelum disinari kemudian berubah menjadi mendekati 0 derajat setelah disinari. Material dengan sudut kontak sekecil itu akan sangat hidrofilik (superhidrofilik).
Mekanisme fotokatalisis pada TiO2 dapat dilihat pada gambar berikut ini.
Gambar 3.Ilustrasi Mekanisme Fotokatalisis pada TiO2
Bahan semikonduktor TiO2 memiliki selang energi yang kecil antara pita valensi dan pita konduksi. Untuk menghasilkan proses fotokatalisis, bahan semikonduktor membutuhkan serapan energi yang lebih besar dari selang energinya (Eg = 3.2 eV). Adsorpsi molekul organik pada permukaan partikel fotokatalis memperkecil aktivasi energi dari proses reaksi. Penyerapan sinar matahari (UV) oleh partikel fotokatalis akan membentuk 2 pasang electron dan hole. Electron akan bereaksi dengan oksigen dari larutan membentuk anion (O2-) yang mana akan mengoksidasi secara kuat hydroxyl radikal (OH-). Sedangkan hole akan mengoksidasi hydroxyl yang terlarut dan membuatnya menjadi radikal dengan energi yang besar. Hydroxyl radikal yang memiliki energi yang besar akan mengubah polutan organi menjadi zat yang tidak berbahaya, sehingga TiO2 dapat diaplikasikan untuk self-cleaning.
3. Aplikasi fotokatalisis TiO2 untuk disinfeksi bakteri E. Coli
Teknologi fotokatalisis menarik untuk dikembangkan pada proses disinfeksi mikroorganisme karena kemampuannya untuk mendegradasi mikroorganisme dalam konsentrasi yang sangat kecil tanpa menghasilkan produk samping yang berbahaya.Penelitian fotokatalisis TiO2 dikembangkan secara luas untuk menguji kemampuannya dalam membunuh virus, bakteri, fungi, alga, dan sel kanker. Ketika diterangi dengan sinar ultraviolet-dekat, titanium oksida (TiO2) menunjukkan aktivitas anti bakteri yang baik. Kematian sel bakteri oleh fotokatalisis disebabkan berkurangnya permeabilitas sel. Kontak pertama fotokatalis dengan sel terjadi pada dinding sel, dimana reaksi oksidasi oleh fotokatalis akan merusak dinding sel bakteri. Bakteri dengan dinding sel yang rusak masih merupakan bakteri yang sehat, namun tanpa perlindungan. Setelah menghilangkan perlindungan dinding sel, selanjutnya reaksi oksidasi terjadi di membran sitoplasma, Kerusakan oksidatif yang terjadi akan semakin meningkatkan permeabilitas sel, dan menyebabkan isi dalam sel mengalir bebas keluar sel yang menyebabkan kematian sel. Partikel TiO2 yang bebas juga dapat mencapai membran sel yang sudah rusak, dan serangan langsung tersebut dapat mempercepat kematian sel.
4. Aplikasi fotokatalisis TiO2 untuk self-cleaning
Adanya sifat hidrofilik dan hidrofobik pada fotokatalisis permukaan TiO2 maka kotoran yang bersifat suka air pada setiap bagian permukaan akan terbawa saat air mengalir di atas permukaan tersebut. Sementara kotoran yang tidak suka air (minyak) yang berarti nonpolar atau hidrofobik akan tergelincir saat berada pada permukaan yang sangat hidrofilik[1]. Sebagai tambahan kotoran nonpolar (kebanyakan zat organik) yang tertinggal di permukaan lapisan tipis TiO2 secara pelahan akan hancur, dipecah menjadi karbondioksida dan air akibat proses fotokatalisis. Hal inilah yang dapat diaplikasikan untuk self-cleaning pada permukaan beberapa permukaan material.
