SILIKA BICONTINUOUS CONCENTRIC LAMELLAR SEBAGAI MIKRO-REFLEKTOR UNTUK SEL SURYA TERSENSITASI ZAT WARNA DAN MODIFIKASINYA UNTUK FOTOKATALISIS DISERTASI Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dari Institut Teknologi Bandung Oleh NADIATUS SILMI NIM: 30520308 (Program Studi Doktor Kimia) INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG Maret 2024 ii SILIKA BICONTINUOUS CONCENTRIC LAMELLAR SEBAGAI MIKRO-REFLEKTOR UNTUK SEL SURYA TERSENSITASI ZAT WARNA DAN MODIFIKASINYA UNTUK FOTOKATALISIS BICONTINUOUS CONCENTRIC LAMELLAR SILICA AS A MICRO-REFLECTOR FOR DYE-SENSITIZED SOLAR CELLS AND ITS MODIFICATION FOR PHOTOCATALYSIS DISERTASI Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dari Institut Teknologi Bandung Oleh NADIATUS SILMI NIM: 30520308 (Program Studi Doktor Kimia) INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG Maret 2024 iii ABSTRAK SILIKA BICONTINUOUS CONCENTRIC LAMELLAR SEBAGAI MIKRO-REFLEKTOR UNTUK SEL SURYA TERSENSITASI ZAT WARNA DAN MODIFIKASINYA UNTUK FOTOKATALISIS Oleh Nadiatus Silmi NIM: 30520308 (Program Studi Doktor Kimia) Silika bermorfologi bicontinuous concentric lamellar (bcl) memiliki banyak keunggulan di antaranya yakni struktur pori terbuka, luas permukaan besar, ukuran partikel dapat diatur, ukuran dan volume pori dapat ditingkatkan, stabilitas mekanik, termal, dan hidrotermal tinggi. Morfologi yang unik serta struktur porinya yang terbuka sangat menarik untuk dikaji lebih lanjut. Oleh karena itu, pada penelitian ini dilakukan analisis kuantitatif morfologi dan struktur pori silika bcl secara mudah dan sederhana melalui pengolahan citra SEM (scanning electron microscope) dan TEM (transmission electron microscope). Untuk lebih memahami pencitraan mikroskop elektron, maka jalur elektron selama pencitraan SEM disimulasikan melalui simulasi Monte-Carlo menggunakan perangkat lunak CASINO. Selanjutnya, morfologi dan struktur pori silika bcl dikaji menggunakan berbagai teknik pengolahan citra, termasuk analisis citra biner, entropi Shannon, dan profil intensitas nilai abu-abu menggunakan perangkat lunak ImageJ dan MATLAB. Hasil pengamatan secara kualitatif citra SEM menunjukkan morfologi silika bcl berbentuk bola dengan lamela bikontinu dan terdapat struktur saluran terbuka di antara lamela. Simulasi Monte-Carlo menunjukkan bahwa densitas partikel silika memengaruhi diameter pelepasan lintasan elektron dan akan memengaruhi jumlah sinyal yang terdeteksi oleh detektor. Semakin kecil densitas partikel silika, diameter pelepasannya akan semakin besar, sehingga citra yang dihasilkan oleh SEM dapat mencakup informasi yang lebih lengkap tentang morfologi dan struktur permukaan sampel. Silika bcl memiliki densitas yang relatif rendah dibandingkan silika non- pori, karena strukturnya yang unik dan porositas yang tinggi. Oleh karena itu, simulasi ini dapat menggambarkan variasi kontras topografi pada citra SEM silika bcl, yaitu keberadaan lamela dan pori berbentuk saluran terbuka. Variasi kontras topografi pada citra SEM melandasi analisis kepadatan lamela melalui kuantisasi citra biner. Kuantisasi citra biner menghasilkan nilai rasio luas penampang lamela terhadap luas total (A L/Atotal). Silika bcl yang disintesis dengan metode refluks selama 8 jam menghasilkan nilai A L/Atotal sebesar 50% dan ukuran V-groove (sudut θ) sebesar 4,1°. Perbandingan dengan partikel silika dari publikasi iv eksternal menunjukkan bahwa kepadatan lamela tinggi menyebabkan peningkatan A L/Atotal dan penurunan θ, sementara kepadatan lamela rendah menghasilkan penurunan A L/Atotal dan peningkatan θ. Selanjutnya, entropi Shannon dapat mengukur tingkat kompleksitas suatu citra. Entropi Shannon tersebut memperhitungkan keacakan distribusi intensitas piksel citra. Semakin lama waktu refluks, hingga 72 jam, entropi Shannon dari citra SEM silika bcl meningkat. Nilai entropi yang semakin tinggi menandakan variasi piksel skala abu-abu yang semakin luas. Lebih lanjut lagi, morfologi internal silika bcl dianalisis melalui profil intensitas nilai abu-abu dari citra TEM. Profil intensitas nilai abu-abu di sepanjang diameter partikel dalam bentuk garis maupun secara menyeluruh dalam bentuk lingkaran menunjukkan kepadatan tinggi di inti partikel dan kepadatan semakin rendah menuju tepi partikel. Hasil kuantisasi tersebut semakin memvalidasi sifat konsentris dan membuktikan struktur pori silika bcl berbentuk V atau dikenal dengan istilah V-groove. Keunikan morfologi bcl mampu mendukung aplikasi silika di berbagai bidang, di antaranya bidang sel surya dan fotokatalisis. Penggunaan silika bcl sebagai mikro- reflektor dalam fotoanode sel surya tersensitasi zat warna (dye-sensitized solar cell, DSSC) dapat meningkatkan efisiensi sebesar 16,7%. Hasil pengukuran kinerja DSSC menunjukkan bahwa silika bcl lebih unggul dibanding silika MCM-41 karena keberadaan morfologi bcl mampu meningkatkan kontras indeks bias sehingga memfasilitasi peningkatan refleksi internal total. Simulasi menggunakan pendekatan medium efektif Bruggeman membuktikan bahwa silika bcl memiliki indeks bias efektif yang lebih rendah dibandingkan silika non-pori dan TiO 2. Sementara dalam bidang fotokatalisis, silika bcl digunakan sebagai penyangga katalis semikonduktor seria (CeO 2) maupun titania (TiO2). Pengujian aktivitas fotokatalitik dilakukan secara in situ menggunakan spektroskopi fotoluminesensi. Silika bcl terdekorasi seria dengan pemuatan 8 mmol serium(IV) amonium nitrat menunjukkan efisiensi fotokatalitik tertinggi yakni 47% dalam waktu 90 menit, dengan laju fotodegradasi sebesar 24,9 × 10 −3 menit −1 . Hasil ini melampaui seria murni dengan efisiensi fotokatalitik sebesar 39% dalam waktu 90 menit dan laju fotodegradasi sebesar 10,7 × 10 −3 menit −1 . Selain itu, silika bcl terdekorasi titania dengan pemuatan 0,1 mol titanium tetraklorida mencapai efisiensi fotokatalitik tertinggi yakni 98% dalam waktu 47 menit dengan laju fotodegradasi sebesar 105 × 10 −3 menit −1 . Secara keseluruhan, penelitian ini mengungkapkan potensi aplikatif silika bcl dalam bidang sel surya dan fotokatalisis serta memberikan pemahaman mendalam terhadap sifat morfologis dan kinerja silika bcl dalam aplikasi tersebut. Kata kunci: bicontinuous concentric lamellar (bcl), DSSC, fotokatalisis, mikro- reflektor, pengolahan citra, seria, titania. v ABSTRACT BICONTINUOUS CONCENTRIC LAMELLAR SILICA AS A MICRO-REFLECTOR FOR DYE-SENSITIZED SOLAR CELLS AND ITS MODIFICATION FOR PHOTOCATALYSIS By Nadiatus Silmi NIM: 30520308 (Doctoral Program in Chemistry) Silica with bicontinuous concentric lamellar (bcl) morphology has many advantages, including open pore structure, large surface area, adjustable particle size, increased pore size and pore volume, along with high mechanical, thermal, and hydrothermal stability. Its unique morphology and open pore structure are very interesting for further study. Therefore, in this research, a quantitative analysis of the morphology and pore structure of bcl silica was carried out easily and simply through SEM (scanning electron microscope) and TEM (transmission electron microscope) image processing. The electron path during SEM imaging was simulated through Monte-Carlo simulation using CASINO software to understand electron microscope imaging better. Next, using ImageJ and MATLAB software, the morphology and pore structure of bcl silica were studied by applying various image processing techniques, including binary image analysis, Shannon entropy, and gray value intensity profiles. The results of qualitative observations of SEM images show that the morphology of bcl silica is spherical with bicontinuous lamellae, and there is an open channel structure between the lamellae. Monte-Carlo simulations show that the density of silica particles affects the diameter of the electron trajectories and will influence the amount of signal detected by the detector. The smaller the density of the silica particles, the larger the release diameter so that the image produced by SEM can include more complete information about the morphology and surface structure of the sample. Due to its unique structure and high porosity, the bcl silica has a relatively low density compared to non-porous silica. Therefore, this simulation can describe variations in topographic contrast in SEM images of bcl silica, namely the presence of lamellae and open channel structure. Variations in topographic contrast in SEM images underlie the lamellae density analysis through binary image quantization. Binary image quantization produces a lamellae cross-sectional area ratio (A L/Atotal). The bcl silica synthesized using the reflux method for 8 hours produces an A L/Atotal value of 50% and a narrowness of the V-groove between lamellae (θ angle) of 4.1°. Comparison with silica particles from external publications shows that high lamella density leads to an increase in A L/Atotal and a decrease in θ, while a low lamella density results in a decrease in A L/Atotal and an increase in θ. Furthermore, Shannon entropy can measure the level of complexity of an image. The Shannon entropy considers the randomness of the vi image pixel intensity distribution. As the reflux time increases, up to 72 hours, the Shannon entropy of the SEM image increases. A higher entropy value indicates a wider grayscale pixel variation. Furthermore, the internal morphology of bcl silica was analyzed through the gray value intensity profile of the TEM image. The intensity profile of the gray values along the particle diameter in the form of a line or overall in the form of a circle shows a high density at the core of the particle and a lower density towards the edge of the particle. The quantitation results further validate the concentric nature and prove the V-shaped pore structure of bcl silica, known as V-groove. The unique morphology of bcl can support silica applications in various fields, including solar cells and photocatalysis. Using bcl silica as a micro-reflector in a dye-sensitized solar cell (DSSC) photoanode can increase efficiency by 16.7%. The results of DSSC performance measurements show that bcl silica is superior to MCM-41 silica because the presence of bcl morphology can increase the refractive index contrast, thereby facilitating an increase in total internal reflection. Simulations using the Bruggeman effective medium approach prove that bcl silica has a lower effective refractive index than non-porous silica and TiO 2. Meanwhile, bcl silica is used as catalyst support for ceria (CeO 2) and titania (TiO2) in the photocatalysis field. Photocatalytic activity testing was carried out in situ using photoluminescence spectroscopy. Ceria-decorated bcl silica with 8 mmol of cerium(IV) ammonium nitrate loading showed the highest photocatalytic efficiency of 47% within 90 minutes, with a photodegradation rate of 24.9 × 10 −3 min −1 . This result surpassed pristine ceria with a photocatalytic efficiency of 39% within 90 minutes and a photodegradation rate of 10.7 × 10 −3 min −1 . In addition, titania- decorated bcl silica with a loading of 0.1 mol titanium tetrachloride achieved the highest photocatalytic efficiency of 98% within 47 minutes with a photodegradation rate of 105 × 10 −3 min −1 . Overall, this study reveals the applicative potential of bcl silica in solar cells and photocatalysis and provides an in-depth understanding of the morphological properties and performance of bcl silica in these applications. Keywords: bicontinuous concentric lamellar (bcl), ceria, DSSC, image processing, micro-reflector, photocatalysis, titania. vii SILIKA BICONTINUOUS CONCENTRIC LAMELLAR SEBAGAI MIKRO-REFLEKTOR U
TUK SEL SURYA TERSE
SITASI ZAT WAR
A DA
MODIFIKASI
YA U
TUK FOTOKATALISIS HALAMA
PE
GESAHA
Oleh
adiatus Silmi
IM: 30520308 (Program Studi Doktor Kimia) Institut Teknologi Bandung Menyetujui Tim Pembimbing Februari 2024 Ketua Anggota ______________________ ______________________ (Prof. Dr. Veinardi Suendo) (Dr. rer. nat. Rino Rakhmata Mukti) _________________________________________________________________________________________________________________________________________________.