Uji sinergitas adsorpsi-fotokatalis Bi4Ti2,95Fe0,05O12 untuk degradasi ciprofloxacin

INDONESIA:

Senyawa Bi4Ti3O12 merupakan material semikonduktor dari keluarga Aurivillius berlapis tiga yang memiliki aktivitas fotokatalitik yang baik dan potensi kinerjanya dapat ditingkatkan melalui doping ion logam Fe. Morfologi partikel berperan penting dalam proses adsorpsi-fotokatalitik karena memengaruhi luas permukaan serta efisiensi transfer muatan, sehingga menentukan efektivitas degradasi polutan. Senyawa Bi4Ti2,95Fe0,05O12 disintesis melalui metode lelehan garam campuran NaCl/KCl dengan kalsinasi bertahap pada suhu 750 dan 820 °C, masing-masing selama 6 jam. Karakterisasi material dilakukan menggunakan XRD untuk menentukan struktur kristal, SEM-EDS untuk menganalisis morfologi dan komposisi unsur, serta UV–Vis DRS untuk menentukan energi celah pita. Aktivitas material dievaluasi melalui uji adsorpsi ciprofloxacin dengan variasi waktu 0, 30, 60, 90, dan 120 menit, serta uji sinergitas adsorpsi-fotokatalitik pada waktu iradiasi 30, 60, dan 90 menit. Difraktogram XRD menunjukkan bahwa Bi4Ti2,95Fe0,05O12 memiliki tingkat kristalinitas yang baik tanpa terdeteksi adanya fasa pengotor. Hasil refinement mengonfirmasi bahwa material memiliki struktur kristal ortorombik dengan grup ruang Cmmm, dengan nilai Rp dan Rwp sebesar 9,53 dan 7,78% yang menunjukkan kesesuaian yang baik antara pola hasil eksperimen dan standar. Parameter kisi kristal yang diperoleh masing-masing adalah a = 5,4406 Å, b = 32,7285 Å, dan c = 5,4063 Å. Morfologi partikel memperlihatkan bentuk plate-like dengan distribusi ukuran partikel 0,1-1,8 µm dan ukuran yang dominan pada rentang 0,4-0,6 µm. Hasil UV-Vis DRS memperlihatkan bahwa material memiliki energi celah pita sebesar 2,68 eV pada panjang gelombang 463,57 nm, yang menunjukkan kemampuan penyerapan cahaya hingga wilayah cahaya tampak dan berpotensi mendukung aktivitas fotokatalitik. Uji adsorpsi menunjukkan bahwa waktu kesetimbangan tercapai pada menit ke-90 dengan persentase penurunan ciprofloxacin sebesar 55,16%. Sedangkan, proses adsorpsi-fotokatalitik diperoleh efisiensi degradasi sebesar 55,91; 59,60; dan 61,44% masing-masing pada waktu iradiasi 30, 60, dan 90 menit. Hasil ini mengindikasikan bahwa mekanisme adsorpsi berperan dalam meningkatkan penurunan ciprofloxacin dalam larutan, meskipun dominasi adsorpsi ciprofloxacin yang tinggi pada permukaan material Bi4Ti2,95Fe0,05O12 juga dapat memengaruhi penetrasi cahaya ke permukaan aktif katalis. Secara keseluruhan, material yang disintesis menunjukkan potensi sebagai adsorben–fotokatalis yang efektif untuk degradasi limbah antibiotik ciprofloxacin.

ENGLISH:

Bi4Ti3O12 is a semiconductor material belonging to the three-layered Aurivillius family, which exhibits good photocatalytic activity, and its performance can be further enhanced through Fe metal-ion doping. Particle morphology plays a crucial role in adsorption-photocatalytic processes because it affects surface area and charge transfer efficiency, thereby determining the effectiveness of pollutant degradation. Bi4Ti2.95Fe0.05O12 was synthesized via a molten salt method using a NaCl/KCl mixture, followed by stepwise calcination at 750 and 820 °C for 6 h each. Material characterization was conducted using X-ray diffraction (XRD) to determine the crystal structure, scanning electron microscopy coupled with energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS) to analyze morphology and elemental composition, and UV–Vis diffuse reflectance spectroscopy (UV-Vis DRS) to evaluate the band gap energy. The material performance was assessed through ciprofloxacin adsorption experiments with contact times of 0, 30, 60, 90, and 120 min, as well as adsorption–photocatalytic synergy tests under UV irradiation for 30, 60, and 90 min. XRD patterns revealed that Bi4Ti2.95Fe0.05O12 exhibited good crystallinity with no detectable impurity phases. Refinement results confirmed an orthorhombic crystal structure with the Cmmm space group, with Rp and Rwp values of 9.53% and 7.78%, respectively, indicating good agreement between the experimental and reference patterns. The refined lattice parameters were a = 5.4406 Å, b = 32.7285 Å, and c = 5.4063 Å. The particle morphology displayed a plate-like structure with a particle size distribution ranging from 0.1 to 1.8 µm and a dominant size range of 0.4-0.6 µm. UV–Vis DRS analysis showed a band gap energy of 2.68 eV at a wavelength of 463.57 nm, indicating light absorption extending into the visible region and supporting photocatalytic activity. Adsorption experiments demonstrated that equilibrium was achieved at 90 min with a ciprofloxacin removal efficiency of 55.16%. Meanwhile, the adsorption-photocatalytic process achieved degradation efficiencies of 55.91%, 59.60%, and 61.44% at irradiation times of 30, 60, and 90 min, respectively. These results indicate that adsorption plays an important role in enhancing ciprofloxacin removal from solution; however, excessive ciprofloxacin adsorption on the surface of Bi4Ti2.95Fe0.05O12 may also hinder light penetration to the active catalytic sites. Overall, the synthesized material demonstrates strong potential as an effective adsorbent-photocatalyst for the degradation of ciprofloxacin-contaminated wastewater.

ARABIC:

يُعد مركب Bi4Ti2,95Fe0,05O12 مادة شبه موصلة من عائلة أوريفيليوس ثلاثية الطبقات، والذي يمتلك نشاطًا حفازيًا ضوئيًا جيدًا ويمكن تعزيز أدائه من خلال تخدير أيونات المعدنFe . تلعب مورفولوجيا الجسيمات دورًا مهمًا في عملية الامتزاز-الحفز الضوئي لأنها تؤثر على مساحة السطح وكفاءة نقل الشحنة، مما يحدد فعالية تحلل الملوثات. تم تخليق مركب Bi4Ti2,95Fe0,05O12 باستخدام طريقة صهر الأملاح المختلطةNaCl / KClمع التحميص التدريجي عند درجة حرارة 750 و820 درجة مئوية على التوالي لمدة 6 ساعات لكل منهما. تم تحليل خصائص المادة باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD) لتحديد البنية البلورية، والمجهر الإلكتروني الماسح مع تحليل الطيف الطيفي للانتشار الطاقي (SEM-EDS) لتحليل المورفولوجيا وتركيب العناصر، ومطيافية الامتصاص في الأشعة فوق البنفسجية-المرئية المنتشرة (UV–Vis DRS) لتحديد فجوة الطاقة. تم تقييم نشاط المادة من خلال اختبار امتزاز دواء سيبروفلوكساسين مع تغييرات زمنية عند 0، 30، 60، 90 و120 دقيقة، وكذلك اختبار التآزر بين الامتزاز والحفز الضوئي عند أوقات إشعاع 30، 60 و90 دقيقة .يبين مخطط حيود الأشعة السينية (XRD) أن Bi4Ti2,95Fe0,05O12 يمتلك مستوى جيد من التبلور دون الكشف عن أي طور ملوث. نتائج التحليل الدقيق (refinement) تؤكد أن المادة لها بنية بلورية شبه منتظمة (orthorhombic) مع مجموعة الفضاءCmmm، مع قيمRp و Rwp تبلغ 9,53% و7,78% على التوالي، مما يشير إلى تطابق جيد بين نمط النتائج التجريبية والمعيار. أما بالنسبة لثوابت الشبكة البلورية التي تم الحصول عليها فهي: a = 5،4406 Å، b = 32،7285 Å، و c = 5،4063Å . وتُظهر مورفولوجيا الجسيمات شكلًا يشبه الصفيحة مع توزيع لحجم الجسيمات يتراوح بين 0,1-1,8 ميكرومتر، والحجم السائد يقع ضمن النطاق 0,4-0,6 ميكرومتر. أظهرت نتائج مطيافية الامتصاص بالأشعة فوق البنفسجية–المرئية للانعكاس المنتشر (UV-Vis DRS) أن المادة تمتلك فجوة طاقة قدرها .682 إلكترون فولت عند طول موجي 463,57 نانومتر، مما يشير إلى قدرة على امتصاص الضوء حتى منطقة الضوء المرئي وإمكانية دعم النشاط التحفيزي الضوئي. أظهر اختبار الامتزاز أن وقت التوازن تحقق عند الدقيقة الـ90 مع نسبة انخفاض السيفروفلوكساسين بنسبة 55.16%. أما بالنسبة لعملية الامتزاز–التحفيز الضوئي، فتم الحصول على فعالية التحلل بنسبة 55.91، 59.60، و61.44% عند أوقات إشعاع 30، 60، و90 دقيقة على التوالي. تشير هذه النتائج إلى أن آلية الامتزاز تلعب دورًا في تعزيز انخفاض السيفروفلوكساسين في المحلول، على الرغم من أن سيطرة الامتزاز العالية للسيفروفلوكساسين على سطح مادة Bi4Ti2,95Fe0,05O12 قد تؤثر أيضًا على اختراق الضوء إلى السطح النشط للمحفز. بشكل عام، أظهرت المادة المصنعة إمكانات كمادة ممتزة–محفز ضوئي فعّالة لتحلل مخلفات المضاد الحيوي سيفروفلوكساسين.