Nationalgeographic.co.id—Para ahli kimia di University of Wisconsin di Madison sedang mengembangkan katalis baru yang bisa menghemat energi dunia besar-besaran. Hal itu merupakan terobosan baru yang dihasilkan dari penelitian kimia komputasi.
Mereka mengembangkan model bagaimana reaksi katalitik bekerja pada skala atom. Pemahaman ini memungkinkan para insinyur dan ahli kimia untuk mengembangkan katalis yang lebih efisien dan menyempurnakan proses industri.
Temuan tersebut berpotensi memberikan penghematan energi yang sangat besar, mengingat 90 persen produk yang kita temui dalam hidup kita dihasilkan, setidaknya sebagian, menggunakan katalisis.
Bahan katalis mempercepat reaksi kimia tanpa mengalami perubahan sendiri. Mereka sangat penting untuk penyulingan produk minyak bumi dan untuk pembuatan obat-obatan, plastik, bahan tambahan makanan, pupuk, bahan bakar ramah lingkungan, bahan kimia industri, dan banyak lagi.
Para ilmuwan dan insinyur telah menghabiskan beberapa dekade menyempurnakan reaksi katalitik, namun karena saat ini tidak mungkin untuk secara langsung mengamati reaksi tersebut pada suhu dan tekanan ekstrem yang sering terlibat dalam katalisis skala industri.
Mereka belum tahu persis apa yang terjadi pada skala nano dan skala atom. Penelitian baru ini membantu mengungkap misteri itu dengan potensi konsekuensi besar bagi industri.
Faktanya, hanya tiga reaksi katalitik, steam-methane reforming untuk menghasilkan hidrogen, sintesis amonia untuk menghasilkan pupuk, dan sintesis metanol telah menggunakan hampir 10% energi dunia.
Dengan adanya temuan ini, maka katalis baru tersebut bisa mengurangi penggunaan energi di dunia hingga 10 persen. Dan itu adalah jumlah yang sangat besar dan dapat berdampak luas.
"Jika Anda menurunkan suhu di mana Anda harus menjalankan reaksi ini hanya beberapa derajat, akan ada penurunan besar dalam permintaan energi yang kita hadapi saat ini," kata Manos Mavrikakis, seorang profesor teknik kimia dan biologi di UW-Madison yang memimpin penelitian.
"Dengan mengurangi kebutuhan energi untuk menjalankan semua proses ini, Anda juga mengurangi jejak lingkungannya."
Mavrikakis dan peneliti pascadoktoral Lang Xu dan Konstantinos G. Papanikolaou bersama dengan mahasiswa pascasarjana Lisa Je menerbitkan berita kemajuan mereka dalam jurnal Science belum lama ini.
Jurnal tersebut dipublikasikan dengan judul "Formation of active sites on transition metals through reaction-driven migration of surface atoms" yang bisa didapatkan secara daring.
Dalam penelitian mereka, para insinyur University of Wisconsin di Madison mengembangkan dan menggunakan teknik pemodelan yang kuat untuk mensimulasikan reaksi katalitik pada skala atom.
Untuk penelitian ini, mereka mengamati reaksi yang melibatkan katalis logam transisi dalam bentuk partikel nano, yang meliputi unsur-unsur seperti platinum, paladium, rhodium, tembaga, nikel, dan lainnya yang penting dalam industri dan energi hijau.
Menurut model katalisis permukaan kaku saat ini, atom katalis logam transisi yang padat memberikan permukaan 2D tempat reaktan kimia menempel dan berpartisipasi dalam reaksi.
Ketika tekanan dan panas atau listrik yang cukup diterapkan, ikatan antara atom dalam reaktan kimia putus, memungkinkan fragmen untuk bergabung kembali menjadi produk kimia baru.
"Asumsi yang berlaku adalah bahwa atom-atom logam ini terikat kuat satu sama lain dan hanya menyediakan 'titik pendaratan' untuk reaktan," kata Mavrikakis.
"Apa yang diasumsikan semua orang adalah bahwa ikatan logam-logam tetap utuh selama reaksi yang dikatalisasi."
"Jadi di sini, untuk pertama kalinya, kami mengajukan pertanyaan, 'Mungkinkah energi untuk memutuskan ikatan dalam reaktan memiliki jumlah yang sama dengan energi yang dibutuhkan untuk memutuskan ikatan di dalam katalis?"
Menurut model Mavrikakis, jawabannya adalah ya. Energi yang disediakan untuk banyak proses katalitik berlangsung cukup untuk memutuskan ikatan dan memungkinkan atom logam tunggal (dikenal sebagai adatom) terlepas dan mulai berjalan di permukaan katalis.
Adatom ini bergabung menjadi kelompok, yang berfungsi sebagai situs pada katalis di mana reaksi kimia dapat berlangsung jauh lebih mudah daripada permukaan katalis yang kaku.
Menggunakan satu set perhitungan khusus, tim melihat interaksi industri penting dari delapan katalis logam transisi dan 18 reaktan, mengidentifikasi tingkat energi dan suhu cenderung membentuk cluster logam kecil tersebut, serta jumlah atom di setiap cluster, yang juga dapat sangat mempengaruhi laju reaksi.
Baca Juga: Berapa Energi dan Emisi yang Bisa Dihemat Lewat Bekerja dari Rumah?
Baca Juga: Selidik Lempeng Tembaga Mengubah Karbon Dioksida Menjadi Bahan Bakar
Baca Juga: Menyulap Limbah Padi Indonesia Menjadi Energi Listrik Berbiaya Rendah
Baca Juga: Transisi Energi adalah Kunci Mengatasi Krisis Energi dan Krisis Iklim
Kolaborator eksperimental mereka di University of California, Berkeley, menggunakan mikroskop tunneling pemindaian yang diselesaikan secara atomik untuk melihat adsorpsi karbon monoksida pada nikel, bentuk nikel kristal yang stabil yang berguna dalam katalisis.
Eksperimen mereka mengkonfirmasi model yang menunjukkan berbagai cacat pada struktur katalis juga dapat memengaruhi bagaimana atom logam tunggal lepas, serta bagaimana situs reaksi terbentuk.
Mavrikakis mengatakan kerangka kerja baru menantang dasar bagaimana peneliti memahami katalisis dan bagaimana hal itu terjadi.
Ini mungkin berlaku untuk katalis non-logam lainnya juga, yang akan dia selidiki dalam pekerjaan selanjutnya. Juga relevan untuk memahami fenomena penting lainnya, termasuk korosi dan tribologi, atau interaksi permukaan yang bergerak.
"Kami meninjau kembali beberapa asumsi yang sangat mapan dalam memahami bagaimana katalis bekerja dan, lebih umum, bagaimana molekul berinteraksi dengan padatan," kata Mavrikakis.