Katalis Baru yang Murah Ini Mengoptimalkan Produksi Oksigen dari Air

Wawan Setiawan - Minggu, 27 Februari 2022 | 08:00 WIB

MIT

Ilustrasi menggambarkan reaksi elektrokimia, pemecahan molekul air (di kiri, dengan atom oksigen berwarna merah, dan dua atom hidrogen berwarna putih) menjadi molekul oksigen (di kanan), terjadi dalam struktur kerangka kerja organik logam hidroksida tim, digambarkan sebagai kisi di bagian atas dan bawah.

Nationalgeographic.co.id - Reaksi elektrokimia yang memecah molekul air untuk menghasilkan oksigen adalah inti dari berbagai pendekatan yang bertujuan untuk menghasilkan bahan bakar alternatif yang bermanfaat dalam bidang transportasi. Akan tetapi reaksi ini harus difasilitasi oleh bahan katalis, dan versi saat ini memerlukan penggunaan elemen langka juga mahal seperti iridium, yang membatasi potensi produksi bahan bakar tersebut.

Kini, para peneliti di MIT dan di tempat lain telah mengembangkan jenis bahan katalis yang sama sekali baru, yang disebut metal hydroxide-organic framework (MHOF), di mana terbuat dari komponen yang murah dan berlimpah. Kelompok material ini memungkinkan para insinyur untuk secara tepat menyesuaikan struktur dan komposisi katalis dengan kebutuhan proses kimia tertentu, dan kemudian dapat menyamai atau melampaui kinerja katalis konvensional yang lebih mahal.

Temuan ini telah dipublikasikan dalam jurnal Nature Materials pada 24 Februari 2022 berjudul "Tunable metal hydroxide–organic frameworks for catalysing oxygen evolution", sebuah makalah yang ditulis oleh MIT postdoc Shuai Yuan, mahasiswa pascasarjana Jiayu Peng, Profesor Yang Shao-Horn, Profesor Yuriy Román-Leshkov, dan sembilan lainnya.

Reaksi evolusi oksigen adalah salah satu reaksi umum untuk produksi elektrokimia bahan bakar, bahan kimia, dan bahan material. Proses ini termasuk pembangkitan hidrogen sebagai produk sampingan dari evolusi oksigen, yang dapat digunakan secara langsung sebagai bahan bakar atau menjalani reaksi kimia untuk menghasilkan bahan bakar transportasi lainnya; pembuatan amonia, untuk digunakan sebagai pupuk atau bahan baku kimia; dan pengurangan karbon dioksida untuk mengendalikan emisi.

Namun tanpa bantuan, "Reaksi ini lamban," kata Shao-Horn. "Untuk reaksi dengan kinetika lambat, Anda harus mengorbankan tegangan atau energi untuk meningkatkan laju reaksi." Karena masukan energi ekstra yang diperlukan, "Efisiensi keseluruhan rendah. Jadi itulah mengapa orang menggunakan katalis," katanya, karena bahan ini secara alami mendorong reaksi dengan menurunkan masukan energi.

“Tim lain telah mengeksplorasi penggunaan hidroksida logam, seperti hidroksida nikel-besi. Tetapi bahan seperti itu sulit untuk disesuaikan dengan persyaratan aplikasi tertentu. Namun, sekarang, alasan pekerjaan kami cukup menarik dan cukup relevan adalah karena kami telah menemukan cara untuk menyesuaikan properti dengan membuat struktur nano hidroksida logam ini secara unik,” tutur Profesor Yuriy Román-Leshkov, seperti yang dilaporkan Tech Explorist.

petrmalinak, Shutterstock

Proses ini termasuk pembangkitan hidrogen sebagai produk sampingan dari evolusi oksigen, yang dapat digunakan secara langsung sebagai bahan bakar atau menjalani reaksi kimia untuk menghasilkan bahan bakar transportasi.

Tim meminjam dari penelitian yang telah dilakukan pada kelas senyawa terkait yang dikenal sebagai metal-organic frameworks (MOFs), yang merupakan sejenis struktur kristal terbuat dari simpul oksida logam yang dihubungkan bersama dengan molekul penghubung organik. Dengan mengganti oksida logam dalam bahan tersebut dengan hidroksida logam tertentu, tim menemukan, menjadi mungkin untuk membuat bahan yang dapat disesuaikan secara tepat yang juga memiliki stabilitas yang diperlukan untuk berpotensi berguna sebagai katalis.

"Anda menempatkan rantai penghubung organik ini di samping satu sama lain, dan mereka benar-benar mengarahkan pembentukan lembaran logam hidroksida yang saling berhubungan dengan penghubung organik ini, yang kemudian ditumpuk, dan memiliki stabilitas yang lebih tinggi," kata Román-Leshkov. Ini memiliki banyak manfaat, katanya, dengan memungkinkan kontrol yang tepat atas pola berstruktur nano, memungkinkan kontrol yang tepat dari sifat elektronik logam, dan juga memberikan stabilitas yang lebih besar, memungkinkan mereka untuk berdiri dalam jangka waktu yang lama digunakan.

Dalam pengujian bahan tersebut, para peneliti menemukan kinerja katalis menjadi "mengejutkan," kata Shao-Horn. "Ini sebanding dengan bahan oksida canggih yang mengkatalisasi reaksi evolusi oksigen."

Sebagian besar terdiri dari nikel dan besi, bahan-bahan ini setidaknya 100 kali lebih murah daripada katalis yang ada, kata mereka, meskipun tim belum melakukan analisis ekonomi penuh.

“Ini berpotensi menawarkan banyak jalan yang relevan untuk penemuan masa depan. Bahan juga dapat diproduksi dalam lembaran yang sangat tipis, yang kemudian dapat dilapisi ke bahan lain, lebih lanjut mengurangi biaya bahan dari sistem tersebut,” papar Jiayu Peng, mahasiswa pascasarjana MIT.

Sejauh ini, bahan-bahan tersebut telah diuji dalam perangkat uji laboratorium skala kecil, dan tim sekarang menangani masalah mencoba meningkatkan proses ke skala yang relevan secara komersial, yang masih bisa memakan waktu beberapa tahun.