Para peneliti telah mengembangkan terobosan metode elektrolisis “hibrida” yang memecahkan ketidakefisienan yang sudah lama ada dalam produksi energi ramah lingkungan: pemborosan energi untuk oksigen bernilai rendah. Dengan mengganti oksidasi air dengan oksidasi gliserol, proses baru ini menghasilkan bahan kimia bernilai tinggi selain hidrogen, menjadikan keseluruhan sistem lebih layak secara ekonomi dan hemat energi.
Masalah Elektrolisis Tradisional
Dalam elektrolisis air standar, listrik digunakan untuk memecah molekul air menjadi dua komponen: hidrogen dan oksigen. Meskipun hidrogen adalah bahan bakar bersih yang banyak dicari, oksigen sering kali diperlakukan hanya sebagai produk sampingan dengan nilai komersial yang kecil.
Persoalan mendasarnya adalah distribusi energi. Sebagian besar listrik yang dibutuhkan untuk elektrolisis dikonsumsi hanya untuk menghasilkan oksigen ini. Dalam industri yang berupaya mencapai efisiensi maksimum, “membuang” energi untuk gas bernilai rendah merupakan rintangan ekonomi dan termodinamika yang besar.
Pendekatan yang Lebih Cerdas: Oksidasi Gliserol
Untuk mengatasi hal ini, tim peneliti yang dipimpin oleh para ilmuwan dari Johannes Gutenberg University, Mainz, dan National Taiwan University of Science and Technology, telah beralih dari air ke gliserol.
Gliserol adalah produk sampingan yang sangat besar dari produksi biodiesel, sehingga jumlahnya melimpah dan murah. Lebih penting lagi, secara kimiawi “lebih mudah” untuk dimanipulasi dibandingkan air.
“Dari sudut pandang energi, gliserol lebih mudah teroksidasi dibandingkan air, sehingga listrik yang dibutuhkan lebih sedikit,” jelas Soressa Abera Chala, peneliti pascadoktoral di Universitas Johannes Gutenberg.
Dengan mengalihkan reaksi, sistem tidak lagi menghasilkan oksigen yang tidak diinginkan. Sebaliknya, ia mengubah gliserol menjadi bahan kimia berbasis karbon yang berharga, seperti format, sekaligus menghasilkan hidrogen. Hal ini mengubah proses yang banyak menghasilkan limbah menjadi model produksi dua aliran: bahan bakar ramah lingkungan ditambah bahan kimia industri.
Rekayasa Presisi: Katalis Situs Tunggal
Keberhasilan metode hibrida ini bergantung pada katalis baru yang canggih. Katalis tradisional menggunakan gugus nanopartikel logam, namun hal ini seringkali tidak efisien karena banyak atom logam yang “terkubur” di dalam gugus tersebut, tidak dapat berpartisipasi dalam reaksi. Hal ini juga dapat menyebabkan “keracunan katalis”, yaitu reaksi kimia yang tidak diinginkan yang merusak material.
Para peneliti memecahkan masalah ini dengan merancang “katalis satu situs” :
– Presisi Atom: Daripada menggumpal, atom-atom logam individual tersebar di seluruh permukaan, memastikan setiap atom aktif dan produktif.
– Sinergi Logam Ganda: Tim menggunakan dua logam berbeda—paladium (Pd) untuk mengelola kimia oksigen dan tembaga (Cu) untuk menstabilkan zat antara karbon.
– Peningkatan Daya Tahan: Kombinasi ini mencegah pembentukan spesies “keracunan” dan menjaga katalis tetap stabil. Dalam pengujian, sistem mempertahankan struktur dan aktivitasnya selama lebih dari 144 jam pengoperasian berkelanjutan.
Output Bernilai Tinggi dan Potensi Masa Depan
Efisiensi proses ini sangat menakjubkan. Dalam kondisi yang diuji, reaksi mencapai efisiensi 83% dalam memproduksi format. Formate adalah bahan kimia industri yang sangat serbaguna yang digunakan dalam:
– Cairan penghilang lapisan es
– Operasi pengeboran
– Produksi asam format (penting untuk tekstil, pertanian, dan manufaktur kimia)
Implikasi dari penelitian ini melampaui gliserol. Profesor Carsten Streb berpendapat bahwa strategi “atom ganda” ini—menempatkan dua atom tunggal yang saling melengkapi berdekatan untuk mengendalikan kimia kompleks—dapat diterapkan pada molekul turunan biomassa lainnya seperti alkohol dan gula.
Jalan Menuju Skala Industri
Meskipun hasil laboratoriumnya menjanjikan, peralihan ke penggunaan industri menghadapi beberapa kendala. Peralihan dari laboratorium terkontrol ke pabrik produksi besar-besaran memerlukan:
1. Meningkatkan pembuatan katalis satu lokasi yang tepat ini.
2. Pengujian dalam kondisi dunia nyata menggunakan bahan baku yang tidak murni dan praktis, bukan bahan kimia tingkat laboratorium.
3. Pengujian stabilitas jangka panjang untuk memastikan katalis dapat bertahan selama berbulan-bulan atau bertahun-tahun dalam penggunaan terus menerus.
Kesimpulan
Dengan mengganti produksi oksigen dengan oksidasi gliserol yang melimpah, para peneliti telah menciptakan sistem elektrolisis dengan fungsi ganda yang lebih efisien. Kemajuan ini menawarkan cetak biru untuk mengubah proses energi terbarukan menjadi pusat manufaktur bahan kimia multi-produk yang sangat menguntungkan.
