Jenis baru ‘hidrogen hijau’

Hidrogen dapat menjadi bagian penting dari pasokan energi masa depan kita: Hidrogen dapat disimpan, diangkut, dan dibakar sesuai kebutuhan. Namun, sebagian besar hidrogen yang tersedia saat ini adalah produk sampingan dari produksi gas alam, dan ini harus diubah untuk alasan perlindungan iklim. Strategi terbaik sejauh ini untuk menghasilkan “hidrogen hijau” yang ramah lingkungan adalah dengan memecah air menjadi hidrogen dan oksigen menggunakan listrik yang berasal dari sumber energi terbarukan, misalnya sel fotovoltaik.

Namun, akan jauh lebih mudah jika sinar matahari bisa langsung digunakan untuk membelah air. Inilah tepatnya yang sekarang dimungkinkan oleh katalis baru, dalam proses yang disebut “pemisahan air fotokatalitik.” Konsep ini belum digunakan secara industri. Di TU Wien, langkah-langkah penting sekarang telah diambil ke arah ini: pada skala atom, para ilmuwan telah menyadari kombinasi baru dari katalis molekul dan solid-state yang dapat melakukan pekerjaan itu sambil menggunakan bahan yang relatif murah.

Interaksi atom

“Sebenarnya, untuk dapat memisahkan air dengan cahaya, Anda harus menyelesaikan dua tugas sekaligus,” kata Alexey Cherevan dari Institute for Materials Chemistry di TU Wien. “Kita harus berpikir tentang oksigen dan tentang hidrogen. Atom oksigen dari air harus diubah menjadi O₂ molekul, dan ion hidrogen yang tersisa—yang hanya berupa proton—harus diubah menjadi molekul H2.”

Solusi sekarang telah ditemukan untuk kedua tugas. Gugus anorganik kecil yang terdiri dari hanya sejumlah kecil atom ditambatkan pada permukaan struktur pendukung penyerap cahaya seperti titanium oksida. Kombinasi cluster dan dukungan semikonduktor yang dipilih dengan cermat mengarah pada perilaku yang diinginkan.

Gugus yang bertanggung jawab untuk mengoksidasi oksigen terdiri dari kobalt, tungsten dan oksigen, sedangkan gugus belerang dan molibdenum sangat cocok untuk membuat molekul hidrogen. Para peneliti di TU Wien adalah yang pertama menyimpan kluster ini pada permukaan yang terbuat dari titanium oksida, di mana mereka dapat bertindak sebagai katalis untuk pemisahan air.

“Titanium oksida sensitif terhadap cahaya, itu sudah terkenal,” kata Alexey Cherevan. “Energi cahaya yang diserap mengarah pada penciptaan elektron yang bergerak bebas dan muatan positif yang bergerak bebas dalam titanium oksida. Muatan ini kemudian memungkinkan gugus atom yang berada di permukaan ini untuk memfasilitasi pemisahan air menjadi oksigen dan hidrogen. “

Kontrol yang tepat, atom demi atom

“Kelompok penelitian lain yang bekerja pada pemisahan air dengan cahaya bergantung pada nanopartikel yang dapat mengambil bentuk dan sifat permukaan yang sangat berbeda,” jelas Alexey Cherevan. “Ukurannya sulit dikendalikan, atom-atomnya tidak cukup tersusun dengan cara yang sama. Oleh karena itu, dalam hal ini, tidak mungkin untuk menjelaskan dengan tepat bagaimana proses katalisis berlangsung secara detail.” Di TU Wien, di sisi lain, struktur yang tepat dari cluster ditentukan dengan presisi atom, yang memungkinkan pemahaman penuh tentang siklus katalitik.

“Ini adalah satu-satunya cara untuk mendapatkan umpan balik tentang apa yang sangat bergantung pada efisiensi proses,” kata Alexey Cherevan. “Kami tidak ingin hanya mengandalkan pendekatan coba-coba dan mencoba berbagai nanopartikel sampai kami menemukan yang terbaik—kami ingin mencari tahu di tingkat atom apa sebenarnya katalis yang optimal itu.”

Sekarang bahan yang dipilih telah terbukti cocok untuk memisahkan air, langkah selanjutnya adalah menyempurnakan struktur yang tepat untuk mencapai efisiensi yang lebih tinggi.

Sederhana dan menjanjikan

“Keuntungan yang menentukan dari metode kami dibandingkan pemisahan air dengan elektrolisis adalah kesederhanaannya,” Alexey Cherevan menekankan. Produksi hidrogen listrik pertama-tama membutuhkan sumber energi yang berkelanjutan—seperti sel fotovoltaik, mungkin perangkat penyimpanan energi listrik, dan sel elektrolisis. Secara keseluruhan, ini menghasilkan sistem yang relatif kompleks yang terdiri dari banyak bahan mentah. Untuk pemisahan air fotokatalitik, di sisi lain, yang dibutuhkan hanyalah permukaan berlapis yang sesuai yang ditutupi oleh air dan disinari oleh matahari.

Dalam jangka panjang, metode ini juga dapat digunakan untuk menghasilkan molekul yang lebih rumit dengan menggunakan konsep fotosintesis buatan. Bahkan dimungkinkan untuk menggunakan energi radiasi matahari untuk menghasilkan hidrokarbon dengan karbon dioksida dari atmosfer dan air, yang kemudian dapat digunakan untuk aplikasi lain.

Studi terkait muncul di Katalis ACS dan Bahan ACS.