Ilmuwan Temukan Cara Baru yang Berkelanjutan untuk Membuat Hidrogen untuk Sel Bahan Bakar dan Pupuk

Metode baru yang berkelanjutan dan praktis untuk memproduksi hidrogen dari air telah ditemukan oleh tim peneliti di RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) di Jepang yang dipimpin oleh Ryuhei Nakamura. Tidak seperti metode saat ini, metode baru tidak memerlukan logam langka yang mahal atau persediaannya terbatas. Sebaliknya, hidrogen untuk sel bahan bakar dan pupuk pertanian sekarang dapat diproduksi menggunakan kobalt dan mangan, dua logam yang cukup umum. Studi ini dipublikasikan di Nature Catalysis.

IMAGESGambar: cdn1.katadata.co.id

Tidak seperti bahan bakar fosil konvensional yang menghasilkan karbon dioksida setelah pembakaran, hidrogen adalah bahan bakar bersih yang hanya menghasilkan air sebagai produk sampingan. Jika hidrogen dapat diekstraksi dari air menggunakan listrik terbarukan, jaringan energi dapat dibuat bersih, terbarukan, dan berkelanjutan. Selain itu, hidrogen adalah bahan utama yang dibutuhkan untuk menghasilkan amonia, yang digunakan di hampir semua pupuk sintetis. Tetapi alih-alih mengekstraksi hidrogen dari air dengan bersih, saat ini, pabrik amonia menggunakan bahan bakar fosil untuk menghasilkan hidrogen yang mereka butuhkan.

Jadi mengapa kita masih menggunakan bahan bakar fosil? Salah satu alasannya adalah proses ekstraksi hidrogen itu sendiri—elektrolisis—mahal dan belum berkelanjutan.

“Ini terutama karena kurangnya katalis yang baik,” kata Nakamura. “Selain mampu menahan lingkungan asam yang keras, katalis harus sangat aktif. Jika tidak, jumlah listrik yang dibutuhkan untuk reaksi untuk menghasilkan sejumlah hidrogen tertentu akan melonjak, dan dengan itu, demikian pula biayanya.”

Saat ini, katalis yang paling aktif untuk elektrolisis air adalah logam langka seperti platinum dan iridium, yang menimbulkan dilema karena harganya mahal dan dianggap "spesies yang terancam punah" di antara logam. Mengalihkan seluruh planet ke bahan bakar hidrogen sekarang akan membutuhkan sekitar 800 tahun produksi iridium, jumlah yang bahkan mungkin tidak ada. Di sisi lain, logam yang melimpah seperti besi dan nikel tidak cukup aktif dan cenderung langsung larut dalam lingkungan elektrolisis asam yang keras.

IMAGESGambar: images.squarespace-cdn.com

Dalam pencarian mereka untuk katalis yang lebih baik, para peneliti melihat campuran kobalt dan mangan oksida. Kobalt oksida dapat aktif untuk reaksi yang diperlukan, tetapi menimbulkan korosi sangat cepat di lingkungan asam. Oksida mangan lebih stabil, tetapi hampir tidak cukup aktif. Dengan menggabungkannya, para peneliti berharap dapat memanfaatkan properti pelengkap mereka. Mereka juga harus mempertimbangkan kepadatan arus tinggi yang diperlukan untuk aplikasi praktis di luar laboratorium. “Untuk produksi hidrogen skala industri, kami perlu menetapkan kepadatan arus target studi kami menjadi sekitar 10 hingga 100 kali lebih tinggi daripada yang telah digunakan dalam eksperimen sebelumnya,” kata rekan penulis pertama Shuang Kong. “Arus tinggi menyebabkan sejumlah masalah seperti dekomposisi fisik katalis.”

Akhirnya, tim mengatasi masalah ini dengan coba-coba, dan menemukan katalis aktif dan stabil dengan memasukkan mangan ke dalam kisi spinel Co 3 O 4 , menghasilkan campuran kobalt mangan oksida Co 2 MnO 4 .

Pengujian menunjukkan bahwa Co 2 MnO 4 berkinerja sangat baik. Tingkat aktivasi mendekati tingkat oksida iridium yang canggih. Selain itu, katalis baru bertahan lebih dari dua bulan dengan kepadatan arus 200 miliampere per sentimeter persegi, yang dapat membuatnya efektif untuk penggunaan praktis. Dibandingkan dengan katalis logam non-langka lainnya, yang biasanya hanya bertahan beberapa hari atau minggu pada kerapatan arus yang jauh lebih rendah, elektrokatalis baru bisa menjadi pengubah permainan.

“Kami telah mencapai apa yang telah luput dari para ilmuwan selama beberapa dekade,” kata rekan penulis pertama Ailong Li. “Produksi hidrogen menggunakan katalis yang sangat aktif dan stabil yang terbuat dari logam yang melimpah. Dalam jangka panjang, kami percaya bahwa ini adalah langkah besar untuk menciptakan ekonomi hidrogen yang berkelanjutan. Seperti teknologi terbarukan lainnya seperti sel surya dan tenaga angin, kami memperkirakan biaya teknologi hidrogen hijau akan turun dalam waktu dekat seiring semakin banyak kemajuan yang dibuat.”

Langkah selanjutnya di lab adalah menemukan cara untuk memperpanjang masa pakai katalis baru dan meningkatkan tingkat aktivitasnya lebih jauh lagi. “Selalu ada ruang untuk perbaikan,” kata Nakamura, “dan kami terus berusaha untuk katalis logam non-langka yang cocok dengan kinerja katalis iridium dan platinum saat ini.”