Pemisahan gas sangat penting di banyak industri, tetapi sering kali melibatkan proses yang membutuhkan banyak energi, seperti mendinginkan gas untuk mencairkannya lalu memisahkannya berdasarkan suhu penguapannya. Namun, Profesor Wei Zhang dan timnya di University of Colorado Boulder telah mengembangkan jenis material berpori baru yang fleksibel, berkelanjutan, dan hemat energi. Material ini dapat menyesuaikan ukuran pori-porinya pada suhu yang berbeda untuk secara selektif membiarkan gas tertentu lewat, yang berpotensi merevolusi cara gas dipisahkan dan mengurangi keseluruhan energi yang dibutuhkan untuk proses ini.
Bahan berpori baru memungkinkan pemisahan gas yang efisien dan berenergi rendah serta dapat ditingkatkan untuk penggunaan industri, menawarkan alternatif berkelanjutan terhadap metode tradisional.
Pemisahan gas memainkan peran penting dalam berbagai industri, dari aplikasi medis, di mana nitrogen dan oksigen dipisahkan dari udara, hingga proses lingkungan seperti penangkapan karbon, di mana karbon dioksida diisolasi dari gas lain, dan pemurnian gas alam dengan menghilangkan kotoran.
Namun, pemisahan gas dapat menghabiskan banyak energi dan mahal. “Misalnya, saat memisahkan oksigen dan nitrogen, Anda perlu mendinginkan udara hingga suhu yang sangat rendah hingga mencair. Kemudian, dengan menaikkan suhu secara perlahan, gas akan menguap di titik yang berbeda, sehingga gas dapat kembali menjadi gas dan terpisah,” jelas Wei Zhang, seorang profesor kimia di University of Colorado Boulder dan ketua Departemen Kimia. “Proses ini menghabiskan banyak energi dan mahal.”
Banyak pemisahan gas bergantung pada material berpori yang dilalui gas dan dipisahkan. Hal ini juga telah lama menjadi masalah, karena material berpori ini umumnya khusus untuk jenis gas yang dipisahkan. Coba alirkan jenis gas lain melalui material ini dan hasilnya tidak akan memuaskan.
Namun, dalam penelitian yang dipublikasikan hari ini di jurnal Science, Zhang dan rekan penelitinya merinci jenis material berpori baru yang dapat menampung dan memisahkan banyak gas berbeda dan terbuat dari material umum yang mudah didapat. Lebih jauh, material ini menggabungkan kekakuan dan fleksibilitas dengan cara yang memungkinkan pemisahan gas berdasarkan ukuran terjadi dengan biaya energi yang jauh lebih rendah.
“Kami berusaha membuat teknologi menjadi lebih baik,” kata Zhang, “dan meningkatkannya dengan cara yang dapat ditingkatkan dan berkelanjutan.”
Menambahkan fleksibilitas
Selama ini, material berpori yang digunakan dalam pemisahan gas bersifat kaku dan berdasarkan afinitas—khusus untuk jenis gas yang dipisahkan. Kekakuan memungkinkan pori-pori terdefinisi dengan baik dan membantu mengarahkan gas dalam pemisahan, tetapi juga membatasi jumlah gas yang dapat melewatinya karena ukuran molekul yang bervariasi.
Selama beberapa tahun, Zhang dan kelompok penelitiannya berupaya mengembangkan material berpori yang memperkenalkan unsur fleksibilitas pada simpul penghubung dalam material berpori yang kaku. Fleksibilitas tersebut memungkinkan penghubung molekuler berosilasi, atau bergerak maju mundur dengan kecepatan tetap, mengubah ukuran pori yang dapat diakses dalam material dan memungkinkannya beradaptasi dengan berbagai gas.
“Kami menemukan bahwa pada suhu ruangan, pori-pori relatif paling besar dan penghubung fleksibel hampir tidak bergerak, sehingga sebagian besar gas dapat masuk,” kata Zhang. “Ketika kita meningkatkan suhu dari suhu ruangan hingga sekitar 50 derajat (Celsius), osilasi penghubung menjadi lebih besar, menyebabkan ukuran pori efektif menyusut, sehingga gas yang lebih besar tidak dapat masuk. Jika kita terus meningkatkan suhu, lebih banyak gas yang ditolak karena peningkatan osilasi dan ukuran pori yang semakin mengecil. Akhirnya, pada suhu 100 derajat, hanya gas terkecil, hidrogen, yang dapat melewatinya.”
Material yang dikembangkan Zhang dan rekan-rekannya terbuat dari molekul organik kecil dan paling mirip dengan zeolit, keluarga material berpori dan kristal yang sebagian besar terdiri dari silikon, aluminium, dan oksigen. “Ini adalah material berpori yang memiliki banyak pori yang sangat teratur,” katanya. “Anda dapat menggambarkannya seperti sarang lebah. Sebagian besarnya adalah material organik padat dengan pori-pori berukuran teratur yang berjejer dan membentuk saluran.”
Para peneliti menggunakan jenis kimia kovalen dinamis yang cukup baru yang berfokus pada ikatan boron-oksigen. Menggunakan ikatan boron-oksigen, atom dengan empat atom oksigen di sekitarnya, mereka memanfaatkan sifat reversibilitas ikatan antara boron dan oksigen, yang dapat putus dan terbentuk kembali berulang kali, sehingga memungkinkan perilaku yang dapat mengoreksi diri sendiri, bebas kesalahan, dan mengarah pada pembentukan kerangka kerja yang teratur secara struktural.
“Kami ingin membangun sesuatu yang dapat disesuaikan, dengan daya tanggap, dengan kemampuan beradaptasi, dan kami pikir ikatan boron-oksigen dapat menjadi komponen yang baik untuk diintegrasikan ke dalam kerangka kerja yang kami kembangkan, karena sifatnya yang dapat dibalik dan fleksibel,” kata Zhang.
Solusi berkelanjutan
Mengembangkan material berpori baru ini memang butuh waktu, kata Zhang: “Membuat material itu mudah dan sederhana. Kesulitannya ada di awal, saat kami pertama kali memperoleh material dan perlu memahami atau menjelaskan strukturnya—bagaimana ikatan terbentuk, bagaimana sudut terbentuk dalam material ini, apakah dua dimensi atau tiga dimensi. Kami menghadapi beberapa tantangan karena datanya tampak menjanjikan, kami hanya tidak tahu bagaimana menjelaskannya. Data itu menunjukkan puncak-puncak tertentu (difraksi sinar-X), tetapi kami tidak dapat segera mengetahui jenis struktur yang sesuai dengan puncak-puncak itu.”
Jadi, ia dan rekan-rekan penelitinya mengambil langkah mundur, yang bisa jadi merupakan bagian penting namun jarang dibahas dari proses ilmiah. Mereka berfokus pada sistem model molekul kecil yang mengandung situs reaktif yang sama seperti yang ada dalam material mereka untuk memahami bagaimana blok penyusun molekul dikemas dalam keadaan padat, dan itu membantu menjelaskan data.
Zhang menambahkan bahwa ia dan rekan penelitinya mempertimbangkan skalabilitas dalam mengembangkan material ini, karena potensi penggunaan industrinya akan membutuhkan jumlah yang besar, “dan kami yakin metode ini sangat dapat diskalakan. Bahan penyusunnya tersedia secara komersial dan tidak mahal, sehingga dapat diadopsi oleh industri ketika waktunya tepat.”
Mereka telah mengajukan paten untuk material tersebut dan melanjutkan penelitian dengan material blok bangunan lainnya untuk mempelajari cakupan substrat dari pendekatan ini. Zhang juga mengatakan bahwa ia melihat potensi untuk bermitra dengan peneliti teknik untuk mengintegrasikan material tersebut ke dalam aplikasi berbasis membran.
“Pemisahan membran umumnya membutuhkan lebih sedikit energi, sehingga dalam jangka panjang, pemisahan ini bisa menjadi solusi yang lebih berkelanjutan,” kata Zhang. “Tujuan kami adalah meningkatkan teknologi untuk memenuhi kebutuhan industri dengan cara yang berkelanjutan.”
Referensi: “Pengenalan molekular dengan resolusi di bawah 0,2 angstrom melalui osilasi termoregulasi dalam kerangka organik kovalen” oleh Yiming Hu, Bratin Sengupta, Hai Long, Lacey J. Wayment, Richard Ciora, Yinghua Jin, Jingyi Wu, Zepeng Lei, Kaleb Friedman, Hongxuan Chen, Miao Yu dan Wei Zhang, 27 Juni 2024, Sains.
DOI: 10.1126/sains.adj8791
