Ilmuwan Memecahkan Misteri Elektrokimia “Katalisis vs Korosi”.

Global, Ragam30 Dilihat

Para peneliti di Universitas Pittsburgh, Universitas Drexel, dan Laboratorium Nasional Brookhaven sedang mempelajari produksi ozon elektrokimia (EOP) untuk menciptakan alternatif berkelanjutan terhadap desinfeksi air berbasis klorin. Pekerjaan mereka berfokus pada pemahaman proses molekuler di balik EOP untuk mengembangkan katalis yang efisien dan hemat biaya. Penemuan terbaru menunjukkan aktivitas katalitik dan korosi pada katalis yang ada, menyarankan arah baru untuk meningkatkan teknologi dan memperluas penerapannya dalam skala global. Kredit: SciTechDaily.com

Insinyur dari Pitt, Drexel, dan Brookhaven telah memecahkan misteri “katalisis vs korosi” dalam produksi ozon elektrokimia.

Para peneliti dari Universitas Pittsburgh, Universitas Drexel di Philadelphia, dan Laboratorium Nasional Brookhaven berkolaborasi untuk mengungkap misteri kompleks yang bertujuan membuat perawatan disinfeksi air menjadi lebih berkelanjutan.

Teknologi produksi ozon elektrokimia (Electrochemical Ozone Production/EOP) yang terukur untuk mendisinfeksi air kotor suatu hari nanti mungkin akan menggantikan pengolahan klorin terpusat yang digunakan saat ini, baik di kota-kota modern maupun di desa-desa terpencil. Namun, hanya sedikit yang memahami tentang EOP pada tingkat molekuler dan bagaimana teknologi yang memungkinkannya dibuat menjadi efisien, ekonomis, dan berkelanjutan.

Penelitian mereka dipublikasikan baru-baru ini di jurnal Katalisis ACS. Penulis utama adalah mahasiswa PhD Drexel Rayan Alaufey, dengan peneliti yang berkontribusi dari Drexel, termasuk co-PI Maureen Tang, profesor teknik kimia dan biologi, peneliti pascadoktoral Andrew Lindsay, mahasiswa PhD Tana Siboonruang, dan Ezra Wood, profesor kimia; co-PI John A. Keith, profesor teknik kimia dan perminyakan, dan mahasiswa pascasarjana Lingyan Zhao dari Pitt; dan Qin Wu dari Brookhaven.

Interaksi antara korosi katalis dan spesies oksigen reaktif homogen dalam produksi ozon elektrokimia. Kredit: ACS Catal. 2024, 14, 9, 6868-6880

Keunggulan Ozon Dibandingkan Klorin

“Orang-orang telah menggunakan klorin untuk mengolah air minum sejak tahun 19th abad ini, namun saat ini kita lebih memahami bahwa klorin tidak selalu merupakan pilihan terbaik. EOP misalnya dapat menghasilkan ozon, sebuah molekul dengan kekuatan desinfektan yang hampir sama dengan klorin, langsung di dalam air. Berbeda dengan klorin yang stabil di dalam air, ozon di dalam air terurai secara alami setelah sekitar 20 menit, sehingga kecil kemungkinannya untuk membahayakan manusia jika dikonsumsi dari air keran, saat berenang di kolam, atau saat membersihkan luka di rumah sakit,” jelasnya. Keith, yang juga merupakan Rekan Fakultas Energi RK Mellon di Pitt’s Swanson School of Engineering.

Baca juga  Kartun KAL | Edisi 3 Februari 2024

“EOP untuk disinfeksi berkelanjutan akan sangat masuk akal di beberapa pasar, namun hal ini memerlukan katalis yang cukup baik, dan karena belum ada yang menemukan katalis EOP yang cukup baik, EOP terlalu mahal dan boros energi untuk penggunaan yang lebih luas. Saya dan rekan-rekan saya berpikir jika kita dapat memecahkan kode pada tingkat atom apa yang membuat katalis EOP biasa-biasa saja berfungsi, mungkin kita dapat merekayasa katalis EOP yang lebih baik lagi.”

Menyelidiki Kemanjuran Katalis NATO

Memecahkan misteri cara kerja katalis EOP sangat penting dalam memahami cara merekayasa dengan lebih baik salah satu katalis EOP yang paling menjanjikan dan paling tidak beracun yang diketahui hingga saat ini: oksida timah yang didoping nikel dan antimon (Ni/Sb–SnO2, atau NATO).

Di sinilah, kata Keith, letak teka-tekinya: apa adanya atomperan apa yang dilakukan NATO untuk membantu EOP? Apakah ozon terbentuk secara katalitik sesuai dengan keinginan kita, ataukah terbentuk karena katalisnya terurai, dan perlu dilakukan upaya di masa depan untuk membuat katalis NATO lebih stabil?

Representasi Produksi Ozon Listrik

Representasi produksi listrik ozon dan penyelidikan tentang apa yang sebenarnya terjadi pada tingkat molekuler. Kredit: John Keith

Yang mengejutkan, para peneliti menemukan bahwa hal tersebut mungkin merupakan campuran keduanya.

Baca juga  Perang Israel selama 200 hari menyebabkan kehancuran besar di mana-mana di Gaza

Dengan menggunakan analisis elektrokimia eksperimental, spektrometri massa, dan pemodelan kimia kuantum komputasi, para peneliti menciptakan “alur cerita skala atom” untuk menjelaskan bagaimana ozon dihasilkan pada elektrokatalis NATO. Untuk pertama kalinya, mereka mengidentifikasi bahwa sebagian nikel di NATO mungkin keluar dari elektroda melalui korosi, dan atom nikel ini, yang kini mengambang dalam larutan dekat katalis, dapat memicu reaksi kimia yang pada akhirnya menghasilkan ozon.

“Jika kita ingin membuat elektrokatalis yang lebih baik, kita perlu memahami bagian mana yang berfungsi dan tidak berfungsi. Faktor-faktor seperti pencucian ion logam, korosi, dan reaksi fase larutan dapat memberikan kesan bahwa katalis bekerja dengan satu cara padahal sebenarnya katalis tersebut bekerja dengan cara lain.”

Keith mencatat bahwa mengidentifikasi prevalensi korosi dan reaksi kimia yang terjadi di luar katalis merupakan langkah penting yang perlu diklarifikasi sebelum peneliti lain dapat melakukan perbaikan pada EOP dan proses elektrokatalitik lainnya. Dalam kesimpulannya, mereka mencatat bahwa “Mengidentifikasi atau menyangkal adanya kendala teknologi mendasar akan sangat penting untuk penerapan EOP dan proses oksidasi elektrokimia canggih lainnya di masa depan.”

Baca juga  Caitlin Clark bertekad mengubah Iowa menjadi pemenang. Dia mendefinisikan ulang lingkaran kampus wanita di sepanjang jalan

“Kita tahu bahwa pengolahan air elektrokimia berhasil dalam skala kecil, namun penemuan katalis yang lebih baik akan meningkatkannya ke skala global. Langkah selanjutnya adalah menemukan kombinasi atom baru pada material yang lebih tahan terhadap korosi namun juga mendorong EOP yang ekonomis dan berkelanjutan,” kata Keith.

Referensi: “Interaksi antara Korosi Katalis dan Spesies Oksigen Reaktif Homogen dalam Produksi Ozon Elektrokimia” oleh Rayan Alaufey, Lingyan Zhao, Andrew Lindsay, Tana Siboonruang, Qin Wu, John A. Keith, Ezra Wood dan Maureen Tang, 18 April 2024, Katalisis ACS.
DOI: 10.1021/acscatal.4c01317

Studi ini didanai oleh US National Science Foundation.