Peneliti Universitas Virginia telah mengidentifikasi molekul organik yang dapat berfungsi sebagai alternatif yang lebih murah dan berkelanjutan dibandingkan platinum dalam sel bahan bakar, sehingga menjanjikan kemajuan signifikan dalam teknologi energi ramah lingkungan.
Sel bahan bakar yang memungkinkan kendaraan listrik dan generator industri dan perumahan dan diperlukan untuk menyimpan energi yang dihasilkan oleh angin atau matahari menggunakan logam seperti platinum untuk memicu reaksi kimia yang membagi sumber bahan bakar seperti gas hidrogen menjadi proton dan elektron yang kemudian dimanfaatkan. sebagai listrik.
Hingga saat ini, pengganti organik untuk katalis logam langka dianggap tidak praktis karena proses katalisis menyebabkan katalis tersebut terurai menjadi bagian-bagian komponen yang tidak lagi berguna. Dalam sebuah makalah yang diterbitkan di Jurnal Persatuan Kimia Amerikanamun, profesor kimia Charles Machan dan Michael Hilinski, bersama dengan Ph.D. siswa Emma Cook dan Anna Davis, mengidentifikasi molekul organik yang terdiri dari karbon, hidrogen, nitrogen, dan fluor yang berpotensi menjadi pengganti praktis.
Potensi dan Stabilitas Katalis Baru
Molekul tersebut tidak hanya dapat memulai reduksi oksigen – reaksi yang terjadi di dalam sel bahan bakar – kata Machan; ia dapat terus bereaksi dengan produk reaksi dan kemudian kembali ke keadaan semula.
“Molekul-molekul ini stabil dalam kondisi di mana sebagian besar molekul terdegradasi, dan mereka terus mencapai aktivitas yang sesuai dengan tingkat katalis logam transisi,” kata Machan.
Charles Machan (kiri) dan Michael Hilinski (kanan) telah mengidentifikasi molekul organik yang dapat menggantikan penggunaan logam langka dan mahal dalam sel bahan bakar. Kredit: Universitas Virginia
Temuan ini menyajikan sebuah langkah maju yang signifikan dalam pencarian sel bahan bakar yang efisien yang menggunakan bahan yang lebih berkelanjutan dan lebih murah untuk diproduksi dan dapat menghasilkan pengembangan sel bahan bakar generasi berikutnya dalam lima hingga sepuluh tahun ke depan, namun tim peneliti temuan hanyalah permulaan.
“Molekul ini sendiri mungkin tidak bisa menjadi sel bahan bakar,” kata Machan. “Temuan ini menunjukkan bahwa mungkin terdapat bahan katalitik berbasis karbon, dan jika Anda memodifikasi bahan tersebut dengan kelompok kimia tertentu, Anda dapat berharap untuk mengubahnya menjadi katalis yang hebat untuk reaksi reduksi oksigen. Tujuan akhirnya adalah untuk mengintegrasikan sifat-sifat yang membuat molekul ini begitu stabil menjadi material curah, untuk menggantikan penggunaan platina.”
Implikasi yang Lebih Luas dan Penelitian di Masa Depan
Hilinski, yang kelompok penelitiannya berfokus pada kimia organik, menekankan pentingnya sifat interdisipliner dalam tim peneliti. “Molekul yang kami gunakan sebagai katalis ini memiliki sejarah di laboratorium saya, namun kami selalu meneliti penggunaannya dalam reaksi kimia yang dilakukan pada molekul yang jauh lebih besar dan mengandung karbon – seperti bahan aktif dalam obat-obatan,” kata Hilinski. “Tanpa keahlian Charlie Machan, saya rasa kita tidak akan bisa terhubung dengan bahan kimia sel bahan bakar.”
Penemuan ini juga dapat berdampak pada produksi industri hidrogen peroksida, produk rumah tangga yang juga digunakan dalam produksi kertas dan pengolahan air limbah.
“Proses pembuatan hidrogen peroksida tidak ramah lingkungan dan sangat boros energi,” kata Machan. “Hal ini memerlukan reformasi uap metana bersuhu tinggi untuk melepaskan hidrogen yang digunakan untuk memproduksinya.”
Temuan timnya juga dapat meningkatkan komponen katalitik dalam proses tersebut, yang dapat memberikan dampak positif terhadap industri dan lingkungan serta teknologi pengolahan air.
Hilinski juga menunjukkan bahwa penemuan dan kolaborasi yang menghasilkan hal ini dapat mempunyai dampak yang lebih dari sekedar penyimpanan energi. “Gambaran besarnya, salah satu hal paling menarik dari penelitian ini adalah dengan menyetrum katalis, kami telah mengubah cara reaksinya. Ini adalah sesuatu yang tidak terduga dan juga dapat berguna untuk sintesis obat-obatan, yang ingin dieksplorasi oleh kelompok penelitian saya.”
Machan, yang kelompok penelitiannya berfokus pada elektrokimia molekuler, juga memuji sifat interdisipliner tim peneliti atas penemuan ini.
“Tanpa pengetahuan kelompok Mike Hilinski dalam membuat molekul organik stabil yang dapat menjalani reaksi yang diperlukan, pekerjaan ini tidak akan mungkin terjadi. Molekul organik unik ini memungkinkan kita melakukan sesuatu yang biasanya hanya dapat dilakukan oleh logam transisi,” kata Machan.
Referensi: “Reduksi O2 Homogen Bebas Logam dengan Elektrokatalis Berbasis Iminium” oleh Emma N. Cook, Anna E. Davis, Michael K. Hilinski dan Charles W. Machan, 15 Maret 2024, Jurnal Persatuan Kimia Amerika.
DOI: 10.1021/jacs.3c14549
