- Katalis baru dapat mengurangi penggunaan logam mulia dalam produksi hidrogen hijau.
- Katalis ini beroperasi stabil selama lebih dari 300 jam, dengan kinerja yang lebih baik dari standar komersial.
- Kandungan logam mulia dalam katalis alloy ini hanya setengah dari kandungan platinum pada standar komersial.
- Penelitian menunjukkan bahwa alloy entropi sedang dapat mengatasi trade-off antara aktivitas dan stabilitas.
Peneliti yang berbasis di Braga, Portugal, telah mengembangkan katalis baru yang dapat mengurangi jumlah logam mulia yang diperlukan untuk produksi hidrogen hijau. Kinerja material ini melampaui standar komersial, meskipun kandungan logam mulianya hanya setengah dari standar tersebut. Tim dari International Iberian Nanotechnology Laboratory (INL) menggabungkan platinum, nikel, dan rutenium menjadi sebuah alloy yang dirancang khusus untuk proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE). Laporan penelitian menunjukkan bahwa pada suhu 60 °C (140°F), waktu operasi stabil unit tersebut melebihi 300 jam. Temuan ini mengatasi salah satu tantangan dalam sel elektrolisis, yaitu mengurangi ketergantungan pada bahan mahal sambil mempertahankan kinerja.
Kinerja Katalis Melampaui Standar
PEMWE menggunakan listrik untuk memecah air menjadi hidrogen dan oksigen. Dengan didorong oleh listrik terbarukan, ini menyediakan jalur untuk produksi hidrogen hijau. Namun, reaksi pembentukan hidrogen di katoda sangat bergantung pada logam mulia yang langka. Tim penelitian Kolen’ko di INL menggunakan reaktor sintesis aliran kontinu untuk memproduksi nanopartikel alloy entropi sedang dari platinum-nikel-rutenium. Partikel-partikel ini memiliki diameter hanya 1,5 nanometer dan terikat secara merata pada graphene yang kaya cacat. Kandungan logam mulia dalam katalis ini adalah 20,5%, dibandingkan dengan kandungan platinum 40% pada standar komersial, menunjukkan keuntungan yang signifikan.
Meskipun kandungan logam mulia lebih rendah, kinerjanya tetap melampaui standar dalam berbagai pengukuran.
Pada perangkat PEMWE sel tunggal, katalis ini mencapai densitas arus 1,0 ampere per sentimeter persegi pada 1,6 volt. Perilaku operasi katalis sangat penting untuk kinerjanya. Awalnya, spesies oksida nikel menutupi permukaan partikel. Setelah polarasi katoda, oksida ini direduksi, mengekspos permukaan alloy logam. Penulis komunikasi penelitian, Sitaramanjaneya Mouli Thalluri, menyatakan, "Katalis tidak terdegradasi, melainkan teraktivasi, yang bertentangan dengan intuisi, dan merupakan karakteristik yang dibutuhkan untuk operasi jangka panjang." Spektroskopi absorpsi sinar-X sinkronisasi mengonfirmasi bahwa rekonstruksi permukaan didorong oleh elektrokimia.
Pada suhu 60 °C (140°F), yang merupakan suhu operasi industri yang khas, unit tersebut mempertahankan tegangan stabil selama lebih dari 300 jam. Sebagai perbandingan, standar komersial mengalami penurunan kinerja yang berkelanjutan selama proses pengujian.
Potensi Proses Produksi Alloy
Hasil ini menunjukkan bahwa perubahan permukaan alloy dapat mendukung aktivitas berkelanjutan, mengatasi kesulitan dalam meningkatkan kinerja katalis tanpa mengorbankan stabilitas. Peneliti juga menekankan potensi proses produksinya. Menggabungkan logam dengan potensi reduksi yang sangat berbeda adalah tantangan, karena pembentukannya harus terkoordinasi untuk menghasilkan alloy yang diharapkan. Penulis komunikasi bersama, Srinivas Katam, menyatakan, "Sintesis aliran kontinu adalah pengubah permainan di sini." Tim mencatat bahwa reaktor ini memungkinkan nukleasi logam secara sinkron, menyediakan jalur untuk produksi skala besar.
Dr. Yury V. Kolen’ko, kepala tim penelitian INL, menyatakan, "Pekerjaan ini membuktikan bahwa alloy entropi sedang dapat mengatasi trade-off tradisional antara aktivitas dan stabilitas saat diproduksi melalui sintesis aliran kontinu." Peneliti juga melihat potensi aplikasi teknologi ini di luar produksi hidrogen, termasuk teknologi konversi energi elektrokimia lainnya. Penelitian ini didanai oleh Portugal Recovery and Resilience Plan (PRR) di bawah kerangka generasi berikutnya Uni Eropa, melalui perjanjian inovasi Moving2Neutrality.
Hasil dari sel tunggal ini membentuk dasar untuk pengembangan lebih lanjut dari sistem elektrolisis besar, di mana pengurangan kebutuhan logam mulia dan pemeliharaan daya tahan tetap menjadi tujuan kunci. Penelitian ini telah dipublikasikan di Journal of Chemical Engineering.
Dampak Katalis Baru terhadap Produksi Hidrogen Hijau
Dengan meningkatnya permintaan energi terbarukan, produksi hidrogen hijau menjadi bidang penelitian yang penting. Pengembangan katalis baru ini tidak hanya mengurangi ketergantungan pada logam mulia yang langka, tetapi juga mencapai tingkat baru dalam stabilitas dan kinerja. Ini memiliki arti penting untuk produksi hidrogen hijau secara besar-besaran di masa depan, karena dapat mengurangi biaya produksi dan meningkatkan efisiensi. Selain itu, potensi aplikasi teknologi ini juga dapat meluas ke teknologi konversi energi elektrokimia lainnya, lebih lanjut mendorong pengembangan energi berkelanjutan.