Ilmuwan Yale Menggabungkan Plasma dan Listrik untuk Mengubah Karbon Dioksida Menjadi Bahan Bakar Penerbangan Berkelanjutan

Ilmuwan dari Yale University telah mengembangkan sistem yang menggabungkan plasma dan listrik untuk mengubah karbon dioksida (CO2) menjadi bahan kimia berharga, termasuk metanol dan butana. Penelitian ini dipimpin oleh Lea Winter, asisten profesor bidang teknik kimia dan lingkungan di Yale University. Winter dan timnya berupaya menggabungkan plasma dengan elektrokatalisis. Plasma sering disebut sebagai keadaan materi keempat, setelah padat, cair, dan gas. Plasma merupakan gas berenergi tinggi di mana elektron telah terlepas dari atom, sehingga membentuk partikel bermuatan. Menurut Winter, pendekatan ini dapat mengubah CO2 menjadi bahan bakar, obat-obatan, pelarut, serta bahan kimia lain yang selama ini berasal dari bahan bakar fosil.

Ia menambahkan, "Produk multi-karbon yang kami hasilkan dengan metode ini sangat berguna bagi banyak industri kimia." Metode ini juga dapat memproduksi prekursor bahan kimia untuk bahan bakar penerbangan berkelanjutan.

Penggabungan Plasma dengan Elektrokatalisis

Mengurai CO2. Meskipun CO2 relatif melimpah, gas ini belum banyak dimanfaatkan untuk memproduksi produk bernilai tinggi. Sebab, CO2 merupakan molekul yang sangat stabil dan inert, sehingga mengubahnya menjadi zat berguna membutuhkan energi besar. Elektrokatalisis menjadi solusi yang menjanjikan. Metode ini menggunakan listrik dan katalis untuk mendorong reaksi kimia guna mengubah CO2 menjadi senyawa lain. Namun, elektrokatalisis tunggal umumnya hanya menghasilkan produk karbon sederhana yang relatif terbatas. Tim Yale kemudian mempertimbangkan penggabungan elektrokatalisis dengan plasma, yang mengandung elektron berenergi tinggi. Elektron-elektron ini mengeksitasi molekul CO2 dan melemahkan ikatannya sebelum mencapai katalis.

Katalis kemudian dapat memanfaatkan spesies teraktivasi ini untuk membentuk berbagai produk. Winter menjelaskan bahwa plasma membuka jalur kimia yang tidak dapat dijangkau elektrokatalisis secara tersendiri.

Solusi Inovatif: Antarmuka Tiga Fasa

Namun, proses plasma elektrokimia ini biasanya bergantung pada antarmuka air, yang dapat membatasi kinerjanya. Meskipun plasma mampu mengaktifkan gas CO2, air dapat memadamkan dan menetralkan spesies plasma paling reaktif sebelum mencapai katalis. Winter menambahkan, "Menentukan cara efektif menggabungkan plasma dengan katalis agar kita benar-benar melihat efek plasma—sehingga spesies tereksitasi plasma tersebut dapat ikut serta dalam reaksi katalitik—selalu menjadi tantangan."

Mengatasi keterbatasan. Untuk memecahkan masalah ini, para ilmuwan mengajukan antarmuka tiga fasa yang menggabungkan komponen gas, cair, dan padat secara bersamaan. Antarmuka ini juga mencegah plasma berinteraksi langsung dengan air. Sistem ini mengandalkan elektroda difusi gas, yaitu membran yang terbuat dari bahan sejenis dengan lapisan wajan antilengket. Membran ini sebagian dilapisi lapisan tipis tembaga yang berfungsi sebagai elektrokatalis. Pori-porinya cukup besar untuk memungkinkan partikel plasma melewati lapisan katalis, bertemu dengan proton di dalam air, dan mendorong reaksi kimia. Menurut para ilmuwan, metode ini mencapai hasil tertinggi hingga saat ini dalam memproduksi alkohol berharga serta senyawa beratom karbon tiga dan empat.

Produk-produk tersebut dapat digunakan untuk bahan bakar cair, obat-obatan, dan produk bernilai tinggi lainnya. Tim selanjutnya akan mengoptimalkan katalis dan menguji material lain.

Potensi Komersialisasi dan Penerapan

Sistem ini juga beroperasi pada suhu dan tekanan ruang, yang berpotensi memudahkan komersialisasinya. Winter merangkum dalam rilis pers, "Ini adalah proses plug-and-play. Anda dapat menghidupkan atau mematikannya kapan saja sesuai ketersediaan listrik. Proses ini juga dapat langsung dijalankan dengan listrik terbarukan yang bersifat间歇性, sehingga kita bisa melihat retrofit pada pabrik yang sudah ada, tanpa perlu membangun pabrik baru sepenuhnya." Penelitian ini telah dipublikasikan di jurnal Nature Catalysis.

Dampak Teknologi Ini terhadap Energi Berkelanjutan

Penelitian Yale ini menunjukkan potensi penggabungan plasma dengan elektrokatalisis sebagai pendekatan baru dalam mengonversi karbon dioksida. Seiring meningkatnya kebutuhan global untuk mengurangi emisi karbon, teknologi yang mampu secara efektif mengubah CO2 menjadi bahan bakar penerbangan berkelanjutan serta bahan kimia lainnya ini memiliki arti penting bagi pelestarian lingkungan dan transisi energi. Selain itu, sistem yang beroperasi pada suhu dan tekanan ruang ini menurunkan hambatan teknis untuk komersialisasi, berpotensi mendorong retrofit pabrik yang sudah ada, dan memungkinkan pemanfaatan energi yang lebih efisien.