Material COF Baru Tingkatkan Efisiensi Produksi Hidrogen dan Perpanjang Masa Pakai Pengisian

Material covalent organic framework (COF) ber-tautan kumarin yang dikembangkan oleh para peneliti dari Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) di Chinese Academy of Sciences membuka jalan bagi pemisahan hidrogen dari air menggunakan sinar matahari. Di tengah upaya global untuk lepas dari ketergantungan pada bahan bakar fosil, sumber energi terbarukan seperti angin dan matahari semakin mendapat perhatian. Fasilitas pembangkitan listrik berskala besar telah dibangun untuk memasok energi tanpa karbon ke jaringan listrik. Namun, listrik yang dihasilkan dari sumber-sumber ini belum mampu sepenuhnya menggantikan bahan bakar fosil di bidang-bidang yang membutuhkan densitas energi tinggi. Dalam situasi tersebut, hidrogen memiliki kinerja yang lebih unggul dibanding energi terbarukan, karena hidrogen dapat dibakar seperti bahan bakar kaya karbon, namun hanya menghasilkan air sebagai produk samping dan melepaskan energi dalam jumlah besar.

Meskipun demikian, produksi hidrogen berpotensi menimbulkan emisi karbon yang tinggi, sehingga mendorong para peneliti untuk mencari metode yang lebih baik. Salah satu pendekatan tersebut adalah memecah molekul air menjadi hidrogen dan oksigen menggunakan sinar matahari, yang secara teknis disebut fotokatalisis pemecahan air.

Untuk menjalankan reaksi fotokatalitik, para ilmuwan umumnya menggunakan fotokatalis organik, yaitu senyawa berbasis karbon yang mampu menyerap cahaya tampak atau ultraviolet serta mengeksitasi elektron ke tingkat energi yang lebih tinggi, sehingga membantu produksi hidrogen. Pendekatan ini berpotensi mengatasi krisis energi yang dihadapi dunia. Akan tetapi, elektron dan hole yang dihasilkan dalam proses ini cepat bergabung kembali, sehingga menurunkan efisiensi keseluruhan reaksi.

Tantangan Fotokatalisis Pemecahan Air

Oleh karena itu, para ilmuwan beralih ke covalent organic frameworks (COFs), yaitu polimer berpori yang terbentuk dari molekul organik yang terhubung melalui ikatan kovalen kuat serta memiliki tingkat kemampuan yang sangat tinggi. Pada COF konvensional, sambungan yang fleksibel dapat bergerak secara rotasi keluar bidang, yang memperburuk disipasi energi dan menjadi salah satu penyebab menurunnya efisiensi proses katalitik. Maka dari itu, para peneliti NIMTE bekerja sama dengan kolega dari Institute of Physical and Chemical Technology di Chinese Academy of Sciences, memperkenalkan sambungan kumarin planar yang rigid ke dalam COF yang sepenuhnya terkonjugasi.

Keunggulan Sambungan Kumarin

Dibandingkan sambungan imina dan vinilena konvensional, sambungan kumarin menunjukkan rigiditas konformasi yang lebih tinggi sehingga menekan fluktuasi struktural. Sambungan ini juga mendorong delokalisasi elektron-π, yang mendukung transpor pembawa muatan jarak jauh serta mempersempit celah pita energi. Para peneliti mengamati bahwa COF ber-tautan kumarin menunjukkan pemisahan muatan yang lebih baik, dengan keadaan pemisahan muatan yang bertahan 1,000 kali lebih lama dibanding padanan ber-tautan imina. Ketika nanopartikel Pt digunakan sebagai kokatalis, elektron yang dihasilkan oleh foton pada COF berpindah ke Pt dalam sekitar 407 pikodetik, yang mendukung produksi hidrogen.

Potensi Laju Produksi Hidrogen

Di bawah penyinaran pada panjang gelombang 440 nm, laju produksi hidrogen dari COF ber-tautan kumarin mencapai 531 mmol g⁻¹ h⁻¹, dengan hasil kuantum sebesar 37.95% pada 405 nm. Pada cahaya tampak dengan panjang gelombang di atas 420 nm, laju produksi hidrogen yang dicapai sebesar 166 mmol g⁻¹ h⁻¹, menunjukkan potensi produksi hidrogen yang digerakkan oleh tenaga surya.

Profesor Zhang Tao dari NIMTE menjelaskan dalam rilis pers: "Karya ini menyediakan strategi yang sederhana namun efektif untuk menyesuaikan dinamika muatan dalam COF terkonjugasi melalui rekayasa sambungan, serta memberikan implikasi bagi desain dan penerapan fotokatalis organik berkinerja tinggi dalam produksi hidrogen surya."

Temuan penelitian ini telah dipublikasikan di jurnal Nature Synthesis.

Dampak Material COF Baru bagi Produksi Hidrogen

Seiring meningkatnya permintaan global akan sumber energi terbarukan, potensi hidrogen sebagai energi bersih semakin mendapat perhatian. Dengan mengembangkan material COF baru, para peneliti berhasil meningkatkan efisiensi produksi hidrogen secara signifikan. Inovasi ini tidak hanya membantu mengurangi emisi karbon, tetapi juga mendorong pemanfaatan energi terbarukan. COF ber-tautan kumarin, melalui peningkatan efisiensi pemisahan muatan, membuka arah baru bagi pengembangan teknologi fotokatalisis, serta menunjukkan kemungkinan perannya yang krusial dalam transisi energi di masa depan.