Teknologi terbaru dari Universitas Toronto mengambil langkah besar untuk memungkinkan produsen menciptakan plastik dari dua bahan utama: sinar matahari dan polusi.
Hari ini, bahan bakar fosil non-terbarukan tidak hanya menyediakan bahan baku untuk pembuatan plastik, mereka juga bahan bakar untuk proses manufaktur, memproduksi iklim pemanasan karbon dioksida (CO2) – Badan Energi Internasional memperkirakan produksi dari prekursor utama untuk plastik bertanggung jawab untuk 1,4 persen emisi CO2 global.
Sebuah tim yang dipimpin oleh Profesor Ted Sargent dari Universitas Toronto mengubah proses ini berdasarkan pemikirannya. Mereka merencanakan menangkap CO2 yang dihasilkan sebagai hasil samping proses industri dan menggunakan listrik terbarukan – seperti tenaga surya – untuk mengubahnya menjadi ethylene. Etilena adalah bahan umum industri kimia yang merupakan bahan baku untuk berbagai produk plastik, seperti yang digunakan dalam tas belanjaan.
Sistem ini membahas tantangan utama yang terkait dengan penangkapan karbon. Sementara teknologi yang telah tersedia untuk menyaring dan mengekstraksi CO2 dari gas buangan, zat tersebut saat ini memiliki nilai ekonomi rendah yang dapat menutup kerugian dari biaya penangkapannya – semacam proposisi kehilangan uang. Dengan mengubah karbon ini menjadi produk bernilai komersial seperti ethylene, tim ini bertujuan untuk meningkatkan insentif bagi perusahaan untuk berinvestasi dalam teknologi penangkapan karbon.
Inti dari solusi tim adalah dua inovasi: menggunakan sedikit katalis berbasis tembaga dan strategi eksperimental ulang.
“Ketika kami melakukan konversi CO2 menjadi etilena dalam media yang sangat mendasar, kami menemukan bahwa katalis kami meningkatkan efisiensi energi dan selektivitas dari konversi ke tingkat tertinggi yang pernah tercatat,” kata rekan post-doktoral Dr. Cao-Thang Dinh, penulis pertama pada makalah yang diterbitkan di jurnal Science.
Dalam konteksnya, efisiensi berarti lebih sedikit listrik yang diperlukan untuk menyelesaikan konversi. Para penulis kemudian menggunakan pengetahuan ini untuk lebih meningkatkan katalis dan mendorong reaksi untuk mendukung pembentukan etilena, dibandingkan dengan zat lain.
Selanjutnya, tim ini membahas stabilitas, yang telah lama menjadi tantangan dengan jenis katalis berbasis tembaga ini. Pemodelan teoritis menunjukkan bahwa kondisi dasar – yaitu, tingkat pH yang tinggi – ideal untuk mengkatalisis CO2 menjadi etilena. Tetapi di bawah kondisi tersebut, sebagian besar katalis, dan pendukungnya, menjadi rusak setelah kurang dari 10 jam.
Tim mengatasi tantangan ini dengan mengubah pengaturan eksperimental mereka. Pada dasarnya, mereka menyimpan katalis mereka pada lapisan pendukung berpori yang terbuat dari polytetrafluoroethylene (PTFE, lebih dikenal sebagai Teflon) dan mengapit katalis mereka dengan karbon di sisi lain. Pengaturan baru ini melindungi pendukung dan katalis dari kerusakan karena kondisi dasar, dan memungkinkannya untuk bertahan 15 kali lebih lama daripada katalis sebelumnya. Sebagai bonus tambahan, pengaturan ini juga meningkatkan efisiensi dan selektivitas lebih jauh.
“Selama beberapa dekade terakhir, kami telah mengetahui bahwa mengoperasikan reaksi ini dalam kondisi dasar akan membantu, tetapi tidak ada yang tahu bagaimana memanfaatkan pengetahuan itu dan mentransfernya ke dalam sistem praktis,” kata Dinh. “Kami telah menunjukkan cara mengatasi tantangan itu.”
Saat ini sistem mereka mampu melakukan konversi pada skala laboratorium, menghasilkan beberapa gram etilena pada satu waktu. Tujuan jangka panjang tim adalah untuk skala teknologi hingga ke titik di mana mereka dapat mengkonversi bahan kimia dalam jumlah banyak yang diperlukan untuk aplikasi komersial.
“Kami membuat tiga kemajuan simultan dalam pekerjaan ini: selektivitas, efisiensi energi dan stabilitas,” kata Sargent. “Sebagai sebuah kelompok, kami sangat termotivasi untuk mengembangkan teknologi yang membantu kami mewujudkan tantangan global masa depan yang netral karbon.”
