Ahli kimia di Laboratorium Energi Nasional Brookhaven, Departemen Energi AS telah merancang sebuah katalis baru yang dapat mempercepat proses “fotosintesis buatan” – upaya untuk meniru bagaimana tanaman, alga, dan beberapa bakteri memanfaatkan sinar matahari untuk mengubah air dan karbon dioksida menjadi bahan bakar yang kaya energi. Langkah ini -yang disebut oksidasi air-melepaskan proton dan elektron dari molekul air, menghasilkan oksigen sebagai produk sampingan.
Katalis “single-site” ini -yang berarti keseluruhan urutan reaksi terjadi di satu lokasi katalitik dari satu molekul – adalah yang pertama untuk menyesuaikan efisiensi situs katalitik yang mendorong reaksi ini di alam. Desain single-site dan efisiensi tinggi sangat meningkatkan potensi untuk membuat perangkat yang mengkonversi energi matahari menjadi bahan bakar yang efisien.
“Tujuan akhirnya adalah untuk memecahkan blok bangunan molekuler tersebut – proton dan elektron – untuk membuat bahan bakar seperti hidrogen,” kata David Shaffer, seorang rekan penelitian Brookhaven dan penulis utama di atas kertas yang menjelaskan pekerjaan di jurnal the American Chemical Society. “Semakin efisien siklus oksidasi air, semakin banyak energi yang bisa kita dapatkan.”
Tapi menghancurkan molekul air itu tidaklah mudah.
“Air sangat stabil,” kata ahli kimia Brookhaven Javier Concepcion, yang memimpin tim peneliti. “Air dapat menjalani berbagai siklus mendidih / kondensasi dan tetap sebagai H2O. Untuk mendapatkan proton dan elektron, kita perlu membuat molekul air bereaksi satu sama lain.”
Katalis bertindak untuk dapat menangani secara kimia, menggeser aset molekul air – elektron, ion hidrogen (proton), dan atom oksigen – sehingga reaksi dapat terjadi.
Gelembung menunjukkan produksi oksigen yang cepat (O2) bila katalis ditambahkan ke larutan. Untuk setiap molekul O2 yang dihasilkan, empat proton (H +) dan empat elektron dilepaskan – cukup untuk membuat dua molekul hidrogen (H2).
Desain katalis baru dibangun oleh satu kelompok yang dikembangkan tahun lalu, dipimpin oleh mahasiswa pascasarjana Yan Xie, yang juga merupakan katalis single-site, dengan semua komponen yang dibutuhkan untuk reaksi pada satu molekul tunggal. Pendekatan ini menarik karena para ilmuwan dapat mengoptimalkan bagaimana berbagai bagian disusun sehingga molekul bereaksi bersamaan dengan cara yang tepat. Katalis semacam itu tidak bergantung pada difusi bebas molekul dalam larutan untuk mencapai reaksi, sehingga cenderung tetap berfungsi meski tetap berada di permukaan, seperti pada perangkat dunia nyata.
“Kami menggunakan pemodelan komputer untuk mempelajari reaksi pada tingkat teoritis untuk membantu kami merancang molekul kami,” kata Concepcion. “Dari perhitungan kita punya ide tentang apa yang akan berhasil atau tidak, yang dapat menghemat waktu sebelum kita masuk ke lab.”
Dalam kedua desain Xie dan perbaikan terbaru, ada logam yang berada di inti molekul, dikelilingi oleh komponen lain para ilmuwan dapat memilih untuk memberikan sifat khusus katalis. Reaksi dimulai dengan mengoksidasi logam, yang menarik elektron menjauh dari oksigen pada molekul air. Itu meninggalkan oksigen “bermuatan positif,” atau “aktif,” dan dua hidrogen bermuatan positif (proton).
“Mengambil elektron membuat proton jauh lebih mudah dilepaskan. Tapi Anda membutuhkan proton itu untuk pergi ke suatu tempat. Dan ini lebih efisien jika Anda melepaskan elektron dan proton pada saat bersamaan untuk mencegah penumpukan kelebihan muatan,” kata Concepcion. “Jadi Xie menambahkan kelompok fosfonat sebagai ligan pada logam untuk bertindak sebagai basis yang akan menerima proton tersebut,” jelasnya. Kelompok fosfonat tersebut juga mempermudah pengoksidasi logam untuk melepaskan elektron di tempat pertama.
Tapi masih ada masalah. Untuk mengaktifkan molekul H2O, Anda harus terlebih dahulu mengikat atom logam di bagian tengah katalis.
Pada desain pertama, kelompok fosfonat sangat terikat pada logam sehingga menghambat molekul air untuk mengikat katalis cukup awal agar prosesnya tetap berjalan dengan lancar. Itu memperlambat siklus katalitik.
Jadi tim membuat substitusi. Mereka menyimpan satu gugus fosfonat untuk bertindak sebagai dasarnya, namun menukar yang lain dengan karboksilat yang terikat ketat.
“Kelompok karboksilat dapat dengan mudah menyesuaikan koordinasi dengan pusat logam untuk memungkinkan molekul air masuk dan bereaksi pada tahap awal,” kata Shaffer.
“Ketika kita mencoba merancang katalis yang lebih baik, pertama-tama kita mencoba untuk mencari tahu langkah paling lambat. Kemudian kami merancang ulang katalis untuk membuat langkah itu lebih cepat,” katanya. “Pekerjaan Yan berhasil selangkah lebih cepat, dan itu membuat salah satu langkah lain akhirnya menjadi langkah paling lambat. Jadi dalam pekerjaan saat ini kita mempercepat langkah kedua sambil mempertahankan yang pertama dengan cepat.”
Perbaikan tersebut mengubah katalis yang menciptakan dua atau tiga molekul oksigen per detik menjadi lebih dari 100 per detik – dengan peningkatan yang sesuai dalam produksi proton dan elektron yang dapat digunakan untuk menciptakan bahan bakar hidrogen.
“Itu adalah tingkat yang sebanding dengan laju reaksi dalam fotosintesis alami ini, per situs katalitik,” kata Concepcion. “Katalis fotosintesis alami memiliki empat pusat logam dan kita hanya memiliki satu,” jelasnya. “Tapi sistem alam sangat kompleks dengan jumlah atom yang sangat banyak. Akan sangat sulit untuk meniru sesuatu seperti itu di laboratorium. Ini adalah molekul tunggal dan fungsinya sama dengan sistem yang sangat kompleks.”
Langkah selanjutnya adalah menguji katalis baru pada perangkat yang menggabungkan elektroda dan komponen lainnya untuk mengubah proton dan elektron menjadi bahan bakar hidrogen – dan kemudian, dengan senyawa penyerap cahaya untuk menyediakan energi untuk mendorong keseluruhan reaksi.
“Kami sekarang memiliki sistem yang bekerja dengan cukup baik, jadi kami sangat berharap,” kata Concepcion.