Para ilmuwan untuk pertama kalinya telah mengembangkan molekul tunggal yang dapat menyerap sinar matahari secara efisien dan sekaligus bertindak sebagai katalis untuk mengubah energi matahari menjadi hidrogen.
Molekul baru ini mengumpulkan energi dari seluruh spektrum cahaya matahari yang terlihat, dan dapat memanfaatkan 50% lebih banyak energi matahari dibandingkan dengan sel surya yang saat ini digunakan. Temuan ini dapat membantu manusia beralih dari bahan bakar fosil menuju sumber energi yang lebih bersih.
Para peneliti yang dipimpin oleh Claudia Turro, seorang profesor kimia dari Ohio State University menguraikan temuannya dalam sebuah penelitian yang diterbitkan di Nature Chemistry.
“Seluruh gagasannya adalah bahwa kita dapat menggunakan foton dari matahari dan mengubahnya menjadi hidrogen. Sederhananya, kita menghemat energi dari sinar matahari dan menyimpannya dalam suatu ikatan kimia sehingga dapat digunakan kembali saat diperlukan,” kata Turro. .
Foton adalah unsur partikel dari sinar matahari yang mengandung energi.
Para peneliti menunjukkan, untuk pertama kalinya, bahwa adalah mungkin untuk mengumpulkan energi dari seluruh spektrum sinar matahari yang terlihat — termasuk inframerah energi rendah, bagian dari spektrum matahari yang sebelumnya sulit dikumpulkan — dan mengubahnya, dengan cepat dan efisien, menjadi hidrogen. Hidrogen adalah bahan bakar yang bersih, artinya tidak menghasilkan karbon sebagai produk sampingan dari penggunaannya.
“Apa yang membuatnya bekerja adalah bahwa sistem mampu menempatkan molekul dalam keadaan tereksitasi, di mana ia menyerap foton dan mampu menyimpan dua elektronnya untuk membuat hidrogen,” kata Turro. “Penyimpanan dua elektron dalam molekul tunggal ini berasal dari dua foton, dan menggunakannya bersama-sama untuk membuat hidrogen, belum pernah terjadi sebelumnya.”
Mengubah energi dari matahari menjadi, katakanlah, bahan bakar untuk mobil, pertama-tama membutuhkan mekanisme untuk mengumpulkan energi. Energi itu kemudian harus diubah menjadi bahan bakar. Konversi membutuhkan sesuatu yang disebut katalis — zat yang mempercepat reaksi kimia, memungkinkan pengubahan dari energi matahari menjadi energi yang dapat digunakan seperti hidrogen.
Sebagian besar upaya sebelumnya untuk mengumpulkan energi matahari dan mengubahnya menjadi hidrogen berfokus pada panjang gelombang energi-sinar matahari yang lebih tinggi — misalnya sinar ultraviolet.
Upaya sebelumnya juga mengandalkan katalis yang dibangun dari dua molekul atau lebih, yang bertukar elektron saat membuat bahan bakar dari tenaga surya. Tetapi energi hilang dalam pertukaran, membuat sistem multi-molekul kurang efisien.
Beberapa upaya yang mengandalkan katalis dari molekul tunggal juga tidak efisien, kata Turro, sebagian karena tidak dapat mengumpulkan energi dari spektrum penuh dari sinar matahari yang terlihat, dan sebagian lagi karena katalis itu sendiri terdegradasi dengan cepat.
Tim peneliti Turro menemukan cara membuat katalis hanya dari satu molekul — unsur rhodium — yang berarti lebih sedikit energi yang hilang, katanya. Dan mereka menemukan cara untuk mengumpulkan energi dari inframerah hingga ke ultraviolet — seluruh spektrum cahaya yang terlihat. Sistem yang dirancang oleh tim peneliti ini hampir 25 kali lebih efisien dengan cahaya inframerah-dekat yang berenergi rendah dibandingkan dengan sistem molekul tunggal yang beroperasi dengan foton ultraviolet, menurut penelitian.
Dalam studi tersebut, para peneliti menggunakan LED untuk menyinari larutan asam yang mengandung molekul aktif. Ketika hal tersebut dilakukan, mereka menemukan bahwa hidrogen diproduksi.
“Saya pikir alasan kerjanya adalah karena molekulnya sulit teroksidasi,” katanya. “Dan kita harus memiliki energi terbarukan. Bayangkan saja jika kita bisa menggunakan sinar matahari untuk energi kita, bukan batubara atau gas atau minyak, apa yang bisa kita lakukan untuk mengatasi perubahan iklim.”
Sebelum temuan tim peneliti dapat diaplikasikan ke dunia nyata, Turro mengatakan, masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan. Misalnya, rhodium yang digunakan sebagai katalis, adalah logam langka yang mahal. Tim sedang berupaya meningkatkan molekul ini untuk menghasilkan hidrogen dalam periode waktu yang lebih lama dan berupaya untuk mendapatkan katalis dari bahan yang lebih murah.
