Daun buatan revolusioner mengubah CO2 menjadi bahan bakar dan bahan kimia yang berharga
Para ilmuwan telah mengembangkan daun buatan yang menggunakan sinar matahari untuk mengubah CO₂ menjadi hidrokarbon, menawarkan alternatif berkelanjutan untuk bahan bakar fosil.
'Bunga-bunga nano' tembaga kecil telah melekat pada daun buatan untuk menghasilkan bahan bakar bersih dan bahan kimia penting yang membentuk tulang punggung energi dan manufaktur modern.
Peneliti dari University of Cambridge dan University of California, Berkeleytelah mengembangkan metode praktis untuk menghasilkan hidrokarbon – molekul yang terdiri dari karbon dan hidrogen – hanya menggunakan sinar matahari.
Perangkat mereka mengintegrasikan 'daun' penyerap cahaya yang terbuat dari perovskite, bahan sel surya efisiensi tinggi, dengan katalis nanoflower tembaga untuk mengubah karbon dioksida menjadi molekul yang berharga. Tidak seperti kebanyakan katalis logam, yang hanya dapat mengubah CO₂ menjadi molekul karbon tunggal, bunga tembaga memfasilitasi produksi hidrokarbon yang lebih kompleks dengan dua atom karbon, seperti etana dan etilena-blok bangunan keyy untuk bahan bakar cair, bahan kimia, dan plastik.
Alternatif yang lebih bersih untuk bahan bakar fosil
Hampir semua hidrokarbon saat ini berasal dari bahan bakar fosil, tetapi metode yang dikembangkan oleh tim Cambridge-Berkeley menghasilkan bahan kimia bersih dan bahan bakar yang terbuat dari CO2air dan gliserol – senyawa organik umum – tanpa emisi karbon tambahan. Hasilnya dilaporkan dalam jurnal Katalisis Alam.
Studi ini dibangun di atas karya tim sebelumnya tentang daun buatan, yang mengambil inspirasi mereka dari fotosintesis: Proses dimana tanaman mengubah sinar matahari menjadi makanan. “Kami ingin melampaui pengurangan karbon dioksida dasar dan menghasilkan hidrokarbon yang lebih kompleks, tetapi itu membutuhkan lebih banyak energi,” kata Dr Virgil Andrei dari Departemen Kimia Cambridge Yusuf Hamied, penulis utama penelitian ini.
Andrei, seorang peneliti dari St John's College, Cambridge, melakukan pekerjaan sebagai bagian dari program pertukaran Winton Cambridge-Kavli ENSI di laboratorium Profesor Peidong Yang di University of California, Berkeley.
Efisiensi yang ditingkatkan dengan elektroda nanowire
Dengan menggabungkan penyerap cahaya perovskite dengan katalis nanoflower tembaga, tim dapat menghasilkan hidrokarbon yang lebih kompleks. Untuk lebih meningkatkan efisiensi dan mengatasi batas energi air pemisahan, tim menambahkan elektroda nanowire silikon yang dapat mengoksidasi gliserol. Platform baru ini menghasilkan hidrokarbon jauh lebih efektif – 200 kali lebih baik daripada sistem sebelumnya untuk membelah air dan karbon dioksida.
Reaksi tidak hanya meningkatkan kinerja reduksi CO₂ tetapi juga menghasilkan bahan kimia bernilai tinggi seperti glikerat, laktat, dan format, yang memiliki aplikasi dalam obat-obatan, kosmetik, dan sintesis kimia.
Mengoptimalkan proses untuk efisiensi yang lebih besar
“Gliserol biasanya dianggap limbah, tetapi di sini memainkan peran penting dalam meningkatkan laju reaksi,” kata Andrei. “Ini menunjukkan bahwa kami dapat menerapkan platform kami ke berbagai proses kimia di luar hanya konversi limbah. Dengan merancang luas permukaan katalis, kita dapat memengaruhi produk apa yang kita hasilkan, membuat proses lebih selektif. “
Sementara selektivitas co₂-to-hydrocarbon saat ini tetap sekitar 10%, para peneliti optimis tentang meningkatkan desain katalis untuk meningkatkan efisiensi. Tim ini membayangkan menerapkan platform mereka untuk reaksi organik yang lebih kompleks, membuka pintu untuk inovasi dalam produksi kimia berkelanjutan. Dengan perbaikan berkelanjutan, penelitian ini dapat mempercepat transisi ke ekonomi sirkular, karbon-netral.
“Proyek ini adalah contoh yang sangat baik tentang bagaimana kemitraan penelitian global dapat mengarah pada kemajuan ilmiah yang berdampak,” kata Andrei. “Dengan menggabungkan keahlian dari Cambridge dan Berkeley, kami telah mengembangkan sistem yang dapat membentuk kembali cara kami menghasilkan bahan bakar dan bahan kimia berharga secara berkelanjutan.”
Referensi: “Sintesis hidrokarbon Solar C2 yang digerakkan oleh Perovskite dari CO2” oleh Virgil Andrei, Inwhan RoH, Jia-an Lin, Joshua Lee, Yu Shan, Chung-Kuan Lin, Steve Shelton, Erwin Reisner dan Peidong Yang, 3 Februari 2025, Katalisis Alam.
Doi: 10.1038/s41929-025-01292-y
Penelitian ini didukung sebagian oleh Program Winton untuk Fisika Keberlanjutan, St John's College, Departemen Energi AS, Dewan Penelitian Eropa, dan Penelitian dan Inovasi Inggris (UKRI).
