Fotosintesis Buatan: Perangkat Baru Meningkatkan Komersial Bahan Bakar Surya
Discovery secara signifikan meningkatkan stabilitas dalam produksi etilen dan hidrogen melalui fotosintesis buatan.
Sebuah tim peneliti telah mengembangkan komponen perangkat fotosintesis buatan baru dengan stabilitas dan umur panjang yang luar biasa karena secara selektif mengubah sinar matahari dan karbon dioksida menjadi dua sumber bahan bakar terbarukan yang menjanjikan – etilen dan hidrogen.
Temuan para peneliti, yang baru-baru ini mereka laporkan di jurnal Nature Energy , mengungkapkan bagaimana perangkat menurun seiring penggunaan, kemudian menunjukkan cara menguranginya. Para penulis juga memberikan wawasan baru tentang bagaimana elektron dan pembawa muatan yang disebut "lubang" berkontribusi pada degradasi dalam fotosintesis buatan.
“Dengan memahami bagaimana material dan perangkat berubah saat beroperasi, kami dapat merancang pendekatan yang lebih tahan lama dan dengan demikian mengurangi limbah,” kata penulis senior Francesca Toma, staf ilmuwan di Divisi Ilmu Kimia Liquid Sunlight Alliance (LiSA) Berkeley Lab.
Untuk studi saat ini, Toma dan timnya merancang model perangkat bahan bakar solar yang dikenal sebagai sel fotoelektrokimia (PEC) yang terbuat dari tembaga(I) oksida atau tembaga oksida (Cu 2 O), bahan fotosintesis buatan yang menjanjikan.
Tembaga oksida telah lama membingungkan para ilmuwan, karena kekuatan material – reaktivitasnya yang tinggi terhadap cahaya – juga merupakan kelemahannya, karena cahaya menyebabkan material terurai hanya dalam beberapa menit setelah terpapar. Namun terlepas dari ketidakstabilannya, tembaga oksida merupakan salah satu kandidat bahan terbaik untuk fotosintesis buatan karena relatif terjangkau dan memiliki karakteristik yang sesuai untuk menyerap cahaya tampak.
Untuk lebih memahami bagaimana mengoptimalkan kondisi kerja untuk bahan yang menjanjikan ini, Toma dan timnya melihat lebih dekat struktur kristal tembaga oksida sebelum dan sesudah digunakan.
Eksperimen mikroskop elektron di Molecular Foundry mengkonfirmasi bahwa oksida tembaga dengan cepat teroksidasi atau terkorosi dalam beberapa menit setelah terpapar cahaya dan air. Dalam penelitian fotosintesis buatan, para peneliti biasanya menggunakan air sebagai elektrolit dalam pengurangan karbon dioksida menjadi bahan kimia atau bahan bakar terbarukan, seperti etilen dan hidrogen – tetapi air mengandung ion hidroksida, yang menyebabkan ketidakstabilan.
Tetapi percobaan lain, kali ini menggunakan teknik yang disebut spektroskopi fotoelektron sinar-X tekanan ambien (APXPS) di Advanced Light Source, mengungkapkan petunjuk yang tidak terduga: oksida tembaga terkorosi lebih cepat dalam air yang mengandung ion hidroksida, yang merupakan ion bermuatan negatif yang terdiri dari atom oksigen terikat pada atom hidrogen.
“Kami tahu itu tidak stabil – tetapi kami terkejut mengetahui betapa tidak stabilnya itu sebenarnya,” kata Toma. “Ketika kami memulai penelitian ini, kami bertanya-tanya, mungkin kunci untuk perangkat bahan bakar surya yang lebih baik tidak terletak pada material itu sendiri, tetapi pada keseluruhan lingkungan reaksi, termasuk elektrolit.”
“Ini menunjukkan bahwa hidroksida berkontribusi terhadap korosi. Di sisi lain, kami beralasan bahwa jika Anda menghilangkan sumber korosi, Anda menghilangkan korosi,” jelas penulis pertama Guiji Liu, ilmuwan proyek LiSA di Divisi Ilmu Kimia Lab Berkeley.
Mengungkap petunjuk tak terduga untuk korosi
Dalam perangkat elektronik, pasangan elektron-lubang terpisah menjadi elektron dan lubang untuk menghasilkan muatan. Tapi begitu dipisahkan, jika elektron dan lubang tidak digunakan untuk menghasilkan listrik, seperti pada perangkat fotovoltaik yang mengubah sinar matahari menjadi listrik, atau untuk melakukan reaksi dalam perangkat fotosintesis buatan, mereka dapat bereaksi dengan material dan menurunkannya.
Dalam fotosintesis buatan, rekombinasi ini dapat menimbulkan korosi tembaga oksida jika tidak dikontrol dengan benar. Para ilmuwan telah lama berasumsi bahwa elektron adalah satu-satunya penyebab korosi oksida tembaga. Tetapi yang mengejutkan Toma dan Liu, simulasi komputer yang dilakukan di Pusat Komputasi Ilmiah Riset Energi Nasional (NERSC) menunjukkan bahwa lubang juga berperan. “Sebelum penelitian kami, kebanyakan orang berasumsi bahwa degradasi yang disebabkan oleh cahaya dalam oksida tembaga terutama disebabkan oleh elektron, bukan lubang,” kata Liu.
Simulasi juga mengisyaratkan solusi potensial untuk ketidakstabilan yang melekat pada tembaga oksida: PEC tembaga oksida dilapisi dengan perak di bagian atas, dan emas/oksida besi di bawahnya. “Skema Z” ini, yang terinspirasi oleh transfer elektron yang terjadi dalam fotosintesis alami, seharusnya menciptakan “corong” yang mengirimkan lubang dari oksida tembaga ke “wastafel” emas/besi oksida. Selain itu, keragaman bahan pada antarmuka harus menstabilkan sistem dengan menyediakan elektron tambahan untuk bergabung kembali dengan lubang oksida tembaga, jelas Toma.
Untuk memvalidasi simulasi mereka, para peneliti merancang model fisik perangkat fotosintesis buatan skema-Z di lab LiSA Toma di Berkeley Lab. Yang membuat mereka senang, perangkat ini menghasilkan etilen dan hidrogen dengan selektivitas yang belum pernah terjadi sebelumnya – dan selama lebih dari 24 jam. “Ini adalah hasil yang mendebarkan,” kata Toma.
“Kami berharap pekerjaan kami mendorong orang untuk merancang strategi yang beradaptasi dengan fitur intrinsik bahan semikonduktor dalam perangkat fotosintesis buatan,” tambah Liu.
Para peneliti berencana untuk melanjutkan pekerjaan mereka pada pengembangan perangkat bahan bakar surya baru untuk produksi bahan bakar cair dengan menggunakan pendekatan baru mereka. “Memahami bagaimana bahan berubah saat mereka berfungsi dalam perangkat fotosintesis buatan dapat memungkinkan perbaikan preventif dan aktivitas yang berkepanjangan,” simpul Toma.
Referensi: “Investigation and mitigation of degradation mechanisms in Cu2O photoelectrodes for CO2 reduction to ethylene” by Guiji Liu, Fan Zheng, Junrui Li, Guosong Zeng, Yifan Ye, David M. Larson, Junko Yano, Ethan J. Crumlin, Joel W. Ager, Lin-wang Wang and Francesca M. Toma, 8 November 2021, Nature Energy. DOI: 10.1038/s41560-021-00927-1