Mengekstraksi Bahan Bakar Bersih Dari Air: Menggunakan Teknologi Generasi Baru (Membran Penukar Proton) dan Katalis Berbiaya Rendah (Cobalt) yang inovatif

Diterbitkan Ulang Oleh Plato

Followers: 0

Laboratorium Nasional Argonne telah memelopori katalis berbasis kobalt berbiaya rendah yang meningkatkan efisiensi ekstraksi hidrogen dari air. Inovasi ini merupakan langkah penting menuju pencapaian tujuan DOE dalam mengurangi biaya produksi hidrogen ramah lingkungan secara signifikan.

Katalis baru mengurangi biaya yang terkait dengan menghasilkan hidrogen ramah lingkungan dari air.

Pasokan energi bersih yang melimpah sudah terlihat jelas. Ini adalah hidrogen yang dapat diekstraksi dari air (H₂o) menggunakan energi terbarukan. Para peneliti sedang mencari strategi hemat biaya untuk menghasilkan hidrogen bersih dari air, dengan tujuan menggantikan bahan bakar fosil dan memerangi perubahan iklim.

Hidrogen adalah sumber tenaga yang ampuh untuk kendaraan, yang hanya mengeluarkan air. Ini juga memainkan peran penting dalam beberapa proses industri, khususnya dalam produksi baja dan amonia. Penggunaan hidrogen yang lebih bersih di industri-industri ini akan sangat bermanfaat.

Sebuah tim multi-institusi yang dipimpin oleh Departemen Energi AS (DOE) Argonne National Laboratory telah mengembangkan katalis berbiaya rendah untuk proses yang menghasilkan hidrogen bersih dari air. Kontributor lainnya termasuk DOE Sandia National Laboratories dan Lawrence Berkeley National Laboratory, serta Giner Inc.

“Proses yang disebut elektrolisis menghasilkan hidrogen dan oksigen dari air dan telah ada selama lebih dari satu abad,” kata Di-Jia Liu, ahli kimia senior di Argonne. Beliau juga memegang penunjukan bersama di Pritzker School of Molecular Engineering di University of Chicago.

Elektroliser membran penukar proton (PEM) mewakili teknologi generasi baru untuk proses ini. Mereka dapat memecah air menjadi hidrogen dan oksigen dengan efisiensi lebih tinggi pada suhu mendekati kamar. Berkurangnya permintaan energi menjadikannya pilihan ideal untuk memproduksi hidrogen ramah lingkungan dengan menggunakan sumber terbarukan namun tidak tetap, seperti tenaga surya dan angin.

Ahli kimia senior Di-Jia Liu memeriksa sampel katalis di dalam tungku tabung setelah perlakuan panas sementara postdoc Chenzhao Li membawa reaktor tekanan untuk sintesis katalis. Kredit: Laboratorium Nasional Argonne

Elektroliser ini bekerja dengan katalis terpisah untuk masing-masing elektrodanya (katoda dan anoda). Katalis katoda menghasilkan hidrogen, sedangkan katalis anoda menghasilkan oksigen. Masalahnya adalah katalis anoda menggunakan iridium, yang harga pasarnya saat ini sekitar $5,000 per ons. Kurangnya pasokan dan mahalnya harga iridium menjadi hambatan utama dalam penerapan elektroliser PEM secara luas.

Bahan utama katalis baru ini adalah kobalt, yang jauh lebih murah dibandingkan iridium. “Kami berupaya mengembangkan katalis anoda berbiaya rendah dalam elektroliser PEM yang menghasilkan hidrogen dengan keluaran tinggi sekaligus mengonsumsi energi minimal,” kata Liu. “Dengan menggunakan katalis berbasis kobalt yang dibuat dengan metode kami, hambatan utama dalam biaya produksi hidrogen bersih dalam elektroliser dapat dihilangkan.”

Giner Inc., sebuah perusahaan penelitian dan pengembangan terkemuka yang berupaya mengkomersialkan elektroliser dan sel bahan bakar, mengevaluasi katalis baru menggunakan stasiun uji elektroliser PEM dalam kondisi operasi industri. Kinerja dan daya tahannya jauh melebihi katalis pesaing.

Penting untuk lebih meningkatkan kinerja katalis adalah memahami mekanisme reaksi pada skala atom dalam kondisi operasi elektroliser. Tim menguraikan perubahan struktural penting yang terjadi pada katalis dalam kondisi operasi dengan menggunakan analisis sinar-X di Advanced Photon Source (APS) di Argonne. Mereka juga mengidentifikasi fitur katalis utama menggunakan mikroskop elektron di Sandia Labs dan di Pusat Bahan Skala Nano (CNM) Argonne. APS dan CNM keduanya merupakan fasilitas pengguna DOE Office of Science.

“Kami mencitrakan struktur atom pada permukaan katalis baru pada berbagai tahap persiapan,” kata Jianguo Wen, ilmuwan material Argonne.

Selain itu, pemodelan komputasional di Berkeley Lab mengungkapkan wawasan penting tentang daya tahan katalis dalam kondisi reaksi.

Pencapaian tim ini merupakan langkah maju dalam inisiatif Hydrogen Energy Earthshot DOE, yang meniru “Moon Shot” program luar angkasa AS pada tahun 1960an. Tujuan ambisiusnya adalah menurunkan biaya produksi hidrogen ramah lingkungan menjadi satu dolar per kilogram dalam satu dekade. Produksi hidrogen ramah lingkungan dengan biaya sebesar itu dapat mengubah perekonomian negara. Aplikasinya meliputi jaringan listrik, manufaktur, transportasi, dan pemanas perumahan dan komersial.

nol

“Secara umum, hasil penelitian kami memberikan jalan maju yang menjanjikan dalam menggantikan katalis yang terbuat dari logam mulia yang mahal dengan unsur-unsur yang jauh lebih murah dan lebih melimpah,” kata Liu.

Referensi: “Katalis evolusi oksigen spinel kobalt yang didoping La dan Mn untuk elektrolisis membran penukar proton” oleh Lina Chong, Guoping Gao, Jianguo Wen, Haixia Li, Haiping Xu, Zach Green, Joshua D. Sugar, A. Jeremy Kropf, Wenqian Xu, Xiao-Min Lin, Hui Xu, Lin-Wang Wang dan Di-Jia Liu, 11 Mei 2023, Ilmu.
DOI: 10.1126/science.ade1499

Penelitian ini didukung oleh Kantor Efisiensi Energi dan Energi Terbarukan DOE, Kantor Teknologi Hidrogen dan Sel Bahan Bakar, serta pendanaan Penelitian dan Pengembangan yang Diarahkan Laboratorium Argonne.