Katalis Non-Noble Membuka Jalan untuk Hidrogen Terjangkau

Saat dunia beralih dari bahan bakar fosil untuk mengurangi krisis pemanasan global, hidrogen semakin menjadi sorotan sebagai ‘bahan bakar masa depan.’

Hal ini disebabkan oleh beberapa alasan, termasuk ketersediaan air yang melimpah, hasil energi yang lebih tinggi, hanya menghasilkan air sebagai produk sampingan, serta emisi gas rumah kaca (GHG) yang minimal atau tidak ada. Kualitas ini membuat hidrogen bersih dapat digunakan dalam berbagai aplikasi seperti transportasi, pembangkit listrik, pemanasan, dan industri, termasuk baja, kimia, dan semen.

Meskipun hidrogen menunjukkan potensi besar dalam mendekarbonisasi masyarakat kita, sebagian besar H2 yang diproduksi saat ini berasal dari bahan bakar fosil (metana) itu sendiri, yang menghasilkan emisi CO2 yang signifikan. Ini berarti diperlukan alternatif yang dapat diskalakan untuk menghasilkan hidrogen hijau dan bersih.

Akibatnya, penelitian yang sedang berlangsung berfokus pada penemuan cara yang efisien dan ramah lingkungan untuk memproduksi bahan bakar hidrogen.

HER: Jalur Menjanjikan untuk Produksi Hidrogen Hijau

Salah satu pendekatan menjanjikan untuk memproduksi hidrogen hijau yang telah menarik perhatian signifikan adalah elektrolisis air.

Reaksi kunci yang terjadi dalam elektrolisis air untuk produksi hidrogen adalah reaksi evolusi hidrogen (HER), proses fundamental dalam elektrokimia.

Elektrolisis air hanyalah penggunaan listrik untuk memecah air menjadi oksigen (O2) dan gas hidrogen (H2), menyediakan cara yang efisien dan bersih untuk memproduksi bahan bakar hidrogen dalam skala besar.

Berkat kehilangan Ohmik yang kecil (yaitu energi potensial yang hilang dalam bentuk panas saat muatan listrik mengalir melalui medium), kepadatan arus yang tinggi, dan tingkat lintas gas yang rendah, memperluas proses HER skala laboratorium ke elektroliser air membran pertukaran proton (PEM) komersial menyediakan jalur berkelanjutan menuju hidrogen hijau.

Dalam elektrolisis PEM, hidrogen diproduksi dengan memecah air menggunakan listrik dan elektrolit polimer padat. Dalam proses ini, pertama, listrik diterapkan untuk memisahkan molekul air menjadi ion hidrogen (proton), elektron, dan oksigen. Proton kemudian bergerak melalui membran, polimer konduktif proton yang memisahkan anoda dan katoda, sementara elektron mengalir melalui sirkuit eksternal.

Di anoda, molekul air teroksidasi, menghasilkan hanya oksigen, proton, dan elektron. Di katoda, proton dan elektron bergabung membentuk gas hidrogen.

Metode ini digunakan untuk memproduksi hidrogen bagi sel bahan bakar selain juga diterapkan dalam berbagai proses industri seperti produksi pupuk, penyulingan minyak bumi, dan petrokimia.

Namun masalah muncul karena kondisi kerja yang keras, seperti antarmuka elektrolit‑katalis asam reduktif yang kuat. Lingkungan ini menyebabkan elektroliser PEM komersial harus menggunakan katoda Platinum (Pt), yang tidak melimpah, sehingga mahal, untuk mempertahankan aktivitas tinggi.

Kondisi keras tersebut membuat katoda semacam itu (berbasis logam non‑berharga) tidak cocok untuk elektroliser membran pertukaran proton (PEM).

Penerapan nyata PEM yang luas, pada skala terawatt, memerlukan katalis murah untuk menggantikan logam mulia. Sementara pencarian katoda berbasis logam non‑berharga yang cocok untuk komersialisasi PEM terus berlanjut, hal ini tetap menantang.

Di sini, fosforida logam transisi (TMP) telah menunjukkan potensi sebagai katalis HER, namun penggunaannya untuk menggantikan logam mulia masih dalam tahap awal. Alasan utama adalah kurangnya pemahaman tentang toleransi dalam kondisi kerja keras, serta pemantauan rotasi situs aktif selama proses produksi hidrogen.

Strategi Rekonstruksi Permukaan Menghasilkan Bahan Bakar Hidrogen yang Terjangkau

Baru-baru ini, penggunaan nanopartikel CoP sebagai katoda dilaporkan dapat dengan mudah diintegrasikan ke dalam elektroliser air PEM industri, menunjukkan potensi aplikasi komersialnya.

Namun, masalahnya adalah meningkatkan skala reaksi HER dari percobaan laboratorium ke produksi komersial berskala besar sambil menjaga biaya tetap rendah, yang telah dicapai oleh studi terbaru.

Menurut temuan yang dipublikasikan dalam Advanced Energy Materials¹ pada April 2025, tim peneliti di Universitas Tohoku telah menunjukkan penggunaan yang diperluas dari katoda CoP|F (CoP yang dimodifikasi dengan F) dari skala laboratorium (0.2 cm²) ke elektroliser PEM komersial (38 cm²).

Saat mencari kinerja HER yang superior, para peneliti menemukan bahwa jalur rekonstruksi permukaan dapat menciptakan katoda berbasis logam non‑mulia yang tahan lama dan meningkatkan HER.

Katoda ini dapat mempertahankan kinerjanya selama lebih dari 300 jam. Selain itu, biaya yang dihitung oleh tim juga sangat mendekati target produksi H2 tahun 2026 yang ditetapkan oleh Departemen Energi AS, yaitu $2,00 per kg H2.

Untuk mempercepat reaksi HER, yang secara alami lambat dan tidak efisien, tim beralih ke TMP. Fosforida logam transisi merupakan logam non‑berharga yang hemat biaya dan tahan lama. Ini adalah katalis yang menjanjikan dengan struktur elektronik unik dan aktivitas katalitik tinggi, yang meningkatkan efisiensi HER.

Dengan logam mulia biasanya digunakan untuk tujuan ini, para peneliti percaya ada kesenjangan pengetahuan tentang logam non‑mulia yang perlu diisi.

Katalis logam non‑mulia mengacu pada bahan alternatif yang hemat biaya dan tersedia secara melimpah dibandingkan logam mulia. Katalis logam non‑mulia ini menyediakan reaktivitas yang dapat disesuaikan, artinya dapat dimodifikasi sesuai kebutuhan untuk meningkatkan stabilitas, selektivitas, dan aktivitas dalam berbagai proses katalitik.

Jadi, tim menyiapkan CoP yang dimodifikasi dengan F dan kemudian menggunakan spektroskopi penyerapan sinar‑X (XAS) operando serta pengukuran Raman untuk menilai berbagai karakteristiknya, seperti rekonstruksi permukaan dan situs aktif yang sebenarnya.

Hasilnya mengonfirmasi bahwa penambahan fluor ke dalam kisi CoP1‑x dapat mempromosikan pemutusan ikatan Co‑P, menghasilkan rekonstruksi Co logam amorf. Pembentukan situs vakansi fosfor (P) pada permukaan menciptakan lebih banyak situs aktif, yang mempercepat HER.

Permukaan yang direkonstruksi menunjukkan aktivitas tinggi dan toleransi dalam antarmuka elektrolit‑katalis asam reduktif. Secara khusus, ketika digunakan sebagai katoda dalam elektroliser PEM komersial, kinerja katoda CoP|F) sebanding dengan katalis Pt/C canggih dengan biaya hanya $2.17 per kgH2‑1.

“Co yang direkonstruksi ini sangat aktif, berfungsi dalam kondisi asam, dan dapat mempertahankan sekitar 76 W selama lebih dari 300 jam,” kata Heng Liu, asisten profesor di Advanced Institute for Materials Research (WPI‑AIMR). “Kami semakin dekat dengan metode terjangkau untuk memproduksi bahan bakar,” tambahnya, mencatat biaya hanya 17 sen di atas target produksi saat ini yang ditetapkan untuk 2026.

Dengan hasil mengesankan ini, para peneliti berharap dapat menyediakan jalur rekonstruksi permukaan untuk katoda berbasis logam non‑mulia yang sangat efisien, hemat biaya, dan tahan lama bagi elektroliser PEM komersial.

Lebih penting lagi, pengaturan ini tidak hanya diuji pada skala laboratorium dengan tiga elektroda tetapi benar-benar diperluas ke skala komersial. Dan dengan desain rasional untuk katoda baru, yang dapat menjadi dasar bagi katoda berbasis logam non‑mulia lainnya, studi ini berpotensi menjembatani kesenjangan dari laboratorium ke pabrik.

“Kami selalu memikirkan tujuan akhir, yaitu penelitian dapat masuk ke kehidupan sehari-hari. Kemajuan ini membawa kami selangkah lebih dekat untuk merancang opsi yang lebih realistis bagi aplikasi PEM komersial.”

– Liu

Kemajuan dalam Produksi Hidrogen Bersih

Dengan hidrogen muncul sebagai sumber energi bersih dan terbarukan yang menjanjikan, banyak fokus saat ini pada produksi hidrogen yang efisien yang dapat memenuhi permintaan skala komersial, dengan minat lebih besar pada pemisahan air yang digerakkan listrik.

Elektrolisis air dapat dibagi menjadi dua reaksi: reaksi evolusi hidrogen (HER), di mana air direduksi di katoda untuk menghasilkan hidrogen, dan reaksi evolusi oksigen (OER), di mana air dioksidasi di anoda untuk menghasilkan O2. Dalam kedua kasus, katalisis memainkan peran utama, menciptakan kebutuhan akan katalis yang sangat efektif untuk menghasilkan H2 dan O2 secara efisien.

Baru bulan ini, dalam penelitian lain dari AIMR, Universitas Tohoku, para peneliti mengusulkan kerangka katalis baru, menawarkan pendekatan potensial untuk produksi hidrogen murah melalui elektrolisis air. Fokus di sini, bagaimanapun, adalah pada OER.

Material ini berfokus pada Co3O4 (oksida kobalt(II, III)) kristal tunggal berpori mesoporous (material berpori dengan diameter pori 2–50 nm) yang didoping dengan iridium (Ir) yang tersebar secara atomik, dirancang untuk OER asam.

Meskipun dikenal karena kinerjanya pada OER, Ir langka dan mahal. Selain itu, penggunaan iridium secara efisien sambil mempertahankan stabilitas menjadi tantangan dalam skala teknologi. Jadi, studi ini menyajikan solusi melalui material yang memaksimalkan efisiensi pada tingkat atom.

Dengan struktur spinel mesoporous, katalis dapat memiliki muatan Ir tinggi (13,8 wt%) tanpa membentuk klaster iridium besar, memungkinkan pembentukan situs jembatan Co‑Ir. Saat berada dalam kondisi OER asam, situs-situs ini menunjukkan aktivitas bawaan yang tinggi.

Untuk menganalisis ini, penelitian menggabungkan data eksperimental dengan pemodelan komputasi, yang menunjukkan bahwa intermediat oksigen (O*) sepenuhnya menutupi permukaan Co3O4. Hal ini umumnya mempasifkan situs Co, namun doping Ir mengaktifkan kembali situs tersebut sekaligus meningkatkan integritas struktural katalis.

Studi ini menurunkan kehilangan Ir dan Co menjadi sekitar seperempat dan seperlima, masing-masing. Selain itu, katalis mempertahankan kinerjanya selama lebih dari 100 jam.

“Arsitektur mesoporous memainkan peran penting. Ia menyediakan ruang untuk pemuatan Ir atom tunggal dan membantu menciptakan lingkungan stabil bagi aktivitas katalitik.”

– Profesor Hao Li, peneliti utama

Fokus pekerjaan masa depan akan pada penyesuaian tingkat doping, skala proses mereka, dan kemudian integrasinya ke dalam sistem elektroliser komersial.

Studi lain yang meneliti katalis iridium ekonomis mencatat bahwa analisis menunjukkan untuk memenuhi permintaan hidrogen dunia untuk transportasi menggunakan Elektroliser Membran Pertukaran Proton (PEM‑WE) diperlukan material anoda berbasis iridium kurang dari 0,05 mgIr/cm². Namun, katalis terbaik yang saat ini tersedia di pasar, terbuat dari iridium oksida, mengandung sekitar 40 kali lipat jumlah tersebut.

Kabar baiknya, solusi untuk hal ini sudah sedang dikembangkan. Proyek Kopernikus P2X dari Heraeus Group menciptakan nanokatalis berbasis iridium baru yang efisien, yang terbuat dari lapisan tipis iridium oksida (IrO2) pada dukungan titanium dioksida (TiO₂) berskala nano.

Katalis P2X menunjukkan stabilitas luar biasa bahkan dalam operasi jangka panjang dan tampil lebih baik daripada patokan yang lebih kristalin.

Selain bekerja pada berbagai teknik untuk membuat produksi hidrogen yang hemat biaya, dapat diskalakan, dan ramah lingkungan, peneliti di seluruh dunia juga mengeksplorasi cara menyimpannya secara efisien, membantu hidrogen bersih mencapai adopsi di dunia nyata.

Awal tahun ini, tim ilmuwan dengan dukungan Departemen Energi AS menunjukkan cara baru untuk menyimpan dan melepaskan hidrogen yang mudah menguap. Ini mengatasi salah satu tantangan utama penggunaan hidrogen sebagai sumber bahan bakar: biaya tinggi dan ketidakefisienan penyimpanan serta transportasi karena densitasnya yang rendah dan sifatnya yang mudah meledak.

Apa yang dilakukan para ilmuwan di sini adalah mengembangkan jenis bahan bakar jet berbasis lignin yang dapat mengikat hidrogen secara kimia dalam bentuk cair yang stabil. Teknologi ini, menurut Profesor Bin Yang dari Washington State University, “dapat memungkinkan penyimpanan hidrogen berkapasitas tinggi secara efisien dalam bahan bakar penerbangan berkelanjutan yang mudah ditangani, menghilangkan kebutuhan akan tangki bertekanan untuk penyimpanan dan transportasi.”

Proses baru tersebut menggunakan reaksi kimia yang menghasilkan karbon aromatik dan hidrogen dari bahan bakar jet lignin eksperimental yang dikembangkan di laboratorium. Lignin, yang ditemukan pada tumbuhan, adalah polimer alami dan bahan kedua paling melimpah di Bumi.

Dalam langkah selanjutnya, para peneliti akan merancang katalis berbasis AI untuk meningkatkan reaksi, menjadikannya lebih efisien dan hemat biaya.

Perusahaan Inovatif

Cummins Inc (CMI )

Penyedia solusi tenaga global, Cummins Inc., beroperasi melalui berbagai segmen, termasuk Engine, Components, Distribution, Power Systems, dan Accelera.

Perusahaan ini secara luas mengeksplorasi dan memanfaatkan teknologi mesin hidrogen untuk membantu membangun masa depan berkelanjutan. Cummins pertama kali memasuki ekonomi hidrogen pada 2019 dengan akuisisi Hydrogenics, produsen sel bahan bakar hidrogen dan elektroliser. Sejak itu, perusahaan terus membuat kemajuan.

Ini mencakup peluncuran mesin ICE Hidrogen 15 L dan mesin Gas Alam 15 L. Portofolio Cummins juga mencakup solusi penyimpanan hidrogen dan pengembangan teknologi sel bahan bakar.

Beberapa tahun lalu, Accelera juga memulai operasi produksi elektroliser di Minnesota, situs produksi elektroliser pertama Cummins di AS.

“Elektrolisis skala besar untuk menghasilkan hidrogen hijau adalah elemen kunci dalam dekarbonisasi transportasi dan industri.”

– Amy Davis, Presiden Accelera pada saat itu.

Pada Maret 2025, sementara itu, Cummins menjadi anggota pendiri Hydrogen Engine Alliance of North America (H2EA‑NA), inisiatif yang dibentuk oleh para ahli di akademisi, pemerintah, dan industri transportasi untuk mempromosikan mesin pembakaran internal hidrogen (H2‑ICE) dan penerapannya pada mesin laut serta kendaraan dan peralatan jalan raya dan off‑road.

Mengenai kinerja pasar perusahaan, saham Cummins telah mengalami tren naik yang kuat selama lebih dari dua dekade. Perjalanan ini ditandai dengan penurunan di sepanjang jalan, memberikan peluang bagus bagi investor untuk membeli. Penurunan hampir 16 % pada saham Cummins sejauh ini tahun ini dapat dipandang dengan cara yang sama.

Pada saat penulisan, saham CMI diperdagangkan pada $294,16, yang menempatkan kapitalisasi pasar Cummins pada $40,38 miliar. Dengan itu, perusahaan memiliki EPS (TTM) sebesar 28,17, P/E (TTM) sebesar 10,41, dan ROE (TTM) sebesar 41,27 %. Menariknya, Cummins juga menawarkan dividen sebesar 2,48 %, menjadikannya peluang investasi yang berpotensi menarik.

Berbicara tentang keuangan, pada 2024, tahun yang perusahaan sebut “transformasional” karena membuat “kemajuan signifikan dalam strategi Destination Zero” dan menghasilkan “hasil rekor”, pendapatan tetap pada $34,1 miliar.

Ini merupakan hasil penjualan di Amerika Utara yang meningkat 1 % meskipun mencatat penurunan permintaan truk berat, dan pendapatan internasional turun 1 % dibandingkan tahun sebelumnya. Salah satu penyebabnya adalah Atmus Filtration Technologies (ATMU ) , yang memisahkan diri dari Cummins tahun lalu menjadi perusahaan independen sepenuhnya. Selain itu, Accelera mengalami reorganisasi, yang menghasilkan beban biaya akibat keputusan untuk menyederhanakan operasi dan memfokuskan investasi.

Laba bersih Cummins untuk tahun penuh 2024 adalah $3,9 miliar, atau $28,37 per saham terdilusi, yang meningkat signifikan karena keuntungan terkait pemisahan Atmus.

Untuk tahun ini, Cummins memperkirakan pendapatannya berada dalam kisaran penurunan 2 % hingga kenaikan 3 % karena permintaan yang “sedikit lebih lemah” yang diperkirakan di Amerika Utara. Namun, perusahaan tetap berkomitmen pada tujuan strategis jangka panjangnya untuk mengembalikan 50 % arus kas operasi kepada pemegang saham.

Pada 2024, Cummins sebenarnya meningkatkan dividen tunai saham biasa untuk tahun ke-15 berturut-turut, mengembalikan $969 juta kepada pemegang saham melalui dividen.

Pengembangan lain yang dilakukan perusahaan tahun lalu meliputi peluncuran platform mesin Cummins HELM (Higher Efficiency, Lower Emissions and Multiple Fuels) yang diterapkan di seluruh portofolio mesin seri B, X10, dan X15 serta peluncuran mesin baru khusus untuk lini truk menengah Isuzu milik produsen mobil Jepang.

Selain itu, Accelera, EVE Energy, Daimler Trucks & Buses, dan PACCAR (PCAR ) membentuk usaha patungan bernama Amplify Cell Technologies untuk melokalisasi produksi sel baterai dan rantai pasokan baterai di AS. Amplify telah memulai konstruksi pabrik 21 GWh, dengan target produksi pada 2027.

Terbaru tentang Cummins Inc.

Kesimpulan

Alternatif menjanjikan bagi bahan bakar fosil adalah hidrogen bersih. Komponen penting dari strategi dekarbonisasi global ini menawarkan kepadatan energi tinggi, produk sampingan yang tidak mencemari, dan fleksibilitas di berbagai sektor, menjadikannya krusial untuk mengembangkan metode produksi hidrogen yang hemat biaya.

Elektrolisis PEM adalah salah satu pendekatan yang dapat membantu memajukan upaya transisi energi dunia. Di sini, peneliti Universitas Tohoku menggantikan katalis platinum mahal dengan alternatif logam non‑berharga yang direkayasa permukaannya, menandai langkah penting dalam menjadikan hidrogen bersih secara komersial dapat diandalkan.

Manfaat biaya yang mendekati target biaya DOE AS, dan skala peningkatan katoda CoP|F dalam elektroliser PEM dunia nyata menunjukkan bahwa kita berpotensi membuka hidrogen bersih sebagai solusi massal untuk kebutuhan energi global!

Klik di sini untuk mempelajari mengapa hidrogen masih dapat menjadi bahan bakar masa depan.

Studi yang Dirujuk:

1. ​Wu, R., Liu, H., Xu, J., Qu, M.-R., Qin, Y.-Y., Zheng, X.-S., Zhu, J.-F., Li, H., Su, X.-Z., & Yu, S.-H. (2025). Rekonstruksi permukaan mengaktifkan katoda logam non‑mulia untuk elektroliser air membran pertukaran proton. Advanced Energy Materials, 15(10), 2405846. https://doi.org/10.1002/aenm.202405846