Membuka Produksi Hidrogen Efisien untuk Energi Bersih

Pertumbuhan terus-menerus populasi dunia dan ekonomi telah menyebabkan peningkatan signifikan dalam permintaan energi, sekitar 80% di antaranya dipenuhi oleh bahan bakar fosil. Sumber daya ini tidak hanya berkurang secara dramatis tetapi juga bertanggung jawab atas peningkatan yang signifikan dalam gas rumah kaca (GHG) di lingkungan.

Akibatnya, kini ada fokus yang semakin besar pada sumber energi terbarukan, seperti matahari, angin, air, bahan organik, dan panas Bumi.

Berasal dari sumber daya alam yang dapat memperbaharui diri, sumber energi terbarukan penting untuk sistem energi bersih dan berkelanjutan. Namun, mereka menghadapi banyak tantangan, termasuk ketersediaan yang tidak teratur, biaya awal yang tinggi, keterbatasan geografis, dan kebutuhan ruang yang luas. 

Inilah tempat hidrogen masuk ke dalam gambar. Permintaan global untuk hidrogen naik menjadi 97 juta ton (Mt) pada 2023, naik 2,5% dari tahun sebelumnya. 

Peran Hidrogen dalam Transisi Energi Bersih

Elemen paling ringan di alam semesta, hidrogen, telah muncul sebagai solusi menjanjikan untuk mencapai ekosistem energi yang lebih berkelanjutan karena fleksibilitasnya dan kemampuannya menyimpan sejumlah besar energi relatif terhadap beratnya.

Ia bukan sumber utama seperti matahari melainkan sumber sekunder, karena harus diproduksi dari bahan mentah lain seperti air, gas alam, atau biomassa.

Ketika diproduksi menggunakan bahan bakar fosil seperti gas alam (yang saat ini merupakan metode paling umum), hidrogen bukan energi bersih, karena menyumbang emisi CO2 tahunan yang signifikan.

Namun, ketika digunakan dalam sel bahan bakar, hidrogen menghasilkan hanya uap air sebagai produk sampingan, menjadikannya bahan bakar bersih.

Sebagai pembawa energi yang serbaguna, hidrogen dapat membantu mengatasi beberapa tantangan energi kritis. Ia dapat mendukung integrasi energi terbarukan ke dalam sistem listrik dengan menyimpan energi selama minggu atau bahkan bulan.

Hidrogen dengan emisi rendah yang diproduksi dengan energi nuklir atau terbarukan, atau bahan bakar fosil menggunakan penangkap karbon, dapat membantu mendekarbonisasi berbagai sektor. Industri berat dan transportasi jarak jauh, di mana pengurangan emisi sangat menantang, dapat sangat diuntungkan darinya. Produksi hidrogen ini, bagaimanapun, masih berperan marginal, di bawah 1% pada 2023.

Hidrogen sebenarnya dapat dihasilkan dari berbagai teknologi. Salah satu metode paling efisien untuk memproduksi hidrogen berkelanjutan adalah melalui elektrolisis air. Dalam elektrolisis yang memakan banyak energi ini, listrik digunakan untuk memisahkan air menjadi hidrogen dan oksigen. Teknologi ini sudah berkembang baik dan tersedia secara komersial, meskipun perkiraan efisiensi energinya sekitar 52%.

Pendekatan lain adalah plasmolisis, yang telah menunjukkan hasil energi sebanding dengan elektrolisis, dengan keuntungan tambahan berupa konsumsi daya yang lebih rendah, biaya utama yang lebih murah, dan ukuran peralatan yang lebih kecil. Kemajuan terbaru dalam mikrofluida dan mikro-plasma telah membuat produksi hidrogen melalui plasmolisis uap air menguntungkan dalam hal efisiensi energi.

Cara lain untuk menghasilkan hidrogen untuk listrik meliputi fotokatalisis, biohidrogen, dan proses termokimia.

Geser untuk menggulir →

Meskipun teknologi hidrogen menjanjikan, penggunaannya secara luas masih menghadapi kesulitan dalam hal biaya produksi, efisiensi, dan keberlanjutan lingkungan secara keseluruhan. Mengingat kebutuhan akan sumber energi yang lebih bersih, peneliti di seluruh dunia terus mencari solusi untuk masalah ini dengan material baru dan teknologi yang lebih baik.

Inovasi Katalis yang Mendorong Efisiensi Hidrogen

Seiring teknologi hidrogen berkembang dari konsep ke komersialisasi, salah satu tantangan utama adalah material yang membuat sistem ini efisien dan dapat diskalakan. Untuk mengatasi hal ini, ilmuwan sedang mengerjakan berbagai pendekatan.

Misalnya, sebuah studi dari Kantor Pusat Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, yang dipublikasikan bulan ini di Nature, memperkenalkan katalis besi kecil sebagai alternatif platinum dalam sel bahan bakar membran pertukaran proton (PEMFC), dengan potensi mengubah masa depan energi bersih.

PEMFC adalah perangkat energi bersih yang menghasilkan listrik dari hidrogen dan oksigen, dengan air sebagai satu-satunya produk sampingan. Namun, mereka sangat bergantung pada platinum yang langka dan mahal sebagai katalis. Jadi, untuk membantu adopsi luasnya, peneliti telah mengembangkan katalis berbasis besi berperforma tinggi untuk sel bahan bakar ini.

Dengan desain cerdas “aktivasi dalam, perlindungan luar”, katalis baru ini dapat mencapai kinerja luar biasa sambil mengurangi produk sampingan berbahaya.

Meskipun katalis Fe/N–C termasuk alternatif paling menjanjikan untuk katalis logam grup platinum, aktivitas dan daya tahannya belum memenuhi kriteria kinerja. Oleh karena itu, tim merancang dan mengembangkan jenis baru katalis Fe/N–C yang terbuat dari banyak nanoprotrusi yang tersebar pada lapisan karbon 2D dengan situs atom Fe tunggal yang tertanam di dalam permukaan melengkung dalam nanoprotrusi.

Sebagai hasilnya, katalis baru tersebut mampu memberikan kinerja PEMFC bebas logam grup platinum “salah satu yang berperforma terbaik”, dengan retensi aktivitas 86% bahkan setelah lebih dari 300 jam operasi kontinu.

Teknologi kunci lain untuk memproduksi hidrogen secara netral iklim melalui elektrolisis air adalah Elektrolisis Air Membran Pertukaran Proton (PEM-WE).

Untuk mempercepat reaksi yang diinginkan, elektroda dilapisi dengan elektrokatalis khusus. Untuk anoda, katalis berbasis iridium biasanya digunakan, terutama untuk reaksi evolusi oksigen (OER) asam.

OER adalah langkah produksi oksigen dalam proses pemisahan air yang menghasilkan energi hidrogen bersih, namun tetap menantang dan tidak efisien. Reaksi ini paling efektif ketika katalis berbasis iridium digunakan.

Ditemukan pada tahun 1803, Iridium tidak terdapat dalam bentuk murni di alam tetapi secara komersial diperoleh sebagai produk sampingan dari produksi platinum, palladium, nikel, atau tembaga.

Iridium adalah logam padat dan keras yang tetap tidak terpengaruh oleh udara, air, dan asam. Karena sifat-sifat ini, iridium digunakan dalam busi, peralatan ilmiah, katalis, tinta konduktif untuk elektronik, dan pengobatan kanker.

Logam ini jarang digunakan dalam bentuk murni karena kesulitan dalam persiapan dan fabrikasi; sebaliknya, ia digunakan dalam bentuk paduan platinum.

Iridium (Ir), bagaimanapun, adalah logam bernilai tinggi dan salah satu elemen paling langka yang secara alami terdapat di kerak Bumi. Bijih yang mengandung iridium ditemukan di Afrika Selatan, Amerika Serikat (Alaska), Brasil, Rusia, Myanmar, dan Australia.

Kelangkaannya, bersama dengan permintaan tinggi dari industri seperti elektronik, menjadikannya sangat mahal. Iridium sebenarnya lebih berharga daripada emas, dengan biaya hampir $5.000 per ons.

Jadi, masuk akal bahwa ilmuwan terus mencari logam baru untuk menggantikan Iridium guna membantu adopsi skala besar PEMWE. Penemuan alternatif non-Ir, bagaimanapun, tidak mudah dan tetap lambat karena ruang desain yang luas.

Beberapa bulan lalu, sebuah studi dari Advanced Institute for Materials Research (AIMR) di Universitas Tohoku merinci katalis kristal berpori baru sebagai solusi efisien dan tahan lama untuk produksi hidrogen bersih melalui elektrolisis air.

Material dalam studi ini adalah Co3O4 kristalin tunggal mesopori yang didoping dengan Iridium yang tersebar secara atomik untuk OER asam.

Struktur spinel mesopori memainkan peran kunci, karena memungkinkan pemuatan Ir tinggi (13,8% berat) tanpa terbentuknya klaster iridium besar. Selain menyediakan ruang untuk pemuatan Ir, arsitektur ini juga membantu menciptakan lingkungan yang stabil.

Katalis mempertahankan kinerjanya selama lebih dari 100 jam dengan hanya 248 mV overpotential (η₁₀).

Dalam studi terbaru lainnya, peneliti telah menciptakan “megalibrary” untuk mengeksplorasi aktivitas katalitik jutaan nanostruktur berbeda yang terdiri dari beberapa logam kunci, membantu mencari alternatif katalis Ir untuk OER secara skala dan cepat.

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana katalis non-noble membuka jalan bagi hidrogen terjangkau.

Penemuan Katalis Cepat dengan Nanoteknologi

Studi terbaru sebenarnya menemukan katalis baru untuk produksi bahan bakar hidrogen yang hemat biaya dan energi.

Diterbitkan bulan ini di Journal of the American Chemical Society (JACS), penemuan katalis ini dibuat menggunakan megalibrary nanopartikel baru, dan kinerjanya setara atau melampaui kinerja Iridium dalam produksi bahan bakar hidrogen, dengan biaya yang jauh lebih rendah.

Selama bertahun-tahun, peneliti telah mencari alternatif untuk Iridium. Namun apa yang memakan waktu puluhan tahun kini ditemukan dalam satu sore menggunakan alat baru yang kuat yang dikembangkan oleh ilmuwan dari Northwestern University.

Alat yang baru diciptakan ini disebut megalibrary, yang merupakan “pabrik data” nanomaterial pertama di dunia. Setiap perpustakaan ini berisi jutaan nanopartikel berbeda pada satu chip kecil.

Teknologi ini kemudian digunakan, bekerja sama dengan peneliti dari Toyota Research Institute (TRI), untuk menemukan katalis yang relevan secara komersial untuk produksi hidrogen. Material tersebut kemudian ditingkatkan skalanya, dan terbukti berfungsi dalam sebuah perangkat. Semua ini dilakukan dalam waktu rekor.

Untuk menemukan katalis baru, peneliti menggunakan empat logam murah dan melimpah, yang semuanya dikenal karena performa katalitiknya. Logam-logam ini adalah:

1. Kobalt (CO)
2. Kromium (CR)
3. Mangan (MN)
4. Rutenium (Ru)

Megalibrary kemudian digunakan untuk menyaring kombinasi luas dari logam-logam ini secara cepat guna menemukan material baru yang kinerjanya dapat menandingi Iridium.

Tim memang menemukan satu material baru yang sebanding dengan material berbasis Iridium komersial dalam kinerja laboratorium. Dalam beberapa kasus, kinerjanya bahkan melampaui mereka dengan biaya yang jauh lebih rendah.

Penemuan ini berpotensi membuat hidrogen hijau terjangkau.

Selain itu, material baru tersebut menunjukkan efektivitas pendekatan megalibrary, yang dapat mengubah cara peneliti menemukan material baru untuk berbagai aplikasi.

Menurut penulis senior studi Chad A. Mirkin, yang merupakan penemu utama platform megalibrary dan yang sebenarnya memperkenalkan megalibrary sekitar satu dekade yang lalu pada 2016:

“Kami telah melepaskan apa yang mungkin merupakan alat sintesis paling kuat di dunia, yang memungkinkan pencarian kombinasi besar yang tersedia bagi ahli kimia dan ilmuwan material untuk menemukan material yang penting.”

Dalam proyek megalibrary, tim “menyalurkan kemampuan itu ke masalah utama yang dihadapi sektor energi.” Masalahnya, seperti yang dicatat oleh pionir nanoteknologi Mirkin, adalah:

“Bagaimana kita menemukan material yang sebaik Iridium tetapi lebih melimpah, lebih tersedia, dan jauh lebih murah? Alat baru ini memungkinkan kami menemukan alternatif yang menjanjikan dan menemukannya dengan cepat.”

Mirkin adalah Profesor Kimia di Weinberg College of Arts and Sciences Northwestern dan profesor teknik kimia dan biologi, teknik biomedis, serta ilmu dan teknik material di McCormick School of Engineering.

Hidrogen hijau merupakan kebutuhan kritis dunia, tetapi terbatas oleh ketergantungannya pada salah satu material paling langka untuk berfungsi.

“Tidak ada cukup iridium di dunia untuk memenuhi semua kebutuhan yang kami proyeksikan.”

– Ted Sargent, Profesor Kimia di Weinberg dan profesor teknik listrik serta komputer di McCormick

Sargent dan Mirkin bekerja bersama dalam proyek ini.

“Saat kami memikirkan pemisahan air untuk menghasilkan bentuk energi alternatif, tidak ada cukup iridium dari sudut pandang pasokan saja.”

– Sargent

Menemukan kandidat baru untuk menggantikan logam ini menjadi aplikasi sempurna untuk alat baru, yang dapat merevolusi proses penemuan material tradisional yang lambat dan menakutkan. Tidak seperti metode coba-coba tradisional, megalibrary baru memungkinkan identifikasi cepat komposisi optimal.

Setiap megalibrary dibuat dengan sekumpulan ratusan ribu ujung kecil berbentuk piramida untuk mencetak ‘titik’ individual pada permukaan. Setiap titik di sini menampilkan campuran garam logam yang dirancang dengan cermat, yang ketika dipanaskan, direduksi menjadi nanopartikel tunggal unik, masing-masing dengan ukuran dan komposisi yang tepat.

Menurut Mirkin:

“Anda dapat menganggap setiap ujung sebagai orang kecil di laboratorium kecil. Alih-alih satu orang kecil membuat satu struktur pada satu waktu, Anda memiliki jutaan orang. Jadi, pada dasarnya Anda memiliki pasukan lengkap peneliti yang dikerahkan pada sebuah chip.”

Secara total, chip tersebut memiliki 156 juta partikel, masing-masing terbentuk dari kombinasi berbeda Co, Cr, Mn, dan Ru. Sebuah pemindai robot kemudian menganalisis seberapa baik mereka dapat melakukan Reaksi Evolusi Oksigen (OER).

Kemampuan ini untuk menyaring partikel berdasarkan kinerja akhir mereka menjadi inovasi besar.

“Untuk pertama kalinya, kami tidak hanya dapat menyaring katalis dengan cepat, tetapi kami melihat yang terbaik berperforma baik dalam skala yang lebih besar.”

– Joseph Montoya, penulis bersama studi, ilmuwan riset senior di TRI

Berdasarkan penilaian, peneliti memilih 40 kandidat berperforma terbaik, mulai dari aktivitas rendah hingga tinggi, untuk pengujian lebih lanjut di laboratorium. Oksida RuCoMnCr ditingkatkan ke tingkat miligram sebelum dipelajari kinerjanya sebagai katalis.

Satu komposisi menonjol pada akhirnya. Kombinasi tepat keempat logam ini adalah: oksida Ru52Co33Mn9Cr6.

Jadi, tim berhasil memperoleh katalis multi-logam, yang sebenarnya diketahui lebih aktif daripada rekan-rekan logam tunggalnya.

“Katalis kami sebenarnya memiliki aktivitas sedikit lebih tinggi daripada iridium dan stabilitas yang luar biasa,” kata Mirkin. “Itu jarang karena biasanya rutenium kurang stabil. Namun elemen lain dalam komposisi menstabilkan rutenium.”

Katalis menghasilkan tegangan 1,58 V pada 1 A/cm² dan 1,77 V pada 3 A/cm².

Mengenai kinerja jangka panjang, katalis baru ini beroperasi lebih dari 1.000 jam dengan efisiensi tinggi dan stabilitas luar biasa dalam lingkungan asam yang keras, sambil biaya sekitar satu per enam belas Iridium.

“Masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan agar ini layak secara komersial, tetapi sangat menggembirakan bahwa kami dapat mengidentifikasi katalis menjanjikan dengan cepat – tidak hanya pada skala laboratorium tetapi juga untuk perangkat.”

– Montoya

Dalam proses menemukan katalis baru, tim telah menciptakan dataset material berkualitas tinggi yang besar, yang dapat membuka jalan bagi pembelajaran mesin dan AI untuk merancang generasi berikutnya dari material baru.

TRI, Northwestern, dan spin-out-nya Mattiq telah mengembangkan algoritma untuk mencari megalibrary dengan kecepatan luar biasa.

Namun, ini baru permulaan. Seperti AI, pendekatan megalibrary dapat meluas lebih dari sekadar penemuan katalis yang dipercepat untuk konversi energi untuk mengubah penemuan material bagi hampir semua teknologi, seperti komponen optik canggih, perangkat biomedis, baterai, dan lainnya.

“Kami akan mencari segala jenis material untuk baterai, fusi, dan lainnya,” kata Mirkin. “Dunia tidak menggunakan material terbaik untuk kebutuhannya. Orang menemukan material terbaik pada suatu titik waktu, dengan alat yang tersedia. Masalahnya, kini kami memiliki infrastruktur besar yang dibangun di sekitar material tersebut, dan kami terjebak dengan mereka. Kami ingin membalikkan itu. Saatnya benar‑benar menemukan material terbaik untuk setiap kebutuhan – tanpa kompromi.”

Berinvestasi pada Kekuatan Hidrogen

Bloom Energy Corp (BE ) terlibat dalam pembangkitan listrik sel bahan bakar stasioner. Ia menyediakan dua produk secara komersial: Bloom Electrolyzer untuk memproduksi hidrogen dan Bloom Energy Server untuk menghasilkan listrik.

Perusahaan ini memproduksi hidrogen dari elektroliser terbesar di dunia, yang dipasang di NASA Ames Research Center, menghasilkan sekitar 25% lebih banyak hidrogen per megawatt dibandingkan elektroliser komersial seperti PEM atau alkali.

Sejauh ini, Bloom Energy telah menyebarkan 1,5 GW tenaga rendah karbon di lebih dari 1.200 instalasi secara global.

Dengan kapitalisasi pasar $12,38 miliar, saham BE diperdagangkan pada $53,15, naik 138,36% YTD. Baru-baru ini, saham perusahaan melampaui $55 mencapai level tertinggi baru berkat minat yang meningkat dari hyperscaler dan pusat data. Selain itu, pada bulan Juli, perusahaan mengamankan kesepakatan penting dengan Oracle (ORCL ) dan memberi isyarat akan lebih banyak kesepakatan serupa di masa depan.

Ia memiliki EPS (TTM) sebesar 0,11 dan P/E (TTM) sebesar 495,23.

Sebagai catatan keuangan, perusahaan melaporkan peningkatan pendapatan 19,5% YoY menjadi $401,2 juta untuk kuartal kedua yang berakhir pada 30 Juni 2025. Margin kotor untuk periode tersebut adalah 26,7% dan margin kotor non-GAAP adalah 28,2%. Kerugian operasional sebesar $3,5 juta, dan pendapatan operasional non-GAAP sebesar $28,6 juta.

“Seiring energi di lokasi menjadi semakin jelas, mengingat pertumbuhan AI yang cepat, belum pernah ada dorongan pasar yang lebih baik untuk produk Bloom. Tidak seperti alternatif, produk kami dirancang khusus untuk revolusi digital.”

– Pendiri dan CEO KR Sridhar

Berita Saham dan Perkembangan Terbaru Bloom Energy Corp (BE)

Kesimpulan

Elemen paling sederhana dan melimpah di alam semesta, hidrogen, menjanjikan jalur menuju masa depan yang lebih hijau. Elemen ini, pada akhirnya, memiliki potensi untuk menjembatani intermitensi energi terbarukan dan mendekarbonisasi sektor yang sulit dikurangi. Namun mewujudkan janji tersebut memerlukan investasi, inovasi, dan kolaborasi lintas industri.

Terobosan terbaru dalam katalis dan elektrolisis dapat membantu meningkatkan efisiensi produksi hidrogen, sehingga mempercepat transisi menuju ekonomi energi berkelanjutan.

Referensi:

1. Zhao, Y., Wan, J., Ling, C., et al. Reduksi oksigen asam oleh katalis Fe atom tunggal pada dukungan melengkung. Nature, 644, 668–675, published 13 Agustus 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6
2.  Wang, Y., Qin, Y., Liu, S., Zhao, Y., Liu, L., Zhang, D., Zhao, S., Liu, J., Wang, J., Liu, Y., Wu, H., Jia, B., Qu, X., Li, H., Qin, M. Partikel kristalin tunggal mesopori sebagai katalis evolusi oksigen asam yang kuat dan efisien. Journal of the American Chemical Society, 147(16), 13345–13355, published 8 April 2025. https://doi.org/10.1021/jacs.4c18390
3. Huang, J., Wang, Z., Liang, J., Li, X-Y., Pietryga, J., Ye, Z., Smith, P. T., Kulaksizoglu, A., McCormick, C. R., Kim, J., Peng, B., Liu, Z., Xie, K., Torrisi, S. B., Montoya, J. H., Wu, G., Sargent, E. H., Mirkin, C. A. Mempercepat laju penemuan katalis reaksi evolusi oksigen melalui megalibraries. Journal of the American Chemical Society, 147(34), published 19 Agustus 2025. https://doi.org/10.1021/jacs.5c08326