Limbah Pabrik Kertas Menjadi Katalis untuk Hidrogen Hijau

Mengubah Limbah Pabrik Kertas Menjadi Katalis Hidrogen

Kunci agar produksi hidrogen hijau dapat menjadi salah satu fondasi ekonomi adalah menekan biayanya hingga mampu bersaing dengan bahan bakar fosil maupun bahan bakar cair sintetis lainnya.

Prosesnya juga harus dibuat seberkelanjutan mungkin, sebab mengganti pencemaran dari bahan bakar fosil dengan jenis pencemaran lain justru akan berlawanan dengan tujuan awal.

Kurangnya investasi dan infrastruktur juga menjadi masalah, sesuatu yang hendak diatasi oleh megaproyek seperti European Hydrogen Backbone (EHB).

Namun, kendala utama produksi hidrogen tetap berada pada katalisnya. Elektrolisis hidrogen sejak lama mengandalkan katalis mahal berbahan platina atau paladium. Karena kedua logam ini sangat langka dan mahal, seperti dijelaskan dalam “Berinvestasi pada Platina – Katalis Universal”, elektroliser hidrogen pun menjadi sangat mahal.

Untungnya, berbagai alternatif mulai bermunculan, misalnya batang nano nikel, bola berongga nano berbahan besi, silikon karbida untuk fotokatalisis, dan oksida kobalt–tungsten.

Para peneliti di Universitas Pertanian Shenyang dan Universitas Teknologi Guangdong, Tiongkok, kini mengusulkan pilihan baru yang bahkan lebih berkelanjutan: memanfaatkan limbah produksi kertas sebagai katalis.

Mereka menerbitkan temuannya di Biochar dengan judul “Serat karbon turunan lignin bermuatan NiO/Fe3O4 untuk meningkatkan reaksi evolusi oksigen”.

Evolusi Oksigen untuk Produksi Hidrogen

Air tersusun atas atom oksigen dan hidrogen (H₂O). Untuk menghasilkan hidrogen yang dapat digunakan (H₂), atom oksigennya harus diubah menjadi oksigen atmosfer.

Tahap ini biasanya termasuk yang paling sulit direkayasa agar berlangsung efisien tanpa membuang energi listrik. Di tahap inilah katalis mahal dibutuhkan.

Alih-alih menggunakan katalis tersebut, para peneliti memanfaatkan lignin, komponen kayu yang tersisa sebagai produk sampingan ketika pulp kayu dimurnikan menjadi kertas. Proses tersebut mengekstraksi selulosa dan meninggalkan lignin yang tidak diinginkan.

Produksi lignin tahunan melampaui 70 juta ton. Saat ini lignin sering sekadar dibakar untuk menghasilkan energi, meskipun dayanya kecil, hanya demi membuangnya.

“Evolusi oksigen merupakan salah satu hambatan terbesar bagi produksi hidrogen yang efisien.

Penelitian kami menunjukkan bahwa katalis berbahan lignin, produk sampingan bernilai rendah dari industri kertas dan biorefineri, mampu memberikan aktivitas tinggi serta daya tahan luar biasa. Ini menawarkan jalur yang lebih ramah lingkungan dan ekonomis menuju produksi hidrogen berskala besar.

— Yanlin Qin, Universitas Teknologi Guangdong

Membuat Lignin Menjadi Katalis Hidrogen

Serat Karbon sebagai Katalis

Secara umum, kerangka karbon dianggap ideal sebagai katalis karena memiliki luas permukaan besar, porositas yang dapat diatur, sifat kimia inert, dan konduktivitas listrik yang sangat baik.

Namun, bahan lain seperti serat poliakrilonitril atau serat karbon hasil pertumbuhan CVD memiliki kegunaan terbatas akibat biaya tinggi, proses produksi mahal, atau karakteristik kimia yang kurang memadai.

Para peneliti menyadari bahwa struktur lignin yang kaya senyawa aromatik dan mikrostrukturnya yang kompleks menjadikannya prekursor karbon yang menjanjikan untuk membuat bahan karbon berpori berkinerja tinggi.

Mikrotekstur lignin yang tidak teratur dapat mengikat nanopartikel logam atau oksida logam yang sangat halus. Jaringan seratnya yang saling terhubung juga menyediakan jalur elektronik langsung dan saluran makropori terbuka bagi arus listrik. Selain itu, jejak karbon siklus hidup produksi lignin diperkirakan kurang dari 0,5 kg CO₂-ekuivalen per kg, lebih dari sepuluh kali lebih rendah daripada bahan berbasis karbon lain yang telah diusulkan.

Membuat Katalis Lignin

Lignin, poliakrilonitril (PAN), dan prekursor logam (Ni²⁺, Fe³⁺) dilarutkan bersama dalam N,N-dimetilformamida (DMF), lalu diproses melalui pemintalan listrik untuk membentuk serat prekursor yang seragam.

Bahan tersebut kemudian dikarbonisasi untuk menghasilkan serat karbon turunan lignin dengan katalis logam yang tertanam merata di dalam serat.

Bahan yang dihasilkan dianalisis menggunakan mikroskop elektron transmisi, yang memperlihatkan nanopartikel NiO/Fe₃O₄ tertambat pada serat karbon turunan lignin.

Sambungan berskala nano antara NiO dan Fe₃O₄ juga teramati dan diperkirakan dapat mempermudah transfer elektron serta meningkatkan aktivitas reaksi evolusi oksigen.

Analisis lanjutan menggunakan difraksi sinar-X (XRD), spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS), dan spektroskopi Raman mengungkap komposisi struktural katalis sekaligus kondisi terbaik untuk pembentukan sambungan NiO dan Fe₃O₄.

Mengukur Kinerja Katalisis

Geser untuk menggulir →

Aktivitas reaksi evolusi oksigen kemudian diukur dan dibandingkan dengan bahan NiO serta Fe₃O₄ ketika keduanya digunakan secara terpisah.

Hasilnya menunjukkan bahwa reaksi kimia untuk menghasilkan hidrogen paling kuat ketika kedua katalis logam hadir bersamaan. Katalis ini juga terbukti stabil dalam jangka panjang: lebih dari 50 jam operasi terus-menerus tidak menimbulkan kerusakan berarti.

Para ilmuwan kemudian menyelidiki reaksi yang berlangsung secara lebih mendalam. Mereka membuktikan bahwa reaksi mengikuti mekanisme evolusi-adsorpsi (jalur AEM), dengan penyerapan elektron secara berturut-turut serta pembentukan sementara atom dan molekul oksigen bermuatan.

Aplikasi

Pemanfaatan lignin dan besi yang sangat murah, serta nikel yang relatif terjangkau, untuk menciptakan katalis hidrogen yang efisien, murah, dan tahan lama membuka dua peluang sekaligus:

• Pemanfaatan lignin, produk sampingan karbon yang saat ini dibakar, menjadi katalis energi hijau sebagai gantinya.
• Kemungkinan produksi massal katalis hidrogen dengan metode yang dapat dengan cepat diskalakan.

Karena seluruh metode dan bahan dalam penelitian ini mudah ditingkatkan skalanya, bahan tersebut berpotensi menjadi katalis alternatif pertama untuk produksi hidrogen yang tidak memakai logam langka golongan platina sekaligus dapat segera diterapkan pada produksi massal.

Penelitian lanjutan masih diperlukan untuk menilai stabilitas lignin termodifikasi dalam jangka sangat panjang, lebih dari satu tahun pemakaian terus-menerus atau tidak teratur, pada kondisi nyata. Dampak perubahan kelembapan, suhu, sinar ultraviolet, dan faktor lainnya harus diuji untuk memastikan kelayakannya sebagai katalis hidrogen skala industri.

Berinvestasi dalam Produksi Hidrogen

Plug Power adalah pemimpin dalam hidrogen hijau, dengan fokus pada sel bahan bakar. Perusahaan melaporkan lebih dari 72.000 sel bahan bakar terpasang di lebih dari 300 lokasi, dengan jejak besar dalam armada penanganan material. Khususnya, sel bahan bakarnya menggerakkan lebih dari 40.000 forklift, dengan pendapatan meningkat 8 kali lipat sejak 2013.

Perusahaan juga aktif dalam membangun infrastruktur hidrogen, seperti produksi hidrogen, logistik, pembangkit listrik skala utilitas, dan pengiriman.

Perusahaan menargetkan skala produksi yang dapat menurunkan biaya hidrogen dari 10 dolar AS per kg menjadi 4 dolar AS per kg, sembari meningkatkan produksi 14 kali lipat pada 2027. Plug Power juga berencana mengganti seluruh pasokan hidrogen eksternal yang sering dijual kembali kepada pelanggan dengan kerugian.

Akibat investasi besar untuk meningkatkan kapasitas produksi hingga 19 kali lipat sejak 2020, perusahaan belum meraih laba. Namun, kemajuan dalam memproduksi hidrogennya sendiri semestinya dapat mengubah keadaan tersebut.

Perusahaan memandang solusinya sebagai bahan bakar mobilitas langsung maupun pelengkap kendaraan listrik. Hidrogen dapat mengurangi tekanan pada jaringan listrik saat permintaan pengisian kendaraan listrik mencapai puncak, yang waktunya tidak selalu bertepatan dengan periode produksi energi terbarukan pada siang hari.

Sebagai produsen utama sel bahan bakar, Plug Power akan sangat diuntungkan oleh peralihan menuju ekonomi berbasis hidrogen. Katalis sel bahan bakar yang lebih murah dapat diintegrasikan ke dalam desainnya serta mendorong adopsi kendaraan hidrogen dan penyimpanan energi skala jaringan.

Karena itu, Plug Power merupakan saham yang dapat dipertimbangkan untuk mengambil posisi pada peralihan umum menuju hidrogen. Setiap penemuan metode yang lebih murah untuk memproduksi, menyimpan, mengangkut, atau menggunakan hidrogen dapat meningkatkan permintaan atas sel bahan bakarnya.

(Anda dapat membaca lebih lanjut tentang Plug Power dalam laporan investasi khusus kami tentang perusahaan ini.)

Berita dan Perkembangan Saham Plug Power (PLUG) Terbaru

Studi yang Dirujuk

^{1. Xuezhi Zeng, Yutao Pan, Yi Qi, Yanlin Qin, & Xueqing Qiu. Serat karbon turunan lignin yang dimuat dengan NiO/Fe3O4 untuk mempromosikan reaksi evolusi oksigen. BiocharX. 1, Article number: e011. 27 November 2025. https://www.maxapress.com/article/doi/10.48130/bchax-0025-0011}