Jalur Baru untuk Produksi Hidrogen yang Lebih Efisien Ditemukan

Menemukan Katalis Hidrogen yang Tepat

Hydrogen secara teori dapat menjadi bahan bakar sempurna untuk menyimpan energi dan menggerakkan aplikasi yang sulit dielektrifikasi. Hal ini karena ia memiliki beberapa karakteristik yang hampir ideal:

• Produk sampingan pembakarannya hanya air
  • Dan hal yang sama dapat dikatakan ketika ia digunakan untuk menghasilkan listrik dalam sel bahan bakar.
• Ia dapat terbakar pada suhu sangat tinggi, menjadikannya alternatif yang baik untuk gas alam dalam metalurgi, proses kimia, dll.
• Ia hanya memerlukan air sebagai sumber untuk produksinya.
• Hidrogen sendiri tidak beracun dan tidak mencemari.

Namun, pertumbuhan ekonomi berbasis hidrogen terhambat oleh kesulitan memproduksi hidrogen secara biaya-efektif. Hal ini disebabkan karena sebagian besar hidrogen hijau (diproduksi dari energi hijau) dibuat melalui elektrolisis, proses yang saat ini sebagian besar bergantung pada katalis mahal seperti platinum, rutenium, atau iridium, masing‑masing logam yang sangat langka dan mahal.

Jadi selama tidak ada metode produksi hidrogen yang lebih baik, kecil kemungkinannya kita akan melihatnya menggantikan bahan bakar fosil secara skala besar.

Beruntung, hal ini cepat berubah. Kami sebelumnya telah membahas beberapa kemungkinan ini, terutama mengubah limbah plastik menjadi hidrogen, menggunakan nanorods nikel sebagai katalis alternatif, atau menggunakan logam bekas titanium dan nikel (swarf) yang dihasilkan selama pembuatan komponen logam. Beberapa opsi baru kini ditambahkan oleh peneliti.

Yang pertama adalah penciptaan katalis yang dapat mengoptimalkan diri sendiri¹ oleh peneliti di Johannes Gutenberg Universität (Jerman) dan Technical University of Darmstadt (Jerman), Max Planck Institute for Polymer Research (Jerman), Harbin Institute of Technology (Cina), dan Shandong University (Cina). Penelitian ini dipublikasikan dalam Angewandte Chemie dengan judul “Self-optimizing Cobalt Tungsten Oxide Electrocatalysts toward Enhanced Oxygen Evolution in Alkaline Media.”

Yang kedua adalah penemuan metode untuk mengubah lumpur limbah cair menjadi hidrogen hijau dan pakan ternak² oleh peneliti di Nanyang Technological University (Singapura), Monash University (Australia), dan University of Hong Kong (Cina). Penelitian ini dipublikasikan dalam Nature Water dengan judul “Solar-driven sewage sludge electroreforming coupled with biological funnelling to cogenerate green food and hydrogen”.

Memperbaiki Katalis Hidrogen

Masalah yang berulang pada semua katalis yang menghasilkan hidrogen adalah mereka mengalami degradasi seiring waktu. Hal ini dapat disebabkan oleh deposit yang terbentuk pada logam reaktif, atau lapisan logam itu sendiri yang perlahan terdegradasi dan kehilangan komponen pada setiap siklus katalisis.

Hal ini terutama menjadi masalah bagi katalis mahal dari kelompok logam platina, namun juga menjadi isu bagi jenis katalis berbasis logam lainnya.

Jadi, penting bahwa peneliti Jerman dan Cina dari studi pertama yang dibahas di sini telah mengamati perilaku pengoptimalan diri pada katalis baru mereka.

“Yang unik tentang katalis kami adalah bahwa ia sebenarnya meningkatkan kinerjanya seiring waktu, sementara katalis konvensional hanya mempertahankan kinerjanya pada tingkat yang konsisten atau bahkan kehilangan sebagian kinerjanya karena tidak cukup tahan lama,”
Dr. Dandan Gao – Research Lead at Johannes Gutenberg University Mainz

Katalisis Kobalt-Tungsten

Mengatasi Titik Kerapatan Produksi Hidrogen

Para peneliti memfokuskan pada apa yang disebut oksida logam transisi 3d hingga 5d, yang diformulasikan sebagai logam campuran.

Mereka dapat melakukan reaksi kimia yang disebut reaksi evolusi oksigen (OER), yang merupakan setengah dari reaksi yang terjadi selama elektrolisis air menjadi hidrogen, pada kedua desain elektroliser paling umum (elektroliser AEM dan PEM).

Sumber: SpectroInlet

 “Ada dua reaksi selama pemisahan air. Reaksi evolusi hidrogen (HER), yang menghasilkan gas hidrogen, dan reaksi evolusi oksigen (OER), yang menghasilkan gas oksigen. OER merupakan titik kerapatan untuk seluruh reaksi. Itulah mengapa kami sangat berkomitmen mengembangkan katalis yang dapat mempromosikan setengah reaksi OER.”
Dr. Dandan Gao – Research Lead at Johannes Gutenberg University Mainz

Namun, katalis potensial baru ini masih dipahami secara terbatas, dengan pengetahuan yang sedikit tentang apa yang sebenarnya terjadi pada tingkat atom selama reaksi, atau bahkan bentuk elektrokimia yang diambil logam.

Kurangnya pemahaman ini menjadi hambatan besar dalam mengembangkan solusi yang dapat dipasarkan, karena juga membatasi kemampuan menambatkan katalis pada substrat yang stabil.

Metode Deposit Satu Langkah

Para peneliti menggunakan substrat mikro-bunga tembaga oksida (L−CuO) dengan diameter 3–5 µm, yang sebelumnya dikembangkan di laboratorium mereka pada tahun 2020.

Kemudian mereka menggunakan metode deposit kimia untuk membuat lapisan paduan kobalt-tungsten di permukaan substrat tembaga.

Sumber: Angewandte Chemie

Analisis selanjutnya mengungkap struktur mikroskopik kompleks material, menggunakan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS), spektroskopi inframerah transformasi Fourier refleksi total teredam (ATR-FTIR), dan pengukuran spektroskopi Raman.

Hal ini juga mengkonfirmasi bahwa katalis sangat kuat terikat pada substrat tembaga.

“Pengembangan pendekatan deposit yang dapat diandalkan dan dapat diskalakan memiliki signifikansi teknologi, ekonomi, dan ekologi yang sangat tinggi, memungkinkan penambatan stabil pre-katalis OER pada substrat menjanjikan yang dipilih dengan integritas mekanik tinggi”
Source: Angewandte Chemie

Katalis yang Mengoptimalkan Diri Sendiri

Berdasarkan pengamatan yang sangat detail ini, para ilmuwan menemukan bahwa ion kobalt beralih dari bentuk Co₂₊ ke Co₃₊. Pada saat yang sama, ion tungsten juga berpindah dari bentuk W5+ ke W6+.

Akibatnya, seiring waktu, bagian yang aktif secara elektrokimia dari katalis dipindahkan dari situs aktif tungsten ke situs aktif kobalt.

Sumber: Angewandte Chemie

Katalis juga berubah dalam hal hidrofilisitas permukaan, atau kemampuannya menarik air (bahan bakar untuk produksi hidrogen): seiring waktu, ia menjadi lebih hidrofilik.

“Secara umum, kami mencatat penurunan overpotensial yang signifikan dan peningkatan densitas arus yang disertai dengan peningkatan substansial dalam kinetika OER. Semua ini merupakan kabar baik untuk produksi hidrogen di masa depan.”
Dr. Dandan Gao – Research Lead at Johannes Gutenberg University Mainz

Ini harus menjadi langkah kuat dalam menjadikan oksida logam transisi sebagai katalis yang dapat diandalkan untuk produksi hidrogen.

Tidak hanya ini menunjukkan bahwa tim ilmuwan telah mengembangkan substrat tembaga yang dapat diandalkan untuk katalis, tetapi juga bahwa katalis semacam itu dapat sangat stabil, bahkan meningkat seiring waktu.

Ini juga menyediakan kerangka teoritis untuk mengevaluasi potensi kombinasi logam transisi lain yang belum dipahami sebaik kobalt-tungsten saat ini.

Tidak Perlu Katalis?

Menangani Lumpur Kota

Sementara itu, produksi hidrogen juga dapat mulai berasal dari aliran limbah masif yang dihasilkan kota-kota kita. Ini setidaknya merupakan konsep yang dieksplorasi oleh peneliti dari Singapura, Cina, dan Australia.

Mereka memfokuskan pada lumpur limbah cair, produk sampingan beracun dari pembersihan air limbah. Lumpur ini terkenal sulit diproses dan dibuang karena struktur, komposisi, dan kontaminan kompleks seperti logam berat dan patogen.

Lebih dari 100 juta ton lumpur limbah cair dihasilkan secara global setiap tahun. Metode pembuangan umum—seperti pembakaran atau penimbunan—memakan waktu, tidak efisien energi, dan berkontribusi pada polusi lingkungan.

Sebaliknya, ia dapat menjadi sumber pakan ternak dan hidrogen secara bersamaan.

Mengubah Lumpur menjadi Sumber Daya

Para peneliti mengembangkan proses 3 langkah untuk mengolah lumpur.

Pertama, mereka secara mekanik menghancurkan lumpur menjadi cairan. Kemudian mereka menghilangkan logam berat dari bahan organik melalui perlakuan kimia.

Selanjutnya, mereka menggunakan proses elektrokimia untuk mengubah bahan organik menjadi produk berharga: asam asetat dan gas hidrogen, menggunakan elektroda khusus.

Akhirnya, mereka memberi kultur bakteri yang dapat memanfaatkan cahaya (sianobakteri) untuk mengubah sisa konten organik menjadi protein sel tunggal yang cocok untuk pakan ternak.

Baik langkah kedua maupun ketiga dipower langsung (dalam kasus bakteri) atau tidak langsung dengan panel surya (dalam kasus perlakuan elektrokimia) menggunakan sinar matahari.

Hal ini menjadikan seluruh proses daur ulang lumpur sepenuhnya bebas karbon, bahkan bersifat negatif karbon karena menghindari emisi karbon dari proses normal lumpur, dan menggantikan sumber berbasis bahan bakar fosil lainnya untuk asam asetat, hidrogen, dan pakan ternak.

Hidrogen dapat digunakan sebagai sumber energi bersih, dan asam asetat adalah bahan penting untuk industri makanan dan farmasi.

Sumber: Nature Water

Efisiensi Tinggi

Metode ini telah terbukti dapat memulihkan 91,4% karbon organik dalam lumpur limbah cair dan mengubah 63% karbon organik menjadi protein sel tunggal.

Ini jauh lebih tinggi dibandingkan pencernaan anaerob tradisional, yang biasanya memulihkan dan mengubah sekitar 50% bahan organik dalam lumpur limbah cair.

Secara keseluruhan, ini mengurangi emisi karbon sebesar 99,5% dan penggunaan energi sebesar 99,3% dibandingkan metode tradisional.

“Kami berharap metode yang kami usulkan menunjukkan kelayakan pengelolaan limbah secara berkelanjutan dan mengubah persepsi tentang lumpur limbah cair — dari limbah menjadi sumber berharga yang mendukung energi bersih dan produksi makanan berkelanjutan.”
Dr Zhao Hu, Research fellow at Nanyang Technological University

Selain efisiensi tinggi ini, metode ini juga memurnikan lumpur dari logam berat, yang cenderung mencemari tempat pembuangan akhir pada metode biasa.

Metode baru ini menunjukkan bahwa revolusi dalam penanganan air limbah di dunia mungkin terjadi, menghilangkan logam berat (mungkin untuk didaur ulang nanti?) dan menghasilkan asam asetat, hidrogen, serta pakan ternak yang berguna sekaligus.

Kesimpulan

Ekonomi hidrogen kemungkinan akan menjadi jaringan kompleks dari berbagai sumber hidrogen.

Kemungkinan besar, satuannya akan berupa katalis canggih yang melakukan elektrolisis air menjadi hidrogen, tanpa memerlukan logam langka yang mahal. Hal ini akan menurunkan biaya hidrogen cukup rendah untuk menjadikannya pesaing secara ekonomi yang layak terhadap bahan bakar fosil dan alternatif hijau lainnya.

Sumber lain yang mungkin adalah memanfaatkan lebih baik jutaan ton limbah yang dihasilkan oleh pertanian, air limbah, dan aktivitas manusia lainnya. Karena limbah ini memang harus diproses, jauh lebih baik kita mulai memprosesnya dengan cara yang menghilangkan polutan (seperti logam berat) dan menciptakan produk berguna baru.

Dan jika hal ini dilakukan sepenuhnya dengan tenaga surya, semakin baik.

Perusahaan Katalisis Tungsten

Tungsten secara bertahap muncul tidak hanya sebagai logam super tahan, yang digunakan dalam industri berat dan sektor pertahanan, tetapi juga sebagai katalis kuat yang berguna untuk industri kimia dan menghasilkan hidrogen.

Bahkan dapat menjadi superkonduktor suhu tinggi yang kuat ketika ditenun dalam konfigurasi molekuler yang tepat.

Anda dapat membaca ikhtisar teknis dan investasi tentang sumber daya ini dalam “Tungsten – The Secret High-Tech Metal”.

Ini juga merupakan logam yang rantai pasokannya hampir seluruhnya dikendalikan oleh China, dengan satu pengecualian, Almonty Industries.

Almonty Industries

Almonty adalah penambang tungsten yang saat ini sebagian besar memproduksi dari tambang di Portugal, yang telah beroperasi selama 125 tahun terakhir.

Perusahaan ini telah bekerja memperluas tambang Portugal dan memiliki deposit yang belum dikembangkan di Spanyol.

Sumber: Almonty

Proyek terpenting perusahaan ini adalah pengembangan berkelanjutan tambang baru di Sangdong, Korea Selatan. Tambang tersebut mengandung lebih banyak sumber daya terindikasi daripada semua deposit lainnya digabungkan.

Sumber: Almonty

Sebagai salah satu penambang tungsten aktif dan produksi di negara Barat, Almonty merupakan pemasok strategis utama untuk industri pertahanan. Jadi, perusahaan ini penting untuk mengurangi ketergantungan pada pasokan China.

Lokasi tambang Sangdong menjadikannya pemasok sempurna untuk industri pertahanan, dengan Korea Selatan, raksasa baru dalam produksi massal peralatan militer “teknologi rendah” seperti tank, artileri, dan amunisi (dibandingkan dengan pesawat tempur, kapal induk, dll. yang membutuhkan tungsten lebih sedikit).

“Sementara China bersiap membuka tambang tungsten raksasa di Kazakhstan, Almonty siap untuk “secara signifikan mengubah politik yang terlibat dalam mengamankan tungsten” ketika Proyek Tungsten Korea Almonty di Sangdong mulai beroperasi dalam beberapa bulan. Ketika produksi dimulai, itu akan menjadi salah satu tambang tungsten terbesar di dunia, menyumbang 30% dari pasokan non-China.”
Lewis Black, director, president, and CEO of Almonty Industries

Almonty diperkirakan akan mulai memproduksi tungsten dari tambang Korea pada awal hingga pertengahan 2025.

Karena posisinya yang strategis sebagai satu-satunya pemasok besar di Barat, Almonty ditawari harga terjamin oleh Plansee. Plansee adalah produsen logam berperforma tinggi dan salah satu klien besar Almonty, serta pemilik 15% perusahaan.

Harga terjamin minimum adalah $235/MTU (unit metrik ton), tanpa batas atas. Karena Tambang Sangdong menargetkan biaya kas $110/mtu, ini seharusnya secara virtual menjamin margin keuntungan tinggi untuk proyek tersebut.

Dengan timing yang beruntung, hampir sempurna antara pembukaan Sangdong yang akan datang dan perang dagang baru antara Amerika Trump dan China, harga saham bereaksi kuat dan naik 40% dalam hanya 2 hari setelah pengumuman pembatasan ekspor tungsten dari China.

Seiring tungsten menjadi semakin penting untuk aplikasi teknologi tinggi, serta ketegangan geopolitik yang tetap tinggi, pasokan tungsten yang aman, tidak dari China kemungkinan akan menghasilkan premi stabil, dengan Almonty menjadi salah satu penerima manfaat terkuat.

Referensi Studi:

^{1. Christean Nickel et al. (2025) Self-optimizing Cobalt Tungsten Oxide Electrocatalysts toward Enhanced Oxygen Evolution in Alkaline Media. Angewandte Chemie. 05 Februari 2025 https://doi.org/10.1002/anie.202424074} 

 ^{2. Hu Zhao, et al. (2024) Solar-driven sewage sludge electroreforming coupled with biological funnelling to cogenerate green food and hydrogen. Nature Water. Volume 2, pages1102–1115. https://doi.org/10.1038/s44221-024-00329-z}