Katalis Hidrogen Tanpa Platinum: Lompatan Maju dalam Teknologi Energi Bersih

Transisi energi bersih sedang terjadi di seluruh dunia seiring krisis iklim yang semakin memburuk menciptakan kebutuhan mendesak untuk mendekarbonisasi sistem energi. 

Berbeda dengan bahan bakar fosil seperti batu bara dan minyak, sumber energi bersih tidak melepaskan sejumlah besar gas rumah kaca (GRK) seperti metana, CO2, nitrat oksida, atau polutan lainnya selama produksinya, sehingga berkontribusi pada lingkungan yang lebih sehat.

Menariknya, energi bersih dapat berasal dari sumber terbarukan seperti matahari yang terus-menerus diperbaharui dan tersedia di seluruh planet, serta sumber tidak terbarukan seperti energi nuklir yang memanfaatkan sumber daya terbatas (uranium).

Dibandingkan dengan bahan bakar fosil, sumber energi bersih juga memiliki biaya pemeliharaan dan operasional yang lebih rendah, yang memungkinkan harga yang lebih stabil bagi konsumen.

Dengan demikian, industri energi bersih berkembang pesat, dengan investasi dalam teknologi cleantech yang mengurangi dampak lingkungan dan mendorong keberlanjutan, mencapai rekor $71 miliar pada Q3 2024, menurut Deloitte. 

Sekarang, terkait sumber energi bersih, berikut adalah yang paling menonjol:

1. Solar – Radiasi matahari dimanfaatkan di sini dengan teknologi seperti panel fotovoltaik (PV) yang mengubah sinar matahari langsung menjadi listrik. Pada tahun 2024, kapasitas solar global meningkat secara signifikan, menambahkan kapasitas PV sebesar 593 GW. 
2. Wind – Energi kinetik angin diubah menjadi listrik oleh turbin. Tergantung pada lokasi turbin, ada dua jenis: tenaga angin darat, di mana ladang angin berada di daratan, dan tenaga angin lepas pantai, di mana ladang angin berada di laut.
3. Water – Energi kinetik air yang mengalir digunakan untuk menghasilkan listrik, terutama melalui bendungan dan turbin. Hidroelektrik menyumbang sekitar 15% dari total pembangkit listrik.
4. Geothermal – Jenis energi ini dimanfaatkan melalui panas internal bumi dan diperoleh melalui pembangkit listrik tenaga panas bumi yang terletak di reservoir bawah tanah.  
5. Biomass – Di sini, bahan organik seperti limbah tanaman dan residu kehutanan dimanfaatkan. 
6. Nuclear  – Ini adalah energi atom dengan daya yang diperoleh dari fisi nuklir dan fusi nuklir. Menurut survei tenaga dan utilitas Deloitte, teknologi nuklir canggih akan memainkan peran paling penting dalam memenuhi peningkatan permintaan listrik dalam beberapa tahun ke depan.
7. Hydrogen – Hidrogen diproduksi dari berbagai sumber dan, ketika dikonsumsi dalam sel bahan bakar, hanya menghasilkan air. Departemen Energi AS (DOE) telah mengalokasikan $7 miliar untuk mengembangkan hub hidrogen.

Hidrogen sebagai Bahan Bakar Bersih yang Kuat

Elemen pertama dalam tabel periodik, hidrogen (H), adalah zat gas yang tidak berwarna, tidak berbau, tidak berasa, sangat mudah terbakar, dan tidak beracun. Ia juga merupakan unsur paling sederhana, paling ringan, dan paling melimpah.

Namun yang membuatnya sangat menarik adalah fakta bahwa ketika dibakar, hidrogen hanya menghasilkan uap air. Ketika diproduksi menggunakan energi terbarukan, khususnya hidrogen hijau dapat membantu mendekarbonisasi sektor seperti transportasi dan pembangkit listrik.

Di tengah meningkatnya kebutuhan energi masyarakat, hidrogen menawarkan sumber energi bersih yang sangat efisien yang berpotensi diproduksi dari berbagai sumber. Sebenarnya ia adalah pembawa energi yang dapat digunakan untuk memindahkan, menyimpan, dan menyampaikan energi yang dihasilkan dari sumber lain.

Sekarang, cara paling umum untuk memproduksi bahan bakar hidrogen adalah:

1. Thermal Process – Diproduksi menggunakan proses suhu tinggi yang disebut reformasi uap, hidrogen dihasilkan ketika uap bereaksi dengan bahan bakar hidrokarbon seperti gas alam, diesel, batubara yang digasifikasi, biomassa yang digasifikasi, dan bahan bakar cair terbarukan.
2. Electrolytic Process – Air (H2O) dipisahkan menjadi oksigen dan hidrogen menggunakan arus listrik. Proses ini terjadi di dalam elektroliser, di mana listrik mengalir melalui air, menyebabkan molekul terpisah.
3. Solar-driven Process – Cahaya digunakan untuk menghasilkan hidrogen dan mencakup pendekatan berbeda, seperti fotobiologis, fotoelektrokimia, dan termokimia surya. 
4. Biological Process – Hidrogen diproduksi melalui reaksi biologis menggunakan mikroba seperti bakteri dan mikroalga.

Sekarang, hidrogen memiliki potensi yang sangat tinggi untuk memenuhi kebutuhan energi bersih masyarakat, tetapi masalahnya adalah masih ada tantangan yang harus diatasi. Tantangan ini meliputi produksi massal, transportasi, dan penyimpanan. Selain itu, produksi hidrogen perlu stabil dan murah.

Reaksi evolusi hidrogen (HER) dianggap sebagai metode produksi hidrogen yang paling ramah lingkungan dan berkelanjutan. Ini adalah reaksi katodik yang melibatkan elektrolisis air.

Dalam proses elektrokimia pemisahan air ini, logam seperti platinum, nikel, dan logam transisi lainnya digunakan sebagai katalis yang mengurangi proton menjadi gas hidrogen.

Masalah di sini muncul dengan logam yang paling umum digunakan sebagai katalis, yaitu platinum, yang meskipun menawarkan kinerja katalitik yang sangat efisien, menghadapi masalah kelangkaan dan biaya. Oleh karena itu, fokus semakin meningkat pada katalis alternatif untuk meminimalkan konsumsi logam mulia.

Peran Platinum dalam Membuat Hidrogen Bersih

Logam berkilau berwarna perak-abu-abu yang kadang disamakan dengan perak, platinum (Pt) merupakan kunci untuk mencapai tujuan emisi net zero. Logam padat, lunak, dan berkilau ini sangat tidak reaktif dan tahan korosi, bahkan pada suhu tinggi.

Namun, ia merupakan logam yang sangat langka, lebih dari 30 kali lebih langka daripada emas, dengan konsentrasi hanya 0,005 ppm di kerak Bumi. Sebagai logam yang langka, platinum sulit dan mahal untuk ditambang, yang berarti produk akhir yang lebih mahal.

Logam ini terutama ditambang di Afrika Selatan, yang menyumbang lebih dari 70% pasokan platinum global, bersama Rusia, Zimbabwe, Kanada, dan AS.

Dalam hal penggunaan, platinum digunakan untuk membuat perhiasan, tetapi yang paling penting, ia dimanfaatkan dalam komponen elektronik dan konverter katalitik untuk mengurangi emisi transportasi. Pada tahun 2022, sekitar 85 ton logam ini digunakan hanya untuk konverter katalitik. Ia juga muncul sebagai mineral kritis dalam transisi energi global.

Logam ini sangat berharga dalam elektroliser, yang memiliki berbagai tipe, tetapi pengembang proyek hidrogen lebih menyukai elektrolisis membran pertukaran proton (PEM). Sebagai alternatif yang lebih efisien dibandingkan elektrolisis alkali, elektroliser PEM menggunakan platinum untuk membuat katalis dengan kinerja sangat tinggi.

Platinum juga digunakan dalam sel bahan bakar PEM, yang beroperasi seperti elektroliser PEM tetapi secara terbalik. Alih-alih memisahkan hidrogen dan oksigen, ia menggabungkannya menggunakan platinum sebagai katalis.

Sel bahan bakar hidrogen terdiri dari dua elektroda — anoda (elektroda negatif) dan katoda (elektroda positif) dengan elektrolit yang memisahkan keduanya. Sebuah katalis, berupa lapisan logam seperti platinum, pada anoda memecah molekul hidrogen menjadi proton dan elektron, yang bergerak menuju katoda untuk menghasilkan aliran listrik.

Konduktivitas dan stabilitas kimia yang luar biasa dari platinum menjadikannya sangat efisien sebagai katalis. Efisiensinya menjadi kunci untuk mencapai tingkat konversi energi yang tinggi dalam sel bahan bakar, memungkinkan mereka bersaing dengan sumber energi tradisional.

Seiring kebutuhan dekarbonisasi terus meningkat, permintaan akan platinum diperkirakan akan naik berkat teknologi PEM berbasis platinum yang memiliki potensi mencapai pengurangan emisi karbon dioksida global sebesar 11%.

Oleh karena itu, fokus pada logam ini semakin meningkat di seluruh dunia. Di AS, Inflation Reduction Act mencakup manfaat pajak untuk hidrogen rendah karbon dengan tujuan mempercepat produksi hidrogen bersih dan adopsi kendaraan listrik sel bahan bakar. REPowerEU oleh Komisi Eropa sekaligus bertujuan menggandakan kapasitas hidrogen bersih menjadi 80 GW pada tahun 2030.

Dorongan global ini, menurut World Platinum Investment Council, dapat menjadikan produksi hidrogen bersih sebagai sumber terbesar (35%) permintaan platinum pada tahun 2040.

Selain dinamika permintaan-pasokan yang tidak seimbang, penggunaan logam mulia seperti platinum menimbulkan tantangan tambahan, seperti biaya tinggi, potensi degradasi, dan masalah lingkungan. Akibatnya, peneliti terus bekerja mencari cara menghilangkan platinum sebagai katalis hidrogen dan menemukan alternatif yang lebih baik.

Klik di sini untuk mempelajari semua tentang investasi dalam Platinum.

Membuat Katalis Tanpa Platinum

Dalam upaya menghasilkan hidrogen tanpa platinum, peneliti dari UNSW Sydney sedang melakukan studi untuk mengatasi masalah yang terkait dengan penggunaan logam mulia dalam sel bahan bakar hidrogen. 

Para peneliti mengembangkan teknik baru untuk memahami mengapa beberapa material katalis memiliki stabilitas lebih rendah dibandingkan Pt, yang akan membantu peneliti lain mengembangkan material baru dan meningkatkan prospek masa depan katalis tanpa platinum dalam sel bahan bakar hidrogen.

Teknik yang dikembangkan mengungkapkan bahwa hingga 75% situs aktif berbasis besi dalam sel bahan bakar menjadi tidak aktif dalam 10 jam pertama operasi. Hal ini terutama disebabkan oleh kehilangan situs aktif besi, dengan korosi karbon sebagai alasan lain.

Dalam sebuah studi terpisah ¹, peneliti dari University of Wisconsin-Madison, Cornell University, dan Wuhan University menemukan cara baru dalam mengkatalisasi reaksi untuk membuat sel bahan bakar hidrogen.

Para peneliti menggunakan nikel, logam murah yang tidak mulia, untuk elektroda katoda dan anoda sel bahan bakar. Elektrokatalis berbasis nikel tersebut dirancang dengan lapisan selubung 2-nanometer yang terbuat dari karbon yang didoping nitrogen.

Menyematkan atom nikel tunggal dalam selubung mirip grafena yang terbuat dari atom karbon dan nitrogen membuatnya tahan terhadap oksidasi dan mengikat atom hidrogen dengan kekuatan ideal yang dibutuhkan untuk reaksi oksidasi hidrogen (HOR) yang efektif.

Jadi, dengan katalis anoda berupa inti nikel padat yang dibungkus dalam selubung karbon dan katoda berbasis kobalt-mangan, peneliti menciptakan sel bahan bakar hidrogen yang bebas dari logam mulia dengan output lebih dari 200 mW/cm².

Kembali pada tahun 2020, ilmuwan di Argonne National Laboratory milik DOE menemukan dan mengembangkan katalis tanpa platinum yang paling menjanjikan untuk sel bahan bakar hidrogen yang bergantung pada reaksi reduksi oksigen (ORR). Katalis tersebut berbasis besi, nitrogen, dan karbon, yang dicampur dan dipanaskan antara 900 hingga 1100 derajat Celsius dalam proses pirolisis.

Kemudian, atom besi dalam material tersebut diikat dengan atom nitrogen dan disematkan dalam grafena. Di sini, setiap atom besi menjadi situs di mana ORR dapat terjadi, sehingga meningkatkan efisiensi elektroda.

Di tengah meningkatnya minat untuk mengurangi ketergantungan pada platinum yang mahal dan meningkatkan efisiensi serta biaya sel bahan bakar hidrogen dan elektrolisis, ilmuwan kini telah mengembangkan katalis nanosheet berbasis palladium yang kinerjanya setara dengan platinum dalam produksi hidrogen.

Palladium sebagai Alternatif Platinum untuk Hidrogen yang Terjangkau

Studi terbaru² datang dari peneliti Tokyo University of Science (TUS) yang telah mengembangkan katalis evolusi hidrogen baru, bis(diimino)palladium coordination nanosheets (PdDI).

Palladium adalah logam berkilau, berwarna perak, dan salah satu logam kelompok platina yang paling melimpah dengan densitas jauh lebih rendah dibandingkan platinum.

Penggunaan palladium, yang menawarkan efisiensi serupa platinum dengan biaya yang jauh lebih rendah, membuka jalan bagi produksi hidrogen yang terjangkau dan berkelanjutan untuk mempercepat revolusi energi bersih.

Dipimpin oleh Profesor Hiroshi Nishihara dan Dr. Hiroaki Maeda dari TUS bekerja sama dengan peneliti dari institusi lain, studi ini menandai terobosan dalam teknologi reaksi evolusi hidrogen (HER).

Elektroda katalis HER memfasilitasi konversi H, yang diproduksi di permukaan elektroda selama pemisahan air, menjadi gas hidrogen (H2). Untuk mengatasi keterbatasan Pt yang membatasi aplikasi skala besar sebagai katalis HER, tim menawarkan alternatif yang sangat efisien untuk katalis platinum menggunakan proses sintesis sederhana.

Tim menciptakan nanosheet berbasis palladium yang memiliki kemampuan mencapai aktivitas katalitik tinggi dengan penggunaan logam mulia yang berkurang, yang secara signifikan menurunkan biaya produksi H2.

Seperti yang dicatat Dr. Maeda, “mengembangkan elektrokatalis HER yang efisien adalah kunci untuk produksi H2 yang berkelanjutan” dan “Bis(diimino)metal coordination nanosheets, dengan konduktivitas tinggi, area permukaan besar, dan transfer elektron yang efisien, merupakan kandidat yang menjanjikan.” Selain sifat-sifat ini, susunan logam yang jarang pada nanosheet mengurangi penggunaan material.

Nanosheet PdDI yaitu E-PdDI dan C-PdDI berhasil dikembangkan menggunakan dua metode berbeda:

1. Oksidasi elektrokimia
2. Sintesis antarmuka gas-cair

Setelah diaktifkan, lembaran E-PdDI menunjukkan overpotensial rendah sebesar 34 mV, yang berarti sedikit energi tambahan diperlukan untuk produksi hidrogen. Ini tidak hanya menyamai overpotensial platinum, yaitu 35 mV, tetapi juga kinerja katalitik logam mulia tersebut dengan densitas arus pertukaran sebesar 2,1 mA/cm².

“Kinerja luar biasa” melampaui tidak hanya elektroda logam Pd tetapi juga nanosheet MDI konvensional (M=Ni, Co, Cu), catatan studi, menambahkan bahwa kinerja luar biasa ini dicapai meskipun menggunakan jumlah logam mulia yang sangat kecil.

Dengan hasil ini, E-PdDI menjadi katalis HER paling efisien yang pernah dikembangkan, menjadikannya alternatif berbiaya rendah yang menjanjikan bagi platinum.

Mengenai stabilitas jangka panjang, yang merupakan salah satu aspek kritis setiap katalis, nanosheet PdDI juga menunjukkan daya tahan yang luar biasa. Mereka tetap utuh setelah 12 jam dalam kondisi asam, membuktikan kegunaannya untuk sistem produksi hidrogen dunia nyata.

“Penelitian kami membawa kami selangkah lebih dekat untuk membuat produksi H2 lebih terjangkau dan berkelanjutan, langkah penting untuk mencapai masa depan energi bersih.”

– Dr. Maeda

Dengan mengurangi ketergantungan pada platinum yang langka dan mahal, bis(diimino)palladium coordination nanosheets (PdDI) juga selaras dengan Tujuan Pembangunan Berkelanjutan (SDGs) PBB, mempromosikan energi terjangkau dan bersih serta inovasi dan infrastruktur.

Secara penting, studi ini tidak terbatas pada percobaan laboratorium. Efektivitas biaya, skalabilitas, dan peningkatan aktivitas nanosheet PdDI menjadikannya sangat berguna dalam sistem penyimpanan energi skala besar, sel bahan bakar hidrogen, dan produksi hidrogen industri.

Selain itu, PdDI dapat mengurangi emisi terkait penambangan yang terkait dengan katalis berbasis platinum, mempercepat transisi menuju ekonomi hidrogen berkelanjutan. Langkah selanjutnya bagi tim TUS adalah mengoptimalkan nanosheet PdDI untuk penggunaan dunia nyata.

Klik di sini untuk mempelajari semua tentang investasi dalam Palladium

Perusahaan Inovatif yang Dapat Diinvestasikan 

Mari kita lihat sebuah nama terkemuka di bidang ini yang membantu memajukan teknologi energi bersih, termasuk pengembangan katalis hidrogen tanpa platinum.

Plug Power Inc.

Perusahaan dengan kapitalisasi pasar $1,54 miliar ini berspesialisasi dalam sistem sel bahan bakar hidrogen dan telah meneliti katalis non-platinum untuk mengurangi biaya dan meningkatkan efisiensi.

Pada saat penulisan, saham PLUG diperdagangkan pada $1,71, turun 21,6% YTD. EPS (TTM) nya adalah -2,54, dan P/E (TTM) adalah -0,65.

Untuk Q4 2024, Plug Power (PLUG ) melaporkan pendapatan $191,5 juta dan kerugian margin kotor sebesar 122%, sementara arus kas operasional meningkat 46% YoY. Perusahaan menutup tahun dengan lebih dari $200 juta kas tidak terbatas. Baru-baru ini perusahaan menutup program Jaminan Pinjaman DOE senilai $1,66 miliar.

Selama periode ini, bisnis elektroliser Plug Power terus berkembang, dan bisnis hidrogen menguat.

“2024 adalah tahun dengan eksekusi kuat dan kemajuan strategis yang berarti bagi Plug saat kami mengembangkan inisiatif kami dan membuat langkah maju dalam mendorong ekonomi hidrogen ke depan.”

– CEO Andy Marsh

Terbaru tentang Plug Power

Kesimpulan

Dengan populasi dunia yang tumbuh cepat, yang diperkirakan akan meningkat menjadi sekitar 10,3 miliar pada pertengahan 2080-an, masalah emisi gas rumah kaca akan menjadi lebih parah. Hal ini menciptakan kebutuhan untuk mengurangi ketergantungan pada energi bahan bakar fosil dan mengadopsi sumber energi yang bersih, lebih aman, melimpah, dan ramah lingkungan. 

Di sini, energi hidrogen muncul sebagai penggerak utama masa depan bersih dan berkelanjutan, menawarkan alternatif tanpa emisi terhadap bahan bakar fosil. Meskipun menjanjikan, produksi hidrogen skala besar sangat bergantung pada katalis berbasis platinum yang mahal, sehingga biaya menjadi tantangan besar bagi industri.

Dengan menggantikan logam Pt yang berharga dengan nanosheet PdDI, studi terbaru telah mencapai terobosan dalam produksi elektroda yang hemat biaya dan menghasilkan hasil yang luar biasa dalam industri pemasok elektroda, produksi hidrogen, dan otomotif.

Klik di sini untuk daftar saham energi bersih teratas dengan fokus lingkungan. 

Studi yang Dirujuk:

1. Gao, Y., Yang, Y., Schimmenti, R., Murray, E., Peng, H., Wang, Y., Ge, C., Jiang, W., Wang, G., DiSalvo, F. J., Muller, D. A., Mavrikakis, M., Xiao, L., Abruña, H. D., & Zhuang, L. (2022). Sel bahan bakar alkali yang sepenuhnya bebas logam mulia dengan kinerja meningkat menggunakan anoda nikel berlapis karbon. Proceedings of the National Academy of Sciences, 119(13), e2119883119. https://doi.org/10.1073/pnas.2119883119

2. Maeda, H., Phua, E. J. H., Sudo, Y., Nagashima, S., Chen, W., Fujino, M., Takada, K., Fukui, N., Masunaga, H., Sasaki, S., Tsukagoshi, K., & Nishihara, H. (2024). Sintesis Bis(diimino)palladium Nanosheets sebagai Elektrokatalis Sangat Aktif untuk Evolusi Hidrogen. Chemistry – A European Journal. https://doi.org/10.1002/chem.202403082