Katalis Besi Membuat Sel Bahan Bakar Hidrogen Praktis

Sel Bahan Bakar Hidrogen: Katalis Besi sebagai Alternatif Platinum

Hidrogen, secara teori, dapat menjadi bahan bakar yang sempurna untuk masa depan yang hijau: Hidrogen dapat diproduksi dari listrik terbarukan, tidak menghasilkan polutan apa pun saat dikonsumsi, dan hanya membutuhkan air sebagai bahan untuk produksinya.

Namun, memproduksi hidrogen dengan biaya yang cukup rendah merupakan tantangan tersendiri. Sistem alternatif, seperti produksi bersama air tawar pada saat yang sama, katalis hidrogen baru yang tidak memerlukan logam mulia, atau fotokatalisis, sedang dieksplorasi.

Tahap lain yang mengurangi kelayakan komersial hidrogen adalah pada tahap konsumsi. Ketika tidak digunakan dalam mesin pembakaran (mirip dengan mesin bahan bakar, dengan efisiensi yang lebih rendah), sel bahan bakar digunakan, yang biasanya membutuhkan platinum yang mahal sebagai katalis.

Hal ini tidak hanya membuat sel bahan bakar lebih mahal, tetapi juga dapat menghambat adopsi massal hidrogen sebagai bahan bakar, karena platinum dan logam terkait seperti paladium sangat langka di Bumi, sehingga lonjakan produksi sulit dicapai.

Beruntungnya, alternatif mulai bermunculan, berkat kerja keras para ilmuwan Tiongkok di sejumlah lembaga penelitian terkemuka di negara tersebut: Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, Universitas Shenzhen (Tiongkok), Universitas Tenggara (Tiongkok), Universitas Tsinghua, Universitas Teknologi Kimia Beijing, Universitas Kota Hong Kong, dan Universitas Xiamen.

Mereka menerbitkan¹ penemuan katalis berbasis besi baru untuk sel bahan bakar di jurnal ilmiah bergengsi Nature, dengan judul “Reduksi oksigen asam dengan katalis Fe atom tunggal pada penyangga melengkung".

Bagaimana Sel Bahan Bakar Bekerja

Bagian sel bahan bakar yang menghasilkan listrik dari konsumsi hidrogen adalah membran pertukaran proton (PEM).

Sel bahan bakar bekerja dengan mengkatalisis konversi hidrogen (H₂) menjadi proton (ion H+) + elektron, yang menghasilkan arus listrik. Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, katalis ini biasanya terbuat dari platinum, logam yang mahal.

Sumber: Wikipedia

Sebaliknya, para ilmuwan Tiongkok telah menciptakan desain katalis baru, yang digambarkan sebagai “aktivasi dalam, perlindungan luar”, yang mengandalkan besi sederhana sebagai katalis.

Katalis Hidrogen Berbasis Besi

Tantangan Katalis Besi dalam Sel Bahan Bakar

Gagasan menggunakan katalis besi, yang secara alami mampu menangkap oksigen (kecenderungan yang biasa kita kenal sebagai “karat”) dan mengikatnya ke ion hidrogen, bukanlah hal baru.

Namun sejauh ini, proses ini terhambat oleh reaksi kimia yang tidak diinginkan, terutama penyerapan zat antara reaksi yang mengandung oksigen yang kuat, dan demetalisasi atom besi. Akibatnya, atom besi "terjebak" dengan senyawa kaya oksigen, atau menjadi tidak dapat berfungsi sebagai katalis.

Untuk menghentikan reaksi yang tidak diinginkan ini, para peneliti menciptakan nanostruktur unik untuk katalis besi.

Katalis Besi Berongga Berstruktur Nano

Katalis besi tradisional mengandalkan permukaan luar dari grafen atau penyangga karbon, sehingga membatasi jumlah besi yang dapat diakses untuk reaksi yang diinginkan dengan hidrogen.

Sebaliknya, metode yang digunakan adalah membuat permukaan lengkung bagian dalam dengan lokasi katalis besi atom tunggal.

Masing-masing situs ini terletak dalam struktur multikulit berongga (HoMS) yang terkurung nano. HoMS nano ini tersebar dan terikat pada lapisan karbon 2D, mirip dengan grafena.

Sumber: researchgate

Partikel berongga nano berukuran sekitar 10 nm × Berukuran 4 nm, dan terdiri dari beberapa cangkang di mana atom-atom besi terkonsentrasi pada lapisan dalam dengan kepadatan tinggi. Spektroskopi serapan sinar-X sinkrotron menunjukkan bahwa atom-atom Fe bagian dalam ini berada pada tingkat 57.9% dalam keadaan aktif secara katalitik.

Sumber: researchgate

Peningkatan Performa dengan Katalis Besi

Geser untuk menggulir →

Nanostruktur melemahkan kekuatan pengikatan zat antara reaksi teroksigenasi, menghilangkan keterbatasan utama katalis berbasis besi.

Sumber: researchgate

Ini juga mengurangi laju produksi radikal hidroksil (•OH), molekul yang sangat reaktif dan merusak yang selalu menjadi masalah potensial dalam reaksi oksigen-hidrogen.

Hasil akhirnya adalah sel bahan bakar yang menggunakan katalis besi yang secara radikal lebih unggul dibandingkan desain lain, baik dari segi kerapatan daya puncak maupun kerapatan arus (bintang merah di bawah), dengan rekor kerapatan daya tertinggi sebesar 0.75 W cm−2 di bawah 1.0 bar H2–udara.

Sumber: researchgate

Desain katalis ini juga jauh lebih tahan lama dibandingkan iterasi katalis berbasis besi sebelumnya, dengan efisiensi tetap 86% setelah lebih dari 300 jam operasi.

Sumber: researchgate

Kesimpulan

Ekonomi hidrogen hanya akan mungkin terwujud apabila pertimbangan ekonomi telah dipecahkan, dengan katalis yang mudah diproduksi, mengandalkan material yang melimpah dan murah.

Dalam konteks itu, besi, sebagai salah satu logam yang paling banyak diproduksi dan termurah di bumi, akan menjadi kandidat yang ideal.

Ini juga berarti penurunan efisiensi yang relatif cepat dari waktu ke waktu (yang mungkin masih dapat ditingkatkan melalui desain percobaan pertama) tidak akan menjadi masalah lagi, dan bagian katalis sel bahan bakar dapat diganti dengan yang baru secara berkala, sedangkan bagian yang bekas dapat didaur ulang atau diregenerasi ke kinerja aslinya.

Berinvestasi dalam Teknologi Sel Bahan Bakar

Pasang Power Inc.

Plug Power adalah pemimpin dalam hidrogen hijau, dengan fokus pada sel bahan bakar. Perusahaan ini melaporkan lebih dari 72,000 sel bahan bakar terpasang di lebih dari 300 lokasi, dengan jangkauan yang luas dalam armada penanganan material. Sel bahan bakarnya secara khusus menggerakkan lebih dari 40,000 forklift, dengan pendapatan meningkat delapan kali lipat sejak 8.

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

Sumber: Colokkan daya

Perusahaan ini menargetkan skala untuk mengurangi biaya produksi hidrogen dari $10/kg menjadi $4/kg, sekaligus melipatgandakan produksi hingga 14 kali lipat pada tahun 2027. Perusahaan ini juga harus mengganti semua hidrogen yang bersumber dari luar, yang sering kali dijual kembali kepada pelanggan dengan kerugian.

Karena investasi besar-besaran untuk meningkatkan kapasitas produksi sebanyak 19x sejak 2020, perusahaan tersebut belum menguntungkan, tetapi kemajuan dalam pengadaan hidrogennya sendiri akan mengubahnya.

Perusahaan melihat solusinya sebagai bahan bakar mobilitas langsung atau pelengkap kendaraan listrik, karena hidrogen memungkinkan pengurangan tekanan pada jaringan listrik selama waktu pengisian puncak kendaraan listrik, yang tidak sesuai dengan periode produksi energi terbarukan di siang hari.

Sumber: Colokkan daya

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

Jadi ini menjadikan Plug Power saham yang bagus untuk bertaruh pada peralihan ke hidrogen secara umum, dengan pertumbuhan permintaan untuk sel bahan bakarnya setiap kali metode yang lebih murah untuk memproduksi, menyimpan, mengangkut, atau memanfaatkan hidrogen ditemukan.

Berita dan Perkembangan Saham Plug Power Inc (PLUG) Terbaru

Studi Referensi

^{1. Zhao, Y., Wan, J., Ling, C. dkk. Reduksi oksigen asam dengan katalis Fe atom tunggal pada penyangga melengkung. Sifat 644, 668 – 675 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6}