Katalis emas-perovskit baru mencapai hasil asetaldehida tertinggi dari bioetanol pada suhu lebih rendah. Asetaldehida memainkan peran penting sebagai bahan penyusun kimia dan umumnya diproduksi melalui proses oksidasi Wacker berbasis etilen. Namun, metode tradisional ini mahal dan merusak lingkungan. Para peneliti telah lama mencari alternatif yang lebih bersih dan berkelanjutan, seperti (…)

RisalahPos.com Network

Katalis baru dapat memungkinkan daur ulang plastik campuran

Masa depan daur ulang plastik bisa segera menjadi jauh lebih sederhana dan lebih efisien.

Peneliti di Universitas Northwestern telah mengembangkan metode upcycling plastik baru yang sangat berkurang-dan bahkan dapat menghilangkan-kebutuhan untuk pra-sortir limbah plastik campuran.

Di jantung proses adalah katalis berbasis nikel berbiaya rendah yang secara selektif menargetkan plastik poliolefin, termasuk polietilena dan polipropilena, yang membentuk hampir dua pertiga konsumsi plastik serba guna global. Ini berarti katalis dapat diterapkan pada volume besar limbah poliolefin yang tidak disortir.

Saat diaktifkan, katalis mengubah plastik padat bernilai rendah ini menjadi minyak cair dan lilin yang dapat digunakan kembali menjadi produk bernilai lebih tinggi seperti bahan bakar, pelumas, dan lilin. Katalis dapat digunakan kembali beberapa kali dan, terutama, juga mampu memecah plastik yang terkontaminasi dengan polyvinyl chloride (PVC), bahan beracun yang lama dipertimbangkan untuk membuat plastik “tidak dapat direkenik.”

Tantangan utama dan potensi terobosan

Studi ini baru -baru ini diterbitkan di jurnal Kimia Alam.

“Salah satu rintangan terbesar dalam daur ulang plastik selalu merupakan perlunya mengortas limbah plastik dengan cermat,” kata Tobin Marks Northwestern, penulis senior studi tersebut. “Katalis baru kami dapat melewati langkah yang mahal dan padat karya ini untuk plastik poliolefin umum, membuat daur ulang lebih efisien, praktis, dan layak secara ekonomi daripada strategi saat ini.”

“Ketika orang memikirkan plastik, mereka kemungkinan berpikir tentang poliolefin,” kata Yosi Kratish dari Northwestern, seorang penulis yang berkoresponden di atas kertas. “Pada dasarnya, hampir semua yang ada di kulkas Anda berbasis poliolefin-botol memeras untuk bumbu dan pembalut salad, kendi susu, bungkus plastik, kantong sampah, peralatan sekali pakai, jus karton dan banyak lagi. Plastik ini memiliki waktu yang sangat singkat, jadi mereka sebagian besar digunakan untuk penggunaan tunggal. Jika kita tidak memiliki cara yang efisien untuk menerima kembali mereka, kemudian, mereka diakhiri dengan mereka yang diakhiri dengan single landal. merendahkan ke dalam mikroplastik berbahaya. “

Seorang ahli katalisis terkenal di dunia, Marks adalah Profesor Kimia Katalitik Vladimir N. Ipatieff di Weinberg College of Arts and Sciences di Northwestern dan seorang profesor teknik kimia dan biologi di McCormick School of Engineering Northwestern. Dia juga afiliasi fakultas di Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy. Kratish adalah asisten profesor peneliti dalam kelompok Marks, dan anggota fakultas yang berafiliasi di Trienens Institute. Qingheng Lai, rekan penelitian dalam kelompok Marks, adalah penulis pertama studi ini. Marks, Kratish, dan Lai bersama studi dengan Jeffrey Miller, seorang profesor teknik kimia di Universitas Purdue; Michael Wasielewski, Profesor Kimia Clare Hamilton di Weinberg; dan Takeshi Kobayashi seorang ilmuwan riset di Laboratorium Nasional Ames.

Kesulitan poliolefin

Dari cangkir yogurt dan pembungkus camilan hingga botol sampo dan topeng medis, plastik poliolefin adalah bagian dari kehidupan sehari -hari. Mereka adalah plastik yang paling banyak digunakan di dunia, diproduksi dalam jumlah besar. Menurut beberapa perkiraan, lebih dari 220 juta ton produk poliolefin diproduksi secara global setiap tahun. Namun, menurut laporan 2023 di jurnal Alamtingkat daur ulang untuk plastik ini tetap rendah, turun antara kurang dari 1% dan 10% di seluruh dunia.

Catatan daur ulang yang buruk ini sebagian besar disebabkan oleh daya tahan poliolefin. Strukturnya terdiri dari molekul-molekul kecil yang dihubungkan oleh ikatan karbon-karbon, yang terkenal kuat dan sulit dipisahkan.

“Ketika kami merancang katalis, kami menargetkan titik -titik lemah,” kata Kratish. “Tapi poliolefin tidak memiliki tautan yang lemah. Setiap ikatan sangat kuat dan secara kimia tidak reaktif.”

Masalah dengan proses saat ini

Saat ini, hanya sedikit proses yang kurang ideal yang dapat mendaur ulang poliolefin. Ini dapat dirobek menjadi serpihan, yang kemudian dilelehkan dan diturunkan untuk membentuk pelet plastik berkualitas rendah. Tetapi karena berbagai jenis plastik memiliki sifat dan titik leleh yang berbeda, prosesnya mengharuskan pekerja untuk memisahkan berbagai jenis plastik. Bahkan sejumlah kecil plastik lain, residu makanan, atau bahan non-plastik dapat mengkompromikan seluruh batch. Dan batch yang dikompromikan itu langsung masuk ke tempat pembuangan sampah.

Pilihan lain melibatkan pemanasan plastik untuk suhu yang sangat tinggi, mencapai 400 hingga 700 derajat Celsius. Meskipun proses ini menurunkan plastik poliolefin menjadi campuran gas dan cairan yang berguna, ini sangat intensif energi.

“Semuanya bisa dibakar, tentu saja,” kata Kratish. “Jika Anda menerapkan energi yang cukup, Anda dapat mengonversi apa pun menjadi karbon dioksida dan air. Tetapi kami ingin menemukan cara yang elegan untuk menambahkan jumlah energi minimum untuk mendapatkan produk nilai maksimum.”

Teknik Presisi

Untuk mengungkap solusi yang elegan, tanda, kratish, dan tim mereka tampak pada hidrogenolisis, suatu proses yang menggunakan gas hidrogen dan katalis untuk memecah plastik poliolefin menjadi hidrokarbon yang lebih kecil dan berguna. Sementara pendekatan hidrogenolisis sudah ada, mereka biasanya membutuhkan suhu yang sangat tinggi dan katalis mahal yang terbuat dari logam mulia seperti platinum dan paladium.

“Skala produksi poliolefin sangat besar, tetapi cadangan logam mulia global sangat terbatas,” kata Lai. “Kami tidak dapat menggunakan seluruh pasokan logam untuk kimia. Dan, bahkan jika kami melakukannya, masih tidak akan cukup untuk mengatasi masalah plastik. Itu sebabnya kami tertarik pada logam yang berlimpah di Bumi.”

Untuk katalis daur ulang poliolefin, tim Northwestern menunjukkan nikel kationik, yang disintesis dari senyawa nikel yang berlimpah, murah, dan tersedia secara komersial. Sementara katalis berbasis nanopartikel nikel lainnya memiliki beberapa situs reaksi, tim merancang katalis molekul satu-situs.

Desain situs tunggal memungkinkan katalis untuk bertindak seperti pisau bedah yang sangat khusus-secara istimewa memotong ikatan karbon-karbon-daripada instrumen tumpul yang kurang terkontrol yang secara tidak pandang bulu memecah seluruh struktur plastik. Akibatnya, katalis memungkinkan untuk gangguan selektif dari poliolefin bercabang (seperti isotaktik polypropylene) ketika mereka dicampur dengan poliolefin yang tidak bercabang – secara efektif memisahkannya secara kimia.

“Dibandingkan dengan katalis berbasis nikel lainnya, proses kami menggunakan katalis situs tunggal yang beroperasi pada suhu 100 derajat lebih rendah dan pada setengah dari tekanan gas hidrogen,” kata Kratish. “Kami juga menggunakan pemuatan katalis 10 kali lebih sedikit, dan aktivitas kami 10 kali lebih besar. Jadi, kami menang di semua kategori.”

Dipercepat dengan kontaminasi

Dengan situs aktif tunggal, yang didefinisikan dengan tepat, dan terisolasi, katalis berbasis nikel memiliki aktivitas dan stabilitas yang belum pernah terjadi sebelumnya. Katalis sangat stabil secara termal dan kimia, sehingga mempertahankan kontrol bahkan ketika terpapar kontaminan seperti PVC. Digunakan dalam pipa, lantai, dan perangkat medis, PVC secara visual mirip dengan jenis plastik lainnya tetapi secara signifikan kurang stabil setelah pemanasan. Setelah dekomposisi, PVC melepaskan gas hidrogen klorida, produk sampingan yang sangat korosif yang biasanya menonaktifkan katalis dan mengganggu proses daur ulang.

Hebatnya, katalis Northwestern tidak hanya menahan kontaminasi PVC, PVC sebenarnya mempercepat aktivitasnya. Bahkan ketika total berat campuran limbah terdiri dari 25% PVC, para ilmuwan menemukan katalis mereka masih bekerja dengan peningkatan kinerja. Hasil yang tidak terduga ini menunjukkan metode tim mungkin mengatasi salah satu rintangan terbesar dalam daur ulang plastik campuran – memecah limbah yang saat ini dianggap “tidak dapat direkikan” karena kontaminasi PVC. Katalis juga dapat diregenerasi selama beberapa siklus melalui perawatan sederhana dengan alkylaluminium yang murah.

“Menambahkan PVC ke dalam campuran daur ulang selalu dilarang,” kata Kratish. “Tapi ternyata, itu membuat proses kami lebih baik. Itu gila. Ini jelas bukan sesuatu yang diharapkan siapa pun.”

Referensi: “Katalis Organonickel Situs Tunggal Katalis Preferensi Hidrogenolisis Berabak Berabak Polyolefin C-C Bonds” oleh Qingheng Lai, Xinrui Zhang, Shan Jiang, Matthew D. Krzyaniak, Selim Alayoglu, Amol Agarwal, Yukun Liu, Wilson C. Edenak, edenak, Yukun Liu, Wilson C. Edenak, Yukun Liu, Wilson C. Dravid, Michael R. Wasielewski, Jeffery T. Miller, Yosi Kratish dan Tobin J. Marks, 2 September 2025, Kimia Alam.
Doi: 10.1038/s41557-025-01892-y

Didukung oleh Departemen Energi AS (nomor penghargaan DE-SC0024448) dan Dow Chemical Company.

Jangan pernah melewatkan terobosan: Bergabunglah dengan buletin ScitechDaily.

Para ilmuwan menggunakan nanopartikel “megalibrary” untuk mengungkap alternatif berbiaya rendah dan berkinerja tinggi untuk iridium, membuka jalur yang lebih cepat ke energi hidrogen yang terjangkau.

Pencarian untuk alternatif Iridium

Selama bertahun -tahun, para ilmuwan di seluruh dunia telah bekerja untuk menggantikan Iridium, logam yang berharga dan sangat mahal yang memainkan peran kunci dalam menghasilkan bahan bakar hidrogen bersih.

Baru -baru ini, para peneliti berhasil mengidentifikasi pengganti menggunakan alat inovatif, dan mereka melakukannya hanya dalam satu sore.

Dikembangkan di Universitas Northwesternalat ini dikenal sebagai megalibrary. Digambarkan sebagai “pabrik data” nanomaterial pertama di dunia, “megalibrary tunggal memegang jutaan nanopartikel yang dirancang dengan hati -hati yang diatur pada chip yang tidak lebih besar dari ujung jari.

Bekerja sama dengan Toyota Research Institute (TRI), tim Northwestern menggunakan platform ini untuk menunjukkan katalis yang menjanjikan untuk pembangkit hidrogen. Setelah mengidentifikasi seorang kandidat, mereka kemudian meningkatkannya dan membuktikan bahwa materi tersebut dapat melakukan di dalam perangkat yang sebenarnya, semuanya dalam waktu yang sangat singkat.

Megalibrary untuk penemuan bahan

Megalibrary memungkinkan para ilmuwan untuk menguji kombinasi empat logam yang tak terhitung jumlahnya yang berlimpah, murah, dan sudah dikenal karena sifat katalitiknya. Dari upaya penyaringan besar -besaran ini, para peneliti menemukan materi yang sama sekali baru. Dalam uji coba laboratorium, itu tidak hanya cocok dengan tetapi, dalam beberapa kasus, mengungguli katalis berbasis iridium komersial, sementara biaya hanya sebagian kecil dari harga.

Implikasinya mencapai jauh melampaui penurunan harga hidrogen hijau. Keberhasilan juga menyoroti potensi pendekatan megalibrary itu sendiri, yang dapat merevolusi bagaimana bahan baru ditemukan di berbagai bidang.

Studi ini diterbitkan pada 19 Agustus di Jurnal American Chemical Society (JACS).

Cara baru untuk menemukan bahan terbaik

“Kami telah melepaskan alat sintesis paling kuat di dunia, yang memungkinkan seseorang untuk mencari sejumlah besar kombinasi yang tersedia untuk ahli kimia dan ilmuwan material untuk menemukan bahan yang penting,” kata Chad A. Mirkin dari Northwestern, penulis senior penelitian dan penemu utama platform Megalibrary. “Dalam proyek khusus ini, kami telah menyalurkan kemampuan itu menuju masalah besar yang dihadapi sektor energi. Yaitu: bagaimana kami menemukan bahan yang sebagus iridium tetapi lebih banyak, lebih tersedia dan jauh lebih murah? Alat baru ini memungkinkan kami untuk menemukan alternatif yang menjanjikan dan menemukannya dengan cepat.”

Pelopor nanoteknologi, Mirkin adalah Profesor Kimia George B. Rathmann di Northwestern’s Weinberg College of Arts and Sciences; Profesor Teknik Kimia dan Biologi, Teknik Biomedis dan Ilmu dan Teknik Bahan di Sekolah Teknik McCormick; dan Direktur Eksekutif Institut Internasional untuk Nanoteknologi. Mirkin ikut memimpin pekerjaan dengan Ted Sargent, Lynn Hopton Davis dan Greg Davis Profesor Kimia di Weinberg, Profesor Teknik Listrik dan Komputer di McCormick dan Direktur Eksekutif Institut Paula M. Trienens untuk Keberlanjutan dan Energi.

Masalah Iridium Hidrogen

Ketika dunia menjauh dari bahan bakar fosil dan menuju dekarbonisasi, hidrogen hijau yang terjangkau telah muncul sebagai bagian kritis dari teka -teki tersebut. Untuk menghasilkan energi hidrogen yang bersih, para ilmuwan telah beralih ke pemisahan air, suatu proses yang menggunakan listrik untuk membagi molekul air menjadi dua komponen konstituennya – hidrogen dan oksigen.

Bagian oksigen dari reaksi ini, yang disebut reaksi evolusi oksigen (OER), bagaimanapun, sulit dan tidak efisien. OER paling efektif ketika para ilmuwan menggunakan katalis berbasis iridium, yang memiliki kelemahan yang signifikan. Iridium jarang, mahal dan sering diperoleh sebagai produk sampingan dari penambangan platinum. Lebih berharga dari emas, Iridium harganya hampir $ 5.000 per ons.

“Tidak ada cukup Iridium di dunia untuk memenuhi semua kebutuhan kami yang diproyeksikan,” kata Sargent. “Seperti yang kita pikirkan tentang pemisahan air untuk menghasilkan bentuk energi alternatif, tidak ada cukup iridium dari sudut pandang pasokan murni.”

Pasukan nanopartikel di sebuah chip

Mirkin, yang memperkenalkan megalibrarium pada tahun 2016, memutuskan dengan Sargent bahwa menemukan kandidat baru untuk menggantikan Iridium adalah aplikasi yang sempurna untuk alat revolusionernya. Sementara penemuan material secara tradisional merupakan tugas yang lambat dan menakutkan yang diisi dengan coba -coba, megalibraries memungkinkan para ilmuwan untuk menunjukkan komposisi optimal pada kecepatan sangat tinggi.

Setiap megalibrary diciptakan dengan array ratusan ribu tips kecil berbentuk piramida untuk mencetak “titik” individu ke permukaan. Setiap titik berisi campuran garam logam yang dirancang dengan sengaja. Saat dipanaskan, garam logam dikurangi untuk membentuk nanopartikel tunggal, masing -masing dengan komposisi dan ukuran yang tepat.

“Anda dapat menganggap setiap tip sebagai orang kecil di lab kecil,” kata Mirkin. “Alih -alih memiliki satu orang kecil membuat satu struktur pada satu waktu, Anda memiliki jutaan orang. Jadi, Anda pada dasarnya memiliki pasukan penuh peneliti yang dikerahkan pada sebuah chip.”

Katalis kemenangan muncul

Dalam studi baru, chip ini berisi 156 juta partikel, masing -masing terbuat dari kombinasi ruthenium, kobalt, mangan, dan kromium yang berbeda. Pemindai robot kemudian menilai seberapa baik partikel yang paling menjanjikan dapat melakukan OER. Berdasarkan tes-tes ini, Mirkin dan timnya memilih kandidat yang berkinerja terbaik untuk menjalani pengujian lebih lanjut di laboratorium.

Akhirnya, satu komposisi menonjol: kombinasi yang tepat dari keempat logam (RU₅₂Bersama₃₃M N₉Cr₆ oksida). Katalis multi-logam diketahui memperoleh efek sinergis yang dapat membuatnya lebih aktif daripada katalis logam tunggal.

“Katalis kami sebenarnya memiliki aktivitas yang sedikit lebih tinggi daripada Iridium dan stabilitas yang sangat baik,” kata Mirkin. “Itu jarang karena seringkali ruthenium kurang stabil. Tetapi elemen -elemen lain dalam komposisi menstabilkan ruthenium.”

Membuktikan Stabilitas dan Manfaat Biaya

Kemampuan untuk menyaring partikel untuk kinerja pamungkas mereka adalah inovasi baru yang utama. “Untuk pertama kalinya, kami tidak hanya dapat dengan cepat menyaring katalis, tetapi kami melihat yang terbaik berkinerja baik dalam pengaturan yang diperkecil,” kata Joseph Montoya, seorang ilmuwan riset staf senior di Tri dan penulis studi.

Dalam tes jangka panjang, katalis baru dioperasikan selama lebih dari 1.000 jam dengan efisiensi tinggi dan stabilitas yang sangat baik di lingkungan asam yang keras. Ini juga secara dramatis lebih murah daripada Iridium-sekitar seperenam belas dari biaya.

“Ada banyak pekerjaan yang harus dilakukan untuk membuat ini layak secara komersial, tetapi sangat menarik bahwa kita dapat mengidentifikasi katalis yang menjanjikan begitu cepat – tidak hanya pada skala lab tetapi untuk perangkat,” kata Montoya.

Beyond Hydrogen: Gambaran yang lebih besar

Dengan menghasilkan set data bahan berkualitas tinggi yang besar, pendekatan megalibrary juga meletakkan dasar untuk menggunakan kecerdasan buatan (Ai) dan Pembelajaran Mesin untuk merancang generasi material baru berikutnya. Northwestern, Tri dan Mattiq, sebuah perusahaan pemintalan Northwestern, telah mengembangkan algoritma pembelajaran mesin untuk menyaring megalibrarium dengan kecepatan rekor.

Mirkin mengatakan ini hanyalah permulaan. Dengan AI, pendekatan ini dapat skala di luar katalis untuk merevolusi penemuan bahan untuk hampir semua teknologi, seperti baterai, perangkat biomedis dan komponen optik canggih.

“Kami akan mencari segala macam bahan untuk baterai, fusi dan banyak lagi,” katanya. Dunia tidak menggunakan bahan terbaik untuk kebutuhannya. Orang -orang menemukan bahan terbaik pada titik waktu tertentu, mengingat alat yang tersedia bagi mereka. Masalahnya adalah bahwa kami sekarang memiliki infrastruktur besar yang dibangun di sekitar bahan -bahan itu, dan kami terjebak dengan mereka. Kami ingin membalikkan itu. Saatnya untuk benar -benar menemukan bahan terbaik untuk setiap kebutuhan – tanpa kompromi.

Referensi: “Mempercepat laju penemuan katalis reaksi evolusi oksigen melalui megalibrarium” oleh Jin Huang, Zhe Wang, Jiashun Liang, Xiao-Yan Li, Jacob Pietryga, Zihao Ye, Peter T. Xie, Steven B. Torrisi, Joseph H. Montoya, Gang Wu, Edward H. Sargent dan Chad A. Mirkin, 19 Agustus 2025, Jurnal American Chemical Society.
Doi: 10.1021/jacs.5c08326

Studi ini didukung oleh Toyota Research Institute, Mattiq dan Kantor Penelitian Angkatan Darat, sebuah direktorat Laboratorium Penelitian Angkatan Darat Pengembangan Kemampuan Angkatan Darat AS (nomor penghargaan W911NF-23-1-0285). Publikasi ini dimungkinkan dengan dukungan ekosistem manufaktur dan desain bioindustri (Biomade); Konten yang diungkapkan di sini adalah bahwa penulis dan tidak selalu mencerminkan pandangan biomade.

Bahan ini didasarkan pada penelitian yang disponsori oleh Angkatan Udara di bawah Nomor Perjanjian FA8650-21-2-5028. Pemerintah AS berwenang untuk mereproduksi dan mendistribusikan cetak ulang untuk tujuan pemerintah terlepas dari notasi hak cipta apa pun.

Jangan pernah melewatkan terobosan: Bergabunglah dengan buletin ScitechDaily.

Ilmuwan EPFL telah menciptakan katalis yang efisiensi tinggi dan tahan lama yang mengubah CO₂ menjadi bahan kimia industri, menawarkan lompatan yang menjanjikan menuju daur ulang karbon skala besar. Kita semua pernah mendengar tentang kebutuhan mendesak untuk mengurangi emisi karbon dioksida (CO2). Tetapi bagaimana jika kita benar -benar bisa menggunakan gas rumah kaca ini alih -alih hanya berjuang untuk menyingkirkannya? Ilmuwan (…)

RisalahPos.com Network

Para peneliti telah mengembangkan katalis baru yang secara unik meningkatkan aktivitas seiring berjalannya waktu, tidak seperti kebanyakan katalis yang mengalami penurunan. Katalis yang dapat dikembangkan sendiri ini, terbuat dari rutenium dengan basis karbon, menawarkan jalur berkelanjutan untuk memecah amonia menjadi hidrogen, pembawa energi ramah lingkungan. Produksi Hidrogen Revolusioner dari Amonia Para ilmuwan telah mengembangkan katalis inovatif untuk menghasilkan hidrogen dari (…)

RisalahPos.com Network

Related

Peneliti MIT telah mengembangkan katalis baru yang mengubah metana menjadi polimer pada suhu kamar dan tekanan atmosfer. Inovasi ini dapat mengurangi emisi metana dari industri pertanian dan energi, memberikan solusi terukur dengan mengintegrasikan enzim dan zeolit ​​​​untuk mengubah metana terlebih dahulu menjadi metanol, kemudian menjadi formaldehida, dan akhirnya menjadi polimer berguna seperti urea-formaldehida. Inovatif (…)

RisalahPos.com Network

Related

Peneliti Jerman telah menciptakan katalis yang mengubah amonia menjadi hidrogen dan nitrit, yang berpotensi menggabungkan produksi hidrogen dan pembuatan pupuk dalam satu proses.

Tim peneliti dari University Alliance Ruhr di Jerman telah menemukan katalis yang mampu mengubah amonia menjadi hidrogen, pembawa energi, dan nitrit, prekursor pupuk. Secara tradisional, produksi hidrogen dan pupuk melibatkan proses kimia yang terpisah.

Dengan pendekatan baru ini, tim dari Ruhr University Bochum dan University of Duisburg-Essen menunjukkan bahwa keduanya dapat dikombinasikan dalam skala laboratorium. Kelompok yang berbasis di Bochum yang dipimpin oleh Ieva Cechanaviciute dan Profesor Wolfgang Schuhmann melaporkan hasil tersebut bersama dengan Bhawana Kumari dan Profesor Corina Andronescu dari University of Duisburg-Essen dalam jurnal Kimia Terapan Edisi Internasional.

Hidrogen dapat diproduksi dengan memisahkan air (H₂O) menjadi hidrogen (H₂) dan oksigen (O₂) menggunakan energi listrik. Agar proses ini berkelanjutan, energi harus berasal dari sumber terbarukan. “Ini hanya dapat dilakukan di negara yang memiliki banyak ruang untuk tenaga angin dan banyak sinar matahari untuk fotovoltaik, misalnya di Namibia,” jelas Wolfgang Schuhmann. Untuk membangun ekonomi berbasis hidrogen di Jerman, hidrogen harus diimpor dari negara-negara yang jauh. Inti masalahnya adalah bahwa banyak energi diperlukan untuk mencairkan hidrogen untuk transportasi, karena hidrogen hanya menjadi cair pada suhu yang sangat rendah yaitu minus 253 derajat Celsius atau tekanan tinggi.

Amonia lebih mudah diangkut daripada hidrogen

Oleh karena itu, konsep alternatif mempertimbangkan untuk mengubah hidrogen menjadi amonia di lokasi produksi, karena amonia akan berubah menjadi cair pada suhu minus 33 derajat Celsius. Amonia juga memiliki kepadatan energi yang lebih tinggi. “Sebuah tangki penuh amonia cair akan mengangkut sekitar 2,5 kali lebih banyak energi daripada tangki penuh hidrogen cair,” jelas Schuhmann. Terakhir, amonia harus diubah kembali menjadi hidrogen pada titik penggunaan. Hal ini biasanya dilakukan dengan menggunakan reaksi Haber-Bosch terbalik, di mana amonia (NH₃) diubah menjadi nitrogen (N₂) dan hidrogen (H₂). Namun, dari kedua produk tersebut, hanya hidrogen yang dapat dimanfaatkan secara menguntungkan.

Menggandakan hasil hidrogen

“Oleh karena itu, kami memiliki ide untuk menggabungkan reaksi Haber-Bosch terbalik dengan elektrolisis air kedua untuk menghasilkan produk yang dapat dengan mudah digunakan untuk produksi pupuk, seperti nitrit atau nitrat, sebagai pengganti nitrogen,” jelas Ieva Cechanaviciute. Dalam reaksi ini, amonia (NH₃) dan air (H₂O) dikonsumsi untuk menghasilkan nitrit (NO₂^–) dan hidrogen (H₂). Berbeda dengan reaksi Haber-Bosch sebaliknya, keluaran hidrogen menjadi dua kali lipat dan alih-alih nitrogen yang tidak dapat digunakan, yang dihasilkan terutama nitrit, yang selanjutnya dapat diproses menjadi pupuk.

Untuk reaksi tersebut, tim menggunakan elektroda difusi gas yang dapat diisi dengan amonia dalam bentuk gas. “Hal ini belum pernah dilakukan sebelumnya,” jelas Wolfgang Schuhmann. “Amonia selalu digunakan dalam bentuk terlarut.”

Mengatasi jurang termodinamika

Salah satu tantangan bagi para peneliti adalah menemukan katalis yang cocok untuk mewujudkan ide mereka. Hal ini dikarenakan bahan awal NH₃ cenderung berubah menjadi nitrogen karena ikatan rangkap tiga nitrogen-nitrogen yang sangat kuat dan tidak menjadi nitrit. “Pertama-tama kami harus menjembatani Grand Canyon termodinamika ini,” jelas Cechanaviciute. Dalam pekerjaan sebelumnya, tim tersebut telah bereksperimen dengan katalis multi-logam, yang terbukti cocok untuk tujuan ini. Mereka mampu mengubah 87 persen elektron yang ditransfer menjadi nitrit. Tim tersebut juga berhasil menghindari oksigen sebagai produk sampingan yang tidak diinginkan dari elektrolisis air.

“Pekerjaan kami menunjukkan bahwa Gedankenexperiment kami dapat berfungsi secara prinsip,” simpul Wolfgang Schuhmann. “Namun, kami masih jauh dari penerapan teknis dalam skala industri.”

Referensi: “Elektroda Difusi Gas untuk Oksidasi Elektrokatalitik Amonia Gas: Melangkah Melewati Ngarai Energi Nitrogen” oleh Ieva A. Cechanaviciute, Bhawana Kumari, Lars M. Alfes, Corina Andronescu dan Wolfgang Schuhmann, 23 Juni 2024, Kimia Terapan Edisi Internasional.
DOI: 10.1002/anie.202404348

Penelitian ini didanai oleh Yayasan Penelitian Jerman dan Dewan Penelitian Eropa.