Bayangkan jika kita bisa mengubah gas rumah kaca seperti CO2 menjadi sesuatu yang berharga. Inilah inti dari konsep revolusioner dalam memerangi pemanasan global. Proses ini, dikenal sebagai CO2 reduction reaction (CO2RR), mengubah CO2 menjadi produk-produk kaya karbon menggunakan proses elektrokimia. Meski prospeknya sangat menarik, yaitu mengurangi emisi CO2 dan secara bersamaan menghasilkan bahan kimia berharga, tantangan terbesarnya adalah efisiensi rendah dan ketergantungan pada material katalis yang mahal. Namun, inovasi terkini menawarkan solusi cerdas: menggabungkan (1) proses elektrokimia untuk konversi CO2 menjadi karbon monoksida (CO), dan (2) proses termo-kimia untuk mengubah CO menjadi berbagai produk melaui proses Fischer–Tropsch yang sudah mapan.
Sejauh ini, penggunaan katalis logam mulia seperti perak (Ag) dan emas (Au) telah berhasil menunjukkan hasil yang menjanjikan, dengan efisiensi yang tinggi dalam mengubah CO2 menjadi CO. Namun, realitanya, biaya tinggi dan ketersediaan terbatas dari bahan-bahan ini menjadi penghalang utama dari aplikasi skala komersial. Keadaan ini menstimulus para peneliti dunia untuk menemukan katalis alternatif yang lebih terjangkau namun tetap efektif. Mencari katalis berbasis logam murah (non–noble metal) yang efisien bisa menjadi kunci untuk mewujudkan potensi penuh dari teknologi ini di seluruh dunia.
Penelitian terbaru mengenai katalis atom-tunggal berbasis logam murah nikel (Ni-SAC) untuk aplikasi CO2RR menunjukkan kemajuan signifikan terutama dalam hal selektivitas produk untuk menghasilkan CO, walaupun masih ada kelemahan, seperti nilai overpotensial yang masih tinggi. Untuk mengatasi hal itu, para peneliti mensintesis katalis atom-tunggal murah lainnya yang berbasis berbasis besi (Fe-SAC) dan katalis ini berhasil menurunkan nilai overpotensial dari reaksi. Namun, harga yang harus dibayar adalah buruknya selektivitas produk yang bersumber dari aktivitas tinggi reaksi parasitik hydrogen evolution reaction (HER) yang mengkonsumsi proton yang harusnya digunakan pada proses proses CO2RR. Selain itu, situs aktif katalis Fe-SAC juga lebih rentan dengan CO poisoning, kondisi di mana produk CO yang seharusnya dilepas dari katalis malah terikat sangat kuat pada situs aktif katalis dan menghalangi proses konversi selanjutnya.
Untuk mengatasi masalah selektivitas produk dan CO poisoning pada Fe-SAC, pada penelitian ini kami mendesain beberapa struktur situs aktif baru yang berbasis dual-atom Fe (Fe-DAC) yang diletakkan pada nanopori dari graphene. Dengan pemodelan berbasis mekanika kuantum menggunakan perhitungan density functional theory (DFT) yang digabung dengan teknik mikrokinetika, kami menemukan bahwa konfigurasi situs aktif tertentu di Fe-DAC dapat meningkatkan aktivitas dan selektivitas CO2RR dengan menyediakan situs adsorpsi yang lebih stabil untuk H di tepi nanopori dari graphene. Hal ini berkontribusi lansung pada peningkatan overpotensial dari proses HER relatif terhadap proses CO2RR, yang secara signifikan meningkatkan efisiensi dan selektivitas keseluruhan proses reduksi CO2 menjadi CO. Selain itu, kami juga menemukan bahwa beberapa konfigurasi situs aktif Fe-DAC juga memiliki resistansi terhadap CO poisoning yang sangat baik.
Temuan dari penelitian ini menawarkan peluang untuk tidak hanya berkontribusi dalam penelitian global mengenai pengurangan emisi CO2, tetapi juga diharapkan mengembangkan solusi berkelanjutan yang dapat diintegrasikan ke dalam industri di Indonesia.
Penulis: Febdian Rusydi
Jurnal: Selectivity of CO2 reduction reaction to CO on the graphitic edge active sites of Fe-single-atom and dual-atom catalysts: A combined DFT and microkinetic modeling
