Siklus Kobalt Baru Memungkinkan Produksi Hidrogen Pada Suhu 350°C
KALBARNEWS.CO.ID (SPANYOL) - Para ilmuwan dari Universitas Basque Country di Spanyol telah mengembangkan dan menguji metode baru untuk memproduksi hidrogen yang beroperasi pada suhu jauh lebih rendah daripada sebagian besar teknologi termokimia yang tersedia.
Proses ini didasarkan pada kobalt oksida (CoO) yang berulang kali berpartisipasi dalam reaksi kimia, bertindak sebagai semacam pembawa oksigen. Menurut para penulis penelitian, pendekatan mereka membuka jalan untuk menggunakan panas industri tingkat rendah dan sistem termal surya yang relatif murah untuk produksi hidrogen.
Hidrogen dianggap sebagai salah satu sumber energi utama masa depan, tetapi produksinya masih merupakan tugas yang menantang. Misalnya, dekomposisi termal langsung air membutuhkan suhu di atas 2.500 °C, dan teknologi industri yang paling umum didasarkan pada pengolahan gas alam dan disertai dengan emisi karbon dioksida.
Siklus termokimia yang menggunakan pembawa oksigen khusus muncul sebagai alternatif. Tetapi bahkan siklus ini biasanya membutuhkan pemanasan di atas 1.300 °C, yang secara signifikan membatasi jangkauan sumber panas yang tersedia.
Para peneliti Spanyol telah mengusulkan untuk menggunakan reaksi gas air dalam siklus tersebut di mana karbon monoksida (CO) bertindak sebagai agen pereduksi, bukan air murni. Dalam proses dua tahap mereka, kobalt oksida pertama-tama bereaksi dengan CO pada suhu sekitar 350°C, berubah menjadi kobalt logam dan melepaskan karbon dioksida murni. Kobalt logam kemudian dioksidasi oleh uap air pada suhu 400°C, kembali ke keadaan semula sambil secara bersamaan menghasilkan hidrogen.
Kedua reaksi tersebut terjadi pada suhu yang dapat diakses oleh banyak sumber panas suhu rendah, mulai dari panas limbah industri hingga pembangkit tenaga surya termal.
Untuk menguji kelayakan ide tersebut, para ilmuwan melakukan serangkaian eksperimen menggunakan timbangan termal presisi tinggi, memantau perubahan massa sampel dan evolusi hidrogen.
Eksperimen pertama dengan CoO murni mengkonfirmasi prinsip tersebut: selama dua siklus, mereka berhasil menghasilkan sekitar 2,75 mmol H₂ per gram material. Selain itu, sistem tersebut menunjukkan reversibilitas yang sangat baik karena pada siklus kedua, sedikit lebih banyak hidrogen dilepaskan daripada pada siklus pertama. Analisis difraksi sinar-X mengkonfirmasi bahwa, seperti yang diharapkan, fase logam perantara kobalt memang terbentuk selama proses tersebut.
Kemudian para peneliti berupaya meningkatkan material tersebut dengan menambahkan komponen lain. Penggantian 10% atom kobalt dengan nikel (NiO) memberikan efek yang nyata: selama dua siklus, hasil hidrogen meningkat sebesar 33% dibandingkan dengan CoO murni. Nikel ternyata memainkan peran ganda: memfasilitasi reduksi kobalt oksida, dan yang lebih penting, bertindak sebagai penghalang fisik yang mencegah partikel mengalami sintering. Penambahan oksida besi (FeO) juga meningkatkan efisiensi, tetapi dalam skala yang lebih kecil.
Hasil yang lebih menarik diperoleh dengan menambahkan nanopartikel titanium dioksida (TiO₂) dengan konsentrasi 5% berat. Hanya dalam dua siklus, produksi hidrogen meningkat sebesar 56% dibandingkan dengan CoO murni. Dengan memeriksa sampel menggunakan mikroskop elektron, para ilmuwan mengamati bahwa partikel TiO₂ terdistribusi di sekitar kobalt, mencegah penggumpalannya selama siklus berulang. Pada dasarnya, partikel-partikel tersebut berfungsi sebagai pemisah mikroskopis, menjaga luas permukaan aktif yang tinggi.
Hasil terbaik diperoleh dengan menggabungkan kedua strategi – menambahkan nanopartikel nikel oksida dan titanium dioksida secara bersamaan. Material ini, yang diberi nama TiNi-CoO, menghasilkan 24,81 mmol hidrogen per gram material selama sepuluh siklus. Sebagai perbandingan, kobalt oksida murni menghasilkan 12,72 mmol hidrogen per gram selama periode yang sama. Selain itu, efisiensi sistem meningkat secara bertahap: hasil yang diperoleh sebesar 1,95 mmol per gram pada siklus pertama, mencapai 2,66 mmol per gram pada siklus kesepuluh.
Mengapa kinerja meningkat dari siklus ke siklus? Analisis menunjukkan bahwa selama reduksi kobalt oksida, sebagian karbon monoksida terurai membentuk endapan karbon. Proses ini biasanya dianggap tidak diinginkan karena dapat menyebabkan degradasi katalis. Namun, dalam kasus ini, karbon berperan menguntungkan. Karbon terakumulasi di antara partikel kobalt, mencegah penggumpalan, dan kemudian memfasilitasi pemecahan bertahap agregat besar menjadi yang lebih kecil. Akibatnya, luas permukaan aktif material meningkat, dan dengan demikian, hasil hidrogen meningkat.
Signifikansi praktis dari perkembangan ini adalah kemampuan untuk memanfaatkan sumber panas yang seringkali masih kurang dimanfaatkan hingga saat ini. Suhu 350–400 °C tersedia dalam banyak proses industri, serta dalam sejumlah teknologi termal surya. Selain itu, karbon dioksida dilepaskan dalam bentuk terkonsentrasi selama tahap pertama, yang menyederhanakan penangkapannya selanjutnya.
Teknologi ini masih membutuhkan waktu yang panjang sebelum mencapai aplikasi industri. Semua percobaan hingga saat ini telah dilakukan dalam skala laboratorium, dengan jumlah material yang kecil. Meskipun demikian, penelitian ini menunjukkan bahwa kombinasi material baru dapat secara signifikan memperluas kemungkinan produksi hidrogen termokimia dan membuat proses tersebut lebih efisien dan fleksibel
