Teknologi prototipe menyusut AI untuk menghadirkan fungsionalitas seperti otak dalam satu perangkat yang kuat - ScienceDaily
Teknologi

Deteksi yang lebih cepat dari oksigen yang dihasilkan fotokatalis memiliki implikasi besar bagi energi bersih – ScienceDaily


Saat ini, mayoritas energi yang dikonsumsi oleh penduduk dunia berasal dari minyak bumi dan sumber daya tak terbarukan lainnya yang dalam waktu dekat terancam habis. Akibatnya pengembangan metode fotosintesis buatan dengan menggunakan fotokatalis untuk menghasilkan energi kimia (bahan bakar hidrogen) dari sinar matahari dan air mendapat banyak perhatian dan berbagai proyek penelitian sedang dilakukan di bidang ini.

Selama fotosintesis buatan, oksigen (O2) diproduksi oleh fotokatalis melalui reaksi pemisahan air. Bekerja dengan para peneliti dari Kanazawa University, Shinshu University dan The University of Tokyo, Profesor ONISHI Hiroshi dkk. dari Sekolah Pascasarjana Sains Universitas Kobe mengembangkan metode evaluasi pengukuran yang mampu mendeteksi O2 1000 kali lebih cepat dari metode konvensional. Metode yang dikembangkan melalui penelitian ini diharapkan dapat dimanfaatkan untuk meningkatkan pemahaman kita tentang mekanisme reaksi di balik fotosintesis buatan dan berkontribusi dalam pengembangan fotokatalis yang dapat diterapkan di dunia nyata.

Pentingnya mempublikasikan hasil penelitian ini sesegera mungkin telah diakui; makalah yang diterbitkan dalam jurnal American Chemistry Society Katalisis ACS diberi rilis online lanjutan pada 29 Oktober 2020.

Latar belakang penelitian

Fotosintesis buatan yang dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan energi kimiawi (bahan bakar hidrogen) dari sinar matahari dan air telah mendapat banyak perhatian karena potensinya untuk menyediakan sumber energi yang tidak mengeluarkan CO.2. Fotokatalis adalah komponen kunci dari fotosintesis buatan. Bahan fotokatalis pertama ditemukan dan dikembangkan oleh para peneliti Jepang pada tahun 1970-an, dan ilmuwan di seluruh dunia terus berupaya untuk meningkatkan efisiensinya selama 50 tahun terakhir.

Studi penelitian saat ini menggunakan strontium titanate (SrTiO3) fotokatalis, yang pada awalnya dikembangkan oleh Profesor Kontrak Khusus DOMEN Kazunari et al. dari Shinshu University (peneliti yang berkontribusi untuk penelitian ini). Sebagai hasil dari berbagai perbaikan yang dilakukan oleh Associate Professor Shinshu HISATOMI Takashi et al. (juga peneliti yang berkontribusi), bahan fotokatalitik ini mencapai hasil reaksi tertinggi (yaitu efisiensi konversi hidrogen dari air melalui iluminasi oleh sinar ultraviolet) di dunia. Masalah terakhir yang tersisa adalah meningkatkan efisiensi pembentukan hidrogen dari air dan sinar matahari, bukan sinar ultraviolet buatan. Mengatasi masalah ini berarti lahirnya CO2– Teknologi penghasil bahan bakar hidrogen bebas yang dapat dimanfaatkan oleh masyarakat.

Namun, salah satu faktor yang menghalangi upaya untuk meningkatkan efisiensi konversi adalah rendahnya laju oksigen yang dihasilkan dari air saat hidrogen juga diproduksi. Untuk menghasilkan hidrogen (H2) dari air (H.2O) melalui fotosintesis buatan, reaksi kimia berikut harus berlangsung: 2H2O -> 2H2 + O2. Meskipun tujuannya adalah untuk menghasilkan hidrogen (yang dapat digunakan sebagai bahan bakar oleh masyarakat) dan bukan oksigen, prinsip-prinsip kimia mensyaratkan oksigen untuk diproduksi dari air pada saat yang bersamaan agar hidrogen dapat diproduksi.

Lebih lanjut, proses menghasilkan oksigen lebih rumit daripada proses menghasilkan hidrogen, yang akibatnya mempersulit peningkatan efisiensi reaksi (atom oksigen diambil dari 2H).2Partikel O harus melekat satu sama lain.). Ini adalah hambatan yang membatasi konversi hidrogen dari air secara efisien dengan menggunakan sinar matahari.

Solusinya adalah meningkatkan efisiensi konversi oksigen dari air, namun ini bukan masalah sederhana. Tidak dipahami dengan baik bagaimana oksigen dihasilkan dari air (yaitu mekanisme di balik reaksi), oleh karena itu mencoba untuk meningkatkan reaksi ini sama dengan bekerja dalam gelap. Untuk menjelaskan situasi tersebut, penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan metode deteksi kecepatan tinggi untuk mengamati oksigen yang dihasilkan oleh fotosintesis buatan untuk mengungkap mekanisme di balik reaksi air terhadap oksigen.

Metodologi Penelitian

Studi penelitian ini menggunakan metode analisis kimia bawah air menggunakan mikroelektroda yang dikembangkan oleh Profesor TAKAHASHI Yasufumi et al dari Universitas Kanazawa. (peneliti yang berkontribusi) sebagai teknologi yang mendasari. Oksigen yang dihasilkan dari fotokatalis fotosintesis buatan terdeteksi saat bergabung kembali ke dalam air. Panel fotokatalis strontium titanit direndam dalam air. Mikroelektroda, yang terdiri dari kawat platina 20 mikrometer (sekitar ¼ dari rambut manusia) dengan sisi-sisinya dilapisi kaca, diturunkan ke dalam air 100 mikrometer dari permukaan panel fotokatalis.

Ketika panel fotokatalis diterangi oleh sinar ultraviolet (dengan panjang gelombang 280nm) dari dioda pemancar cahaya, oksigen (O2) dan hidrogen (H.2) dipisahkan dari air yang bersentuhan dengan panel. Molekul oksigen dan hidrogen ini kemudian dilepaskan ke dalam air. Oksigen yang dilepaskan tersebar di seluruh air dan mencapai mikroelektroda. Oksigen yang mencapai mikroelektroda menerima 4 elektron (e) dari elektroda yang menghasilkan transformasi berikut: O2 + 2H2O + 4e -> 4OH.

Jumlah elektron yang diterima dari elektroda oleh oksigen dapat ditentukan dengan mengukur arus listrik yang melewati elektroda. Mengukur arus listrik yang melewati elektroda setiap 0,1 detik memungkinkan para peneliti menghitung jumlah oksigen yang mencapai elektroda setiap 0,1 detik. Deteksi gas-kromatografi, alat analitik yang digunakan untuk pendeteksian oksigen hingga saat ini, hanya dapat mengukur jumlah oksigen setiap 3 menit. Penelitian ini berhasil mengembangkan metode pendeteksian yang 1000 kali lebih cepat.

Menghitung waktu yang dibutuhkan oksigen untuk menempuh jarak 100 mikrometer melalui air dari panel fotokatalis menuju elektroda tidaklah sulit. Ini dapat dicapai dengan melakukan simulasi numerik pada komputer desktop, berdasarkan hukum difusi Fick. Membandingkan hasil pengukuran yang diperoleh dari mikroelektroda dengan simulasi menunjukkan bahwa terdapat penundaan 1 hingga 2 detik antara panel fotokatalis yang diterangi oleh sinar UV dan oksigen yang dilepaskan ke dalam air. Penundaan ini merupakan fenomena baru yang tidak dapat diamati melalui deteksi kromatografi gas.

Diyakini bahwa penundaan ini merupakan tahap persiapan yang diperlukan untuk fotokatalis yang diterangi untuk memulai pemisahan air. Penelitian selanjutnya akan berusaha untuk memverifikasi hipotesis ini, selain menyelidiki apa yang dilakukan fotokatalis selama tahap persiapan. Namun demikian, metode pendeteksian oksigen yang dikembangkan dalam penelitian ini, yang 1000 kali lebih cepat dari metode pendeteksian sebelumnya, diharapkan dapat memunculkan perkembangan baru dalam fotosintesis buatan.

Sumber Cerita:

Materi disediakan oleh Universitas Kobe. Catatan: Konten dapat diedit untuk gaya dan panjangnya.

Dipersembahkan Oleh : Lapak Judi

Baca Juga : Data Sidney