Para ilmuwan telah berhasil mengamati secara langsung pemisahan molekul air menjadi hidrogen dan oksigen. Menariknya, sebelum terpisah, molekul-molekul tersebut mengalami perpindahan posisi 180 derajat yang tidak terduga.
Pergerakan mikro ini memerlukan energi, yang dapat menjelaskan mengapa pemisahan air membutuhkan lebih banyak energi daripada yang diperkirakan melalui teori.
Para peneliti percaya bahwa eksplorasi lebih lanjut tentang fenomena ini dapat memberikan wawasan penting untuk meningkatkan efisiensi dalam pemisahan molekul air, sehingga berpotensi menghasilkan bahan bakar hidrogen yang lebih murah dan oksigen yang dapat dihirup untuk misi Mars di masa depan. Temuan ini dipublikasikan pada 5 Maret di jurnal Science Advances.
Pembuatan Bahan Bakar Hidrogen
Hidrogen memiliki banyak karakteristik yang menjadikannya sumber energi yang ramah lingkungan. Bahan bakar ini memiliki energi tinggi, sangat cocok untuk menggerakkan truk dan kapal kargo, serta merupakan alternatif utama bagi bahan bakar fosil di industri seperti baja dan pupuk. Saat dibakar, hidrogen hanya menghasilkan air, bukan karbon dioksida.
Namun, tingginya kebutuhan energi untuk memproduksi hidrogen membatasi kapasitas produksinya. Menurut International Energy Authority, diperlukan 354 juta ton hidrogen setiap tahunnya untuk memenuhi kebutuhan energi global.
Sayangnya, pada tahun 2023, hanya sekitar 107 juta ton hidrogen yang bisa diproduksi, dengan biaya yang 1,5 hingga enam kali lebih mahal dibandingkan bahan bakar fosil, dan sebagian besar proses produksinya masih menggunakan bahan bakar fosil.
Produksi hidrogen dilakukan dengan menambahkan air ke elektroda dan memisahkannya menjadi hidrogen dan oksigen melalui pengaplikasian tegangan. Proses ini paling optimal ketika iridium digunakan sebagai katalis untuk reaksi pemisahan oksigen dari air. Namun, iridium tergolong bahan yang langka dan mahal karena hanya sampai di planet kita melalui meteor.
Penulis utama studi, Franz Geiger, profesor kimia di University of Northwestern, menjelaskan, “Energi yang diperlukan untuk proses ini ternyata lebih besar daripada yang diperhitungkan secara teoritis. Seharusnya hanya dibutuhkan 1,23 volt, tetapi kenyataannya memerlukan sekitar 1,5 hingga 1,6 volt.” Ia menambahkan bahwa tingginya biaya voltase pengisian menjadi penghalang untuk penerapan proses pemisahan air secara luas.
Untuk memahami lebih jauh mengenai kebutuhan energi proses ini, para peneliti menggunakan teknik pengukuran posisi molekul dengan bantuan cahaya laser yang diarahkan ke air yang terletak pada elektroda. Ketika tegangan diterapkan, molekul air terbukti berbalik sehingga atom hidrogen menghadap ke elektroda, sedangkan atom oksigen mengarah ke bawah.
Geiger menjelaskan, “Karena elektroda memiliki muatan negatif, molekul air cenderung menempatkan atom hidrogen bermuatan positifnya pada permukaan elektroda. Posisi ini menghambat transfer elektron dari atom oksigen ke elektroda. Ketika medan listrik meningkat, molekul air berbalik sehingga atom oksigen menghadap elektroda, lalu atom hidrogen dilepaskan, memudahkan elektron bergerak.”
Dengan mengukur jumlah molekul yang berputar dan energi yang diperlukan untuk pembalikan ini, peneliti menemukan bahwa fenomena ini merupakan bagian penting dari proses pemisahan. Selain itu, mereka menemukan bahwa tingkat pH yang lebih tinggi dapat meningkatkan efisiensi proses tersebut.
Pemahaman yang lebih dalam mengenai proses ini diharapkan membantu ilmuwan dalam merancang katalis yang lebih efektif dan memperluas pemahaman kita mengenai perilaku air.
Geiger menggarisbawahi, “Penelitian ini menunjukkan seberapa terbatasnya pengetahuan kita mengenai air pada antarmuka. Air itu kompleks, dan teknologi baru kami dapat membantu kita memahaminya dengan lebih baik.” Ia menambahkan, “Dengan mengembangkan katalis baru yang memudahkan pemisahan air, kita bisa menjadikannya lebih praktis dan terjangkau.”
(rns/fay)
.