Perangkat berbentuk daun yang cukup ringan untuk mengapung di atas air dapat digunakan untuk menghasilkan bahan bakar dari pembangkit listrik tenaga surya yang terletak di sumber air terbuka – sebuah cara yang belum pernah dieksplorasi sebelumnya, menurut para peneliti dari Universitas Cambridge di Inggris yang mengembangkannya. Perangkat baru ini terbuat dari substrat tipis dan fleksibel serta lapisan penyerap cahaya berbasis perovskit, dan pengujian menunjukkan bahwa perangkat tersebut dapat menghasilkan hidrogen atau syngas (campuran hidrogen dan karbon monoksida) saat mengapung di Sungai Cam.
Daun tiruan seperti ini merupakan jenis sel fotoelektrokimia (PEC) yang mengubah sinar matahari menjadi energi listrik atau bahan bakar dengan meniru beberapa aspek fotosintesis, seperti pemecahan air menjadi oksigen dan hidrogen penyusunnya. Hal ini berbeda dengan sel fotovoltaik konvensional yang mengubah cahaya langsung menjadi listrik.
Karena daun buatan PEC mengandung komponen pemanen cahaya dan katalisis dalam satu perangkat kompak, pada prinsipnya daun tersebut dapat digunakan untuk menghasilkan bahan bakar dari sinar matahari dengan murah dan sederhana. Masalahnya adalah teknik pembuatannya saat ini tidak dapat ditingkatkan. Terlebih lagi, bahan-bahan tersebut sering kali terbuat dari bahan curah yang rapuh dan berat, sehingga membatasi penggunaannya.
Pada tahun 2019 tim peneliti dipimpin oleh Erwin Reisner mengembangkan daun buatan yang menghasilkan syngas dari sinar matahari, karbon dioksida dan air. Perangkat ini berisi dua peredam cahaya dan katalis, namun juga menggunakan substrat kaca tebal dan pelapis untuk melindungi dari kelembapan, sehingga membuatnya tidak praktis.
Versi baru dan ringan
Untuk membuat versi baru yang lebih ringan, Reisner dan rekannya harus mengatasi beberapa tantangan. Yang pertama adalah mengintegrasikan peredam cahaya dan katalis ke dalam substrat yang tahan terhadap infiltrasi air. Untuk melakukan hal ini, mereka memilih oksida logam film tipis, bismuth vanadate (BiVO4), dan semikonduktor fotoaktif yang dikenal sebagai perovskit timbal halida, yang dapat dilapisi pada plastik fleksibel dan foil logam. Mereka kemudian menutupi perangkat tersebut dengan polietilen tereftalat anti air setebal mikron. Hasilnya adalah struktur yang berfungsi dan tampak seperti daun asli.
“Kami menempatkan peredam cahaya di tengah perangkat, untuk melindunginya dari air,” jelas Reisner. “Perovskit yang sensitif terhadap kelembapan khususnya perlu diisolasi sepenuhnya.”
Katalis disimpan di kedua sisi perangkat. Perovskit dan BiVO4 memanen radiasi matahari, namun alih-alih menghasilkan listrik seperti panel fotovoltaik, mereka menggunakan energi yang dipanen untuk menggerakkan reaksi kimia dengan dukungan katalis. “Hal ini memungkinkan kami untuk menggerakkan bahan kimia pada panel surya – dalam kasus kami, mengubah gas rumah kaca karbon dioksida dengan air untuk menghasilkan syngas, pembawa energi industri yang penting,” kata Reisner. Dunia Fisika.
Para peneliti menguji daunnya yang mengapung di Sungai Cam di Cambridge dan menemukan bahwa daun tersebut mengubah sinar matahari menjadi bahan bakar seefisien daun tumbuhan alami. Memang benar, perangkat yang mengandung katalis platinum mencapai aktivitas 4,266 μmol H2 g-1 h-1.
Peternakan untuk sintesis bahan bakar
“Peternakan tenaga surya telah menjadi populer untuk produksi listrik; kami membayangkan peternakan serupa untuk sintesis bahan bakar,” kata anggota tim Virgil Andrey. “Hal ini dapat menyuplai pemukiman di pesisir pantai, pulau-pulau terpencil, menutupi kolam industri, atau menghindari penguapan air dari saluran irigasi.”
Aliran cairan diarahkan pada permukaan yang terinspirasi oleh daun konifer
“Banyak teknologi energi terbarukan, termasuk teknologi bahan bakar surya, dapat menghabiskan banyak ruang di daratan, sehingga memindahkan produksi ke perairan terbuka berarti bahwa energi bersih dan penggunaan lahan tidak saling bersaing,” tambah Reisner. “Secara teori, Anda dapat menyatukan perangkat-perangkat ini dan meletakkannya hampir di mana saja, di hampir semua negara, yang juga akan membantu keamanan energi.”
Para peneliti mengatakan mereka sekarang akan berupaya meningkatkan dan meningkatkan efisiensi dan stabilitas perangkat mereka. “Tim kami juga mempelajari katalis baru untuk memperluas cakupan kimia daun buatan agar memungkinkan kami membuat produk lain dari bahan baku yang melimpah dan idealnya, dalam jangka panjang, banyak bahan kimia berbeda sesuai permintaan,” kata Reisner.
Studi ini dirinci dalam Alam.
