Review Oleh: Ropiudin, S.TP., M.Si. (Dosen Bidang Teknik Sistem Termal dan Energi Terbarukan, Universitas Jenderal Soedirman)
Ammonia (NH₃) telah lama dikenal sebagai bahan baku penting dalam industri kimia dan pertanian. Namun, dalam konteks transisi energi global, ammonia kini mulai dipandang sebagai media penyimpanan dan transportasi energi yang menarik. Hal ini penting untuk mendukung skema konversi energi kimia dalam sistem energi terbarukan yang ramah lingkungan. Dalam artikel ini, berbagai perkembangan terbaru terkait katalis dan sistem reaksi untuk sintesis ammonia yang lebih efisien, terutama melalui elektrokatalitik dan fotoelektrokatalitik, menjadi fokus pembahasan yang sangat relevan dalam konteks energi terbarukan.
Tantangan Proses Haber–Bosch
Saat ini, produksi ammonia secara industri masih didominasi oleh proses Haber–Bosch, yang meskipun telah terbukti efektif secara skala besar, memiliki beberapa kelemahan mendasar. Proses ini memerlukan suhu tinggi (sekitar 400-500°C) dan tekanan tinggi (150-300 atm), yang membutuhkan energi dalam jumlah besar, sebagian besar berasal dari bahan bakar fosil. Tidak hanya itu, proses ini juga menghasilkan emisi CO₂ yang signifikan, menjadikannya salah satu penyumbang utama gas rumah kaca di sektor industri.
Dalam konteks keberlanjutan dan transisi menuju energi terbarukan, mencari alternatif proses produksi ammonia yang lebih efisien secara energi dan lebih ramah lingkungan menjadi prioritas global. Pendekatan baru, seperti elektrokatalitik dan fotoelektrokatalitik, muncul sebagai solusi potensial untuk mengatasi keterbatasan proses tradisional ini.
Elektrokatalitik dan Fotoelektrokatalitik Sintesis Ammonia
Proses elektrokatalitik dan fotoelektrokatalitik untuk sintesis ammonia melibatkan konversi langsung nitrogen (N₂) menjadi ammonia (NH₃) dengan menggunakan energi listrik atau energi matahari sebagai input energi. Ini bisa menjadi terobosan besar karena memungkinkan produksi ammonia pada kondisi yang jauh lebih moderat dibandingkan dengan proses Haber–Bosch. Pendekatan ini memanfaatkan energi terbarukan seperti listrik dari tenaga surya atau angin, sehingga proses ini menjadi lebih ramah lingkungan dan berkelanjutan.
Elektrokatalitik menggunakan katalis yang dapat mempercepat reaksi konversi N₂ menjadi NH₃ pada suhu dan tekanan yang lebih rendah dengan menggunakan listrik. Sementara itu, fotoelektrokatalitik menambah lapisan efisiensi dengan menggunakan cahaya sebagai sumber energi, memanfaatkan prinsip fotokimia untuk mempercepat reaksi.
Perkembangan Katalis untuk Sintesis Ammonia
Salah satu tantangan utama dalam pengembangan teknologi ini adalah pemilihan katalis yang efektif. Proses elektrokatalitik dan fotoelektrokatalitik membutuhkan material katalis yang mampu mengaktifkan molekul nitrogen (N₂) yang secara kimia sangat stabil, dan kemudian mereduksinya menjadi NH₃. Pengembangan katalis ini sangat menantang, karena N₂ memiliki ikatan rangkap tiga yang sangat kuat, membuatnya sulit untuk dipecah tanpa energi yang besar.
Beberapa perkembangan terbaru menunjukkan kemajuan yang signifikan dalam material katalis, seperti penggunaan material berbasis logam transisi, nitrida logam, atau bahkan material berbasis karbon. Katalis berbasis logam, seperti ruthenium (Ru) atau molibdenum (Mo), telah menunjukkan potensi dalam menurunkan energi aktivasi untuk sintesis ammonia, namun tantangan biaya dan keberlanjutannya masih menjadi pertimbangan penting.
Di sisi lain, pendekatan computational chemistry telah membantu dalam mendesain katalis baru dan memahami mekanisme reaksi pada tingkat atomik. Simulasi dan pemodelan komputasi dapat memberikan wawasan tentang interaksi antara katalis dan molekul nitrogen, serta bagaimana reaksi dapat dioptimalkan pada kondisi yang lebih moderat.
Desain Sistem Reaksi
Desain sistem reaksi juga merupakan faktor penting dalam sintesis ammonia melalui metode baru ini. Sistem elektrokimia dan fotoelektrokimia perlu dirancang agar dapat beroperasi dengan efisien dan stabil dalam jangka waktu yang lama. Salah satu tantangan besar adalah mengembangkan elektrolit yang tepat, yang tidak hanya mendukung reaksi elektrokimia, tetapi juga ramah lingkungan dan tidak beracun.
Selain itu, pengembangan perangkat reaktor yang mampu mengefisiensikan transfer massa dan energi juga sangat penting. Reaktor harus dirancang agar mampu mengefisiensikan kontak antara molekul nitrogen dengan katalis, serta menjaga kestabilan proses dalam kondisi operasional yang berkelanjutan.
Manfaat Terhadap Transisi Energi
Sintesis ammonia melalui metode elektrokatalitik dan fotoelektrokatalitik menawarkan beberapa manfaat besar dalam konteks transisi energi dan keberlanjutan. Ammonia, sebagai senyawa yang kaya energi, dapat digunakan sebagai media penyimpanan energi, khususnya dalam skenario di mana surplus energi terbarukan (seperti dari tenaga surya atau angin) dapat disimpan dalam bentuk bahan kimia. Ammonia juga dapat digunakan sebagai bahan bakar hijau dalam sel bahan bakar (fuel cell), di mana NH₃ dapat dipecah menjadi nitrogen dan air tanpa menghasilkan CO₂, menjadikannya solusi yang ramah lingkungan untuk transportasi dan penyimpanan energi.
Keuntungan lain dari penggunaan ammonia sebagai bahan bakar atau media penyimpanan energi adalah infrastruktur transportasi dan penyimpanannya yang sudah cukup matang, karena ammonia sudah lama diproduksi dalam skala industri. Hal ini membuka peluang besar untuk mempercepat transisi energi dengan mengintegrasikan ammonia ke dalam sistem energi terbarukan yang lebih luas.
Kesimpulan
Secara keseluruhan, artikel ini menyoroti perkembangan penting dalam sintesis ammonia yang lebih ramah lingkungan, khususnya melalui pendekatan elektrokatalitik dan fotoelektrokatalitik. Sebagai seorang Dosen Teknik Sistem Termal dan Energi Terbarukan, saya melihat pendekatan ini sebagai langkah penting menuju dekarbonisasi industri kimia dan energi. Tantangan utama seperti pengembangan katalis yang efektif dan desain sistem reaksi yang efisien perlu terus diatasi melalui penelitian intensif dan kolaborasi multidisiplin. Dengan kemajuan teknologi ini, produksi ammonia yang efisien dan berkelanjutan dapat menjadi solusi kunci dalam transisi menuju sistem energi terbarukan yang lebih hijau dan berkelanjutan.
