Dalam beberapa dekade terakhir, tantangan terbesar umat manusia bukan hanya tentang cara menghasilkan energi untuk kebutuhan harian, tetapi juga tentang bagaimana melakukannya tanpa merusak lingkungan. Energi bersih menjadi kata kunci dalam upaya untuk mengurangi penggunaan bahan bakar fosil seperti minyak dan batubara yang memicu perubahan iklim. Salah satu bentuk energi bersih yang paling menjanjikan adalah hidrogen bersih karena ketika hidrogen digunakan sebagai bahan bakar, produk akhirnya hanya air—tidak menghasilkan gas rumah kaca yang berbahaya. Namun tantangan besar muncul ketika berbicara bagaimana menghasilkan hidrogen itu sendiri secara efisien dan ramah lingkungan. Penelitian terbaru yang dilakukan oleh tim peneliti dari Tohoku University di Jepang bersama rekan-rekannya di Vietnam membuka peluang baru yang menjanjikan. Penelitian berfokus pada material canggih berbasis struktur atom yang sangat tipis untuk meningkatkan efisiensi produksi hidrogen dari energi matahari. Temuan ini menunjukkan arah baru dalam teknologi energi bersih yang bisa menjadi bagian penting dari masa depan energi kita.
Apa Itu Hidrogen Bersih dan Mengapa Penting?
Hidrogen bersih merupakan hidrogen yang dihasilkan dengan cara yang tidak menghasilkan emisi gas rumah kaca dalam prosesnya. Salah satu cara utama untuk menghasilkan hidrogen seperti ini adalah melalui proses yang disebut photocatalytic water splitting atau pemecahan air secara fotokatalitik. Ini adalah proses di mana air (H₂O) diurai menjadi dua bagian—hidrogen (H₂) dan oksigen (O₂)—dengan bantuan cahaya matahari dan material khusus yang bertindak sebagai katalis. Cahaya matahari yang merupakan energi bersih diubah menjadi energi kimia di dalam molekul hidrogen. Ketika hidrogen ini kemudian digunakan sebagai bahan bakar, ia menghasilkan energi dan kembali menjadi air, sehingga siklusnya bersih dari emisi karbon.
Namun, meskipun konsepnya terdengar sederhana, melakukan proses ini secara efisien dalam skala besar adalah tantangan besar. Banyak material yang mampu melakukan pemecahan air ini hanya pada tingkat efisiensi rendah, atau prosesnya tidak stabil dan cepat menurun efektivitasnya. Tantangan lain termasuk masalah seperti electron-hole recombination—ketika partikel bermuatan yang dibuat oleh cahaya matahari saling bertemu dan saling menetralkan sebelum mereka sempat memperbaiki proses pemecahan air. Itulah mengapa para peneliti terus mencari material baru yang bisa melakukan pekerjaan ini dengan efisiensi tinggi.
Memahami Struktur 2D dan Janus Heterobilayers
Tim peneliti melihat potensi besar dalam material yang sangat tipis—hanya beberapa atom tebal—yang dikenal sebagai material dua dimensi (2D). Material dua dimensi ini memiliki sifat luar biasa karena struktur mereka yang sangat tipis dan luas permukaannya. Dalam penelitian ini, mereka fokus pada jenis khusus dari material 2D yang disebut Janus heterobilayers. Istilah heterobilayer berarti dua lapisan material yang berbeda disatukan, sementara Janus merujuk pada struktur yang memiliki sisi yang berbeda di setiap permukaannya. Nama Janus sendiri berasal dari dewa Romawi Janus yang memiliki dua wajah.
Dalam konteks ilmiah, Janus heterobilayers adalah material yang terdiri dari dua lapisan atom tipis yang berbeda, di mana setiap sisi material memiliki komposisi kimia yang berbeda. Ketika material seperti ini dibuat, mereka dapat menciptakan dipol internal—sebuah kondisi di mana satu sisi material memiliki muatan listrik sedikit berbeda dari sisi lain sehingga menciptakan medan listrik internal yang kuat. Medan listrik internal ini membantu memisahkan dan menahan partikel bermuatan yang dihasilkan ketika material menyerap cahaya matahari, sehingga meningkatkan efisiensi proses pemecahan air.
Bagaimana Material Ini Membantu Memecah Air?
Ketika cahaya matahari menyinari material fotokatalis, foton dari cahaya akan menyerap energi dan menghasilkan pasangan elektron dan lubang (electron-hole pair). Elektron adalah partikel kecil yang bermuatan negatif, sedangkan “lubang” adalah tempat kosong yang bermuatan positif ketika elektron meninggalkan posisi asalnya. Ketika cahaya menumbuk material, energi dari foton itu meningkatkan posisi energi elektron sehingga elektron bisa digunakan untuk bereaksi dengan air. Namun, jika elektron dan lubang bertemu lagi sebelum sempat digunakan untuk memecah air, efisiensi proses berkurang drastis. Inilah yang disebut electron-hole recombination.
Struktur Janus heterobilayers dengan medan listrik internal yang kuat memungkinkan elektron dan lubang terpisah lebih efisien sehingga lebih banyak elektron bisa digunakan untuk proses pemecahan air. Ini seperti menyediakan jalur cepat dan memisahkan mobil-mobil di jalan sehingga mereka tidak bertabrakan di tengah perjalanan. Ketika pemisahan ini terjadi dengan lebih baik, lebih banyak hidrogen dapat dihasilkan dari jumlah cahaya matahari yang sama.
Eksperimen: Menggabungkan Material untuk Hasil Terbaik
Dalam penelitian yang dilakukan, tim menguji berbagai kombinasi dari material yang disebut transition-metal dichalcogenides (TMDC)—sejenis material dua dimensi yang terkenal memiliki sifat elektronik dan optik yang menarik. Tim memadukan berbagai TMDC dengan struktur Janus untuk membuat heterobilayers, kemudian mengevaluasi sekitar 20 kombinasi berbeda untuk melihat mana yang paling efektif dalam pemecahan air.
Salah satu hasil paling menonjol dari eksperimen ini adalah kombinasi antara dua material, yaitu WS₂ (tungsten disulfida) dan SMoSe (suatu jenis heterostruktur chalcogenide), yang menghasilkan efisiensi konversi energi matahari menjadi hidrogen sebesar 16,62%. Angka ini lebih tinggi daripada banyak material lain yang diuji sebelumnya, yang seringkali menghasilkan efisiensi di bawah 15%. Efisiensi ini mencerminkan seberapa efektif cahaya matahari yang jatuh pada material berubah menjadi energi kimia dalam bentuk hidrogen.
Angka ini penting karena 16,62% menunjukkan bahwa hampir seperlima dari energi matahari yang diterima material dapat digunakan untuk menghasilkan hidrogen, yang merupakan terobosan signifikan dalam bidang energi bersih ini. Walaupun masih jauh dari efisiensi ideal yang dibayangkan, peningkatan ini membuka jalan bagi material yang lebih efektif di masa depan.
Tantangan dan Peluang di Depan
Walaupun punya hasil yang menjanjikan, masih ada tantangan besar sebelum teknologi ini dapat diimplementasikan secara luas. Salah satunya adalah bagaimana memproduksi material dua dimensi seperti Janus heterobilayers ini dalam jumlah besar dan dengan biaya yang efisien. Selain itu, meski efisiensi 16,62% sudah lebih baik daripada banyak pesaingnya, tim terus mencari cara untuk meningkatkan efisiensi ini agar lebih mendekati atau bahkan melampaui teknologi energi terbarukan lain seperti panel surya komersial.
Tim mengatakan bahwa penelitian ini hanyalah langkah awal. Dengan memetakan prinsip dasar bagaimana atom tersusun dalam material ini dan bagaimana mereka berinteraksi dengan cahaya, desain heterobilayers yang lebih efisien bisa terjadi di masa depan. Tim membandingkan proses menemukan kombinasi material ini seperti merakit balok LEGO—ada banyak kemungkinan kombinasi, tetapi dengan metode yang tepat, kita bisa menemukan konfigurasi yang paling efektif dengan lebih cepat.
Apa Arti Penelitian Ini Bagi Energi Dunia?
Penelitian ini bukan hanya soal menemukan material baru dalam laboratorium. Ini adalah langkah penting menuju masa depan di mana energi bersih bisa diproduksi secara efisien, terjangkau, dan tanpa dampak besar pada lingkungan. Hidrogen yang dihasilkan dari proses fotokatalitik bisa menjadi bahan bakar untuk kendaraan, rumah tangga, atau bahkan industri, menggantikan bahan bakar fosil yang kini masih mendominasi sumber energi dunia.
Selain itu, hidrogen bersih memiliki potensi besar dalam membantu negara-negara mencapai target net-zero carbon atau nol emisi bersih, yang sangat penting dalam menghadapi perubahan iklim. Jika teknologi seperti ini berhasil dikembangkan lebih jauh, kita bisa membayangkan masa depan di mana setiap rumah atau fasilitas produksi energi menghasilkan hidrogen dari air dan sinar matahari, mengurangi ketergantungan pada sumber energi kotor dan mahal.
Kesimpulan
Penelitian terbaru di Tohoku University dan mitra penelitinya menunjukkan arah baru dalam teknologi energi bersih melalui pengembangan Janus heterobilayers—material dua dimensi dengan permukaan berbeda di tiap sisi. Struktur unik ini menciptakan medan listrik internal yang membantu meningkatkan efisiensi proses pemecahan air menjadi hidrogen menggunakan cahaya matahari, sebuah langkah penting menuju produksi bahan bakar hidrogen bersih yang lebih efisien. Penelitian ini menemukan kombinasi material yang mencapai efisiensi konversi energi matahari menjadi hidrogen sebesar 16,62%, yang melebihi banyak material yang ada saat ini. Meskipun masih banyak tantangan sebelum teknologi ini bisa dipakai secara luas, hasil ini membuka pintu untuk masa depan energi bersih yang lebih efektif dan berkelanjutan.
Referensi
[1] https://www.tohoku.ac.jp/en/press/designing_the_future_of_clean_energy_janus_heterobilayers_lead_the_way.html, diakses pada 25 Januari 2026.
[2] Nguyen Tran Gia Bao, Ton Nu Quynh Trang, Nam Thoai, Thang Bach Phan, Vu Thi Hanh Thu, Nguyen Tuan Hung. Rational Design 2D Heterobilayers Transition-Metal Dichalcogenide and Their Janus for Efficient Water Splitting. ACS Applied Energy Materials, 2025; 8 (8): 5209 DOI: 10.1021/acsaem.5c00175
