Teknologi Berbasis Fotokatalis: Sebuah Teknologi Potensial di Masa Mendatang

Berbicara mengenai sains dan teknologi, maka kita seperti dihadapkan pada sebuah ladang dengan tanah yang subur, dengan bibit tanaman yang beraneka ragam yang siap kita tanami. Sains dan teknologi seperti tidak ada habisnya untuk dikaji dan diteliti. Salah satu teknologi yang sedang berkembang di beberapa dekade terakhir adalah teknologi fotokatalis.

Fotokatalis (Foto-katalis) adalah sebuah katalis yang dapat dimanfaatkan untuk mempercepat reaksi kimia yang memerlukan atau membutuhkan sinar/cahaya. Fotokatalis merupakan sebuah material yang memiliki kemampuan untuk menyerap sinar dan memproduksi pasangan elektron-hole (e^– + h⁺) yang mampu melakukan transformasi kimia melalui proses reduksi dan oksidasi (Chan, Yeong Wu, Juan, & Teh, 2011). Pasangan elektron dan hole bertindak sebagai agen aktif yang berperan dalam menentukan proses reaksi yang akan berlangsung, apakah dalam keadaan oksidasi atau reduksi. Ketika molekul bertemu dengan hole (h⁺) maka proses yang berlangsung adalah proses oksidasi dimana sebaliknya jika molekul melakukan kontak dengan elektron (e^–) yang tereksitasi, maka proses yang berlangsung adalah proses reduksi. Namun, perlu diperhatikan bahwa proses reaksi hanya bisa berlangsung ketika elektron dan hole bermigrasi ke permukaan material dan kontak dengan molekul target dengan cepat. Proses reaksi tidak akan pernah terjadi jika terjadi rekombinasi elektron dan hole yang diakibatkan oleh adanya pelepasan energi (panas) oleh material.

Gambar 1. Mekanisme proses aktivasi material fotokatalis

sumber: (Hui Pan, 2016) yang dimodifikasi sesuai dengan interpretasi penulis

Pada prosesnya, material fotokatalis menyerap energi foton dari sumber sinar kemudian mengkonversinya ke dalam bentuk energi kimia untuk digunakan dalam berbagai reaksi kimia. Material ini juga dianggap sebagai salah satu teknologi yang ramah lingkungan (green technology) dikarenakan berpotensi untuk memanfaatkan sinar matahari untuk digunakan dalam beberapa aplikasi (M. P. V. K. Anpo, 2010). Karakteristik yang menyerap sinar menjadikan material fotokatalis sangat berpotensi untuk diterapkan di Indonesia dikarenakan Indonesia merupakan negara tropis dengan intensitas sinar matahari yang cukup tinggi. Kombinasi antara intensitas matahari yang tinggi dan material fotokatalis dengan aktivitas yang tinggi dapat menjadi suatu teknologi masa depan yang dapat dimanfaatkan di Indonesia.

Secara umum, material fotokatalis adalah material semikonduktor dimana beberapa penelitian juga melaporkan bahwa beberapa senyawa organik juga memiliki kemampuan untuk digunakan sebagai material fotokatalis (Vyas, Lau, & Lotsch, 2016). Titanium dioksida (TiO₂) adalah material fotokatalis yang paling banyak diteliti untuk diaplikasikan dalam berbagai aplikasi (Shan, Ghazi, & Rashid, 2010).

Dalam penerapannya, material fotokatalis dapat diterapkan dalam berbagai aspek seperti proses pengelolaan limbah industri dan pertanian (Gupta & Tripathi, 2011), proses disinfeksi pada air minum (Gamage McEvoy & Zhang, 2014), sintesis kimia (Uddin et al., 2012), sensor gas (Suman, Felix, Tuller, Varela, & Orlandi, 2015), dan produksi hidrogen (Chen, Wu, Wu, & Tsai, 2011). Beberapa penerapan yang sudah mulai dikembangkan ke skala industri antara lain penggunaan material fotokatalis TiO₂ sebagai material aktif pada cat tembok untuk menjaga agar warna cat tetap cerah dan membantu proses purifikasi udara ruangan (Auvinen & Wirtanen, 2008). Pada dasarnya, penggunaan material fotokatalis pada cat digunakan untuk mendegradasi molekul organik yang menempel pada cat ataupun yang terkandung di udara di dalam ruangan. Ketika cat terpapar oleh sinar matahari, maka material fotokatalis yang terdapat pada cat akan teraktifkan dan mendekomposisi setiap molekul organik yang menempel atau bersentuhan dengan cat, sehingga warna cat akan tetap cerah dan tahan lama (Gambar 2). Untuk info penggunaan material TiO2 dalam cat bisa di lihat di icis.com.

Gambar 2. Ilustrasi penggunaan material fotokatalis sebagai bahan aktif pada cat tembok

Baru-baru ini, peneliti dari University of Antwerp di Belgia telah menciptakan alat yang mampu memurnikan udara tercemar menggunakan sinar matahari sambil memproduksi hidrogen yang disimpan dan digunakan untuk sumber energi (Gambar 3). Mereka mengklaim menggunakan material light activated catalyst sebagai material pintar yang bekerja untuk menjalankan dua proses tersebut. Pada dasarnya, material fotokatalis yang mereka gunakan menerapkan prinsip oksidasi dan reduksi secara bersamaan dimana pada proses penjernihan udara, material fotokatalis menerapkan proses oksidasi melalui hole (h⁺) yang dihasilkan, dan proses produksi hidrogen, material fotokatalis menerapkan proses oksidasi melalui elektron (e^–) yang tereksitasi.

Karakteristik material yang sangat unik menjadikan material ini sebagai material yang sangat menjanjikan untuk diaplikasikan di masa mendatang. Proses penelitian berbasis material fotokatalis terus dilakukan hingga saat ini, mayoritas penelitian berbasis pada optimalisasi material dan rekayasa proses yang dapat secara optimum memanfaatkan karakteristik material fotokatalis untuk dapat digunakan dalam berbagai aplikasi. Kita harapkan suatu saat material ini dapat menjadi salah satu teknologi yang dapat diterapkan di Indonesia.

Referensi

• Anpo, M. P. V. K. (2010). Environmentally Benign Photocatalysts. (M. Anpo & P. V. Kamat, Eds.). New York, NY: Springer New York. https://doi.org/10.1007/978-0-387-48444-0
• Auvinen, J., & Wirtanen, L. (2008). The influence of photocatalytic interior paints on indoor air quality. Atmospheric Environment, 42(18), 4101-4112. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2008.01.031
• Chan, S. H. S., Yeong Wu, T., Juan, J. C., & Teh, C. Y. (2011). Recent developments of metal oxide semiconductors as photocatalysts in advanced oxidation processes (AOPs) for treatment of dye waste-water. J Chem Technol Biot, 86(9), 1130-1158. https://doi.org/10.1002/jctb.2636
• Chen, J.-J., Wu, J. C. S., Wu, P. C., & Tsai, D. P. (2011). Plasmonic Photocatalyst for H 2 Evolution in Photocatalytic Water Splitting. The Journal of Physical Chemistry C, 115(1), 210-216. https://doi.org/10.1021/jp1074048
• Gamage McEvoy, J., & Zhang, Z. (2014). Antimicrobial and photocatalytic disinfection mechanisms in silver-modified photocatalysts under dark and light conditions. Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews, 19, 62-75. https://doi.org/10.1016/j.jphotochemrev.2014.01.001
• Gupta, S. M., & Tripathi, M. (2011). A review of TiO2 nanoparticles. Chinese Sci. Bull., 56(16), 1639-1657. https://doi.org/10.1007/s11434-011-4476-1
• Pan, H. (2016). Principles on design and fabrication of nanomaterials as photocatalysts for water-splitting. Renew Sust Energ Rev, 57, 584-601.
• Shan, A. Y., Ghazi, T. I. M., & Rashid, S. A. (2010). Immobilisation of titanium dioxide onto supporting materials in heterogeneous photocatalysis: A review. Applied Catalysis A: General, 389(1-2), 1-8. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2010.08.053
• Suman, P. H., Felix, A. A., Tuller, H. L., Varela, J. A., & Orlandi, M. O. (2015). Comparative gas sensor response of SnO2, SnO and Sn3O4 nanobelts to NO2 and potential interferents. Sensors and Actuators B: Chemical, 208, 122-127. https://doi.org/10.1016/j.snb.2014.10.119
• Uddin, M. T., Nicolas, Y., Olivier, C., Toupance, T., Servant, L., MA?ller, M. M.,  Jaegermann, W. (2012). Nanostructured SnO2-ZnO Heterojunction Photocatalysts Showing Enhanced Photocatalytic Activity for the Degradation of Organic Dyes. Inorg Chem, 51(14), 7764-7773. https://doi.org/10.1021/ic300794j
• Vyas, V. S., Lau, V. W., & Lotsch, B. V. (2016). Soft Photocatalysis: Organic Polymers for Solar Fuel Production. Chemistry of Materials, 28(15), 5191-5204. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.6b01894

Baca juga Mengenal Baterai Alumunium-Udara (Al-air), Baterai yang Lebih Unggul dari Lithium-ion dan Telah Diterapkan di Mobil Listrik