Dalam bidang industri, reaksi kimia biasanya terjadi dalam beberapa tahap dengan berbagai produk intermediat. Produk intermediat adalah molekul atau senyawa kimia yang terbentuk di antara reagen awal dan produk akhir selama serangkaian tahap dalam suatu reaksi kimia. Fotokimia memungkinkan reaksi hanya memerlukan lebih sedikit langkah intermediat. Fotokimia juga memungkinkan kita bekerja dengan bahan yang kurang berbahaya dibandingkan dengan kimia konvensional, karena cahaya menghasilkan reaksi dalam zat yang tidak bereaksi baik di bawah panas. Sayangnya, hingga saat ini belum banyak aplikasi industri untuk fotokimia, sebagian karena penyediaan energi dengan cahaya sering kali tidak efisien hingga terbentuknya produk sampingan yang tidak diinginkan.
Hasil penelitian dari tim yang dipimpin oleh Profesor Oliver Wenger dari University of Basel, dipublikasikan di jurnal ilmiah Nature Chemistry, menjelaskan prinsip dasar yang memiliki dampak lebih kuat dari yang diharapkan pada efisiensi energi dari fotokimia dan dapat meningkatkan kecepatan reaksi fotokimia.
Dalam kasus jenis reaksi fotokimia, molekul awal berada dalam larutan cair. Jika molekul menerima energi dalam bentuk cahaya, molekul-molekul dapat saling bertukar elektron dan membentuk radikal. Molekul-molekul yang sangat reaktif ini—molekul radikal—selalu muncul berpasangan dan tetap dikelilingi oleh pelarut, seperti terkungkung dan membentuk jaringan. Agar radikal dapat terus bereaksi menjadi produk target yang diinginkan, radikal perlu menemukan reaksi pasangan yang berada di luar kungkungan atau jaringan pelarut. Tim peneliti mengidentifikasi proses ini sebagai langkah penentu yang membatasi efisiensi energi dan kecepatan reaksi fotokimia.
Radikal bebas
Selama radikal tetap berpasangan di dalam jaringan pelarut, radikal dapat bereaksi secara spontan satu sama lain kembali ke bahan awal. Reaksi balik ini menyia-nyiakan energi karena hanya menggunakan cahaya yang sudah diserap untuk kembali ke titik awal.
Tim berhasil memperlambat reaksi balik ini sehingga dapat memberikan lebih banyak waktu bagi radikal untuk meninggalkan jaringan pelarut. Semakin lama reaksi balik maka akan semakin banyak pula radikal yang dapat keluar, menyebabkan semakin efisien dan cepat produk target yang diinginkan berkembang.
Tim menggunakan dua pewarna tertentu dalam studinya, keduanya menyerap cahaya dan menyimpan energinya untuk jangka waktu yang singkat sebelum menggunakannya untuk membentuk pasangan-pasangan radikal. Salah satu dari dua pewarna yang diteliti mampu menyimpan energi secara signifikan lebih banyak daripada yang lain dan mentransferkannya ke radikal. Karena energi tambahan tersebut, radikal dapat meninggalkan kandang pelarut hingga sepuluh kali lebih efisien. Akibatnya, produk target diproduksi dengan efisiensi energi hingga sepuluh kali lebih tinggi.
Pewarna merupakan kunci
Pewarna adalah elemen kunci dalam reaksi fotokimia karena beberapa jenis pewarna memiliki kemampuan untuk melepaskan lebih banyak radikal daripada yang lain, dalam proporsi yang setara dengan jumlah cahaya yang diserap. Oleh karena itu, pemilihan pewarna yang tepat bisa meningkatkan efisiensi energi dari reaksi fotokimia tersebut. Dengan memilih pewarna yang sesuai, kita dapat meningkatkan jumlah radikal yang dihasilkan dalam reaksi, yang pada gilirannya meningkatkan hasil atau keefektifan reaksi fotokimia yang berlangsung. Hal tersebut menggambarkan pentingnya memilih pewarna dengan tepat dalam konteks pengembangan proses reaksi fotokimia untuk aplikasi yang lebih efisien secara energi.
Referensi:
[1] https://www.unibas.ch/en/News-Events/News/Uni-Research/Using-light-to-produce-medication-and-plastics-more-efficiently.html diakses pada 30 Maret 2024
[2] Cui Wang, Han Li, Tobias H. Bürgin, Oliver S. Wenger. Cage escape governs photoredox reaction rates and quantum yields. Nature Chemistry, 2024; DOI: 10.1038/s41557-024-01482-4
Alumni S1 Kimia Universitas Negeri Makassar. Pengajar kimia, penulis di warstek.com.