Siringmakar 28: “Pengaplikasian Material Fotokatalis pada Aspek Lingkungan, Prospek dan Tantangan”

Pemateri: Dr. Adri Huda (Peneliti di Energy and Advance Manufacturing Laboratory, Worcester Massachussets, Amerika Serikat)

Moderator: Remilda Agustina (Kontributor Junior warstek.com)

 

Diskusi

Sejarah Singkat dan Definisi Material Fotokatalis

Catatan sejarah tidak menemukan siapa pencetus awal kata ‘fotokatalisis’, namun beberapa penelitian yang dilakukan oleh ilmuwan dari Jerman dan Perancis, yang secara bersamaan mempublikasikan hasil penelitiannya pada tahun 1911 (76 tahun setelah kata Catalyst dicetuskan oleh Berzelius) menjadi catatan awal dikenalnya istilah ‘fotokatalis’. Ilmuwan tersebut adalah Alexander Eibner (berkebangsaan Jerman) yang melaporkan Pengaruh penyinaran material ZnO dalam mendegradasi zat warna Perrusian Blue. Bruner L. dan Kozak J. (berkebangsaan Perancis) yang melaporkan kemampuan garam uranil (UO2+) dalam mendegradasi asam oksalat. Definisi material fotokatalis ini, saya mencoba memberikan definisi sebagai:

Ada pula istilah ‘reaksi fotokatalis’ yang merupakan reaksi yang terjadi dengan atau pada material fotokatalis

Material fotokatalis yang ingin dibahas pada hari ini secara spesifik berbasis semikonduktor, walaupun ada beberapa reaksi fotokatalis tidak dilakukan oleh material semikonduktor. Mungkin definisi semikonduktor tidak saya jelaskan secara detail, namun penjelasan berikut bisa memberikan perbedaan antara semikonduktor dengan material lain (semisal metal atau insulator).

Mekanisme Reaksi Fotokatalis

Jadi secara sederhana, keberadaan sinar dalam reaksi fotokatalis itu bersifat mutlak dan tertentu. Kenapa ada kata “tertentu” pada definisi reaksi atau material fotokatalis, karena tidak semua sinar mampu mengaktifkan material fotokatalis. Jenis sinar memiliki hubungan yang erat dari karakteristik material fotokatalis yang berkorelasi dengan karakteristik celah dari semikonduktor yang digunakan. Dari definisi yang diberikan dapat kita ketahui bahwa tanpa sinar yang tepat, maka material fotokatalis tidak akan bekerja dan akan menjadi material biasa dengan karakteristik fisik dan kimia yang dimiliki, tanpa memiliki aktivitas katalitik, walaupun material tersebut sangat murni dan memiliki karakteristik unggul.

Pertanyaan yang muncul setelah membahas tentang definisi material fotokatalis adalah bagaimana mekanisme dari material fotokatalis tersebut, mengapa dia sangat tergantung pada sinar, dan bagaimana menentukan sinar yang tepat?. Menjawab pertanyaan di atas, saya akan mencoba mendeskripsikan secara sederhana.

Seperti yang kita ketahui bahwa material fotokatalis yang dibahas hari ini adalah material fotokatalis semikonduktor. Karakteristik yang memiliki celah pada susunan pita elektronik material semikonduktor menjadikan tersebut memiliki aktivitas fotokatalis. Celah yang terdapat pada material semikonduktor dikenal sebagai pita valensi dan pita konduksi.

Pita valensi adalah pita keadaan dasar dimana pada pita ini elektron dari sebuah semikonduktor akan berada pada keadaan dasar pada kondisi tanpa penyinaran (a). Sementara Pita konduksi merupakan pita pada keadaan eksitasi. Mekanisme reaksi fotokatalis terjadi pada saat penyinaran terhadap material fotokatalis dengan sinar yang tepat dimana energi dari sinar (foton) akan mengeksitasi elektron (e-) yang berada di keadaan dasar/ pita valensi ke tingkat energi yang lebih tinggi/ pita konduksi (b) dan meninggalkan hole (h+) atau lubang di pita valensi (b).

Perpindahan elektron dan pembentukan hole menjadi tahap pertama reaksi fotokatalis. Tanpa adanya perpindahan elektron dan pembentukan hole, maka tidak akan ada reaksi fotokatalis.

Selanjutnya, kedua spesimen elektron dan hole ini yang akan bermigrasi ke permukaan material dan jika kontak dengan molekul di sekitar material, sebagai contoh air (H2O), maka akan menghasilkan hidroksil radikal (OH rad), jika kontak dengan hole yang terbentuk (reaksi oksidasi), atau menghasilkan hidrogen jika kontak dengan elektron yang tereksitasi (reaksi reduksi)  (c).

Lebih lanjut, kedua spesimen elektron dan hole merupakan faktor penting dari proses katalitik material fotokatalis. Namun, elektron dan hole harus secara spontan kontak dengan molekul yang ada di lingkungan, sebagai contoh air, karena ketika elektron yang tereksitasi tidak langsung kontak dengan molekul tertentu, maka elektron tersebut dapat kembali ke keadaan dasar dan melakukan rekombinasi dengan hole kembali

Rekombinasi elektron dan hole menyebabkan reaksi fotokatalis akan berakhir/ hilang. Kejadian rekombinasi elektron dan hole adalah hal yang dihindari, dan menjadi faktor penting untuk menentukan apakah material fotokatalis kita berjalan dengan baik atau tidak. Hal tersebut juga menjadi suatu tantangan bagi peniliti material atau reaksi fotokatalis untuk menekan pembentukan rekombinasi

Secara umum, pemanfaatan elektron dan hole yang terbentuk sebagai akibat dari proses aktivasi material fotokatalis oleh sinar/ foto tertentu dapat dimanfaatkan dalam beberapa aplikasi seperti reaksi sintesis organik, produksi hidrogen dan lain-lain.

Berikut adalah beberapa pemanfaatan material fotokatalis yang secara umum telah dipelajari secara komprehensif.

1. Air treatment
   Material fotokatalis dapat mengeliminasi polutan yang ada di udara dan menghasilkan udara yang lebih berkualitas.

2. Active surface
   Material fotokatalis bisa menjadi bahan tambahan yang bersifat aktif pada suatu bahan. Pengaplikasian material fotokatalis sebagai permukaan yang aktif telah diaplikasikan dalam berbagai aplikasi seperti cat ataupun permukaan gedung. Permukaan yang telah dilapisi dengan material fotokatalis mampu memiliki karakteristik self-cleaning, self-sterilizing, self-degrading, anti-fogging, dan lain-lain.

3. Green Chemistry
   Material fotokatalis juga telah digunakan dalam berbagai reaksi sintesis baik itu sintesis organik, sintesis bahan kimia, dan lain-lain.

4. Produksi Energi
   Material fotokatalis dapat memproduksi gas hidrogen, mengkonversi CO2 menjadi CH3OH (metanol) atau metana (CH4).

Cukup panjang jika saya harus mendeskripsikan satu per satu pengaplikasian material fotokatalis, namun saya mencoba mendeskripsikan satu atau dua pengaplikasian material fotokatalis, yaitu: Self-Cleaning dan Superhydrophilicity, dimana keduanya telah diaplikasikan untuk tujuan komersil.

Self-cleaning adalah proses pembersihan suatu material yang dilakukan oleh material itu sendiri tanpa melalui aktivitas fisik dan kimia, seperti: pencucian.

Superhydrophilicity adalah kondisi dimana suatu material memiliki sifat “suka air” sebagai akibat interaksi yang kuat dengan air. Material yang memiliki sifat superhydrophilicity akan mudah basah dan bereaksi dengan air. Bagaimana material fotokatalis bisa menjadi self-cleaning dan superhydrophilicity?. Berikut penjelasannya.

Secara umum, kedua prinsip pengaplikasian ini memanfaatkan proses fotooksidasi dari material yang digunakan, sebagai contoh TiO2. Pengaplikasian pertama pada self-cleaning, misal pada material TiO2 yang dilapiskan ke permukaan suatu benda, biasanya permukaan gedung, cat sebuah bangunan, ataupun cat mobil, sehingga ketika bagian dari permukaan gedung atau mobil tersebut memiliki kandungan TiO2 (material fotokatalis). Kondisi ini menyebabkan gedung atau mobil yang memiliki material fotokatalis tersebut dapat melakukan reaksi fotokatalis jika terkena sinar matahari.

Mari kita ambil contoh sebuah bangunan. Ketika material tersebut disinari sinar matahari, maka material tersebut dapat melakukan proses self-cleaning. Ketika permukaan material/ gedung/ cat tersebut memiliki noda seperti lemak, debu, ataupun polutan-polutan dari sekitar.

Hal ini disebabkan karena TiO2 yang menempel pada permukaan material tersebut akan teraktifkan dan menjalankan proses oksidasi. Seluruh noda yang kontak dengan permukaan material yang disinari tersebut akan dikonversi atau di degradasi menjadi CO2 dan H2O (seperti gambar 5).

Reaksi Photo-Kolbe menjelaskan mekanisme dari reaksi degradasi tersebut. Konsep ini telah banyak dipakai pada beberapa gedung sehingga menekan biaya pembersihan gedung yang biasanya dilakukan secara manual.

Pengaplikasian yang kedua adalah Superhydrophilicity. Konsep superhydrophilicity ini adalah sebuah proses yang menghalangi pembentukan tetesan air di permukaan suatu material, karena setiap air yang jatuh atau kontak dengan permukaan tersebut akan mengalami interaksi dengan material fotokatalis, sehingga air yang terbentuk akan langsung jatuh atau bercampur dengan permukaan material fotokatalis.

Secara mekanisme, proses superhydrophilicity hampir sama dengan mekanisme reaksi fotokatalis, dimana pada saat permukaan material yang mengandung material fotokatalis terpapar oleh sinar, maka permukaan material akan menghasilkan hole dan elektron. Hole yang terbentuk akan menjadi sisi aktif oksidasi yang dapat berinteraksi dengan air sehingga air tidak dapat membentuk tetesan. Pengaplikasian superhydrophilicity banyak diaplikasikan pada cat kendaraan, kaca mobil atau permukaan gedung. Proses superhydrophilicity juga menjadi metode yang sangat efektif untuk “mencuci” gedung, karena ketika hujan turun, maka seluruh air hujan akan langsung turun dan membawa polutan/ kotoran yang menempel di permukaan material. Karakteristik ini juga telah diaplikasikan pada kaca kendaraan dimana pelapisan material fotokatalis di permukaan kaca mobil dapat mengalirkan seluruh air hujan yang jatuh di permukaan kaca tanpa harus menggunakan wipper. Superhydrophilicity juga mampu menghalangi pembentukan embun (fog) di permukaan kaca. Pengaplikasian  yang sudah banyak dibuktikan adalah Solar Water Detoxification Process atau proses detoksifikasi/ degradasi/ sterilisasi  melalui pemanfaatan sinar/ sinar matahari. Secara umum, proses detoksifikasi air itu dapat dilakukan dengan proses oksidasi.

Kita sering melihat bagaimana pada kolam renang umum biasa ditambahkan senyawa kaporit yang merupakan bahan kimia oksidan, atau disinfektan pembersih kamar mandi yang biasa digunakan untuk membunuh kuman dan mikroorganisme. Secara umum pengaplikasian material fotokatalis untuk proses detoksifikasi juga hampir sama, namun material fotokatalis yang menjadi agen oksidasi.

Reaksi oksidasi dengan material fotokatalis dapat dilakukan secara langsung dan tidak langsung. Reaksi oksidasi secara langsung dapat dilakukan oleh hole yang terbentuk setelah proses aktivasi material fotokatalis, sedangkan proses oksidasi secara tidak langsung dapat dilakukan melalui pembentukan hidroksil radikal yang terbentuk melalui reaksi antara hole yang terbentuk dan air. Mekanisme reaksi detoksifikasi atau degradasi polutan melalui reaksi fotokatalis dikenal dengan ‘Reaksi Foto-Kolbe’.

Saat ini, reaktor untuk proses detoksifikasi masih pada tahap prototip. Beberapa prototip solar-water detoxification plant terdapat di Kota Madrid-Spanyol dan di kampus tempat saya melakukan riset juga telah berhasil melakukan proses detoksifikasi air limbah yang mengandung berbagai polutan, seperti: antibiotik, pestisida, molekul organik kompleks (zat warna, obat-obatan) dan berbagai pelarut organik.

Penggunaan material fotokatalis untuk proses pengolahan limbah merupakan suatu pencapaian yang paling dekat. Beberapa industri manufaktur atau industri yang menawarkan jasa pengolahan limbah sedang menunggu terobosan sistem pengolahan limbah berbasis fotokatalis ini, karena proses degradasi dengan material fotokatalis memiliki keunggulan dibandingkan dengan sistem pengolahan limbah lain, seperti: lebih efektif menguraikan polutan menjadi produk yang aman untuk lingkungan, relatif lebih murah karena proses yang digunakan bersifat kontinu, relatif aman terhadap lingkungan, mudah untuk dikendalikan dan dapat menguraikan berbagai polutan baik yang sederhana maupun yang kompleks.

Pengaplikasian material fotokatalis pada dasarnya disebabkan oleh adanya pembentukan hole dan elektron yang kemudian dimanfaatkan untuk menjalankan berbagai proses reaksi, baik itu reaksi oksidasi maupun reaksi reduksi.

Perkembangan teknologi berbasis material fotokatalis masih bervariasi, ada yang sudah pada tahap manufaktur, ada yang masih pada tahap prototip, bahkan ada yang masih pada tahap penelitian  dasar dan aplikasi.

Bagaimana Potensi Material Fotokatalis di Indonesia?

Berbicara mengenai potensi, kita dihadapkan dengan dua faktor utama, yaitu: ketersediaan material fotokatalis dan konsumsi energi (sinar) untuk mengaktifkan material fotokatalis.

1. Potensi Sumber Daya Alam (SDA) untuk Material Fotokatalis di Indonesia

   Saat ini telah banyak material fotokatalis yang telah dijual maupun sedang diteliti yang memiliki potensi komersil. Namun, jika kita melihat ketersediaan SDA yang dimiliki Indonesia, maka kita dapat melihat salah satu material yang berpotensi dikembangkan adalah Timah. Material fotokatalis berbasis Timah merupakan topik disertasi saya.

   

   Alhamdulillah, kita melihat potensi terbesar dikembangkannya Timah Oksida sebagai material fotokatalis, namun untuk fabrikasi dan karakteristik fisik dan kimia material Timah Oksida yang kita preparasi masih membutuhkan penelitian tingkat lanjut, dan itu yang sedang kita kembangkan disini, Worcester Polytechnic Institute, Worcester.

2. Potensi Sumber Sinar

   Kita ketahui bahwa sumber sinar yang sangat besar dan kurang dimanfaatkan adalah sinar matahari. Pemanfaatan sinar matahari untuk proses pengaktifan material fotokatalis juga masih dilakukan hingga saat ini, karena mayoritas material yang memiliki performa tinggi, seperti TiO2, memiliki aktivitas di daerah sinar UV. Sinar matahari hanya memiliki lebih kurang 5% sinar UV dari keseluruhan sinar yang dipancarkan, walaupun sebenarnya 5% yang dipancarkan juga sudah mampu mengaktifkan material fotokatalis.

   Saat ini, eksplorasi material yang dapat teraktifkan di daerah sinar tampak (visible) merupakan tantangan tersendiri, karena keberhasilan fabrikasi material yang dapat teraktifkan di daerah sinar tampak mampu mengutilisasi 40% sinar yang terdapat di sinar matahari. Hal tersebut menjadi peluang besar, terutama di Indonesia dengan karakteristik sebagai negara tropis.

 

Sesi Tanya-Jawab (Q&A)

1. Intan Duru’: Q. Bagaimana tantangan pemanfaatan fotokatalis di era industri 4.0?. A. Berbicara masalah industri 4.0 kita dihadapkan dengan smart city, smart technology, dll. Secara khusus semikonduktor, perkembangan yang luar biasa dari semikonduktor di era sekarang menjadi cikal bakal dari industri 4.0, bagaimana semikonduktor merupakan komponen utama adanya komputer dll., jika kita membahas ke material fotokatalis, maka saya bisa berkomentar bahwa pemanfaatan material fotokatalis adalah tantangan terbesarnya. Bagaimana kita mencari teknologinya, mempelajari karakteristiknya, dll, itu menjadi tantangan terbesarnya.
2. Silvia Wahyuni: Q. Apakah ada material fotokatalis lain yang bisa langsung menyerap sinar visible selain bismut, yang juga bisa berperan sebagai antibakteri?. A. Ada banyak sekali material fotokatalis yang bisa menyerap di daerah sinar tampak. Jika saya bisa merekomendasikan bisa menggunakan Timah Oksida (Sn3O4) atau coba ke material perovskite. detail material perovskite yang bisa digunakan ada banyak, mbak silvia bisa lakukan tinjauan literatur. Material Timah Oksida, dia menyerap secara efektif di daerah sinar 435 nm hingga 600 nm. Penelitian timah oksida, mudah-mudahan juga bisa membantu untuk hilirisasi industri timah di Indonesia.
3. Remilda: Q. Bagaimana proses pengaplikasian fotokatalis pada air treatment?, dan fotokatalis berupa apa yang digunakan untuk air treatment?. A. Secara umum, setiap material fotokatalis dapat bekerja pada proses air treatment, sejauh ini TiO2 yang sudah dikomersialkan. Mekanismenya dapat dilihat sebagai berikut.
   
   Slide diatas adalah salah satu produk yang telah dikembangkan dan menggunakan reaksi fotokatalis untuk mendegradasi udara polutan, bau (odor) pada ruangan.
   Pada dasarnya yang harus diperhatikan adalah bagaimana air polutan yang ada kontak dengan material fotokatalis. Konsep air purification juga telah berhasil dikembangkan melalui penggunaan cat yang mengandung TiO2, dimana ruangan (indoor) yang memiliki cat dengan TiO2 memiliki kualitas udara yang lebih baik dibandingkan dengan ruangan yang tidak menggunakan cat tanpa TiO2. Beberapa kipas angin ataupun air purificator juga sudah banyak dijual secara komersil.
   Q2. Kemudian, dapatkah fotokatalis digunakan untuk mendeteksi cuaca? Mengingat fotokatalis bergantung pada sinar, salah satunya adalah sinar matahari?. A2. Sepengetahuan saya, material fotokatalis tidak dapat digunakan sebagai pendeteksi cuaca, mungkin sebagai sensor bisa, namun dalam konsep reaksi fotokatalis. Saya belum pernah ada yang membahas terkait itu. Namun, material fotokatalis benar sangat tergantung dengan sinar dan menjadi keharusan.
4. Shofiyull: Q. Bagaimana meningkatkan aktivitas fotokatalitis, apakah perlu pen-dopping-an pada material semikonduktor?. A. Dalam mempelajari peningkatan aktivitas fotokatalitik, kita harus mampu mendeskripsikan apa yang menyebabkan aktivitas fotokatalitik dari material tersebut lemah atau kecil, karena penyebab reaksi fotokatalitik menjadi rendah bisa disebabkan oleh banyak hal. Terkait pendopingan, biasanya itu dilakukan untuk meningkatkan sensitifitas material fotokatalis terhadap sinar yang diberikan, sehingga material yang digunakan dapat menyerap dengan energi yang rendah. Pen-dopping-an juga berfungsi untuk menekan angka rekomendasi elektron dan hole yang juga dapat meningkatkan aktivitas fotokatalitik. Namun, jika permasalahan lemahnya aktivitas fotokatalitik disebabkan oleh hal lain, seperti lingkungan dari sistem uji (ketersediaan oksigen, ketersediaan elektrolit, dll), maka pen-dopping-an tidak harus/ tidak perlu dilakukan. Jika saya bisa memberikan saran, pelajari dulu apa yang ingin diperbaiki dalam meningkatkan aktivitas fotokatalitik dari sebuah material, kemudian dari situ kita cari solusinya.
5. Lusi: Q1. Adakah rule of thumb yang dapat dijadikan acuan untuk mendesain fotoreaktor?, terutama pada penggunaan lampu UV, panjang gelombang minimum yg mampu mengaktifasi material fotokatalis?. A1. Desain reaktor harus memperhatikan beberapa hal seperti posisi sinar dimana posisi sinar harus mampu kontak secara langsung ke material fotokatalisis, hal ini juga penting jika ingin memanfaatkan sinar matahari secara langsung. Secara sederhana, sebuah reaktor photocatalysis harus mampu menjamin bahwa sinar yang diberikan mampu kontak dan mengaktifkan material fotokatalis. Untuk menggunakan lampu, maka kita harus melihat spesifikasi lampu, apakah memang memiliki panjang gelombang yang kita inginkan atau tidak. Untuk panjang gelombang minimum lampu, bisa ditanyakan ke supplier yang menjual, terkait panjang gelombang minimum yang digunakan dari material, bisa dikarakterisasi menggunakan UV-VIs DRS atau berbagai pendekatan lain |  Q2. Adakah material fotokatalis yang easy, separable dan reusable?, bagaimana metode yang baik untuk melakukan proses reusability?. A2. Sejauh ini apakah ada yang separable atau reusable, saya selalu menggunakan sistem lapis tipis, saya tidak merekomendasikan pengujian material fotokatalis dengan sistem batch atau suspended system yang menggunakan powder, karena akan sulit untuk memisahkan dan mengkarakterisasi aktivitasnya. Jika kita menggunakan powder-based material, coba dideposisikan ke substrat tertentu seperti FTO, Glass, sehingga seluruh rangkaian proses tidak memerlukan proses pemisahan, tidak akan mudah jenuh, dan mudah untuk diaplikasikan (gas system, liquid system, dll). Contoh material Sn3O4 yang saya deposisikan ke substrat:
   
   Q3.  Apakah semua polutan organik dapat didegradasi menggunakan fotokatalis TiO2? , atau adakah karakatetistik polutan organik yang dapat didegradasi secara optimal?, misalnya: Congo Red, Brilliant green, Rhodamine B? . A3. Apakah semua polutan bisa? saya tidak bisa menjamin, namun sejauh ini antibiotik dan pestisida kompleks bisa didegradasi (TiO2 dan SN3O4). Namun semuanya tergantung kemampuan material fotokatalisnya. Tidak ada karakteristik polutan yang harus diperhatikan, sejauh ini hampir seluruh molekul organik, bahkan polycarbonat (padatan) bisa terdegradasi dengan material fotokatalis yang menempel di permukaannya.
   Q4. Bagimana pengaruh dosis material katalis dalam mendegradasi polutan organik? Apakah ada batas ambang penggunaanya ? . A4. Dosis material itu berpengaruh jika menggunakan sistem suspended system (powder), dimana semakin banyak powder yang digunakan akan menghasilkan light blocking dll. Jika menggunakan sistem suspended, kami tidak menemukan perbedaan yang signifikan jika masih di bawah 100 nm. Model kinetika ada banyak, namun jika saya bisa merekomendasikan pakai Langmuir Hinshelwood. Konsep ramah lingkungan juga cukup kompleks, dan masing-masing proses punya keunggulan dan kelemahan, namun jika dilihat dari pandangan fotokatalis, reaksi fotokatalis mampu mendegradasi dan menghilangkan polutan yang ada tanpa membentuk polutan tingkat dua yang biasa muncul pada proses lain seperti adsorpsi, koagulasi, dll.

Penutup

Perkembangan material atau ilmu material selalu sejalan dengan perkembangan masyarakat (Society) atau peradaban manusia dimana sejak dahulu kala, kita mengenal Era Stone Age (Zaman Batu), kemudian kita mengenal istilah Bronze Age (Zaman Perunggu), Iron Age (Zaman besi), dan lain-lain yang mengindikasikan bagaimana material dan perkembangan peradaban manusia itu selalu beriringan, yang berarti semakin maju peradaban suatu manusia, maka semakin maju juga perkembangan ilmu-ilmu material, termasuk bagaimana masyarakat mengadopsi material yang ada, mengeksploitasi material yang ada, dan menggunakan material yang ada untuk membantu masyarakat atau peradaban menjadi lebih mudah dan lebih baik.

Mari sama-sama kita pelajari sekeliling kita dan manfaatkan untuk kesejahteraan masyakarat Indonesia.

,