Para peneliti telah menunjukkan cara baru dan berkelanjutan untuk membuat bahan kimia yang menjadi dasar ribuan produk – mulai dari plastik hingga kosmetik – yang kita gunakan setiap hari.
Ratusan ribu bahan kimia diproduksi oleh industri kimia, yang mengubah bahan mentah – biasanya bahan bakar fosil – menjadi produk akhir yang bermanfaat. Karena ukurannya yang besar dan penggunaan bahan baku bahan bakar fosil, industri kimia bertanggung jawab atas sekitar 6% emisi karbon global.
Namun para peneliti, yang dipimpin oleh Universitas Cambridge, sedang mengembangkan metode baru yang suatu hari nanti dapat mengarah pada 'defosilisasi' sektor penting ini.
Mereka telah mengembangkan perangkat hibrida yang menggabungkan polimer organik pemanen cahaya dengan enzim bakteri untuk mengubah sinar matahari, air, dan karbon dioksida menjadi format, bahan bakar yang dapat mendorong transformasi kimia lebih lanjut.
'Daun semi-buatan' mereka meniru fotosintesis: proses yang digunakan tanaman untuk mengubah sinar matahari menjadi energi, dan tidak memerlukan sumber daya eksternal. Tidak seperti prototipe sebelumnya, yang sering mengandalkan peredam cahaya beracun atau tidak stabil, desain biohibrid baru menghindari semikonduktor beracun, bertahan lebih lama, dan dapat bekerja tanpa bahan kimia tambahan yang sebelumnya menghambat efisiensi.
Dalam pengujiannya, para peneliti menggunakan sinar matahari untuk mengubah karbon dioksida menjadi format dan kemudian menggunakannya secara langsung dalam reaksi kimia 'domino' untuk menghasilkan jenis senyawa penting yang digunakan dalam obat-obatan, dengan hasil dan kemurnian tinggi.
Hasilnya, dilaporkan dalam jurnal Joule menandai pertama kalinya semikonduktor organik digunakan sebagai komponen pemanen cahaya pada perangkat biohibrid jenis ini, sehingga membuka pintu bagi keluarga baru daun tiruan berkelanjutan.
Industri kimia merupakan pusat perekonomian dunia, yang menghasilkan produk-produk mulai dari obat-obatan dan pupuk, hingga plastik, cat, elektronik, produk pembersih, dan perlengkapan mandi.
“Jika kita ingin membangun ekonomi sirkular dan berkelanjutan, industri kimia adalah masalah besar dan kompleks yang harus kita atasi,” kata Profesor Erwin Reisner dari Departemen Kimia Yusuf Hamied di Cambridge, yang memimpin penelitian tersebut. “Kita harus menemukan cara untuk melakukan defosilisasi pada sektor penting ini, yang menghasilkan begitu banyak produk penting yang kita butuhkan. Ini adalah peluang besar jika kita bisa melakukannya dengan benar.”
Kelompok penelitian Reisner mengkhususkan diri dalam pengembangan daun buatan, yang mengubah sinar matahari menjadi bahan bakar dan bahan kimia berbasis karbon tanpa bergantung pada bahan bakar fosil. Namun banyak dari desain awal mereka bergantung pada katalis sintetik atau semikonduktor anorganik, yang dapat terdegradasi dengan cepat, membuang banyak spektrum matahari, atau mengandung unsur beracun seperti timbal.
“Jika kita dapat menghilangkan komponen beracun dan mulai menggunakan unsur organik, kita akan mendapatkan reaksi kimia yang bersih dan produk akhir tunggal, tanpa reaksi samping yang tidak diinginkan,” kata rekan penulis pertama Dr Celine Yeung, yang menyelesaikan penelitian sebagai bagian dari pekerjaan PhD-nya di laboratorium Reisner. “Perangkat ini menggabungkan yang terbaik dari kedua dunia – semikonduktor organik dapat disetel dan tidak beracun, sementara biokatalis sangat selektif dan efisien.”
Perangkat baru ini mengintegrasikan semikonduktor organik dengan enzim dari bakteri pereduksi sulfat, memecah air menjadi hidrogen dan oksigen, atau mengubah karbon dioksida menjadi format.
Para peneliti juga telah mengatasi tantangan yang sudah lama ada: sebagian besar sistem memerlukan bahan kimia tambahan, yang dikenal sebagai buffer, untuk menjaga enzim tetap berjalan. Ini dapat rusak dengan cepat dan membatasi stabilitas. Dengan memasukkan enzim pembantu, karbonat anhidrase, ke dalam struktur titania berpori, para peneliti memungkinkan sistem bekerja dalam larutan bikarbonat sederhana – mirip dengan air soda – tanpa bahan tambahan yang tidak berkelanjutan.
“Ini seperti sebuah teka-teki besar,” kata rekan penulis pertama Dr Yongpeng Liu, seorang peneliti pascadoktoral di laboratorium Reisner. “Kami memiliki semua komponen berbeda yang telah kami coba satukan untuk satu tujuan. Butuh waktu lama bagi kami untuk mengetahui bagaimana enzim spesifik ini diimobilisasi pada elektroda, namun kami sekarang mulai melihat hasil dari upaya ini.”
“Dengan benar-benar mempelajari cara kerja enzim, kami dapat merancang secara tepat bahan yang membentuk berbagai lapisan perangkat mirip sandwich kami,” kata Yeung. “Desain ini membuat bagian-bagian tersebut bekerja sama secara lebih efektif, mulai dari skala nano kecil hingga daun buatan utuh.”
Pengujian menunjukkan daun buatan menghasilkan arus tinggi dan mencapai efisiensi hampir sempurna dalam mengarahkan elektron ke dalam reaksi pembuatan bahan bakar. Perangkat ini berhasil bekerja selama lebih dari 24 jam: dua kali lebih lama dari desain sebelumnya.
Para peneliti berharap untuk mengembangkan lebih lanjut desain mereka untuk memperpanjang umur perangkat dan mengadaptasinya sehingga dapat menghasilkan berbagai jenis produk kimia.
“Kami telah menunjukkan bahwa menciptakan perangkat bertenaga surya tidak hanya efisien dan tahan lama, tetapi juga bebas dari komponen beracun atau tidak ramah lingkungan,” kata Reisner. “Ini bisa menjadi platform fundamental untuk memproduksi bahan bakar dan bahan kimia ramah lingkungan di masa depan – ini adalah peluang nyata untuk melakukan beberapa hal menarik dan penting dalam bidang kimia.”
Penelitian ini sebagian didukung oleh Badan Sains, Teknologi, dan Penelitian Singapura (A*STAR), Dewan Riset Eropa, Yayasan Sains Nasional Swiss, Royal Academy of Engineering, dan Riset dan Inovasi Inggris (UKRI). Erwin Reisner adalah Anggota St John's College, Cambridge. Celine Yeung adalah Anggota Downing College, Cambridge.
Referensi:
Celine Wing Lihat Yeung dkk. ' Daun semi-buatan yang menghubungkan semikonduktor organik dan enzim untuk sintesis kimia matahari.' Joule (2025). DOI: 10.1016/j.joule.2025.102165
