Penyelidik di Universiti Teknologi Nanyang telah membina daun tiruan berkuasa solar yang menghasilkan hidrogen daripada air laut sambil menguraikan hidrazina, sejenis bahan pencemar toksik yang terdapat dalam air sisa industri.
Satu pasukan di Universiti Teknologi Nanyang (NTU) di Singapura telah membentangkan daun tiruan yang menghasilkan hidrogen daripada air laut hanya menggunakan cahaya matahari. Peranti ini juga memusnahkan hidrazina, sejenis bahan kimia yang sangat toksik yang terdapat dalam beberapa air sisa industri. Jadi ia menangani pengeluaran bahan api bersih dan pembersihan pencemaran dalam satu langkah.
Para penyelidik menerbitkan hasil kajian itu dalam Nature Communications . Profesor Lydia H. Wong dari Sekolah Sains dan Kejuruteraan Bahan NTU mengetuai pasukan tersebut.
Mengapa air laut keras
Kebanyakan elektrolisis memecahkan air tawar yang telah ditulenkan. Air laut jauh lebih banyak, tetapi garamnya menyebabkan masalah. Apabila arus elektrik mengalir melaluinya, ion klorida cenderung membentuk sebatian klorin yang menghakis dan toksik.
Sebatian tersebut merosakkan elektrod dan mewujudkan masalah sisa tersendiri. Akibatnya, penghasilan hidrogen daripada air laut biasanya memerlukan penyahgaraman yang mahal terlebih dahulu, atau elektrod yang tahan kakisan.
Bekalan air tawar sudah menjadi kebimbangan bagi hab hidrogen yang dirancang di kawasan pantai kering, termasuk sebahagian Australia, Timur Tengah dan Afrika Utara. Penggunaan air laut secara langsung akan mengurangkan tekanan tersebut. Ia juga sesuai untuk negara kepulauan seperti Singapura, yang mempunyai strategi hidrogen kebangsaan tetapi air tawar yang terhad.
Reka bentuk NTU mengelak sebahagian besar daripada perkara ini. Pasukan itu memasang anod dengan pemangkin yang memecahkan hidrazina kepada hidrogen dan nitrogen. Pada masa yang sama, tindak balas tersebut menyekat pembentukan sebatian klorin.
Katod perovskit
Di sisi lain peranti itu, para penyelidik membina katod daripada perovskit halida plumbum. Bahan kristal ini menyerap cahaya dengan baik dan mengubahnya menjadi elektrik dengan murah. Bahan-bahan ini telah menarik minat yang besar dalam penyelidikan solar sejak sedekad yang lalu. Pengilang juga boleh memprosesnya daripada larutan pada suhu rendah, yang dapat mengurangkan kos.
Di sini, fotokatod perovskit mencapai ketumpatan fotoarus sebanyak 25 miliampere setiap sentimeter persegi. Ketumpatan fotoarus mengukur berapa banyak arus yang dihasilkan oleh peranti bagi setiap kawasan yang diterangi. Pasukan itu mengatakan angka tersebut adalah salah satu yang tertinggi dilaporkan untuk katod perovskit berasaskan plumbum.
Peranti ini juga mengekalkan output yang stabil selama lebih daripada 72 jam di bawah cahaya yang sama dengan cahaya matahari penuh pada hari yang cerah. Sementara itu, ia menghasilkan hidrogen pada kadar yang setanding dengan peranti berkuasa solar yang serupa.
Membersihkan air semasa ia berfungsi
Oleh kerana daun tersebut beroperasi tanpa voltan luaran, ia dikuasakan sendiri. Secara ringkasnya, cahaya matahari sahaja memacu kedua-dua tindak balas, tanpa elektrik yang diambil daripada grid atau bateri. Dalam ujian, ia telah menguraikan hidrazina kepada kurang daripada satu bahagian per bilion dalam masa kira-kira 30 jam. Kesannya, peranti itu telah menyingkirkan hampir semua bahan pencemar daripada larutan ujian.
Hidrazina digunakan dalam proses perindustrian, termasuk pembuatan kimia, dan sebagai bahan pendorong roket. Ia adalah toksik kepada manusia dan hidupan akuatik, jadi air sisa yang mengandunginya memerlukan rawatan yang teliti. Peranti yang membuangnya semasa membuat bahan api boleh menukar kos pelupusan menjadi sumber nilai yang kecil.
Para penyelidik di sebalik inovasi. Dari kiri: Dr. Stener Lie, Dr. Anupam Sadhu, Prof Lydia H. Wong dan Dr. Hao Zhe Chun dari Pusat Pengajian Sains dan Kejuruteraan Bahan NTU. Kredit: NTU Singapura
Halangan sebelum peningkatan skala
Keputusannya adalah berskala makmal, dan beberapa persoalan besar masih belum dijawab. Perovskit mempunyai kelemahan yang diketahui: ia terurai apabila terdedah kepada kelembapan, haba dan tempoh cahaya yang lama. Operasi stabil selama tiga hari adalah keputusan yang kukuh untuk kelas bahan ini, walaupun sistem komersial perlu berjalan selama bertahun-tahun.
Penggunaan plumbum juga menimbulkan persoalan untuk mana-mana peranti yang direka untuk berada di dalam air. Jurutera perlu menunjukkan bahawa bahan tersebut kekal tertutup dalam tempoh yang lama. Di samping itu, penskalaan sel makmal kecil kepada panel besar biasanya mengurangkan kecekapan.
Namun begitu, kajian ini menambah kepada pendekatan yang semakin berkembang untuk mengarahkan pengeluaran hidrogen solar, termasuk bahan solar berlapis yang mempercepatkan pemecahan air . Bagi tapak perindustrian pesisir pantai, penghasilan hidrogen daripada air laut sambil merawat air tercemar merupakan kombinasi yang menarik. Langkah seterusnya adalah untuk membuktikan bahawa konsep ini boleh bertahan dalam keadaan sebenar di luar makmal.
