Para ilmuwan di Universitas Stanford telah merancang mekanisme elektrokatalitik yang bekerja seperti paru-paru mamalia untuk mengubah air menjadi bahan bakar. Penelitian mereka, yang diterbitkan di jurnal Joule, dapat membantu teknologi energi bersih yang telah ada berjalan lebih efisien.

Tindakan menghirup dan menghembuskan napas begitu otomatis untuk sebagian besar organisme yang dapat disalahartikan sebagai sesuatu yang sederhana. Padahal, proses pernapasan pada mamalia sebenarnya adalah salah satu sistem paling canggih dan rumit untuk pertukaran gas dua arah yang ditemukan di alam.

Pada setiap helaan napas, udara bergerak melalui saluran-saluran kecil dari paru-paru yang disebut bronkiolus hingga mencapai kantung-kantung kecil yang disebut alveoli – yang dapat mengambil oksigen dan melepaskan karbondioksida. Dari sini, udara harus masuk menuju aliran darah tanpa sedikitpun terdifusi, yang akan menyebabkan terbentuknya gelembung membahayakan. Ini adalah struktur unik dari alveoli – berupa membran tipis yang menolak molekul air (hidrofobik) di bagian dalam sekaligus menariknya di permukaan luar – yang mencegah gelembung tersebut terbentuk dan membuat pertukaran gas sangat efisien.

Para ilmuwan di Universitas Stanford terinspirasi dari proses ini untuk mengembangkan elektrokatalis yang lebih baik: sebuah bahan yang dapat meningkatkan laju reaksi kimia pada elektroda.

Mekanisme tim secara struktural meniru alveolus dan melakukan dua proses yang berbeda untuk meningkatkan reaksi yang mendorong teknologi berkelanjutan seperti sel bahan bakar dan baterai logam-udara.

Proses pertama adalah analog terhadap pernafasan. Mekanisme ini membagi air untuk menghasilkan gas hidrogen, bahan bakar bersih, dengan mengoksidasi molekul air di anoda baterai sambil menguranginya di katoda. Gas oksigen (bersama dengan gas hidrogen) diproduksi dengan cepat dan diangkut melalui membran tipis alveolus yang terbuat dari plastik polietilen – tanpa biaya energi untuk membentuk gelembung.

Proses kedua lebih seperti menghirup udara ke paru-paru dan menghasilkan energi melalui reaksi yang mengkonsumsi oksigen. Gas oksigen dikirim menuju katalis pada permukaan elektroda, sehingga dapat digunakan sebagai reaktan selama reaksi elektrokimia.

Gambar ini menunjukkan kesamaan antara pertukaran gas pada paru-paru mamalia dengan mekanisme yang baru dikembangkan untuk mengubah air menjadi bahan bakar. [Credit: Li et al. / Joule]

Meskipun masih dalam tahap awal pengembangan, desain ini tampaknya menjanjikan. Membran nanopolietilen sangat tipis yang menolak air lebih lama dibandingkan lapisan difusi gas berbasis karbon konvensional, dan model ini mampu mencapai tingkat kepadatan arus yang lebih tinggi dan perbedaan tegangan lebih rendah daripada desain konvensional.

Namun, desain yang terinspirasi paru-paru ini masih memiliki ruang untuk perbaikan sebelum siap untuk penggunaan komersial.

Karena membran nanopolietilen adalah sejenis film berbasis polimer yang tidak tahan terhadap suhu yang lebih dari 100 derajat Celcius, sehingga dapat membatasi aplikasinya. Tim yakin bahan ini dapat diganti dengan sebuah membran hidrofobik nanoporous – bahan yang memiliki pori-pori dengan ukuran kurang dari 100 nm – yang sama tipisnya di mana mampu menahan panas lebih besar. Mereka juga tertarik untuk memasukkan elektrokatalis lain ke dalam desain perangkat untuk sepenuhnya mengeksplorasi kemampuan katalitik mereka.

“Struktur peniruan pernapasan dapat digabungkan dengan banyak elektrokatalis canggih lainnya, dan eksplorasi lebih lanjut dari elektroda tiga fase gas-cair-padat menawarkan peluang menarik untuk katalisis,” kata Jun Li penulis utama dari studi.(ikons.id)