Dari Sinar Matahari Menjadi Bahan Bakar: Prof Ong Wee Jun Memimpin Pengembangan Fotosintesis Buatan di Malaysia

Pertanyaan masa kecil menjadi misi energi nasional

Saat duduk di kelas 4 SD dan belajar tentang fotosintesis, Ong Wee Jun mengajukan pertanyaan sederhana: bisakah sinar matahari dimanfaatkan seperti yang dilakukan tumbuhan untuk menggerakkan kehidupan modern? Rasa ingin tahu itu kemudian menjadi pekerjaan seumur hidupnya. Kini, ilmuwan Malaysia tersebut mengejar prinsip yang sama dengan perangkat nanosains dan katalisis, menyimpan energi matahari dalam ikatan bahan bakar bersih.

Prof Dr Ong menjabat sebagai Wakil Dekan di Xiamen University Malaysia dan direktur pendiri Centre of Excellence for NaNo Energy & Catalysis Technology, yang dikenal sebagai CONNECT. Ia dan timnya merancang daun buatan yang meniru tahapan penting fotosintesis. Perangkat mereka menggunakan nanomaterial rekayasa, bukan klorofil, untuk menghasilkan molekul kaya energi.

CONNECT meneliti produksi hidrogen dari air, pengubahan CO2 menjadi metanol dan bahan kimia lainnya, serta pengolahan sampah plastik menjadi bahan bakar. Visi jangka panjangnya mencakup kompleks hidrogen bertenaga surya modular yang dapat memasok energi bagi masyarakat pedesaan, menghadirkan sains mutakhir untuk memenuhi kebutuhan sehari-hari.

Fungsi fotosintesis buatan

Fotosintesis buatan menggunakan material penyerap cahaya dan katalis untuk mengubah sinar matahari menjadi energi kimia. Perangkat menyerap foton, menghasilkan muatan yang dapat bergerak, lalu memanfaatkan muatan tersebut untuk memecah air atau mereduksi karbon dioksida. Hasilnya adalah bahan bakar yang dapat disimpan, diangkut, dan digunakan saat matahari tidak bersinar.

Dalam pemecahan air, satu reaksi menghasilkan oksigen dan reaksi lainnya membentuk hidrogen. Semikonduktor memasok energi, sementara katalis menurunkan hambatan pada setiap reaksi. Hidrogen menjadi pembawa energi untuk sel bahan bakar sekaligus bahan baku bersih bagi produksi amonia, baja, dan pemurnian.

Pengubahan CO2 menjadi bahan bakar mengikuti prinsip serupa. Katalis yang dirancang khusus mengarahkan elektron untuk mengubah CO2 menjadi karbon monoksida, asam format, atau metanol. Perangkatnya dapat berupa fotokatalis berbentuk serbuk, sel fotoelektrokimia dengan elektroda penyerap cahaya, atau sistem elektrokatalitik yang ditenagai listrik terbarukan. Sasarannya tetap sama: operasi stabil dengan efisiensi tinggi dan biaya terjangkau.

Dari terobosan laboratorium ke proyek nyata di Malaysia

CONNECT menghubungkan penemuan dengan penerapan melalui kolaborasi dengan industri dan pemerintah. Pada Agustus 2024, Xiamen University Malaysia mengumumkan bahwa Prof Ong menerima hibah PETRONAS Academia Collaboration Dialogue senilai lebih dari RM1 juta. Proyek ini bertujuan memanfaatkan fotosintesis buatan bertenaga surya untuk mengubah CO2 dari pembakaran gas di terminal gas darat menjadi bahan kimia bernilai tinggi, sekaligus menangani sumber emisi industri secara langsung.

Program PETRONAS memilih 61 proyek dari 588 pemohon di 25 universitas. Bagi CONNECT, hibah ini memperkuat portofolio yang mencakup prototipe sistem surya-ke-hidrogen yang ditargetkan rampung pada pertengahan 2026, katalis yang dirancang untuk menekan gas rumah kaca, serta metode untuk mengubah limbah minyak sawit menjadi grafena dan hidrogen hijau. Benang merah dari semua upaya ini sederhana: membawa nanokatalis yang menjanjikan dari uji laboratorium terkontrol ke perangkat tangguh yang bekerja di ruang terbuka.

Cara kerja sains di balik katalis ini

Fotosintesis buatan bertumpu pada tiga pilar: material yang menyerap cahaya, struktur yang menjaga agar muatan tetap terpisah, dan situs katalitik yang mempercepat reaksi secara selektif. Riset CONNECT membangun ketiga pilar tersebut melalui perpaduan material dua dimensi, sambungan khusus, dan situs permukaan dari unsur yang melimpah di bumi.

Material dua dimensi dan heterostruktur

Material dua dimensi, mulai dari lembaran karbon mirip grafena hingga dikalkogenida logam transisi, menyediakan jalur ultratipis bagi muatan. Menumpuk satu lembar 2D di atas lembar lainnya membentuk antarmuka luas, tempat elektron dan lubang dapat terpisah secara efisien. Dengan memilih pasangan yang tingkat energinya selaras untuk pemecahan air atau reduksi CO2, heterostruktur 2D di atas 2D ini meningkatkan efisiensi tanpa bergantung pada unsur langka.

Aliran muatan skema Z dan skema S

Fotosintesis alami menggunakan dua tahap penyerapan cahaya, yang sering digambarkan menyerupai huruf Z, untuk menghasilkan muatan berenergi tinggi. Perangkat buatan meniru prinsip itu melalui rancangan skema Z dan skema S. Dua penyerap cahaya dihubungkan sedemikian rupa sehingga hanya elektron pereduksi dan lubang pengoksidasi terkuat yang bertahan, sementara pembawa muatan yang lebih lemah saling meniadakan. Mempertahankan muatan yang paling aktif meningkatkan kinerja reaksi sulit dan membantu menekan reaksi sampingan.

Karbida logam dan material MXene

Karbida logam transisi, termasuk MXene, memadukan konduktivitas tinggi dengan permukaan yang dapat disesuaikan. Material ini dapat berfungsi sebagai penyerap cahaya atau kokatalis, yakni pendukung di permukaan yang mempercepat tahapan penting dan mengarahkan selektivitas. MXene dibuat dengan mengetsa bahan awal berlapis untuk membentuk lembaran konduktif. Gugus permukaannya, yang ditentukan oleh metode sintesis, memengaruhi kemampuannya menyerap molekul dan mengalirkan muatan, dua hal penting bagi produksi bahan bakar surya yang stabil dan efisien.

Mengubah limbah menjadi sumber daya dengan cahaya dan kimia cerdas

Plastik memberi kemudahan, tetapi juga menimbulkan tantangan limbah. Upcycling fotokatalitik dan elektrokatalitik mengatasi masalah ini melalui kimia yang terarah. Dengan bantuan cahaya atau listrik terbarukan, katalis dapat memutus rantai polimer panjang dan mengubahnya menjadi molekul berguna seperti format, asetat, alkohol, atau hidrogen. CONNECT juga menerapkan pendekatan ini pada residu pertanian. Sektor kelapa sawit Malaysia menghasilkan limbah kaya karbon yang dapat diolah menjadi grafena dan hidrogen hijau. Kelompok ini melaporkan paten terkait produksi grafena dan hidrogen dari biometana, yang menunjukkan bagaimana aliran limbah dapat menjadi bahan baku untuk material dan energi.

Produksi hidrogen dari air, dari laboratorium ke lapangan

Produksi hidrogen dengan sinar matahari terdengar sederhana, tetapi penerapannya di luar ruangan sulit. Perangkat harus menangkap cahaya secara efektif, memecah air, menjaga agar hidrogen dan oksigen tetap terpisah, serta bertahan selama berbulan-bulan menghadapi panas, hujan, dan debu. CONNECT sedang membangun prototipe yang lebih besar untuk menguji kondisi luar ruang, dengan target menghadirkan unit surya-ke-hidrogen yang berfungsi pada pertengahan 2026 melalui perpaduan fotokatalisis dan fotoelektrokimia.

Dua persoalan biasanya menjadi tantangan utama dalam peningkatan skala. Efisiensi, yang diukur sebagai efisiensi konversi surya-ke-hidrogen, harus meningkat sementara biaya material tetap terjangkau. Banyak pakar menilai 10 persen sebagai ambang praktis, meski biayanya berbeda-beda menurut lokasi. Daya tahan menjadi ujian lainnya. Katalis dapat terdegradasi akibat paparan oksigen dan cahaya intens. Air laut mengandung klorida yang dapat memicu korosi dan pembentukan klorin. Tim peneliti mengatasi hal ini dengan lapisan pelindung, membran selektif, dan kondisi reaksi yang hanya mendorong pembentukan hidrogen dan oksigen.

Arti pentingnya bagi Malaysia dan kawasan

Malaysia menargetkan emisi nol bersih pada 2050, yang membutuhkan bahan bakar bersih baru dan pemanfaatan karbon yang lebih cerdas. Fotosintesis buatan terkait dengan sejumlah prioritas nasional. Hidrogen dapat menopang energi terbarukan dan mengurangi emisi industri. Mengubah CO2 dari pembakaran gas atau aliran proses menjadi bahan baku akan mengubah limbah menjadi sesuatu yang bernilai. Pengolahan limbah plastik dan biomassa mengurangi tekanan terhadap tempat pembuangan akhir serta kebutuhan akan bahan bakar fosil impor. Unit surya-ke-bahan bakar modular dapat mendukung sekolah, klinik, dan usaha kecil di wilayah terpencil yang lambat terjangkau perluasan jaringan listrik.

Kolaborasi, talenta, dan perangkat digital mempercepat kemajuan

CONNECT berkembang melalui kemitraan dengan PETRONAS Research dan program teknologi nasional, serta perpaduan keahlian di bidang kimia, material, teknik, dan ilmu data. Teori fungsional kerapatan dan pembelajaran mesin membantu menyaring ribuan kandidat katalis sebelum sejumlah kecil dibuat di laboratorium, sehingga menghemat waktu dan biaya. Prof Ong membimbing kelompok peneliti pascasarjana dan pascadoktoral yang terus berkembang. Pengakuan seperti Highly Cited Researcher dan daftar World's Top 2 percent Scientist menegaskan dampak riset tersebut, sementara tujuannya tetap praktis: perangkat yang menghasilkan bahan bakar bersih secara andal dalam kondisi Malaysia.

Tantangan yang masih tersisa

Fotosintesis buatan kemungkinan akan melengkapi, bukan menggantikan, peningkatan produksi hidrogen hijau dari elektroliser. Untuk mencapai skala besar, efisiensi masih perlu ditingkatkan, daya tahan diperbaiki, biaya sistem pendukung ditekan, dan penanganan gas dirancang agar aman. Produk konversi CO2 sering dihasilkan dalam bentuk campuran yang perlu dipisahkan. Upcycling plastik membutuhkan bahan baku dengan kualitas yang konsisten dan katalis yang selektif. Prototipe 2026 dan proyek PETRONAS akan menyediakan data lapangan untuk menentukan posisi terbaik teknologi ini dalam transisi energi Malaysia.

Poin Utama

• Prof Dr Ong Wee Jun memimpin CONNECT di Xiamen University Malaysia, dengan fokus pada fotosintesis buatan dan nanokatalisis.
• Timnya meneliti produksi hidrogen dari air, pengubahan CO2 menjadi metanol dan produk lainnya, serta upcycling plastik secara fotokatalitik atau elektrokatalitik.
• Hibah PETRONAS senilai lebih dari RM1 juta (Agustus 2024) mendukung konversi CO2 dari pembakaran gas di terminal gas darat dengan tenaga surya.
• Prototipe sistem surya-ke-hidrogen ditargetkan rampung pada pertengahan 2026 untuk menguji kinerja di luar ruang di Malaysia.
• Perangkat riset yang digunakan mencakup heterostruktur dua dimensi, aliran muatan skema Z, dan karbida logam seperti MXene.
• Proyek hidrogen dari air laut menangani korosi akibat klorida dan selektivitas untuk mencegah terbentuknya klorin.
• Kemitraan industri serta penggunaan teori fungsional kerapatan dan pembelajaran mesin mempercepat penemuan katalis.
• Riset ini selaras dengan target Malaysia mencapai nol bersih pada 2050 dan berpotensi membantu akses energi di pedesaan.