Menyimpan Energi Matahari Meniru Fotosintesis

Energi matahari (foton) masih sangat sedikit dimanfaatkan sebagai sumber energi (kurang dari 1 persen untuk fotosintesis). Padahal kalau dilihat dari jumlah dan intensitasnya, energi tersebut cukup untuk memenuhi seluruh kebutuhan energi setiap aktivitas kehidupan. Selain itu, energi matahari murah, bersih, dan tidak banyak menimbulkan polusi dibandirgkan dengan sumber energi konvensional yang ada seperti minyak bumi dan batu bara.

Di balik itu, penyediaan energi matahari sangat ditentukan oleh kondisi alam. Artinya energi tersebut akan tersedia hanya jika tidak terjadi kabut, awan mendung, gerhana, atau malam hari. Fenomena ini menjadi tantangan bagi peneliti untuk mengoptimalkan penggunaan energi matahari.

Konversi energi matahari menjadi energi dalam bentuk lain misalnya energi kimia, mekanik, dan listrik sudah dikembangkan sejak dua dasawarsa terakhir. Yang menjadi masalah saat ini adalah bagaimana menyimpan energi tersebut sehingga dapat tersedia setiap saat. Pertanyaan yang sederhana namun sulit untuk dijawab. Dalam tulisan ini penulis mencoba melihat hasil penelitian senyawa viologenzirconium-fosfonat (ZrPV( X), X adalah senyawa halida yang mampu menyimpan energi matahari dan kemungkinan penerapannya di masa yang akan datang.

Meniru fotosintesis
Peristiwa penyimpanan energi matahari di dalam senyawa ZrPV(X) meniru proses fotosintesis. Dalam fotosintesis, energi foton yang dipancarkan matahari ditangkap oleh sistem redoks senyawa dengan ikatan rangkap terkonjugasi yang terdapat dalam klorofil. Di sini, energi foton mengakibatkan elektron tereksitasi ke tingkat energi yan lebih tinggi. Lalu, pada saat kembali ke keadaan semula, elektron tersebut melepaskan energi dan energi inilah yang kemudian menggerakkan reaksi rantai fotosintesis. Proses pelepasan energi dari keadaan tereksitasi ke keadaan semula memerlukan waktu yang lamanya tergantung pada jumlah ikatan rangkap yang terdapat klorofil dan asesorinya seperti katoten. Makin panjang jumlah ikatan rangkap terkonjugasi berarti makin lama pula proses pelepasan energi. Dengan kata lain, energi tersebut tersimpan (terjebak) dalam sistem ikatan rangkap terkonggasi.

Senyawa Zr (X) yang dikembangkan oleh Varmeulen-Thompson, seperti dilaporkan majalah Nature 20/8/92 merupakan “perkawinan” antara senyawa organik dan senyawa anorganik. Senyawa ini tersusun atas viologen (N,N’-dialkil-4,4’-bipiridium dihalida) yang berfungsi sebagai akseptor elektron, dan zirconium fosfonat sebagai donor elektron dalam proses fotokimia (lihat gambar). sebagai penyerap energi foton, kedua komponen tersebut disusun berlapis-lapis. Makin banyak lapisan yang dibuat berarti makin tinggi kemampuan menyerap dan menyimpan energi foton.

Molekul viologen dapat menerima satu atau dua elektron dan dapat direduksi baik secara kimia maupun fotokimia. Produk reduksi satu elektron dapat diamati dengan terbentuknya kation radikal berwarna biru. Untuk menggunakan/mengeluarkan energi yang tersimpan ini cukup dengan merangkainya pada sistem yang mampu mengoksidasi kation radikal. Molekul zirconium fosfonat berupa kristal fosfonat logam tetravalen dimana bidang atom metal terkoordinasi oktahedral oleh oksigen dari gugus fosfonat. Kedudukan ini memudahkan aliran elektron ke gugus viologen baik yang di lapisan atas maupun bawah pada saat penyerapan energi foton.

Mekanisme penyimpanan energi
Apabila sistem ZrPV(X), disinari oleh foton maka terjadi transfer elektron dari halida ke viologen. Violegen yang tareduksi dapat diamati dengan perubahan warna kristal yang semula putih menjadi biru. Warna biru ini stabil dan tahan lama di udara walaupun penyinaran dihentikan. Pada tahap ini, energi foton dengan panjang gelombang 295, 400, dan 600 nm diubah menjadi energi kimia dan disimpan dalam bentuk viologen yang mempunyai potensi reduksi tinggi (dalam bentuk kation radikal). Ikatan rangkap terkonjugasi dalam violegen menstabilkan keadaan ini sehingga energi yang ditangkap dapat disimpan dan dapat digunaan setiap saat.

Ada dua hal yang mengganggu kestabilan sistem penyimpan energi ini yaitu asam florida dan panas. Asam florida mampu melarutkan warna biru viologen sehingga kemampuan menyimpan energi hilang. Hal yang sama terjadi bila ZrPV(X dipanaskan pada suhu 100 >.007C. Pada kasus yang terakhir ini, reaksi balik akibat pemanasan dapat dikurangi dengan cara melindungi/menggabungkan kristal pada matrik padat seperti zeolit, lempung, atau molekul lain. Penggabungan ini ternyata tidak mengubah aktivitas fotokimia ZrPV(X), justru pada beberapa kasus malah memperbesar kestabilan kation radikal.

Untuk keperluan skala laboratorium, energi matahari sudah mampu disimpan. Penelitian tentang berapa kapasitas daya yang mau disimpan dan efisiensinya, dan bagaimana penerapannya dalam skala besar masih terus berlangsung. Mudah-mudahan hasil penelitian ini mampu memberikan jawaban atas masalah krisis energi.

Zeily Nurachman, staf pengajar kimia ITB dan kini sedang melakukan riset di Univ.of Kentucky AS

Sumber: Kompas, Desember 1992