Chromium menggantikan logam mulia yang jarang dan mahal

Logam mulia yang mahal sering memainkan peran penting dalam menerangi layar atau mengubah energi surya menjadi bahan bakar. Kini, para ahli kimia di Universitas Basel telah berhasil menggantikan unsur langka ini dengan logam yang jauh lebih murah. Dalam hal sifat-sifatnya, bahan-bahan baru ini sangat mirip dengan yang digunakan sebelumnya.

Gambar 1. Mineral Chromium

Kita sudah mengenal kromium dari aplikasi sehari-hari seperti baja kromium di dapur atau sepeda motor berlapis krom. Namun, dalam waktu dekat, unsur ini mungkin juga ditemukan dalam layar ponsel seluler yang tersebar luas atau digunakan untuk mengubah energi surya. Para peneliti yang dipimpin oleh Profesor Oliver Wenger dari Departemen Kimia di Universitas Basel telah mengembangkan senyawa kromium yang dapat menggantikan logam mulia osmium dan ruthenium - dua unsur yang hampir sama langkanya dengan emas atau platinum - dalam bahan-bahan luminens dan katalis. Dalam laporan mereka di jurnal Nature Chemistry, tim ini melaporkan bahwa sifat-sifat luminens dari bahan-bahan kromium baru hampir sama baiknya dengan beberapa senyawa osmium yang digunakan sejauh ini. Namun, dibandingkan dengan osmium, kromium sekitar 20.000 kali lebih melimpah di kerak bumi - dan jauh lebih murah.

Bahan-bahan baru ini juga terbukti menjadi katalis yang efisien untuk reaksi foto-kimia, termasuk proses yang dipicu oleh paparan cahaya, seperti fotosintesis. Tumbuhan menggunakan proses ini untuk mengubah energi dari sinar matahari menjadi glukosa yang kaya energi dan zat-zat lain yang berfungsi sebagai bahan bakar untuk proses biologis.

Jika senyawa kromium baru ini dipancarkan dengan lampu merah, energi dari cahaya dapat disimpan dalam molekul yang kemudian dapat berfungsi sebagai sumber daya. "Di sini, juga ada potensi untuk menggunakan bahan baru kami dalam fotosintesis buatan untuk menghasilkan bahan bakar surya," jelas Wenger.

Kemasan khusus untuk kromium

Untuk membuat atom-atom kromium berpendar dan memungkinkan mereka mengubah energi, para peneliti memasukkannya ke dalam kerangka molekuler organik yang terdiri dari karbon, nitrogen, dan hidrogen. Tim ini merancang kerangka organik ini agar kaku, sehingga atom-atom kromium terbungkus dengan baik. Lingkungan yang dibuat khusus ini membantu meminimalkan kehilangan energi akibat getaran molekuler yang tidak diinginkan dan mengoptimalkan sifat-sifat luminens dan katalitik. Kekurangan dari bahan-bahan baru ini adalah bahwa kromium memerlukan kerangka yang lebih kompleks daripada logam mulia - dan oleh karena itu, penelitian lebih lanjut akan diperlukan di masa depan.

Terbungkus dalam kerangka organik yang kaku, kromium terbukti jauh lebih reaktif daripada logam mulia ketika terpapar cahaya. Ini membuka jalan bagi reaksi foto-kimia yang sulit diinisiasi. Aplikasi potensialnya bisa dalam produksi bahan baku farmasi yang aktif.

Bersaing dengan alternatif lain

Selama waktu yang lama, pencarian bahan yang berkelanjutan dan hemat biaya tanpa logam mulia lebih banyak difokuskan pada besi dan tembaga. Kelompok penelitian lain telah mencapai hasil yang menjanjikan dengan kedua unsur ini, dan kromium juga sudah dimasukkan ke dalam bahan-bahan luminens di masa lalu.

Namun, dalam banyak kasus, sifat-sifat luminens dan katalitik dari bahan-bahan ini jauh tertinggal dibandingkan dengan bahan-bahan yang mengandung logam mulia yang langka dan mahal - sehingga gagal mewakili alternatif yang nyata. Bahan-bahan baru yang terbuat dari kromium berbeda karena mereka mengandung bentuk kromium yang sangat mirip dengan logam mulia, sehingga mencapai efisiensi luminens dan katalitik yang sangat mendekati bahan-bahan yang mengandung logam tersebut.

"Pada saat ini, tampaknya belum jelas logam mana yang akhirnya akan memenangkan perlombaan dalam hal aplikasi di bahan-bahan luminens dan fotosintesis buatan," kata Wenger. "Namun, yang pasti, adalah bahwa para peneliti pascadoktoral Dr. Narayan Sinha dan Dr. Christina Wegeberg telah membuat kemajuan penting bersama-sama."

Selanjutnya, Wenger dan kelompok penelitiannya bertujuan untuk mengembangkan bahan-bahan mereka dalam skala yang lebih besar untuk memungkinkan pengujian aplikasi potensial yang lebih luas. Dengan melakukan perbaikan tambahan, mereka berharap dapat mencapai emisi cahaya dalam berbagai warna spektral mulai dari biru hingga hijau dan merah. Mereka juga ingin lebih mengoptimalkan sifat katalitik untuk membawa kita lebih dekat pada konversi energi matahari menjadi energi kimia untuk penyimpanan - seperti dalam fotosintesis.

Journal Reference:

Narayan Sinha, Christina Wegeberg, Daniel Häussinger, Alessandro Prescimone, Oliver S. Wenger. Photoredox-active Cr(0) luminophores featuring photophysical properties competitive with Ru(II) and Os(II) complexes. Nature Chemistry, 2023; DOI: 10.1038/s41557-023-01297-9