Ditulis oleh:

Ketika dunia giat mencari sumber tenaga yang bersih dan mampan, para saintis kini berpaling kepada alam semula jadi untuk mendapatkan inspirasi. Salah satu sumber semula jadi yang menarik ialah serat kekabu, yang merupakan bahan gebu seperti kapas dan diperoleh daripada pokok kekabu yang kini boleh digunakan dengan cara yang inovatif. Serat kekabu mampu meningkatkan prestasi bahan fotopemangkin yang boleh menjana bahan api suria seperti hidrogen dan hidrogen peroksida. Tetapi, bagaimana serat kekabu mampu menyumbang kepada penghasilan bahan api berasaskan cahaya matahari ini?

Karbon nitrida grafit (g-C₃N₄) ialah bahan bebas logam yang diperbuat daripada atom karbon dan nitrogen yang tersusun dalam struktur berlapis, seperti grafit (Rajah 1(a)). Bahan ini juga dikategorikan sebagai bahan fotomangkin bebas logam dan popular dalam kalangan saintis kerana keupayaannya untuk menyerap cahaya matahari dan memacu tindak balas kimia yang dikenali sebagai fotopemangkinan. Proses sintesis bahan ini juga amat mudah hanya melalui proses pengkalsinan bahan pemula seperti urea pada suhu 500-600 C. Fotomangkin g-C₃N₄ yang terhaasil boleh diaplikasikan dalam pelbagai jenis tindak balas kimia seperti proses pembelahan air untuk menghasilkan hidrogen (bahan api bersih), penghasilan hidrogen peroksida, dan sebagai agen degradasi bahan pencemar dalam air. Walau bagaimanapun, g-C₃N₄ tulen mempunyai beberapa kekurangan, antaranya ialah keupayaannya yang terhad dalam menyerap cahaya matahari, terutamanya di luar julat cahaya boleh nampak. Selain itu, ia turut bergelut untuk memisahkan dan mengangkut tenaga yang diserap dengan berkesan, yang seterusnya menyebabkan sebahagian besar potensinya tidak dapat dimanfaatkan sepenuhnya.

Serat kekabu adalah sejenis serat selulosa berongga yang berasal daripada buah pokok kekabu (Ceiba pentandra), yang boleh didapati secara meluas di Asia Tenggara (Rajah 1(b)). Serat kekabu secara semula jadi memiliki bentuk tiub yang boleh terbiodegradasi dan boleh diperbaharui (Rajah 1(c)). Struktur tiubnya dan keliangan yang tinggi menjadikannya sesuai untuk penyebaran cahaya sekali gus meningkatkan penangkapan jumlah cahaya matahari. Lebih mengujakan ialah komposisi kimianya yang kaya dengan kumpulan berfungsi oksigen mampu berinteraksi dengan baik bersama molekul-molekul yang lain.

Kajian yang dijalankan oleh Makmal Sustainable Catalysis & Artificial Photosynthetic System (SCatAPS), Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM) telah membuktikan bahawa serat kekabu boleh digunakan sebagai templat-bio dan sebagai sumber pendopan karbon untuk mengubah suai sifat morfologi dan sifat kimia g-C₃N₄. Dengan "mendop" atom karbon ke dalam struktur g-C₃N₄ menggunakan serat kekabu, sifat elektronik dan strukturnya dapat diubah menjadi lebih baik. Kaedah penghasilan g-C3N4 secara templat-bio ini juga sangat mudah iaitu menggunakan kaedah serapan terus dan hidroterma. Dalam kedua-dua kaedah ini, urea (sebatian yang kaya dengan nitrogen) dicampurkan bersama serat kekabu yang telah dirawat, kemudian dipanaskan untuk membentuk bahan akhir. Kaedah hidroterma, yang melibatkan pemanasan campuran dalam bekas tertutup di bawah tekanan akan menghasilkan interaksi kimia yang baik antara bahan pemula urea dan serat kekabu bagi pembentukkan g-C3N4. Penggunaan serat kekabu sebagai templat bio dan juga sumber pendopan karbon berjaya membentuk g-C₃N₄ dengan struktur berliang mikrotiub (Rajah 1(d)) dan mempunyai warna lebih gelap berbanding g-C3N4 tulen (Rajah 1(e)). Struktur ini membolehkan penyerapan cahaya yang lebih baik (termasuk dalam julat hampir inframerah), pemisahan cas yang lebih berkesan, dan kekonduksian yang lebih tinggi. Ciri-ciri ini sangat penting untuk fotopemangkinan yang cekap.

Apabila didedahkan kepada cahaya tampak, g-C₃N₄ terdop karbon yang dihasilkan menunjukkan kadar penghasilan hidrogen 2.9 kali lebih tinggi berbanding g-C₃N₄ tulen. Hal ini menjadikannya calon fotomangkin berprestasi tinggi untuk penghasilan hidrogen hijau, yang suatu hari nanti berpotensi untuk menjana tenaga bagi kenderaan, kediaman, malah seluruh bandar tanpa menghasilkan gas rumah hijau. Dalam kajian lain, pendekatan ini dipertingkatkan lagi dengan menggandingkan g-C₃N₄ terubah suai pada serat kekabu menggunakan asid suksinik sebagai agent taut silang. Kompleks hibrid unik ini memanfaatkan satu fenomena yang dikenali sebagai Pemindahan Cas Ligan-ke-Logam (Ligand-to-Metal Charge Transfer, LMCT); elektron dapat bergerak dengan lebih mudah dari serat kekabu ke fotopemangkin, sekali gus meningkatkan tindak balas kimia. Hasilnya, penghasilan H₂O₂ di bawah pencahayaan meningkat dengan ketara. H₂O₂ bukan sahaja merupakan agen pengoksidaan hijau untuk kegunaan industri, malah berpotensi digunakan sebagai bahan api dalam sistem tenaga maju seperti sel bahan api peroksida. 

Kajian ini bukan sekadar satu pencapaian saintifik. Ia menawarkan satu pendekatan yang mampan, kos rendah dan boleh terbiodegradasi untuk penghasilan bahan api suria menerusi teknologi fotopemangkinan. Dengan memanfaatkan sisa biojisim tempatan seperti serat kekabu, penemuan ini turut menggalakkan aplikasi prinsip ekonomi kitaran dan mengurangkan kebergantungan kepada bahan nadir atau mahal. Lebih mengagumkan, semua ini dapat dicapai melalui kaedah yang ringkas dan bahan yang mudah diperoleh. Tiada keperluan untuk logam nadir atau peralatan kompleks, hanya pendekatan kimia hijau yang diinspirasikan oleh alam semula jadi. Di masa hadapan, pokok kekabu yang tumbuh di tepi jalan mungkin menyimpan kunci kepada tenaga bersih. 

Rujukan:

1. N. S. N. Hasnan, M. A. Mohamed, N. A. Nordin, W. N. R. W. Isahak, M. B. Kassim (2023), Microtubular cellulose-derived kapok fibre as a solid electron donor for boosting photocatalytic H2O2 production over C-doped g-C3N4 hybrid complexation, Carbohydrate Polymers, 317, 121096.

2. M. A. Mohamed, M. F. M. Zain, L. J. Minggu., M. B. Kassim., N. A. S. Amin., W. N. W. Salleh., M. N. I. Salehmin., M. F. M. Nassir., Z. A. M. Hir. (2018). Constructing bio-templated 3D porous microtubular C-doped g-C3N4 with tunable band structure and enhanced charge carrier separation behaviour Applied Catalysis B: Environmental, 236, 265-279.