Daripada Cahaya Matahari kepada Bahan Api: Prof Ong Wee Jun Menerajui Usaha Fotosintesis Buatan Malaysia

Soalan zaman kanak-kanak menjadi misi tenaga negara

Ketika menjadi murid Tahun 4 yang mempelajari fotosintesis, Ong Wee Jun mengajukan soalan mudah: bolehkah cahaya matahari dimanfaatkan seperti yang dilakukan tumbuhan untuk membekalkan tenaga kepada kehidupan moden? Rasa ingin tahu itu menjadi kerja sepanjang hayatnya. Kini, saintis Malaysia itu meneroka prinsip yang sama menggunakan alat daripada nanosains dan pemangkinan, dengan menyimpan cahaya matahari dalam ikatan bahan api bersih.

Prof Dr Ong ialah Penolong Dekan di Universiti Xiamen Malaysia dan pengarah pengasas Pusat Kecemerlangan Teknologi Tenaga Nano & Pemangkinan, yang dikenali sebagai CONNECT. Beliau dan pasukannya mereka bentuk daun tiruan yang meniru langkah penting fotosintesis. Peranti mereka menggunakan bahan nanostruktur kejuruteraan, bukannya klorofil, untuk menghasilkan molekul kaya tenaga.

CONNECT meneroka penghasilan hidrogen daripada air, penukaran CO2 kepada metanol dan bahan kimia lain, serta penukaran sisa plastik kepada bahan api. Wawasan jangka panjangnya merangkumi ladang hidrogen modular berkuasa solar yang boleh membekalkan tenaga kepada masyarakat luar bandar, sekali gus membawa sains termaju untuk memenuhi keperluan harian.

Fungsi sebenar fotosintesis buatan

Fotosintesis buatan menggunakan bahan penyerap cahaya dan pemangkin untuk menukarkan cahaya matahari kepada tenaga kimia. Peranti itu menyerap foton, menghasilkan cas yang boleh bergerak, lalu menggunakan cas tersebut untuk memecahkan air atau menurunkan karbon dioksida. Hasilnya ialah bahan api yang boleh disimpan, diangkut dan digunakan ketika matahari tidak bersinar.

Dalam pemecahan air, satu tindak balas membebaskan oksigen manakala satu lagi menghasilkan hidrogen. Semikonduktor membekalkan tenaga, sementara pemangkin merendahkan halangan bagi setiap tindak balas. Hidrogen menjadi pembawa tenaga untuk sel bahan api dan bahan input bersih bagi penghasilan ammonia, keluli dan proses penapisan.

Penukaran CO2 kepada bahan api menggunakan pendekatan yang sama. Pemangkin yang direka khusus mengarahkan elektron untuk menukarkan CO2 kepada karbon monoksida, asid formik atau metanol. Peranti boleh berupa fotopemangkin serbuk, sel fotoelektrokimia dengan elektrod penyerap cahaya, atau sistem elektropemangkin yang dikuasakan oleh elektrik boleh baharu. Sasarannya tetap sama, iaitu operasi stabil dengan kecekapan tinggi dan kos berpatutan.

Daripada kejayaan makmal kepada projek sebenar di Malaysia

CONNECT menghubungkan penemuan dengan pelaksanaan melalui kerjasama industri dan kerajaan. Pada Ogos 2024, Universiti Xiamen Malaysia mengumumkan bahawa Prof Ong menerima geran PETRONAS Academia Collaboration Dialogue bernilai lebih RM1 juta. Projek itu bertujuan menggunakan fotosintesis buatan berkuasa solar untuk menukarkan CO2 daripada pembakaran gas suar di terminal gas darat kepada bahan kimia bernilai, sekali gus menangani secara langsung sumber pelepasan industri.

Program PETRONAS memilih 61 projek daripada 588 pemohon merentasi 25 universiti. Bagi CONNECT, geran itu mengukuhkan portfolio yang merangkumi prototaip sistem solar kepada hidrogen yang disasarkan siap menjelang pertengahan 2026, pemangkin yang direka untuk mengurangkan gas rumah kaca, serta kaedah menukarkan sisa minyak sawit kepada graphene dan hidrogen hijau. Benang merah yang menghubungkan usaha ini mudah: membawa nanokatalis berpotensi daripada ujian makmal terkawal kepada peranti teguh yang berfungsi di bawah langit terbuka.

Cara sains berfungsi dalam pemangkin ini

Fotosintesis buatan berasaskan tiga tonggak: bahan yang menyerap cahaya, struktur yang memisahkan cas, dan tapak pemangkin yang mempercepat serta menjadikan tindak balas lebih selektif. Penyelidikan CONNECT membangunkan tonggak ini dengan gabungan bahan dua dimensi, simpang pintar dan tapak permukaan daripada unsur yang banyak terdapat di bumi.

Bahan dua dimensi dan heterostruktur

Bahan dua dimensi, daripada kepingan karbon seakan-akan graphene hingga dikalkogenida logam peralihan, menyediakan laluan ultra nipis untuk cas. Menindihkan satu kepingan 2D pada kepingan lain menghasilkan antara muka luas, iaitu tempat elektron dan lohong terpisah dengan cekap. Dengan memilih pasangan yang aras tenaga jalurnya sepadan dengan tindak balas pemecahan air atau penurunan CO2, heterostruktur 2D pada 2D ini meningkatkan kecekapan tanpa bergantung pada unsur yang jarang ditemui.

Aliran cas skema Z dan skema S

Fotosintesis semula jadi menggunakan dua langkah cahaya, yang sering dilukis sebagai bentuk Z, untuk menghasilkan cas bertenaga tinggi. Peranti buatan meniru kaedah itu melalui reka bentuk skema Z dan skema S. Dua penyerap cahaya disambungkan supaya hanya elektron penurun paling kuat dan lohong pengoksidaan paling kuat kekal, sementara pembawa yang lebih lemah saling menghapuskan. Mengekalkan cas paling aktif meningkatkan keupayaan untuk menjalankan tindak balas sukar dan membantu menyekat proses sampingan.

Karbida logam dan bahan MXene

Karbida logam peralihan, termasuk MXene, menggabungkan kekonduksian tinggi dengan permukaan yang boleh dilaras. Bahan ini boleh berfungsi sebagai penyerap cahaya atau kokatalis, iaitu bahan pembantu permukaan yang mempercepat langkah penting dan mengarah selektiviti. MXene dihasilkan dengan menggores prekursor berlapis untuk membentuk kepingan konduktif. Kumpulan pada permukaannya, yang ditentukan oleh kaedah sintesis, mempengaruhi keupayaannya menyerap molekul dan menggerakkan cas, iaitu faktor penting bagi penghasilan bahan api solar yang stabil dan cekap.

Sisa menjadi sumber bernilai dengan cahaya dan kimia pintar

Plastik menawarkan kemudahan tetapi turut menimbulkan cabaran sisa. Proses penaiktarafan foto dan elektropemangkin menangani masalah ini menggunakan kimia yang disasarkan. Dengan bantuan cahaya atau tenaga boleh baharu, pemangkin boleh memecahkan rantai polimer panjang dan menukarkannya kepada molekul berguna seperti format, asetat, alkohol atau hidrogen. CONNECT turut menerapkan pendekatan ini pada sisa pertanian. Sektor kelapa sawit Malaysia menghasilkan sisa kaya karbon yang boleh dinaik taraf menjadi graphene dan hidrogen hijau. Kumpulan itu melaporkan paten berkaitan penghasilan graphene dan hidrogen daripada biometana, menunjukkan bagaimana aliran sisa boleh menjadi bahan suapan bagi penghasilan bahan dan tenaga.

Hidrogen daripada air: daripada makmal ke lapangan

Penghasilan hidrogen menggunakan cahaya matahari kedengaran mudah, namun penyepaduannya di luar bangunan sukar dilakukan. Peranti mesti menangkap cahaya dengan berkesan, memecahkan air, mengasingkan hidrogen daripada oksigen, serta bertahan berbulan-bulan dalam keadaan panas, hujan dan berdebu. CONNECT sedang membangunkan prototaip lebih besar untuk menguji keadaan luar, dengan sasaran menghasilkan unit solar kepada hidrogen yang berfungsi menjelang pertengahan 2026, menggabungkan fotopemangkinan dan fotoelektrokimia.

Dua isu lazimnya menjadi cabaran utama apabila teknologi diperluas. Kecekapan, yang diukur sebagai kecekapan solar kepada hidrogen, perlu ditingkatkan sementara kos bahan kekal berpatutan. Ramai pakar menganggap 10 peratus sebagai ambang praktikal, walaupun kos berbeza mengikut lokasi. Ketahanan ialah satu lagi ujian. Pemangkin boleh merosot apabila terdedah kepada oksigen dan cahaya yang kuat. Air laut pula mengandungi klorida yang boleh mencetuskan kakisan dan pembentukan klorin. Pasukan penyelidik menangani hal ini dengan lapisan pelindung, membran selektif dan keadaan tindak balas yang mengutamakan penghasilan hidrogen dan oksigen sahaja.

Kepentingannya kepada Malaysia dan rantau ini

Malaysia menyasarkan pelepasan sifar bersih menjelang 2050, yang memerlukan bahan api bersih baharu dan penggunaan karbon yang lebih bijak. Fotosintesis buatan berkait dengan beberapa keutamaan negara. Hidrogen boleh menyokong tenaga boleh baharu dan mengurangkan pelepasan industri. Penukaran CO2 daripada pembakaran gas suar atau aliran proses kepada bahan suapan mengubah sisa menjadi sumber bernilai. Penaiktarafan sisa plastik dan biojisim mengurangkan tekanan terhadap tapak pelupusan serta kebergantungan pada bahan api fosil import. Unit modular solar kepada bahan api berpotensi menyokong sekolah, klinik dan perniagaan kecil di kawasan terpencil yang peluasan gridnya perlahan.

Kerjasama, bakat dan alat digital mempercepat kemajuan

CONNECT terus maju melalui kerjasama dengan PETRONAS Research dan program teknologi negara, serta menggabungkan kepakaran dalam bidang kimia, bahan, kejuruteraan dan sains data. Teori fungsi ketumpatan dan pembelajaran mesin membantu menapis ribuan calon pemangkin sebelum beberapa daripadanya dihasilkan di makmal, sekali gus menjimatkan masa dan kos. Prof Ong membimbing kumpulan penyelidik pascasiswazah dan pascadoktoral yang semakin berkembang. Pengiktirafan seperti Highly Cited Researcher dan senarai World's Top 2 percent Scientist menyerlahkan impak penyelidikan itu, sementara matlamatnya kekal praktikal: menghasilkan peranti yang membekalkan bahan api bersih secara andal dalam keadaan di Malaysia.

Cabaran yang masih ada

Fotosintesis buatan berkemungkinan melengkapi, bukannya menggantikan, peningkatan penghasilan hidrogen hijau daripada elektroliser. Usaha memperluas skala masih perlu meningkatkan kecekapan, memperkukuh ketahanan, mengurangkan kos sistem sokongan dan mereka bentuk pengendalian gas yang selamat. Produk penukaran CO2 sering terhasil sebagai campuran yang perlu diasingkan. Penaiktarafan plastik memerlukan mutu bahan suapan yang konsisten dan pemangkin selektif. Prototaip 2026 dan projek PETRONAS akan membekalkan data lapangan untuk menentukan kesesuaian terbaik teknologi ini dalam peralihan tenaga negara.

Perkara Utama

• Prof Dr Ong Wee Jun mengetuai CONNECT di Universiti Xiamen Malaysia, dengan tumpuan pada fotosintesis buatan dan nanokatalisis.
• Pasukannya mengusahakan penghasilan hidrogen daripada air, penukaran CO2 kepada metanol dan produk lain, serta penaiktarafan plastik secara foto atau elektropemangkin.
• Geran PETRONAS bernilai lebih RM1 juta (Ogos 2024) menyokong penukaran solar CO2 daripada pembakaran gas suar di terminal gas darat.
• Prototaip sistem solar kepada hidrogen disasarkan siap menjelang pertengahan 2026 untuk menguji prestasi di luar dalam keadaan Malaysia.
• Alat penyelidikan merangkumi heterostruktur dua dimensi, aliran cas skema Z dan karbida logam seperti MXene.
• Projek penghasilan hidrogen daripada air laut menangani kakisan klorida dan isu selektiviti bagi mengelakkan pembentukan klorin.
• Kerjasama industri serta penggunaan teori fungsi ketumpatan dan pembelajaran mesin mempercepat penemuan pemangkin.
• Usaha ini selaras dengan matlamat sifar bersih Malaysia menjelang 2050 dan berpotensi membantu akses tenaga di kawasan luar bandar.