Fotomangkin Sebagai Ejen Pemeliharaan Alam Sekitar

Oleh: Dr. Sheela Chandren, Ahli Bersekutu YSN-ASM
Jabatan Kimia, Fakulti Sains, Universiti Teknologi Malaysia

Pemangkinan merupakan kaedah merubah kadar tindak balas kimia dengan menggunakan bahan yang dinamakan mangkin. Mangkin berbeza dengan reagen kimia yang lain kerana ia boleh terlibat dalam tindak balas kimia, namun tidak akan terjejas oleh tindak balas tersebut sambil mengekalkan ciri-ciri fizikal dan kimianya. Mangkin yang mempercepatkan kadar tindak balas dinamakan mangkin positif, manakala yang melambatkan kadar tindak balas dipanggil mangkin negatif. Sesungguhnya, mangkin sangat penting dalam kehidupan seharian kita, termasuklah mangkin biokimia, iaitu enzim yang membantu dalam segala proses kimia badan bermula dari pencernaan makanan sehinggalah dalam menghasilkan isyarat untuk pergerakan anggota badan kita. Selain daripada itu, hampir semua produk di sekeliling kita terhasil daripada kebergantungan kepada pelbagai jenis mangkin. Contohnya dalam pembuatan sabun, fermentasi, pembakaran enjin kereta, penghasilan plastik dan pelbagai lagi produk seharian.

Antara mangkin positif yang sangat penting ialah fotomangkin. Fotomangkin ialah bahan yang mampu menyerap cahaya seterusnya berupaya meningkatkan keberkesanan tindak balas kimia untuk berlaku. Contohnya, secara semulajadi, klorofil bertindak sebagai fotomangkin bagi tumbuh-tumbuhan (Rajah 1), di mana ianya akan menyerap cahaya matahari lalu mengubah air dan karbon dioksida kepada oksigen dan karbohidrat. Diinspirasikan oleh proses semulajadi ini, pelbagai usaha penyelidikan telah ditumpukan untuk membangunkan fotomangkin sintetik. Konsep utama dalam proses fotopemangkinan ialah kebolehupayaan mangkin untuk menghasilkan radikal bebas yang dapat membenarkan tindak balas untuk terus berlaku.

Fujishima dan Honda merupakan perintis dalam kajian Titanium Dioksida (TiO₂) sebagai fotomangkin dalam aktiviti pembersihan udara dan air dalam aplikasi alam sekitar. Pada tahun 1972, mereka telah membuat penemuan fotomangkin pemisahan air yang mana air dapat dibahagikan kepada dua unsur di atas permukaan TiO₂, iaitu hidrogen dan oksigen, dengan kehadiran sinaran ultralembayung (UV) daripada matahari. TiO₂ telah bertindak sebagai fotomangkin dalam tindak balas kimia tersebut. Kajian ini merupakan antara pencapaian cemerlang dalam bidang pemangkinan, di mana ianya juga turut menyumbang kepada konsep “Kimia Hijau dan Mampan” serta evolusi tenaga.

Proses pemisahan air menggunakan TiO₂ adalah lebih cekap berbanding dengan proses elektrolisis yang memerlukan sumber tenaga elektrik yang banyak bagi menyempurnakan proses pemisahan air. Selepas kajian tersebut, terdapat juga beberapa kajian lain mengenai penggunaan fotomangkin selain daripada TiO₂ dalam penghasilan hidrogen seperti kadmium sulfida (CdS), zink oksida (ZnO) dan timah dioksida (SnO₂). Namun, penggunaan TiO₂ sebagai fotomangkin telah mendapat perhatian yang memberangsangkan sejak akhir-akhir ini, terutamanya di dalam aktiviti pembersihan air dan udara.

Antara beberapa keistimewaan utama TiO₂ adalah kestabilan dari segi sifat kimianya, iaitu ia sangat aktif dalam sesuatu tindak balas, kadar toksik yang rendah, dan kos yang lebih murah untuk menghasilkannya. Bergantung kepada cara ia dihasilkan, TiO₂ sebagai fotomangkin boleh berada dalam saiz tertentu seperti mikro dan nano. Selain bertindak sebagai fotomangkin, antara aplikasi lain bagi TiO₂ ialah dalam bidang industri makanan, seperti manisan, bahan pemutih, dan juga sebagai bahan penaik dalam proses pembuatan kek.

TiO₂ juga banyak digunakan sebagai fotomangkin dalam proses penguraian bahan pencemar organik, iaitu asetaldehid yang boleh memberikan kesan buruk terhadap kesihatan manusia. Sebagai contoh, selaput fotomangkin TiO₂ telah disembur di atas permukaan keluli tahan karat menggunakan proses dikenali sebagai Spray Ion Layer Gas Reaction, atau ringkasannya SPRAY-ILGAR (Rajah 2) dan seterusnya telah digunakan untuk menguraikan asetaldehid. Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) merupakan salah sebuah insitut penyelidikan di Jerman dilengkapi dengan fasiliti SPRAY-ILGAR semenjak tahun 2011.

Selepas proses SPRAY-ILGAR, pengelasan dan ujian fotopemangkinan telah dilakukan di Institute for Catalysis, Universiti Hokkaido, Jepun. Analisis Mikroskop Pengimbasan Elektron (SEM) (Rajah 3) menunjukkan bahawa TiO₂ telah tersebar seragam di atas permukaan keluli tahan karat, sebagai satu lapisan yang sangat tahan lama dan kuat. Adalah juga didapati bahawa jumlah TiO₂ pada keluli tahan karat boleh diubah dengan mudah, hanya dengan mengubah kepekatan pendahulu (precursor) TiO₂ yang digunakan.

Pada masa kini, ramai penyelidik di Malaysia sedang aktif menumpukan penyelidikan mereka untuk menyelesaikan masalah berkaitan alam sekitar serta inovasi dalam pelbagai industri seperti infrastruktur, instrumentasi dan sebagainya. Justeru itu, fotomangkin titanium dioksida juga boleh diperluaskan kegunaannya di Malaysia dalam pelbagai bidang dan produk seperti lampu jalan, jalanraya dan banyak lagi.

Akhir kata, penyelidikan dan inovasi dalam bidang fotopemangkinan berasakan Titanium Dioksida perlu diperluaskan lagi oleh kerana peranan penting ia dalam proses pemeliharaan alam sekitar, tidak lupa juga aplikasinya yang semakin meluas hidupan harian kita.

Rujukan Berkaitan: 

1. Chandren, S., Ismail, K., Nur, H., & Ohtani, B. (2017). Preparation of Titania on Stainless Steel by the Spray-ILGAR Technique as Active Photocatalyst under UV Light Irradiation for the Decomposition of Acetaldehyde. Applied Sciences, 7(7), 698.
2. Fischer, C.-H., Allsop, N. A., Gledhill, S. E., Köhler, T., Krüger, M., Sáez-Araoz, R., & Lux-Steiner, M. C. (2011). The spray-ILGAR® (ion layer gas reaction) method for the deposition of thin semiconductor layers: Process and applications for thin film solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells, 95(6), 1518-1526.
3. Fujishima, A., & Honda, K. (1972). Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode. Nature, 238(5358), 37-38.