Kemajuan ilmu dan teknologi semakin menunjang kualitas kehidupan di muka bumi ini. Salah satunya adalah ilmu yang membahas rekayasa molekul dari level dasar sampai ke supramolekul untuk mencapai tataran material yang multifungsi. Bidang ilmu ini pada dasarnya ditujukan untuk membuat molekul canggih sesuai kebutuhan manusia.
Dewasa ini riset di bidang rekayasa molekul telah menjadi tren di berbagai negara maju karena pada hakikatnya kemakmuran yang dicapai manusia saat ini tidak lepas dari peran ilmu material maupun ilmu hayati, yang di dalamnya atom dan molekul memegang peranan sentral. Kegunaannya bisa untuk dunia kedokteran, industri, lingkungan, usaha, dan faktor-faktor penunjang untuk menemukan energi yang terbarukan. Perpaduan bidang ilmu multidisiplin juga memegang peranan penting dalam hal ini.
Dengan merekayasa suatu material melalui tahap molekuler pada dasarnya kita dapat mengubah sifat biologis maupun sifat fisisnya. Di sinilah letak pentingnya ilmu desain dan sintesis suatu bahan. Salah satu di antara material hibrida yang sedang hangat-hangatnya dikaji dewasa ini adalah metal-organic frameworks (MOFs) yang dipopulerkan tahun 1990-an oleh Prof. Omar M. Yaghi (Universitas Michigan, UCLA, USA).
MOFs merupakan material berpori berskala nanometer dengan struktur kristal dan tingkat kemurnian tinggi yang bertopologi mirip zeolit. MOFS dapat didesain dengan variasi yang sangat beragam melalui design linker–nya (senyawa organik yang mempunya pasangan elektron bebas di kedua ujungnya) dan dikoordinasikan dengan beberapa pilihan logam sehingga diperoleh ikatan koordinasi yang cukup kuat.
Jenis material yang dihasilkan dalam proses sintesis MOFs bisa berupa dua dan tiga dimensi yang infinite (tak terbatas) yang disebut juga sebagai polimer koordinasi berpori (porous coordination polymer). Istilah MOFs digunakan apabila material ini mempunyai porositas yang permanen dan tidak rusak strukturnya saat proses aktivasi. Sementara itu, material satu dimensi hasil koordinasi logam dan ligan semacam ini akan membentuk polimer koordinasi.
Struktur MOFs sangat berperan dalam proses aplikasinya. Keberadaan pori yang stabil dan luas permukaan yang cukup tinggi akan menunjang aplikasi yang berdasarkan prinsip “host-guest chemistry“. Stabilitas di sini menyangkut stabilitas termal dan mekanik yang terkait dengan stabilitas struktur kristalnya, misalnya dalam aplikasi penyimpanan, pemurnian, adsorpsi gas, katalisis, reaktor nano, dan material penghantar obat.
Beberapa metode sintesis yang digunakan untuk membuat MOFs di antaranya adalah metode difusi, solvotermal atau hidrotermal, elektrolisis, mekanik, sintesis menggunakan microwave, dan liquid phase epitaxy. Secara komersial, MOFs sudah diproduksi oleh BASF (perusahaan kimia terbesar dunia yang terletak di Ludwigshafen, Jerman) dengan inovasi sintesis secara mekanik (grinding) tanpa butuh pelarut organik. BASF bekerja sama dengan perusahaan otomotif yang menggunakan teknologi fuel cell (berbahan bakar hidrogen) dan perusahaan otomotif berbahan bakar gas metana (ARPA-E’s MOVE (Methane Opportunities for Vehicular Energy) untuk aplikasinya.
Saat ini tercatat MOFs merupakan material yang sangat menjanjikan untuk menyimpan hidrogen dan metana yang sudah diaplikasikan untuk mengisi tangki mobil. Dengan teknologi ini diharapkan MOFs dapat menunjang penggunaan hidrogen dan gas metana sebagai bahan bakar bersih yang ramah lingkungan. Luas permukaan satu gram MOFs setara dengan kurang lebih luas satu lapangan sepak bola. Sifat yang luar biasa ini mengindikasikan bahwa material ini memiliki kapasitas penyimpanan gas yang sangat besar karena terdapatnya sejumlah besar sisi aktif yang potensial untuk menyerap molekul gas.
Setelah molekul-molekul terserap pada material MOFs, mereka menempati banyak sisi MOFs (baik di permukaan maupun dalam rongganya) daripada ketika mereka bergerak bebas di sekitarnya. Dengan pemberian tekanan tertentu, tangki yang diisi MOFs dapat menyimpan gas 2-3 kali lebihnya dari tangki kosong. Proses adsoprsi gas pada MOFs juga bersifat reversibel sehingga proses charge dan recharge–nya lebih mudah dan tidak butuh suhu dan tekanan tinggi.
MOFs generasi pertama yang teliti untuk proses penyimpanan hidrogen adalah MOF-5 (formula: Zn4O(BDC)3: Benzenedicarboxylate) dan turunannya dengan luas permukaan Langmuir berkisar antara 1010-4400 m2/g. Bentuk frameworks material ini berupa kubus primitif yang tersusun dari ligan/linker berbasis benzena dikarboksilat dan simpul (node)berupa Zn4O.
Berbagai studi menunjukan bahwa sifat penyimpanan gas ini tergantung pada pada metode sintesis yang digunakan dan cara aktivasinya juga desain linker–nya. Yang terbaru MOF-210 [(Zn4O(bte)4/3(bpdc) dengan bte=4,4′,4”-[benzene-1,3,5-triyl-tris(ethyne-2,1-diyl)]tribenzoate, bpdc=biphenyl-4,4′-dicarboxylate yang disintesis oleh group riset Prof. Jaheon Kim bekerja sama dengan group Prof. Omar Yaghi memegang rekor tertinggi luas permukaan BET dan Langmuir hingga mencapai 6240 dan 10.400 m2/g.
Selanjutnya, NU-100 (PCN-610; Cu3(ttei); ttei=5,5′,5”–(((benzene-1,3,5-triyltris(ethyne-2,1-diyl))tris(benzene-4,1-diyl))tris(ethyne-2,1-diyl))triisophthalate) dengan luas permukaan BET sedikit lebih rendah dari MOF-210 (6143 m2/g) mempunyai kapasitas penyimpanan hidrogen tertinggi sampai saat ini yang mencapai 9.05 wt% pada tekanan 56 bar yang sudah sesuai standar dari Departemen Energi Amerika Serikat untuk target 2015.
Pada umumnya, penggunaan situs logam tak jenuh (logam pusat yang lebih polar dan masih punya orbital kosong) sebagai simpul akan meningkatkan kapasitas penyimpanan hidrogen karena kecenderungan interaksi antara gas dan logam. Afinitas ikatan logam dengan hidrogen mengikuti tren naiknya energi ikat hubungannya dengan jari-jari kation logam yang berikatan, sesuai urutan berikut ini: Zn < Mn < Mg < Co < Ni.
Selain itu,desain linker yang lebih panjang dan modifikasi dengan gugus tertentu seperti poliena, sulfonate, dan hidroksil akan meningkatkan volume pori, luas permukaan, dan sisi aktif untuk adsorpsi gas.Riset dalam bidang ini masih terus dikaji sehingga memenuhi target yang telah ditentukan oleh Departemen Energi Amerika Serikat sebagai material pengemas hidrogen yang aman digunakan.
Aplikasi MOFs yang tak kalah pentingnya adalah dalam katalisis. Mengingat katalis sebagai material pemercepat reaksi dalam suatu proses industri, maka perannya sangat penting dalam efisiensi energi, mengurangi produk samping dan menghindari proses pemisahan yang panjang yang tentunya membutuhkan energi tidak sedikit. Di sinilah green technology dalam inovasi katalisis sangat diperlukan.
Sebagai katalis heterogen, MOFs biasanya menggunakan sisi aktif asam Lewis yang berasal dari logam tak jenuh yang berperan sebagai simpul dalam strukturnya. Oleh karena itu koordinasi dengan logam seperti Cu(II), Mn(II), Ni(II), maupun logam-logam dari golongan lantanoid sangat potensial untuk aplikasi dalam katalisis.
Kelebihan lain bahwa MOF sebagai katalis heterogen juga mampu mengombinasikan sifat-sifat katalis homogen yang diselipkan dalam linker-nya. Dengan metode ini kelebihan-kelebihan katalis homogen dan heterogen dapat digabungkan. Sifat daur ulang, pemisahan yang lebih mudah dari produk rekasi, selektifitas, dan kiralitas mampu dikombinasikan dalah satu material. Penggunaan building block berupa kompleks organologam berbasis ligan kiral biphenyl, binaphthyl, SALEN, dikordinasikan dengan logam-logam mulia yang katalitik aktif, misalnya, Rh, Pd, Ti, dst sebagai linker dalam MOF akan menghasilkan MOF yang katalitik aktif dan enantioselektif dalam reaksi.
Sebagai contoh, Cd-MOF kiral [{Cd3L3Cl6}·4DMF·6MeOH∙3H2O]n (L=(R)-(+)-6,6′-dichloro-4,4′-di(pyridin-4-yl)-[1,1′-binaphthalene]-2,2′-diol; DMF= dimethyl formamide) yang disintesis grup Prof. Weinbin Lin menggunakan modifikasi ligan kiral binapthyl kemudian direaksikan dengan Ti(OiPr)4 melalui modifikasi post-synthesis untuk memasukkan situs aktif katalitik atau dengan pendekatan building block menggunakan kompleks Ru(BINAP)(diamine)Cl2 sebagai linker dalam MOF kiral zirckonium phosphonates. Material ini telah diaplikasikan terhdap reaksi hidrogenasi asimetris terhadap berbagai senyawa keton aromatis dengan konversi dan enantioselektivitas mencapai 93-99%.
Salah satu tantangan MOFs sebagai katalis heterogen adalah stabilitas termalnya yang tidak terlampau tinggi sehingga reaksi-reaksi yang dikatalisisnya masih sebatas reaksi yang berkisar pada suhu 200-300°C. Meski demikian, keberhasilan MOF sebagai katalis untuk beberapa reaksi telah memancing penelitian-penelitian lanjutan yang sifatnya untuk aplikasi industri maupun pengembangan lebih lanjut ilmu rekayasa molekul.
Masih banyak aplikasi MOFs dalam bidang lainnya. Misalnya, MOFs dalam bidang kedokteran dapat digunakan sebagai material untuk bioimaging (MRI) dan penghantar obat antikanker. Selain itu, MOFs sebagai material sensor dan luminescence juga saat ini dalam tataran penelitian intensif. Mudah-mudahan dengan mempelajari MOFs ini dapat meningkatkan motivasi agar negeri kita di masa depan mampu menjadi salah satu pionir dalam pengembangan ilmu dan teknologi material yang bermanfaat bagi kehidupan manusia.
Bahan bacaan:
- http://www.catalysts.basf.com/p02/USWeb-Internet/catalysts/de/content/microsites/catalysts/prods-inds/energy-storage/index
- http://www.moftechnologies.com
- J. Sculley, D. Yuan, H. -C. Zhou, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 2721
- H. Furukawa et al. ScienceI, 2010, 329, 424
- U. Czaja, N. Trukhan, U. Mueller, Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1284
Penulis:
Witri Wahyu Lestari, Staf Pengajar di Jurusan Kimia FMIPA UNS Surakarta, Kelompok Keahlian Material Kompleks Inorganik dan Organometalik. Kontak: uwitwl(at)yahoo(dot)com.
