Pertumbuhan teknologi digital, kecerdasan buatan, komputasi awan, dan berbagai layanan berbasis internet membuat kebutuhan listrik terus meningkat. Salah satu pengguna energi terbesar dalam ekosistem digital adalah pusat data atau data center. Fasilitas ini tidak hanya membutuhkan listrik dalam jumlah besar untuk menjalankan server dan perangkat komputasi, tetapi juga membutuhkan energi untuk sistem pendingin agar peralatan tetap bekerja secara optimal. Kondisi tersebut mendorong para ilmuwan mencari sumber energi alternatif yang mampu menyediakan listrik secara stabil tanpa semakin membebani jaringan listrik.
Salah satu teknologi yang kembali mendapat perhatian adalah sel bahan bakar hidrogen. Teknologi ini dapat mengubah hidrogen dan oksigen menjadi listrik dengan menghasilkan air dan panas sebagai produk samping. Namun, penggunaan sel bahan bakar masih menghadapi tantangan, terutama terkait katalis yang harus memiliki aktivitas tinggi sekaligus mampu bertahan dalam penggunaan jangka panjang. Penelitian terbaru yang dipimpin oleh Gang Wu dari Washington University in St. Louis memperkenalkan desain nanostruktur karbon baru yang memungkinkan katalis berbasis platinum-kobalt memiliki performa tinggi dan daya tahan lebih baik. Hasil penelitian tersebut diterbitkan dalam jurnal Nature Nanotechnology pada 6 Agustus 2026.
Mengapa Kebutuhan Energi Pusat Data Terus Meningkat?
Pusat data merupakan infrastruktur penting dalam kehidupan digital modern. Setiap kali seseorang menggunakan mesin pencari, menyimpan foto di layanan awan, menonton video secara daring, menggunakan aplikasi berbasis AI, atau menjalankan layanan digital lainnya, berbagai proses komputasi berlangsung di pusat data.
Di dalam fasilitas tersebut terdapat ribuan hingga sangat banyak server yang bekerja secara terus-menerus. Server membutuhkan listrik untuk melakukan perhitungan, menyimpan informasi, dan mengirimkan data. Namun, energi tidak hanya digunakan untuk perangkat komputasi.
Salah satu kebutuhan energi yang tidak kalah penting adalah sistem pendingin. Komponen elektronik menghasilkan panas ketika bekerja. Jika suhu terlalu tinggi, performa perangkat dapat menurun dan risiko kerusakan meningkat. Karena itu, pusat data memerlukan sistem pendingin yang bekerja secara berkelanjutan.
Menurut estimasi Electric Power Research Institute yang dikutip ScienceDaily, pusat data dapat menyumbang hingga 9 persen konsumsi listrik tahunan Amerika Serikat pada 2030. Angka tersebut dibandingkan dengan sekitar 4 persen dari total permintaan listrik pada 2023. Pertumbuhan ini menunjukkan bahwa perkembangan infrastruktur digital juga membawa tantangan besar dalam penyediaan energi.
Peningkatan kebutuhan listrik membuat operator pusat data harus mempertimbangkan berbagai sumber energi. Jaringan listrik konvensional tetap menjadi sumber utama, tetapi ketergantungan yang semakin besar terhadap jaringan dapat memberikan tekanan tambahan terhadap sistem kelistrikan.
Salah satu pendekatan yang dapat dikembangkan adalah menghasilkan sebagian listrik secara langsung di lokasi pusat data. Sel bahan bakar menjadi salah satu teknologi yang menarik karena mampu mengubah energi kimia bahan bakar menjadi energi listrik melalui proses elektrokimia.
Jika teknologi tersebut dapat dikembangkan menjadi lebih efisien, tahan lama, dan ekonomis, sel bahan bakar berpotensi menjadi salah satu alternatif untuk menyediakan listrik bagi fasilitas dengan kebutuhan energi sangat tinggi.
Bagaimana Cara Kerja Sel Bahan Bakar Hidrogen?
Sel bahan bakar merupakan perangkat yang mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Berbeda dengan mesin pembakaran yang menghasilkan energi melalui proses pembakaran, sel bahan bakar menggunakan reaksi elektrokimia untuk menghasilkan listrik.
Pada sel bahan bakar hidrogen, hidrogen dan oksigen menjadi bahan utama dalam proses tersebut. Reaksi yang berlangsung menghasilkan listrik, air, dan panas. Karena listrik dapat dihasilkan melalui reaksi elektrokimia, sel bahan bakar memiliki potensi untuk digunakan sebagai sumber listrik yang efisien.
Katalis memiliki peranan sangat penting dalam proses tersebut. Katalis membantu mempercepat reaksi kimia tanpa menjadi bahan yang habis dalam reaksi secara langsung. Dalam teknologi sel bahan bakar, katalis membantu reaksi berlangsung dengan lebih efektif dan mengurangi kehilangan energi.
Platinum merupakan salah satu material katalis yang sangat efektif. Masalahnya, platinum adalah logam mulia yang mahal dan jumlahnya terbatas. Karena itu, penggunaan platinum dalam jumlah besar dapat meningkatkan biaya teknologi sel bahan bakar.
Para ilmuwan kemudian berusaha menggunakan platinum seefisien mungkin. Salah satu caranya adalah membuat platinum dalam bentuk nanopartikel. Ketika material berukuran besar dipecah menjadi partikel yang sangat kecil, luas permukaan relatifnya meningkat. Lebih banyak bagian material dapat bersentuhan dengan bahan yang terlibat dalam reaksi.
Dengan cara tersebut, jumlah platinum yang dibutuhkan dapat ditekan. ScienceDaily menjelaskan bahwa katalis dapat menggunakan platinum dalam jumlah yang sangat kecil, bahkan biasanya kurang dari seperempat miligram per sentimeter persegi.
Namun, nanopartikel platinum memiliki masalah tersendiri. Selama sel bahan bakar beroperasi, partikel tersebut dapat mengalami pelarutan, berpindah lokasi, atau bergabung menjadi partikel yang lebih besar. Perubahan ini dapat mengurangi luas permukaan aktif dan pada akhirnya menyebabkan performa katalis menurun.
Inilah salah satu masalah utama yang ingin diatasi dalam penelitian terbaru tersebut.
Nanostruktur Karbon Membantu Katalis Platinum-Kobalt Lebih Stabil
Tim peneliti mengembangkan struktur karbon khusus untuk menjadi tempat bagi nanopartikel katalis. Struktur tersebut terdiri dari bola karbon berongga dan berpori yang memiliki saluran nano tersusun secara radial.
Desain tersebut bukan sekadar membuat material menjadi lebih berpori. Para peneliti mengatur ukuran dan volume pori serta membentuk saluran yang dapat membantu nanopartikel tetap tersebar secara merata.
Katalis yang digunakan berupa nanopartikel intermetalik platinum-kobalt. Material intermetalik memiliki susunan atom yang lebih teratur dibandingkan beberapa jenis paduan konvensional. Struktur atom yang teratur dapat membantu meningkatkan aktivitas dan stabilitas katalis.
Masalahnya, untuk mendapatkan susunan atom yang sangat teratur, material biasanya perlu dipanaskan pada suhu tinggi. Namun, pemanasan pada suhu tinggi dapat menyebabkan nanopartikel menyatu atau menggumpal sehingga ukurannya membesar.
Di sinilah nanostruktur karbon yang dikembangkan para peneliti memainkan peran penting. Saluran nano pada material karbon dapat membatasi pergerakan nanopartikel sehingga partikel tetap berukuran sangat kecil meskipun mendapatkan perlakuan panas pada suhu tinggi.
Peneliti berhasil memanaskan katalis platinum-kobalt hingga 1.000 derajat Celsius. Suhu tinggi tersebut memungkinkan atom-atom membentuk struktur yang lebih teratur, sementara struktur karbon membantu mempertahankan nanopartikel dengan ukuran kurang dari 5 nanometer dan tetap tersebar secara merata.
Penemuan tersebut penting karena selama ini terdapat kompromi antara ukuran, aktivitas, dan stabilitas katalis. Partikel yang lebih kecil cenderung memberikan luas permukaan besar sehingga aktivitasnya tinggi, tetapi dapat lebih mudah mengalami perubahan selama operasi.
Sebaliknya, partikel yang lebih besar dapat memiliki stabilitas lebih baik, tetapi luas permukaan aktif relatif berkurang. Struktur karbon baru ini dirancang untuk membantu memperoleh kedua karakteristik tersebut sekaligus.
Hasil Pengujian Menunjukkan Daya Tahan Tinggi
Salah satu aspek paling menarik dari penelitian tersebut adalah hasil pengujian daya tahan katalis. Dalam pengujian, material mampu mempertahankan sekitar 85 persen performanya setelah melewati 150.000 siklus tegangan berat.
Para peneliti memperkirakan performa tersebut dapat berkaitan dengan sekitar 25.000 jam operasi. Jika dikonversikan secara kasar, angka tersebut setara dengan hampir tiga tahun operasi terus-menerus. Namun, angka ini merupakan estimasi berdasarkan pengujian dan bukan berarti perangkat komersial otomatis akan memiliki masa operasi yang sama dalam kondisi nyata.
Daya tahan tersebut menjadi penting karena salah satu hambatan teknologi sel bahan bakar adalah kemampuan katalis mempertahankan performanya dalam jangka panjang.
Sebuah sistem pembangkit listrik tidak hanya membutuhkan performa tinggi ketika pertama kali digunakan. Sistem juga harus mampu bekerja secara stabil setelah digunakan dalam waktu lama. Jika katalis mengalami penurunan performa terlalu cepat, biaya perawatan dan penggantian komponen dapat meningkat.
Struktur karbon yang digunakan dalam penelitian juga memberikan manfaat lain. Saluran terbuka pada material membantu penyebaran ionomer, yaitu material yang membantu transportasi ion dalam elektroda. Struktur tersebut juga menyediakan jalur yang lebih baik bagi proton, oksigen, dan air untuk bergerak melalui elektroda.
Pergerakan berbagai komponen tersebut sangat penting bagi kinerja sel bahan bakar. Reaksi elektrokimia tidak hanya bergantung pada keberadaan katalis, tetapi juga pada kemampuan material di dalam elektroda untuk memungkinkan bahan-bahan yang dibutuhkan mencapai lokasi reaksi.
Dengan demikian, desain nanostruktur karbon tidak hanya berfungsi sebagai penyangga nanopartikel platinum-kobalt. Struktur tersebut juga membantu menciptakan lingkungan yang lebih mendukung proses transportasi di dalam elektroda.
Hasilnya adalah kombinasi aktivitas dan daya tahan yang menurut tim peneliti menunjukkan performa yang sangat baik dibandingkan pendekatan sebelumnya.
Potensi Sel Bahan Bakar untuk Masa Depan Energi
Jika teknologi tersebut berhasil dikembangkan lebih lanjut, penerapannya tidak terbatas pada pusat data. Sel bahan bakar dapat digunakan dalam berbagai kebutuhan yang membutuhkan listrik dalam jumlah besar dan stabil.
Pusat data menjadi salah satu aplikasi yang menarik karena fasilitas tersebut memiliki kebutuhan listrik yang terus-menerus. Sel bahan bakar dapat memungkinkan pusat data menghasilkan listrik secara langsung dari hidrogen atau bahan bakar lainnya, sehingga sebagian kebutuhan listrik tidak harus sepenuhnya berasal dari jaringan.
Konsep ini dapat memberikan keuntungan dari sisi ketahanan energi. Pusat data yang mampu menghasilkan sebagian listriknya sendiri berpotensi mengurangi ketergantungan terhadap jaringan listrik eksternal.
Selain pusat data, teknologi sel bahan bakar juga berpotensi digunakan dalam sektor transportasi. Kendaraan berbasis sel bahan bakar hidrogen telah lama menjadi salah satu alternatif dalam pengembangan kendaraan rendah emisi.
Namun, pengembangan kendaraan berbahan bakar hidrogen juga membutuhkan sistem yang efisien dan tahan lama. Katalis yang menggunakan lebih sedikit platinum tetapi tetap memiliki aktivitas dan stabilitas tinggi dapat membantu mengatasi salah satu tantangan material dalam teknologi tersebut.
Aplikasi lainnya adalah pembangkitan listrik. Sel bahan bakar dapat digunakan sebagai sumber listrik terdistribusi, cadangan energi, atau bagian dari sistem energi yang lebih luas.
Meski demikian, keberhasilan penelitian ini tidak berarti bahwa sel bahan bakar hidrogen sudah otomatis menjadi solusi universal untuk kebutuhan energi. Masih terdapat berbagai persoalan yang harus diperhatikan, termasuk produksi hidrogen, penyimpanan, distribusi, biaya sistem, infrastruktur, serta sumber energi yang digunakan untuk menghasilkan hidrogen.
Jika hidrogen diproduksi menggunakan energi rendah emisi, potensi manfaat lingkungannya dapat lebih besar. Sebaliknya, jika produksi hidrogen masih bergantung pada sumber energi dengan emisi tinggi, manfaat pengurangan emisi secara keseluruhan perlu dianalisis secara lebih hati-hati.
Karena itu, inovasi katalis merupakan salah satu bagian dari rantai teknologi yang lebih besar. Perbaikan katalis dapat membantu membuat sel bahan bakar lebih efisien dan tahan lama, tetapi pengembangan ekosistem hidrogen tetap menjadi faktor penting.
Tantangan Sebelum Teknologi Ini Digunakan Secara Luas
Walaupun hasil penelitian terlihat menjanjikan, masih ada perjalanan panjang sebelum teknologi tersebut dapat digunakan secara luas. Penelitian yang diterbitkan dalam Nature Nanotechnology merupakan bagian dari pengembangan teknologi katalis, bukan bukti bahwa sistem pembangkit listrik berbasis katalis baru ini sudah siap digunakan secara komersial dalam skala besar.
Salah satu tantangan adalah produksi material dalam skala industri. Struktur nanokarbon dengan saluran radial yang teratur harus dapat dibuat secara konsisten dalam jumlah besar. Proses manufaktur juga harus mempertahankan karakteristik material yang membuat katalis memiliki performa tinggi.
Biaya menjadi faktor lainnya. Walaupun penggunaan platinum dapat ditekan, material tersebut tetap melibatkan logam mulia. Teknologi harus mampu memberikan peningkatan efisiensi dan masa operasi yang cukup untuk membuat biaya keseluruhan menjadi kompetitif.
Selain itu, kinerja katalis dalam kondisi laboratorium perlu diuji lebih lanjut dalam kondisi yang lebih mendekati penggunaan nyata. Sel bahan bakar yang digunakan sebagai pembangkit listrik pusat data, misalnya, harus mampu bekerja dalam kondisi beban yang berubah-ubah, temperatur tertentu, dan operasi dalam jangka waktu sangat panjang.
Peneliti juga perlu menyelesaikan berbagai persoalan katalis lainnya sebelum teknologi dapat digunakan secara luas. Mereka menyebut pengembangan lebih lanjut dan kerja sama dengan mitra industri sebagai langkah penting untuk membawa teknologi tersebut menuju aplikasi praktis.
Meski masih menghadapi tantangan, penelitian ini menunjukkan arah menarik dalam pengembangan energi masa depan. Teknologi energi tidak selalu membutuhkan penemuan material yang sepenuhnya baru. Kadang-kadang, kemajuan besar dapat diperoleh dengan mengatur material yang sudah dikenal dalam struktur yang lebih cerdas.
Dalam penelitian ini, kombinasi platinum, kobalt, dan struktur karbon berpori menghasilkan pendekatan baru untuk mengatasi masalah yang selama ini sulit diselesaikan sekaligus, yaitu mempertahankan ukuran nanopartikel tetap kecil, membentuk struktur atom yang teratur, dan meningkatkan daya tahan katalis.
Kesimpulan
Terobosan katalis sel bahan bakar yang dikembangkan para peneliti dari Washington University in St. Louis menunjukkan bagaimana nanoteknologi dapat membantu menjawab tantangan energi modern. Struktur karbon berongga dengan saluran nano radial memungkinkan nanopartikel intermetalik platinum-kobalt tetap kecil dan tersebar secara merata meskipun dipanaskan hingga 1.000 derajat Celsius. Pendekatan tersebut membantu membentuk struktur katalis yang lebih teratur sekaligus mempertahankan aktivitas dan stabilitasnya. Dalam pengujian, katalis mempertahankan sekitar 85 persen performanya setelah 150.000 siklus tegangan berat.
Potensi penerapannya sangat luas, mulai dari pusat data, kendaraan hingga pembangkit listrik. Bagi pusat data yang kebutuhan energinya terus meningkat, sel bahan bakar dapat menjadi salah satu cara menghasilkan listrik secara langsung dari hidrogen atau bahan bakar lainnya dan berpotensi mengurangi tekanan terhadap jaringan listrik. Namun, penelitian lanjutan masih diperlukan untuk memastikan teknologi ini dapat diproduksi secara ekonomis, bekerja secara konsisten dalam kondisi nyata, dan terintegrasi dengan infrastruktur energi yang lebih luas. Penelitian ini tetap menjadi langkah penting menuju sel bahan bakar yang lebih efisien, tahan lama, dan berpotensi mendukung kebutuhan energi teknologi masa depan.
