Cerium Oksida sebagai Katalis Heterojunction dalam Degradasi Polutan

Masalah pencemaran lingkungan akibat limbah industri dan domestik telah menjadi tantangan global yang mendesak. Limbah yang dihasilkan, terutama yang mengandung zat organik berbahaya, dapat mencemari sumber air, tanah, dan udara, yang pada gilirannya berdampak negatif pada kesehatan manusia dan ekosistem. Oleh karena itu, metode yang efektif dan berkelanjutan untuk mengolah limbah menjadi sangat penting. Salah satu pendekatan yang menjanjikan adalah penggunaan fotokatalisis, yang memanfaatkan energi cahaya untuk memfasilitasi reaksi kimia yang mengubah zat pencemar menjadi produk yang lebih tidak berbahaya.

Dalam beberapa tahun terakhir, pengembangan sistem fotokatalitik berbasis heterojunction telah menarik perhatian luas di kalangan peneliti. Katalis heterojunction menggabungkan dua atau lebih semikonduktor dengan karakteristik yang berbeda, yang memungkinkan pembentukan antarmuka yang mengoptimalkan pemisahan muatan dan meningkatkan efisiensi reaksi fotokatalitik. Dengan menggunakan heterojunction, transfer elektron dapat ditingkatkan, sehingga mempercepat proses degradasi polutan. Selain itu, katalis heterojunction dapat disesuaikan untuk menghasilkan spesies reaktif yang diperlukan untuk proses pengolahan limbah, menjadikannya solusi yang efektif dalam mengurangi pencemaran.

Cerium oksida (CeO2) telah diakui sebagai komponen kunci dalam pengembangan katalis heterojunction, yang memainkan peran penting dalam meningkatkan efisiensi proses fotokatalitik untuk pengendalian limbah. Sejumlah penelitian telah menunjukkan potensi penggunaan kombinasi katalis heterojunction berbasis CeO2 dalam fotokatalisis untuk pengendalian limbah. Katalis seperti SnS2/CeO2, CuO/CeO2, dan CeO2/C3N4 telah dibuktikan mampu secara efektif mengurangi polutan organik dan anorganik dari berbagai sumber limbah. Kombinasi material ini tidak hanya meningkatkan efisiensi fotokatalitik, tetapi juga menawarkan berbagai keuntungan, termasuk keberlanjutan dan ramah lingkungan. Oleh karena itu, penting untuk mengeksplorasi dan memahami mekanisme kerja dari sistem katalis heterojunction ini serta aplikasinya dalam pengendalian limbah untuk menghadapi tantangan lingkungan yang semakin kompleks.

Mekanisme Fotokatalisis oleh CeO2 (Sumber : Yufei Xue , et al. 2019)

Dalam rangka meningkatkan efisiensi fotokatalitik, ketiga penelitian ilmiah dibahas untuk menginvestigasi berbagai komposit yang didoping dengan CeO2 pada aplikasi lingkungan yang berbeda. Penelitian oleh Hao Zhou et al (2023) yang berjudul Enhanced photocatalytic reduction of CO2 using a novel 2D/0D SnS2/CeO2 binary photocatalyst with Z-scheme heterojunction and oxygen vacancy menunjukkan bahwa pendopingan CeO2 dalam sistem SnS2/CeO2 meningkatkan pemisahan muatan, sehingga meningkatkan efisiensi pengurangan CO2. Sementara itu, penelitian ilmiah kedua oleh Deyang Ning et al (2023) yang berjudul Molten salt synthesis of Z-scheme CeO2/C3N4 photocatalysts with excellent properties for removal of organic pollutants: Characterization, kinetics and mechanisms menggarisbawahi peran CeO2 dalam pembentukan heterojunction Z-scheme dengan C3N4, yang berkontribusi pada peningkatan aktivitas fotokatalitik dalam penghilangan polutan organik dari air limbah. Penelitian ilmiah ketiga, karya Chen et al (2024) yang berjudul Performance and mechanism of constructed CuO/CeO2 p–n heterojunction for photocatalytic degradation of methylene blue, menyoroti efektivitas heterojunction p-n antara CuO dan CeO2 dalam degradasi metilen biru (MB), dengan CeO2 sebagai komponen yang membantu dalam memperbaiki transfer muatan. Ketiga penelitian ini secara kolektif menegaskan pentingnya pendopingan CeO2 dalam mengoptimalkan kinerja fotokatalitik, baik untuk pengurangan emisi karbon maupun penghilangan polutan organik, serta menjelaskan mekanisme yang mendasari peningkatan aktivitas fotokatalitik pada masing-masing sistem.

Dari analisis terhadap ketiga penelitian ilmiah yang membahas berbagai jenis komposit fotokatalis, dapat disimpulkan sejumlah perbedaan dan kesamaan yang signifikan. Perbedaan pertama terletak pada jenis komposit fotokatalis yang digunakan. Hao Zhou et al (2023) mengkaji penggunaan komposit SnS2/CeO2 untuk pengurangan emisi karbon dioksida (CO2), sedangkan Deyang Ning et al (2023) berfokus pada komposit CeO2/C3N4 yang ditujukan untuk penghilangan polutan organik dari limbah air. Chen et al (2024), di sisi lain, menyoroti penggunaan CuO/CeO2 dalam degradasi metilen biru (MB) sebagai polutan model. Perbedaan lain yang mencolok terdapat pada metode sintesis; Hao Zhou et al (2023) menerapkan metode hidrotermal, Deyang Ning et al (2023) menggunakan metode garam cair, dan Chen et al (2024) menerapkan metode microwave reflux. Variasi dalam metode sintesis ini menunjukkan adanya beragam pendekatan yang dapat memengaruhi karakteristik serta kinerja akhir produk fotokatalis. Selanjutnya, fokus aplikasi masing-masing artikel juga berbeda, dengan Hao Zhou et al (2023) menekankan pada pengurangan emisi gas karbon, Deyang Ning et al (2023) pada penghilangan polutan organik, dan Chen et al (2024) lebih terfokus pada efisiensi degradasi spesifik untuk metilen biru.

Dalam hal mekanisme dan spesies aktif, setiap artikel memberikan penekanan yang berbeda. Hao Zhou et al (2023) menyoroti pentingnya pemisahan muatan dalam konteks pengurangan CO2, sedangkan Deyang Ning et al (2023) menguraikan mekanisme penghilangan polutan organik dengan fokus pada spesies aktif yang dihasilkan. Chen et al (2024), di sisi lain, mengidentifikasi spesies aktif seperti h+++ dan ·OH yang terlibat dalam degradasi MB, serta menekankan peran heterojunction tipe p-n antara CuO dan CeO2.

Kesamaan di antara ketiga artikel mencakup penggunaan fotokatalisis sebagai solusi untuk masalah lingkungan, baik melalui pengurangan emisi karbon (Hao Zhou et al (2023)), penghilangan polutan dari air (Deyang Ning et al (2023), maupun degradasi senyawa organik (Chen et al (2024). Selain itu, semua artikel menekankan pentingnya pembentukan heterojunction dalam meningkatkan efisiensi fotokatalitik, baik dalam konteks heterojunction p-n yang dibahas dalam penelitian Chen et al (2024), heterojunction Z-scheme pada penelitian Deyang Ning et al (2023), maupun pada struktur komposit SnS2/CeO2 dalam penelitian Hao Zhou et al (2023). Ketiga penelitian juga melakukan karakterisasi terhadap fotokatalis yang disintesis dan mengevaluasi kinerjanya dalam konteks aplikasi masing-masing, meskipun dengan fokus yang bervariasi. Terakhir, ketiga penelitian menunjukkan potensi aplikatif dari fotokatalis yang dikembangkan untuk pengolahan limbah, dengan Hao Zhou et al (2023) dan Chen et al (2024) lebih menekankan pada pengolahan air, sedangkan Deyang Ning et al (2023) lebih menyoroti penghilangan polutan organik.

Mekanisme Fotokatalisis Z-Scheme CeO2/C3N4 (Sumber : Deyang Ning, et al. 2023)

Secara keseluruhan, ketiga penelitian memberikan gambaran komprehensif mengenai inovasi dalam sintesis fotokatalis untuk berbagai aplikasi lingkungan. Meskipun menggunakan material dan metodologi yang berbeda, masing-masing artikel menunjukkan potensi fotokatalis dalam mengatasi tantangan lingkungan yang krusial, seperti emisi CO2 dan pencemaran air, sambil menekankan pentingnya desain dan optimasi komposit untuk meningkatkan kinerja fotokatalitik.

Dalam katalis heterojunction, CeO2 berperan krusial dalam meningkatkan efisiensi pemisahan pasangan elektron-hole, yang merupakan salah satu tantangan utama dalam fotokatalisis. CeO2 memiliki struktur elektronik dan sifat redoks yang unik, termasuk adanya oksigen vacancy (kekosongan oksigen) yang dapat bertindak sebagai pusat aktif dalam reaksi fotokatalitik. Oksigen vacancy ini memungkinkan CeO2 untuk menjadi akseptor elektron yang baik, sehingga memperlambat rekombinasi elektron-hole dan meningkatkan jumlah spesies reaktif yang terlibat dalam reaksi degradasi polutan atau konversi CO2.

Dalam konteks sistem heterojunction, seperti yang dijelaskan dalam ketiga penelitian, CeO2 sering dikombinasikan dengan semikonduktor lain seperti SnS2, C3N4, atau CuO, yang membentuk antarmuka di mana transfer elektron terjadi lebih efisien. Misalnya, pada penelitian Hao Zhou et al (2023), digunakan untuk pengurangan CO2, dengan CeO2 berfungsi meningkatkan efisiensi konversi CO2 menjadi produk yang lebih berguna. Pada penelitian Deyang Ning et al (2023) ,CeO2 berperan dalam memfasilitasi transfer elektron dari C3N4, meningkatkan penghilangan polutan organik. Pada penelitian Chen et al (2024), CuO/CeO2 membentuk heterojunction p-n yang mempercepat degradasi metilen biru (MB), dengan CeO2 mendukung transfer muatan yang lebih cepat. Secara keseluruhan, peran CeO2 dalam katalis heterojunction sangat penting dalam memperkuat pemisahan muatan dan mempercepat reaksi fotokatalitik.