Reduksi O₂

Sel bahan bakar metanol (direct methanol fuel cell, DMFC) merupakan merupakan suatu perangkat yang dapat memanfaatkan gas metanol sebagai pembawa energi dan mengkonversinya secara langsung menjadi energi listrik dengan emisi yang hanya berupa air. DMFC diprediksi akan menjadi pembangkit energi masa depan untuk berbagai keperluan. Akan tetapi, masih ada beberapa kendala yang harus diselesaikan sebelum kendaraan berbasis DMFC dapat tersedia secara komersial. Salah satu kendala utamanya adalah sangat mahalnya harga perangkat DMFC disebabkan oleh penggunaan katalis berbasis platina (Pt) pada elektroda sel bahan bakar. Sebuah studi menunjukkan bahwa modul katalis Pt dalam sebuah perangkat FC dapat menghabiskan setengah dari total biaya pembuatan perangkat tersebut. Selain itu, sumber Pt di dunia mayoritas hanya diproduksi oleh Afrika Selatan. Tentu saja hal ini membuat Indonesia berada di posisi yang sangat sulit apabila mayoritas kendaraan masa depan akan menggunakan sumber energi berbasis hidrogen, mengingat tidak tersedianya sumber logam Pt di Indonesia. Oleh karena itu, diperlukan penelitian yang intensif untuk mengantikan Pt dengan katalis alternatif berbasis material logam non-mulia (non-precious metal-based catalyst; NPMC) sehingga biaya pembuatan DMFC dapat dikurangi secara signifikan. 

Skema dasar dari DMFC ditunjukkan pada gambar di atas. DMFC memiliki anode dan katode yang dipisahkan oleh membran polimer. Pada anode, gas metanol bereaksi dengan air dan  teroksidasi menjadi CO2, proton, dan elektron. Elektron yang dihasilkan akan mengalir ke rangkaian listrik, sedangkan proton yang dihasilkan berdifusi melalui membran polimer menuju katode. Di katode, proton dan elektron bertemu kembali dan bereaksi dengan oksigen (O2) untuk membentuk air. Reaksi reduksi O2 (oxygen reduction reaction; ORR) pada katode merupakan reaksi yang sangat kompleks dan memiliki laju yang lambat. Oleh karena itu, jumlah Pt yang diperlukan pada katode juga menjadi banyak. Jumlah Pt pada DMFC dapat dikurangi secara signifikan apabila katalis Pt pada katode dapat diganti dengan katalis alternatif yang lebih murah dan memiliki aktivitas ORR yang sebanding.

Dalam beberapa tahun terakhir, salah satu jenis NPMC yang disintesis dengan cara melakukan pirolisis pada senyawa yang mengandung metal transisi, karbon dan nitrogen (pyrolyzed Fe/N/C), atau yang akhir-akhir ini dikenal sebagai Fe single-atom catalyst (Fe-SAC), telah mendapatkan perhatian yang serius karena katalis alternatif ini memiliki aktivitas ORR yang tinggi dan durabilitas yang baik pada kondisi kerja fuel cell. Sayangnya, aktivitas ORR dari katalis Fe-SAC yang terbaik saat ini baru bisa mencapai hanya sekitar 1/13 dari aktivas katalis berbasis Pt. Oleh karena itu, masih diperlukan usaha yang serius untuk meningkatkan performa katalis berbasis Fe-SAC. Salah satu kendala yang dihadapi dalam meningkatkan performa katalis jenis Fe-SAC adalah karena mekanisme pembentukan situs aktif katalis dan detil mekanisme ORR pada katalis ini sulit untuk dipelajari secara eksperimen. Oleh karena itu, studi teoretis sangat diperlukan untuk mendukung percepatan usaha peningkatan performa katalis ORR jenis Fe-SAC ini.