Penulis: Aisyah, S.Si., M.Si.
(Dosen UIN Alauddin Makassar)
"Bagaimana satu material mampu
mempercepat reaksi kimia, menghemat energi, mengurangi limbah, sekaligus dapat
digunakan berulang kali? Salah satu jawabannya adalah Metal–Organic Frameworks
(MOFs)."
Konsep kimia hijau (green chemistry) telah
mengubah cara para ilmuwan merancang proses sintesis kimia. Tidak lagi sekadar
mengejar hasil reaksi yang tinggi, penelitian modern kini juga berupaya
menghasilkan proses yang lebih hemat energi, menghasilkan limbah seminimal
mungkin, serta menggunakan bahan yang lebih aman bagi manusia dan lingkungan.
Di antara berbagai inovasi yang berkembang, Metal–Organic Frameworks (MOFs)
muncul sebagai salah satu material yang paling menjanjikan. Material berpori
ini dibangun dari kombinasi ion logam dan ligan organik yang membentuk struktur
tiga dimensi dengan luas permukaan sangat besar. Keunikan tersebut menjadikan
MOF bukan hanya sebagai material penyerap (adsorben), tetapi juga sebagai
katalis heterogen yang mampu mempercepat berbagai reaksi kimia secara lebih
efisien.
Keunggulan MOF tidak hanya berasal dari
porositasnya yang tinggi. Yang lebih menarik, struktur MOF dapat dirancang
secara presisi sehingga pusat logam dan ligan organiknya bekerja secara
sinergis membentuk situs aktif multifungsi. Melalui desain ini, reaksi kimia
dapat berlangsung dengan selektivitas yang tinggi, efisiensi atom yang lebih
baik, serta pembentukan produk samping yang lebih sedikit (Duan et al., 2021;
Liu et al., 2025). Selain itu, banyak MOF dapat digunakan kembali dalam
beberapa siklus reaksi dan tetap aktif pada kondisi yang relatif ringan,
sehingga sejalan dengan prinsip-prinsip utama kimia hijau (Gadzikwa &
Matseketsa, 2024; Wu & Zhao, 2017; Zhao et al., 2025). Lalu, bagaimana
sebenarnya MOF bekerja sebagai katalis? Apa yang membuat material ini mampu
mempercepat reaksi yang bahkan sulit dicapai oleh katalis konvensional? Untuk
menjawab pertanyaan tersebut, kita perlu memahami mekanisme katalisis yang
berlangsung di dalam struktur MOF.
Mengapa MOF Menjadi Katalis yang Istimewa?
Secara sederhana, katalis adalah zat yang
mempercepat laju reaksi tanpa habis bereaksi. Pada katalis konvensional, proses
ini umumnya hanya bergantung pada satu jenis situs aktif. Sebaliknya, MOF
menawarkan lingkungan reaksi yang jauh lebih kompleks dan terorganisasi.
Struktur berpori MOF memungkinkan molekul-molekul reaktan masuk ke dalam
jaringan porinya, kemudian berinteraksi dengan pusat logam maupun gugus organik
yang telah dirancang memiliki fungsi tertentu. Kondisi ini menciptakan suatu
mikrolingkungan reaksi (microenvironment) yang menyerupai cara kerja enzim di
alam, yaitu menyediakan ruang khusus agar reaksi berlangsung lebih cepat dan
lebih selektif.
Keunggulan lainnya adalah kemampuan para
peneliti untuk memodifikasi hampir seluruh komponen penyusun MOF. Jenis logam
dapat diganti sesuai kebutuhan, ligan organik dapat dimodifikasi dengan
berbagai gugus fungsi, bahkan ukuran pori dan bentuk salurannya pun dapat
diatur. Fleksibilitas desain inilah yang membuat MOF sering disebut sebagai
material katalis yang dapat diprogram (programmable catalyst). Melalui
pendekatan tersebut, satu jenis MOF dapat dioptimalkan untuk mempercepat reaksi
kondensasi, sementara jenis lainnya lebih sesuai digunakan pada reaksi
oksidasi, reduksi, fotokatalisis, maupun biokatalisis. Kemampuan adaptif ini
menjadi salah satu alasan mengapa MOF kini menjadi fokus utama penelitian
katalisis di berbagai laboratorium dunia.
Aktivasi Substrat, Langkah Awal yang
Menentukan Keberhasilan Reaksi
Salah satu mekanisme paling mendasar dalam
katalisis MOF adalah aktivasi substrat. Pada tahap ini, MOF membantu
"mempersiapkan" molekul pereaksi agar lebih mudah mengalami
transformasi kimia. Bayangkan sebuah reaksi sebagai proses membuka pintu yang
terkunci rapat. Tanpa bantuan katalis, diperlukan energi yang besar untuk
membuka pintu tersebut. Kehadiran MOF ibarat menyediakan kunci yang tepat
sehingga pintu dapat dibuka dengan usaha yang jauh lebih kecil. Dalam ilmu
kimia, energi yang berhasil diturunkan ini dikenal sebagai energi aktivasi.
Pada banyak MOF, pusat logam berfungsi sebagai
asam Lewis, yaitu menerima pasangan elektron dari molekul reaktan, terutama
gugus karbonil atau atom hetero seperti oksigen dan nitrogen. Di sisi lain,
ligan organik atau gugus fungsi tertentu pada kerangka MOF dapat bertindak
sebagai basa Brønsted, yaitu mendonorkan elektron atau menerima proton sesuai
kebutuhan reaksi (Behera et al., 2024; Cirujano & Llabrés i Xamena, 2020).
Kombinasi kedua fungsi tersebut menghasilkan
katalis bifungsional, yaitu katalis yang memiliki dua jenis situs aktif yang
bekerja secara bersamaan (Xu et al., 2023). Pendekatan ini sangat menguntungkan
karena beberapa tahapan reaksi dapat berlangsung secara simultan tanpa
memerlukan katalis tambahan.
Kolaborasi
Dua Situs Aktif pada MOF
Salah satu contoh yang banyak dipelajari
adalah MOF berbasis zirkonium, seperti UiO-66. Material ini menunjukkan
kemampuan yang sangat baik dalam berbagai reaksi kondensasi antara aldehida dan
alkohol.
Pada mekanisme tersebut, ion Zr⁴⁺ terlebih
dahulu berikatan dengan gugus karbonil sehingga molekul menjadi lebih reaktif.
Sementara itu, gugus hidroksil (–OH) yang terdapat pada ligan membantu
menstabilkan spesies antara (intermediate) dan keadaan transisi (transition
state). Akibatnya, jalur reaksi menjadi lebih singkat dan energi yang
diperlukan semakin rendah (Sittiwong et al., 2021).
Penelitian menunjukkan bahwa mekanisme
asam–basa ganda ini mampu mempercepat pembentukan intermediat kationik
sekaligus mempertahankan kestabilan keadaan transisi yang umumnya sulit dicapai
oleh katalis homogen konvensional (Zhang et al., 2020).
Tidak hanya itu, struktur berpori UiO-66 juga
memungkinkan molekul pereaksi berdifusi dengan lebih mudah menuju situs aktif.
Dengan demikian, setiap molekul memiliki peluang lebih besar untuk bereaksi
secara efisien (Yang et al., 2018; Yoskamtorn et al., 2021).
Prinsip Kimia Hijau Sejak Tahap Awal Reaksi
Kemampuan MOF mengaktifkan substrat memberikan
dampak yang jauh lebih luas dibandingkan sekadar meningkatkan kecepatan reaksi.
Reaksi yang berlangsung lebih efisien umumnya memerlukan suhu yang lebih
rendah, waktu reaksi yang lebih singkat, serta jumlah pelarut yang lebih
sedikit.Keunggulan tersebut sangat penting terutama pada reaksi multikomponen
(Multicomponent Reactions/MCRs), yaitu reaksi yang menggabungkan beberapa
pereaksi dalam satu tahap sintesis. Pendekatan ini mampu mengurangi jumlah
tahapan pemurnian, menekan konsumsi energi, serta meminimalkan pembentukan
limbah kimia. Dengan kata lain, sejak langkah pertama mekanisme katalisis
berlangsung, MOF telah menunjukkan karakteristik yang selaras dengan
prinsip-prinsip kimia hijau: meningkatkan efisiensi atom, mengurangi penggunaan
bahan tambahan, dan menghasilkan proses sintesis yang lebih berkelanjutan.
Pada bagian berikutnya, kita akan melihat
bagaimana kemampuan MOF berkembang lebih jauh melalui mekanisme katalisis
redoks, yaitu proses yang melibatkan perpindahan elektron untuk menghasilkan
berbagai transformasi kimia penting, mulai dari oksidasi alkohol hingga reduksi
karbon dioksida menjadi senyawa bernilai tambah.
MOF Sebagai Mediator Transfer Elektron
dalam Katalisis Redoks
Jika mekanisme aktivasi substrat membantu
"mempersiapkan" molekul agar lebih mudah bereaksi, maka katalisis
redoks bekerja melalui mekanisme yang berbeda. Pada proses ini, pusat logam di
dalam MOF berperan sebagai mediator perpindahan elektron yang memungkinkan
suatu molekul mengalami oksidasi atau reduksi secara lebih efisien.
Reaksi oksidasi–reduksi (redoks) merupakan
salah satu jenis transformasi kimia yang paling banyak digunakan dalam
industri. Produksi bahan kimia, sintesis senyawa farmasi, pengolahan biomassa,
hingga konversi karbon dioksida menjadi bahan bakar alternatif semuanya
melibatkan perpindahan elektron. Tantangannya, reaksi-reaksi tersebut sering
kali memerlukan kondisi operasi yang keras, seperti suhu tinggi, tekanan besar,
atau penggunaan oksidator dan reduktan yang kurang ramah lingkungan.
Di sinilah MOF menawarkan pendekatan yang
berbeda. Struktur berporinya tidak hanya menjaga penyebaran pusat logam tetap
homogen, tetapi juga menyediakan jalur yang memudahkan perpindahan elektron.
Hasilnya, berbagai reaksi redoks dapat berlangsung pada kondisi yang lebih
ringan dengan selektivitas yang lebih tinggi.
Bagaimana MOF Menjalankan Siklus Redoks?
Inti dari mekanisme ini terletak pada
kemampuan logam penyusun MOF untuk berubah bilangan oksidasi secara reversibel.
Selama reaksi berlangsung, pusat logam menerima elektron dari suatu molekul,
kemudian melepaskannya kembali kepada molekul lain sebelum akhirnya kembali ke
keadaan semula. Siklus ini dapat terjadi berulang kali tanpa menyebabkan
katalis habis bereaksi.
Sebagai ilustrasi, pada oksidasi alkohol
aromatik menjadi aldehida menggunakan Fe-MOF, ion Fe³⁺ terlebih dahulu menerima
elektron dari molekul alkohol sehingga berubah menjadi Fe²⁺. Selanjutnya,
hidrogen peroksida (H₂O₂) mengoksidasi kembali Fe²⁺ menjadi Fe³⁺ sehingga
siklus katalitik dapat berlangsung secara terus-menerus. Mekanisme ini
menghasilkan konversi yang tinggi dengan pembentukan produk samping yang
relatif sedikit (Ding et al., 2019).
Kemampuan melakukan siklus oksidasi–reduksi
secara berulang inilah yang menjadikan MOF sebagai katalis heterogen yang
efisien sekaligus mudah digunakan kembali. Contoh lain dapat ditemukan pada
Cu-MOF yang digunakan dalam reduksi senyawa nitroaromatik menjadi amina.
Senyawa amina merupakan bahan baku penting dalam sintesis obat-obatan, zat
warna, pestisida, maupun berbagai bahan kimia industri. Pada mekanisme ini, ion
Cu²⁺ terlebih dahulu direduksi menjadi Cu⁺ oleh donor hidrogen. Selanjutnya,
pusat Cu⁺ mentransfer elektron secara bertahap menuju gugus nitro hingga
akhirnya terbentuk gugus amina (Wang et al., 2023).
Yang menarik, struktur MOF menjaga setiap
pusat logam tetap terdistribusi secara merata di seluruh kerangka material.
Dengan demikian, setiap situs aktif dapat bekerja secara optimal tanpa
mengalami penggumpalan (agglomeration) yang sering menjadi masalah pada katalis
logam konvensional (Qiao et al., 2020).
Sinergi Dua Logam dalam Satu Struktur MOF
Perkembangan penelitian terbaru menunjukkan
bahwa satu jenis logam saja sering kali belum cukup untuk menghasilkan performa
katalitik terbaik. Oleh karena itu, banyak peneliti mulai mengembangkan MOF
bimetalik, yaitu MOF yang mengandung dua jenis logam berbeda dalam satu
kerangka. Sebagai contoh, kombinasi besi (Fe) dan tembaga (Cu) memungkinkan
pembagian tugas di antara kedua logam tersebut. Salah satu logam berperan
mengaktifkan oksidator, sedangkan logam lainnya mengaktifkan substrat yang akan
bereaksi (Qiao et al., 2019). Pembagian fungsi tersebut menciptakan efek
sinergis yang mampu mempercepat reaksi sekaligus meningkatkan kestabilan
struktur MOF selama digunakan berulang kali. Dengan pendekatan ini, jenis
reaksi redoks yang dapat difasilitasi juga menjadi semakin beragam.
Aplikasi Katalisis Redoks Berbasis MOF
Keunggulan mekanisme redoks tidak hanya
dibuktikan melalui kajian laboratorium, tetapi juga telah diterapkan pada
berbagai transformasi kimia yang memiliki nilai ekonomi dan lingkungan.
1. Oksidasi Selektif Toluena Menjadi
Benzaldehida
Salah satu contoh menarik adalah oksidasi
selektif toluena menjadi benzaldehida menggunakan MIL-101(Fe). Reaksi ini dapat
berlangsung pada suhu dan tekanan ruang, suatu kondisi yang jauh lebih hemat
energi dibandingkan banyak proses oksidasi konvensional. Efisiensi tersebut
dicapai karena aktivasi ikatan C(sp³)–H berlangsung melalui radikal klorin yang
dihasilkan dari ion klorida yang terkoordinasi di dalam struktur MOF. Tahap
inilah yang menjadi penentu laju reaksi sehingga sangat memengaruhi keberhasilan
proses oksidasi (Wu et al., 2024).
Keberhasilan tersebut menunjukkan bahwa
struktur MOF bukan sekadar tempat melekatnya logam aktif, tetapi juga mampu
mengendalikan jalannya mekanisme reaksi secara lebih spesifik.
2. Mengubah Karbon Dioksida Menjadi Produk
Bernilai Tambah
Salah satu tantangan terbesar dalam kimia
modern adalah bagaimana memanfaatkan karbon dioksida (CO₂) sebagai bahan baku,
bukan sekadar menganggapnya sebagai limbah. Pada sistem Cu-BTC, molekul CO₂
terlebih dahulu berinteraksi dengan pusat Cu²⁺ sebelum mengalami aktivasi
melalui transfer elektron yang berasal dari hidrogen. Proses ini membuka jalur
konversi menuju senyawa bernilai tambah seperti metanol.
Pengembangan lebih lanjut menghasilkan
komposit CuO/ZnO/Cu-BTC yang menunjukkan aktivitas katalitik lebih tinggi,
ketahanan yang lebih baik terhadap deaktivasi, serta stabilitas yang tetap
terjaga pada suhu tinggi dibandingkan katalis CuO/ZnO konvensional (Yu et al.,
2020). Pendekatan ini menjadi salah satu contoh bagaimana MOF dapat
berkontribusi pada strategi pengurangan emisi gas rumah kaca sekaligus
mendukung pemanfaatan karbon sebagai sumber bahan baku kimia.
3. Hidrogenasi yang Lebih Selektif
Dalam banyak proses sintesis organik,
tantangan utama bukan hanya mempercepat reaksi, tetapi juga memastikan bahwa
hanya gugus fungsi tertentu yang bereaksi. Katalis Pd/MOF memberikan contoh
yang sangat baik mengenai kemampuan tersebut. Pada hidrogenasi alkena,
nanopartikel paladium yang terdispersi secara homogen di dalam pori MOF mampu
menghidrogenasi ikatan rangkap karbon–karbon tanpa mengganggu gugus karbonil
yang juga terdapat dalam molekul.
Lingkungan mikro yang dibentuk oleh kerangka
MOF menciptakan kontrol spasial terhadap molekul reaktan sehingga reaksi
berlangsung dengan selektivitas yang tinggi (Yamada et al., 2020). Pada
hidrogenasi stirena, sistem ini bahkan mampu memberikan efisiensi tinggi pada
kondisi operasi yang relatif ringan (Zhong et al., 2019).
Mengapa Mekanisme Redoks MOF Penting bagi
Kimia Hijau?
Dari berbagai contoh tersebut terlihat bahwa
peran MOF jauh melampaui fungsi katalis konvensional. Material ini bukan hanya
mempercepat laju reaksi, tetapi juga mengarahkan jalannya transformasi kimia
agar lebih selektif, lebih hemat energi, dan menghasilkan limbah yang lebih
sedikit.
Kemampuan mengontrol perpindahan elektron
melalui pusat logam yang terorganisasi menjadikan MOF sebagai platform yang
sangat fleksibel untuk berbagai jenis reaksi redoks. Fleksibilitas ini membuka
peluang besar bagi pengembangan proses sintesis yang lebih berkelanjutan, baik
di laboratorium maupun pada skala industri.
Pada bagian berikutnya, pembahasan akan
beralih ke mekanisme yang memanfaatkan energi cahaya dan sistem biologis. Di
sinilah MOF menunjukkan kemampuan lain yang tidak kalah menarik, yaitu sebagai
fotokatalis dan pendukung biokatalis, dua pendekatan yang semakin penting dalam
pengembangan teknologi kimia hijau modern.
Daftar Pustaka
Behera, J., Pal, A., Sahoo, R., & Das, M.
C. (2024). Variation in Catalytic Efficacies of a 2D pH-Stable MOF by Altering
Activation Methods. Chemistry (Weinheim an Der Bergstrasse, Germany), 30(34),
e202400375. https://doi.org/10.1002/chem.202400375
Cirujano, F. G., & Llabrés I Xamena, F. X.
(2020). Tuning the Catalytic Properties of UiO-66 Metal-Organic Frameworks:
From Lewis to Defect-Induced Brønsted Acidity. The Journal of Physical
Chemistry Letters, 11(12), 4879–4890. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.0c00984
Ding, C.-W., Luo, W., Zhou, J.-Y., Ma, X.-J.,
Chen, G.-H., Zhou, X.-P., & Li, D. (2019). Hydroxo Iron(III) Sites in a
Metal-Organic Framework: Proton-Coupled Electron Transfer and Catalytic
Oxidation of Alcohol with Molecular Oxygen. ACS Applied Materials &
Interfaces, 11(49), 45621–45628. https://doi.org/10.1021/acsami.9b15311
Duan, C., Liang, K., Lin, J., Li, J., Li, L.,
Kang, L., Yu, Y., & Xi, H. (2021). Application of hierarchically porous
metal-organic frameworks in heterogeneous catalysis: A review. Science China
Materials, 65(2), 298–320. https://doi.org/10.1007/s40843-021-1910-2
Gadzikwa, T., & Matseketsa, P. (2024). The
post-synthesis modification (PSM) of MOFs for catalysis. Dalton Transactions,
53(18), 7659–7668. https://doi.org/10.1039/d4dt00514g
Liu, P., Wang, R., & Yu, F. (2025). Highly
Efficient Solvent-Free Cyanosilylation of Aldehydes Catalyzed by Bilayered
Two-Dimensional Metal-Organic Frameworks. Chemistry (Weinheim an Der
Bergstrasse, Germany), 31(27), e202500741. https://doi.org/10.1002/chem.202500741
Qiao, C., Jia, W., Zhong, Q., Liu, B., Zhang,
Y., Meng, C., & Tian, F. (2020). MOF-Derived Cu-Nanoparticle Embedded in
Porous Carbon for the Efficient Hydrogenation of Nitroaromatic Compounds.
Catalysis Letters, 150(12), 3394–3401. https://doi.org/10.1007/s10562-020-03244-6
Sittiwong, J., Boonmark, S., Nunthakitgoson,
W., Maihom, T., Wattanakit, C., & Solé-Daura, A., Robinson, A. L., Dolbecq,
A., Mellot-Draznieks, C., Romdhane, F. Ben, Penas-Hidalgo, F., Chen, H.,
Brubach, J.-B., Fontecave, M., Frégnaux, M., Tran, N.-H., & Mialane, P.
(2024). Zr-Based MOF-545 Metal-Organic Framework Loaded with Highly Dispersed
Small Size Ni Nanoparticles for CO2 Methanation. ACS Applied Materials
& Interfaces, 16. https://doi.org/10.1021/acsami.3c18154
Wang, S., Li, S., Feng, H., Yang, W., &
Feng, Y.-S. (2023). Visible-Light-Driven Porphyrin-Based Bimetallic
Metal–Organic Frameworks for Selective Photoreduction of Nitro Compounds under
Mild Conditions. ACS Applied Materials & Interfaces, 15(3), 4845–4856.
https://doi.org/10.1021/acsami.2c22686
Wu, C., & Zhao, M. (2017). Incorporation
of Molecular Catalysts in Metal-Organic Frameworks for Highly Efficient
Heterogeneous Catalysis. Advanced Materials, 29(14), 1605446.
https://doi.org/10.1002/adma.201605446
Wu, Z., Niu, F., Yao, W., Gao, S., Chen, D.,
& Huang, Y. (2024). Photocatalytic Selective Oxidation of Toluene over
Chlorine-Coordinated MIL-101(Fe) under Ambient Conditions. Langmuir : The ACS
Journal of Surfaces and Colloids, 40(40), 20841–20847. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.4c02431
Yamada, Y. M. A., Baek, H., Sato, T., Nakao,
A., & Uozumi, Y. (2020). Metallically gradated silicon nanowire and
palladium nanoparticle composites as robust hydrogenation catalysts.
Communications Chemistry, 3(1), 81. https://doi.org/10.1038/s42004-020-0332-z
Yang, P., Mao, F., Li, Y., Zhuang, Q., &
Gu, J. (2018). Hierarchical Porous Zr-Based MOFs Synthesized by a Facile
Monocarboxylic Acid Etching Strategy. Chemistry – A European Journal, 24(12),
2962–2970. https://doi.org/10.1002/chem.201705020
Yoskamtorn, T., Zhao, P., Wu, X.-P., Purchase,
K., Orlandi, F., Manuel, P., Taylor, J., Li, Y., Day, S., Ye, L., Tang, C. C.,
Zhao, Y., & Tsang, S. C. E. (2021). Responses of Defect-Rich Zr-Based
Metal-Organic Frameworks toward NH3 Adsorption. Journal of the American
Chemical Society, 143(8), 3205–3218. https://doi.org/10.1021/jacs.0c12483
Yu, H., Xu, C., Li, Y., Jin, F., Ye, F., &
Li, X. (2020). Performance Enhancement of CuO/ZnO by Deposition on the
Metal-Organic Framework of Cu-BTC for Methanol Steam Reforming Reaction. ES
Energy & Environment, 8(5). https://doi.org/10.30919/esee8c415
Zhang, Y., Huang, C., & Mi, L. (2020).
Metal-organic frameworks as acid- and/or base-functionalized catalysts for
tandem reactions. Dalton Transactions, 49(42), 14723–14730.
https://doi.org/10.1039/d0dt03025b
Zhao, T., Peng, S., Yu, J., Chen, J., Luo, F.,
Xiao, P., Nie, S., & Chen, Y. (2025). Advances in Green Synthesis and
Photo-/Electrocatalytic Applications of Zirconium-Based MOFs: A Review.
Organics, 6(2), 22. https://doi.org/10.3390/org6020022
Zhong, Y., Mao, Y., Shi, S., Wan, M., Ma, C.,
Wang, S., Chen, C., Zhao, D., & Zhang, N. (2019). Fabrication of Magnetic
Pd/MOF Hollow Nanospheres with Double-Shell Structure: Toward Highly Efficient
and Recyclable Nanocatalysts for Hydrogenation Reaction. ACS Applied Materials
& Interfaces, 11(35), 32251–32260.
https://doi.org/10.1021/acsami.9b07864