Penulis: Aisyah, S.Si., M.Si.
(Dosen UIN Alauddin Makassar)
Di tulisan sebelumnya, kita telah melihat
bagaimana Metal–Organic Frameworks (MOFs) mempercepat reaksi melalui aktivasi
asam–basa dan mekanisme redoks. Kedua mekanisme tersebut menjadi fondasi
penting yang menjelaskan mengapa MOF mampu meningkatkan efisiensi dan
selektivitas berbagai transformasi kimia. Seiring berkembangnya penelitian,
eksplorasi kemampuan MOF terus dilakukan, di antaranya adalah memanfaatkan energi cahaya sebagai penggerak
reaksi (photocatalysis) serta menciptakan lingkungan yang ideal bagi enzim
untuk bekerja lebih stabil (biocatalysis). Kedua pendekatan ini tidak hanya
memperluas fungsi MOF sebagai katalis, tetapi juga memperkuat perannya dalam
mewujudkan proses kimia yang semakin hemat energi, selektif, dan berkelanjutan.
Dua pendekatan ini, yaitu fotokatalisis dan
biokatalisis, membuka peluang baru dalam pengembangan proses sintesis yang
lebih hemat energi dan ramah lingkungan. Alih-alih bergantung pada suhu tinggi
atau bahan kimia agresif, reaksi dapat berlangsung dengan bantuan cahaya atau
memanfaatkan kemampuan katalitik alami enzim. Inilah salah satu alasan mengapa
MOF semakin dipandang sebagai material multifungsi dalam pengembangan teknologi
kimia hijau.
Fotokatalisis Mengubah Energi Cahaya
Menjadi Energi Kimia
Bila pada panel surya, sinar matahari diubah
menjadi listrik. Maka, pada prinsipnya, fotokatalisis bekerja dengan konsep
yang serupa, hanya saja energi cahaya digunakan untuk mendorong terjadinya
reaksi kimia. Di dalam struktur MOF, proses ini dimulai ketika gugus organik
(linker) yang mengandung sistem ikatan π-terkonjugasi menyerap energi cahaya.
Penyerapan foton menyebabkan elektron pada linker tereksitasi sehingga
terbentuk pasangan elektron–hole, yaitu elektron yang berpindah ke tingkat
energi lebih tinggi dan meninggalkan kekosongan elektron pada posisi semula.
Elektron yang tereksitasi kemudian berpindah
menuju pusat logam atau situs akseptor elektron, sedangkan hole yang tertinggal
pada linker dapat mengoksidasi molekul lain di sekitarnya (Xiao et al., 2018).
Dengan demikian, satu foton cahaya mampu memicu dua proses sekaligus: reduksi
dan oksidasi. Yang menarik, struktur kristal MOF yang sangat teratur
memungkinkan para peneliti mengatur band gap, yaitu selisih energi yang
menentukan panjang gelombang cahaya yang dapat diserap material. Melalui
rekayasa struktur ini, kemampuan penyerapan cahaya dapat dioptimalkan sehingga
lebih banyak energi yang dimanfaatkan untuk menggerakkan reaksi kimia.
MOF Berbasis Titanium yang Meniru Cara
Kerja Semikonduktor
Salah satu contoh yang paling banyak
dipelajari adalah MIL-125(Ti), yaitu MOF berbasis titanium. Pada material ini,
cahaya memicu perpindahan elektron dari ligan tereftalat menuju ion Ti⁴⁺
sehingga terbentuk spesies Ti³⁺ yang sangat reaktif. Elektron tersebut kemudian
dimanfaatkan untuk mereduksi karbon dioksida (CO₂) menjadi karbon monoksida
atau metanol. Di sisi lain, hole yang terbentuk pada ligan mengoksidasi molekul
donor elektron, misalnya air atau senyawa organik sederhana (Sun & Li,
2017; Priyadarshini et al., 2025).
Secara konsep, mekanisme ini menyerupai cara
kerja material semikonduktor. Namun, MOF memiliki keunggulan tambahan berupa
jaringan pori yang luas dan teratur sehingga molekul pereaksi dapat bergerak
menuju situs aktif dengan lebih mudah. Difusi yang lebih efisien ini
memungkinkan lebih banyak molekul bereaksi dalam waktu yang sama, sehingga
meningkatkan efisiensi fotokatalisis.
Kemampuan tersebut menjadikan MOF sebagai
kandidat penting untuk berbagai aplikasi, mulai dari konversi karbon dioksida,
produksi bahan bakar berbasis hidrogen, hingga degradasi polutan organik
menggunakan energi cahaya.
MOF Melindungi dan Mengoptimalkan Enzim
dalam Reaksi Biokatalisis
Selain memanfaatkan cahaya, MOF juga
menunjukkan kemampuan luar biasa dalam mendukung kerja enzim, yaitu katalis
alami yang digunakan oleh hampir seluruh makhluk hidup. Enzim memiliki
selektivitas yang sangat tinggi. Sayangnya, molekul protein ini relatif mudah
mengalami denaturasi akibat perubahan suhu, pH, atau keberadaan pelarut
organik. Akibatnya, banyak enzim kehilangan aktivitasnya ketika digunakan dalam
proses industri.
Di sinilah MOF memberikan solusi melalui
mekanisme immobilisasi enzim. Enzim tidak dibiarkan berada bebas di dalam
larutan. Namun, molekul enzim ditempatkan di dalam pori atau pada permukaan
kerangka MOF. Struktur berpori tersebut menciptakan lingkungan mikro yang mampu
mempertahankan bentuk tiga dimensi enzim sehingga aktivitas katalitiknya tetap
terjaga (An et al., 2020; Ye et al., 2020). Dengan kata lain, MOF berfungsi
seperti "rumah pelindung" yang menjaga enzim tetap aktif selama
proses reaksi berlangsung.
Lipase dan ZIF-8: Menjaga Enzim Tetap Aktif
Salah satu contoh yang sering digunakan adalah
lipase yang diimmobilisasi pada ZIF-8. Dalam sistem ini, molekul substrat
memasuki kanal-kanal pori MOF hingga mencapai sisi aktif enzim. Setelah reaksi
berlangsung, produk keluar kembali melalui jalur yang sama, sementara struktur
MOF tetap mempertahankan konformasi aktif enzim sehingga tidak mudah mengalami
denaturasi (Maddigan et al., 2021).
Pendekatan ini memberikan beberapa keuntungan
sekaligus. Enzim menjadi lebih stabil, dapat digunakan berulang kali, serta
lebih tahan terhadap kondisi operasi yang sebelumnya sulit ditoleransi oleh
enzim bebas.
Meningkatkan Transfer Elektron pada Laccase
Contoh lain adalah sistem laccase-MOF, yaitu
enzim laccase yang diintegrasikan dengan kerangka MOF. Pada sistem ini, gugus
fungsi pada ligan organik berinteraksi langsung dengan residu asam amino
penyusun enzim. Interaksi tersebut membantu mempercepat proses transfer
elektron selama reaksi oksidasi senyawa fenolik, sehingga aktivitas katalitik
meningkat dibandingkan enzim tanpa penyangga MOF (Ren et al., 2023; Zhong et
al., 2017).
Pendekatan ini memperlihatkan bahwa MOF tidak
hanya berperan sebagai penyangga mekanis, tetapi juga mampu berkontribusi
secara aktif terhadap mekanisme reaksi yang dijalankan oleh enzim.
Mengapa Fotokatalisis dan Biokatalisis
Menjadi Arah Masa Depan?
Kemampuan MOF memanfaatkan cahaya dan
mendukung kerja enzim memperlihatkan bahwa material ini tidak hanya unggul
sebagai katalis konvensional, tetapi juga sebagai platform yang mampu
menggabungkan berbagai mekanisme katalitik dalam satu sistem.
Pada fotokatalisis, MOF memungkinkan energi
matahari dimanfaatkan untuk mendorong transformasi kimia yang sebelumnya
memerlukan energi panas dalam jumlah besar. Sementara itu, pada biokatalisis,
MOF membantu mempertahankan aktivitas enzim sehingga proses sintesis dapat
berlangsung dengan selektivitas tinggi dan kondisi operasi yang lebih ramah
lingkungan.
Kedua pendekatan tersebut semakin memperkuat
posisi MOF sebagai salah satu material paling menjanjikan dalam pengembangan
katalisis hijau. Fleksibilitas desain, kemampuan memodifikasi struktur, serta
kompatibilitasnya dengan berbagai jenis reaksi memberikan peluang besar untuk
menghadirkan proses kimia yang lebih efisien, lebih bersih, dan lebih
berkelanjutan.
Pada bagian terakhir artikel ini, kita akan
membahas sisi lain dari perkembangan MOF, yaitu berbagai tantangan yang masih
dihadapi dalam penerapannya pada skala industri serta prospek masa depannya
sebagai katalis yang benar-benar mendukung prinsip-prinsip kimia hijau.
Tantangan dan Prospek MOF dalam Mewujudkan
Katalisis Hijau
Berbagai penelitian telah menunjukkan bahwa
Metal–Organic Frameworks (MOFs) memiliki potensi besar sebagai katalis untuk
mendukung proses kimia yang lebih efisien dan berkelanjutan. Kemampuannya dalam
mengaktifkan substrat, memfasilitasi transfer elektron, memanfaatkan energi
cahaya, hingga mendukung kerja enzim menjadikan MOF sebagai salah satu material
paling menarik dalam perkembangan kimia modern.
Namun, sebagaimana teknologi baru lainnya,
perjalanan MOF menuju aplikasi industri masih menghadapi sejumlah tantangan.
Memahami berbagai keterbatasan tersebut sama pentingnya dengan mengapresiasi
keunggulannya, karena inovasi ilmiah selalu berkembang melalui proses
penyempurnaan yang berkelanjutan.
Stabilitas adalah Tantangan Utama dalam
Penerapan MOF
Salah satu persoalan yang masih menjadi
perhatian adalah stabilitas struktur MOF ketika digunakan pada kondisi reaksi
yang beragam. Beberapa jenis MOF memiliki kerangka kristal yang sensitif
terhadap kelembapan, suhu tinggi, maupun lingkungan kimia yang ekstrem.
Akibatnya, struktur dapat mengalami degradasi atau bahkan runtuh setelah
digunakan berulang kali, sehingga aktivitas katalitiknya menurun (Xie &
Hou, 2025).
Bagi aplikasi laboratorium, kondisi ini
mungkin masih dapat dikendalikan. Namun, pada skala industri, katalis dituntut
mampu mempertahankan performanya dalam waktu lama dan melalui banyak siklus
penggunaan. Oleh karena itu, peningkatan stabilitas material menjadi salah satu
fokus utama penelitian MOF saat ini.
Apakah Sintesis MOF Sudah Sepenuhnya Hijau?
Pertanyaan lain yang sering muncul adalah:
jika MOF ditujukan untuk mendukung kimia hijau, apakah proses pembuatannya
sendiri sudah benar-benar ramah lingkungan? Jawabannya adalah, belum
sepenuhnya. Beberapa metode sintesis MOF masih menggunakan pelarut organik
seperti N,N-dimethylformamide (DMF). Meskipun efektif membantu pembentukan
kristal MOF, pelarut ini memiliki risiko toksisitas dan menghasilkan limbah
yang memerlukan penanganan khusus (Hong et al., 2024; Wegner et al., 2021).
Selain itu, beberapa MOF memanfaatkan logam
seperti kadmium (Cd), kromium (Cr), atau unsur tanah jarang. Walaupun
memberikan sifat katalitik tertentu, penggunaan logam-logam tersebut
menimbulkan persoalan keberlanjutan karena bersifat toksik, relatif mahal, dan
ketersediaannya terbatas (Jannetto & Cowl, 2023).
Tantangan berikutnya berkaitan dengan
kebutuhan energi selama proses sintesis. Beberapa metode masih memerlukan suhu
tinggi atau waktu reaksi yang panjang sehingga konsumsi energinya belum
sepenuhnya sesuai dengan prinsip efisiensi energi dalam kimia hijau (Singh et
al., 2025).
Fakta-fakta ini menunjukkan bahwa pengembangan
MOF tidak hanya berfokus pada peningkatan performa katalitik, tetapi juga pada
upaya menjadikan seluruh siklus hidup material lebih berkelanjutan (Dutta et
al., 2024; Rastin et al., 2025).
Menuju Sintesis MOF yang Lebih Ramah
Lingkungan
Kabar baiknya, berbagai penelitian terbaru
mulai menawarkan solusi atas tantangan tersebut. Salah satu arah pengembangan
yang berkembang pesat adalah penggunaan metode sintesis hijau, seperti sintesis
berbasis air, iradiasi gelombang mikro (microwave-assisted synthesis), maupun
sonikasi. Pendekatan ini mampu mengurangi penggunaan pelarut organik berbahaya
sekaligus mempercepat proses pembentukan kristal MOF (Duan et al., 2020; Obeso
et al., 2025).
Di sisi lain, penelitian juga terus merancang
MOF dengan struktur yang lebih stabil melalui rekayasa molekuler. Pemilihan
jenis logam, modifikasi ligan organik, serta pengaturan ikatan antarunit
penyusun dilakukan untuk menghasilkan material yang lebih tahan terhadap suhu,
kelembapan, maupun kondisi reaksi yang berat. Perkembangan tersebut menunjukkan
bahwa konsep kimia hijau kini tidak hanya diterapkan pada tahap penggunaan
katalis, tetapi juga mulai menjadi pertimbangan sejak proses sintesis material itu
sendiri.
Peran Kecerdasan Buatan dalam Merancang MOF
Generasi Baru
Salah satu perkembangan paling menarik dalam
beberapa tahun terakhir adalah masuknya kecerdasan buatan (Artificial
Intelligence atau AI) ke dalam penelitian MOF. Selama bertahun-tahun,
pengembangan MOF dilakukan melalui pendekatan trial and error, yaitu mencoba
berbagai kombinasi logam dan ligan hingga diperoleh material dengan sifat yang
diinginkan. Meskipun berhasil menghasilkan ribuan jenis MOF, pendekatan
tersebut memerlukan waktu, biaya, dan sumber daya yang besar.
Kini, perkembangan komputasi kimia dan AI
mulai mengubah cara tersebut. Dengan memanfaatkan data eksperimen yang telah
tersedia, algoritma pembelajaran mesin mampu memprediksi kombinasi logam,
ligan, ukuran pori, maupun sifat elektronik yang paling sesuai untuk aplikasi
tertentu sebelum material benar-benar disintesis di laboratorium (Nadeem et
al., 2025; Zhao et al., 2025). Pendekatan berbasis data ini tidak hanya
mempercepat proses penemuan material baru, tetapi juga mengurangi jumlah
percobaan yang tidak diperlukan. Hasilnya adalah proses penelitian yang lebih
efisien, lebih hemat sumber daya, dan lebih sejalan dengan prinsip
keberlanjutan.
MOF dan Masa Depan Kimia Hijau
Perjalanan penelitian MOF masih terus
berkembang, tetapi arah yang ditunjukkan sangat menjanjikan. Integrasi antara
sintesis hijau, rekayasa molekuler, simulasi komputasi, dan kecerdasan buatan
membuka peluang untuk menghasilkan material dengan kinerja yang semakin baik
dan dampak lingkungan yang semakin kecil.
Di masa depan, MOF diperkirakan tidak hanya
menjadi katalis untuk berbagai reaksi organik, tetapi juga berperan dalam
pemanfaatan karbon dioksida, produksi energi bersih, degradasi polutan,
penyimpanan energi, hingga pengembangan teknologi industri yang lebih
berkelanjutan.
Penutup
Perkembangan Metal–Organic Frameworks (MOFs)
menunjukkan bagaimana inovasi dalam ilmu material dapat memberikan kontribusi
nyata terhadap penerapan prinsip-prinsip kimia hijau. Melalui kombinasi pusat
logam dan ligan organik yang dapat direkayasa secara presisi, MOF menghadirkan
platform katalitik yang mampu mengakomodasi berbagai mekanisme reaksi, mulai
dari aktivasi asam–basa, katalisis redoks, fotokatalisis, hingga biokatalisis.
Keunggulan tersebut memungkinkan berbagai
transformasi kimia berlangsung dengan selektivitas yang tinggi, konsumsi energi
yang lebih rendah, serta pembentukan limbah yang lebih sedikit. Berbagai contoh
aplikasi, seperti reaksi multikomponen, oksidasi selektif, hidrogenasi, dan
konversi karbon dioksida menjadi produk bernilai tambah, semakin memperlihatkan
bahwa MOF bukan sekadar material baru, melainkan fondasi penting bagi
pengembangan katalisis modern yang lebih berkelanjutan.
Meskipun demikian, masih terdapat sejumlah
tantangan yang perlu diatasi, terutama terkait stabilitas material,
keberlanjutan proses sintesis, serta aspek ekonomi dalam produksi skala besar.
Tantangan tersebut menjadi pengingat bahwa penerapan kimia hijau tidak hanya
diukur dari kinerja suatu katalis, tetapi juga dari keseluruhan siklus hidup
material yang digunakan. Dengan dukungan penelitian multidisiplin yang
menggabungkan sintesis material, karakterisasi lanjutan, pemodelan komputasi,
dan kecerdasan buatan, MOF diperkirakan akan terus berkembang menjadi katalis
generasi berikutnya. Material ini berpotensi memainkan peran penting dalam
mewujudkan proses kimia yang lebih efisien, adaptif, dan berwawasan lingkungan,
sekaligus memperkuat kontribusi ilmu kimia dalam menjawab berbagai tantangan
keberlanjutan di masa depan.
Daftar Pustaka
An, H., Song, J., Wang, T., Xiao, N., Zhang,
Z., Cheng, P., Ma, S., Huang, H., & Chen, Y. (2020). Metal–Organic
Framework Disintegrants: Enzyme Preparation Platforms with Boosted Activity.
Angewandte Chemie International Edition, 59(38), 16764–16769.
https://doi.org/10.1002/anie.202007827
Duan, C., Yu, Y., Xiao, J., Zhang, X., Li, L.,
Yang, P., Wu, J., & Xi, H. (2020). Water-based routes for synthesis of
metal-organic frameworks: A review. Science China Materials, 63(5), 667–685.
https://doi.org/10.1007/s40843-019-1264-x
Dutta, S., Walden, M., Sinelshchikova, A.,
Ettlinger, R., Lizundia, E., & Wuttke, S. (2024). Cradle‐to‐Gate
Environmental Impact Assessment of Commercially Available Metal‐Organic
Frameworks Manufacturing. Advanced Functional Materials, 34(52). https://doi.org/10.1002/adfm.202410751
Hong, S.-J., Zhang, X.-N., Sun, Z., &
Zeng, T. (2024). The potential health risks of N,N-dimethylformamide: An
updated review. Journal of Applied Toxicology : JAT, 44(11), 1637–1646.
https://doi.org/10.1002/jat.4590
Jannetto, P. J., & Cowl, C. T. (2023).
Elementary Overview of Heavy Metals. Clinical Chemistry, 69(4), 336–349.
https://doi.org/10.1093/clinchem/hvad022
John, C., Sunajadevi, K. R. P., Pinheiro, D.,
& Vishwanath, R. S. (2025). MXene@MOF Composites: Converging Synthesis
Strategies, Structural Features, and Emerging Applications. Chemistry (Weinheim
an Der Bergstrasse, Germany), e02884. https://doi.org/10.1002/chem.202502884
Maddigan, N. K., Linder-Patton, O. M.,
Falcaro, P., Sumby, C. J., Bell, S. G., & Doonan, C. J. (2021). Influence
of the Synthesis and Storage Conditions on the Activity of Candida antarctica
Lipase B ZIF-8 Biocomposites. ACS Applied Materials & Interfaces,
13(44), 51867–51875. https://doi.org/10.1021/acsami.1c04785
Nadeem, T. B., Imran, M., & Tandis, E.
(2025). Applications of MOF-Based Nanocomposites in Heat Exchangers:
Innovations, Challenges, and Future Directions. Nanomaterials (Basel,
Switzerland), 15(3), 205. https://doi.org/10.3390/nano15030205
Obeso, J. L., Flores, C. V., Gutiérrez, A. G.,
Leyva, C., Valdivia‐Corona, J. C., Herrera‐Zúñiga, L. D., De Los Reyes, J. A.,
Peralta, R. A., & Ibarra, I. A. (2025). Low‐toxicity metal–organic
frameworks: Sustainable solutions for versatile applications. Bulletin of the
Korean Chemical Society, 46(3), 265–280. https://doi.org/10.1002/bkcs.70005
Priyadarshini, P., Mishra, A., Nayak, S.,
& Parida, K. (2025). NH2-MIL-125(Ti) and its functional nanomaterials - a
versatile platform in the photocatalytic arena. Nanoscale, 17(9), 4906–4957.
https://doi.org/10.1039/d4nr03774j
Rastin, H., Dell’Angelo, D., Sayede, A.,
Badawi, M., & Habibzadeh, S. (2025). Green and sustainable metal-organic
frameworks (MOFs) in wastewater treatment: A review. Environmental Research,
282, 122087. https://doi.org/10.1016/j.envres.2025.122087
Ren, S., Wang, F., Gao, H., Han, X., Zhang,
T., Yuan, Y., & Zhou, Z. (2023). Recent Progress and Future Prospects of
Laccase Immobilization on MOF Supports for Industrial Applications. Applied
Biochemistry and Biotechnology, 196(3), 1669–1684. https://doi.org/10.1007/s12010-023-04607-6
Singh, P., Panwar, S., & Dave, P. N.
(2025). Advancing Environmental Remediation with Metal–Organic Frameworks:
Perspectives on Green Synthesis, Scale‐Up Strategies, Techno‐Economic Analysis,
and Life Cycle Assessment. Advanced Materials Technologies, 11(3).
https://doi.org/10.1002/admt.202501309
Sun, D., & Li, Z. (2017). Robust Ti‐ and
Zr‐Based Metal‐Organic Frameworks for Photocatalysis. Chinese Journal of
Chemistry, 35(2), 135–147. https://doi.org/10.1002/cjoc.201600647
Wegner, K., Barnes, D., Manzor, K., Jardine,
A., & Moran, D. (2021). Evaluation of greener solvents for solid-phase
peptide synthesis. Green Chemistry Letters and Reviews, 14(1), 153–164.
https://doi.org/10.1080/17518253.2021.1877363
Xiao, J.-D., Li, D., & Jiang, H.-L.
(2018). Metal-organic frameworks for photocatalysis. SCIENTIA SINICA Chimica,
48(9), 1058–1075. https://doi.org/10.1360/n032018-00035
Xie, Z., & Hou, J. (2025). Industrialising
Metal–Organic Frameworks─Bridging Laboratory Innovation and Future
Applications. Industrial & Engineering Chemistry Research, 64(16),
7941–7955. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.5c00579
Ye, N., Kou, X., Shen, J., Huang, S., Chen,
G., & Ouyang, G. (2020). Metal-Organic Frameworks: A New Platform for
Enzyme Immobilization. ChemBioChem, 21(18), 2585–2590.
https://doi.org/10.1002/cbic.202000095
Zhao, Y., Zhao, Y., Wang, J., & Wang, Z.
(2025). Artificial Intelligence Meets Laboratory Automation in Discovery and
Synthesis of Metal–Organic Frameworks: A Review. Industrial &
Engineering Chemistry Research, 64(9), 4637–4668. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.4c04636
Zhong, Z., Pang, S., Wu, Y., Jiang, S., &
Ouyang, J. (2017). Synthesis and characterization of mesoporous
Cu–