Opskalering af biohybride systemer til syntetisering af brændstoffer, kemikalier

Bioelektrokemiske systemer kombinerer det bedste fra begge verdener-mikrobielle celler med uorganiske materialer-til at lave brændstoffer og andre energirige kemikalier med enestående effektivitet. Alligevel har tekniske vanskeligheder holdt dem upraktiske andre steder end i et laboratorium. Nu har forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) udviklet en ny nanoskala-membran, der kunne løse disse spørgsmål og bane vejen for kommerciel opskalering.

Nanoskala -membranen er indlejret i molekylære tråde, der samtidigt kemisk adskiller, endnu elektrokemisk par, en mikrobiel og en uorganisk katalysator på den kortest mulige længdeskala. Denne nye modulære arkitektur, beskrevet i et papir, der for nylig blev offentliggjort i Naturkommunikation , åbner et stort designrum til opbygning af skalerbare biohybrid elektrokemiske systemer til en række forskellige applikationer, herunder elproduktion, affaldssanering, og genopretning af ressourcer, foruden kemisk syntese.

Værket blev ledet af Heinz Frei, en seniorforsker i Berkeley Labs Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division (MBIB), og Caroline Ajo-Franklin, en personaleforsker med Berkeley Labs Molecular Foundry, der har en sekundær ansættelse i MBIB.

"Dette fremskridt introducerer en helt ny arkitektur for bioelektrokemiske systemer baseret på nanoskalaintegration og giver en vej frem til at skalere disse systemer til et kommercielt relevant niveau, "sagde Frei." Hvad mere er, det giver et eksempel på, hvordan et centralt designprincip inspireret af biologi anvendes til at løse et stort videnskabeligt hul mellem konstruerede systemer. "

Biohybrid elektrokemiske systemer anvender separate mikrobielle og uorganiske katalysatorer i oxidationsreduktion, eller redox, reaktioner, at udnytte de komplementære styrker ved hver komponent. Mikrober kan syntetisere komplekse molekyler med høj selektivitet, mens uorganiske katalysatorer er de mest effektive energisamlere. Sådanne biohybride systemer er attraktive som en bæredygtig teknologi til at producere brændstoffer og kemikalier af høj værdi ved hjælp af vedvarende energi.

Men, en grundlæggende udfordring ved design af biohybride systemer er, at de miljøer, der understøtter optimal funktion af levende celler og uorganiske materialer, er kemisk uforenelige, resulterer i toksicitet, korrosion, eller effektivitetsnedbrydende krydsreaktioner. Til dato, tilgangen har været at holde de biologiske og abiotiske komponenter fysisk adskilt af makroskopiske (millimeter til centimeter) afstande. Dette kræver imidlertid en høj omkostning med hensyn til effektivitet, på grund af modstandstab (i størrelsesordenen 25 procent af cellespændingen) forårsaget af iontransport mellem komponenterne, gør opskalering til kommercielt relevante niveauer upraktisk.

I elektrokemiske systemer, stort set, en oxidationsreaktion ved anoden og en reduktionsreaktion ved katoden skaber en drivkraft for elektroner til at strømme, derved omdanne kemisk energi til elektrisk energi eller omvendt. Som et bevis-på-koncept, forskerne elektrokemisk koblet Shewanella oneidensis, en anaerob bakterie, til en uorganisk katalysator, tindioxid (SnO2). Ved 2 nanometer tyk, silica -membranen aktiverede strømmen, mens den blokerede ilt og anden transport af små molekyler.

Denne undersøgelse bygger på tidligere arbejde fra Freis gruppe, hvor de fremstillede et kvadrat-tommer stort kunstigt fotosystem, i form af et uorganisk core-shell nanorør array, og af Ajo-Franklins gruppe, hvor indsigt på molekylært niveau afslørede, hvordan det ydre cellemembranprotein interagerer med en uorganisk oxidoverflade.