Rekruttering af bakterier til at bygge katalysatorer atom for atom

Udnyttelse af den usædvanlige metalreducerende evne hos den jernåndende bakterie Geobacter sulfurreducens, KAUST-forskere har demonstreret en billig og pålidelig måde at syntetisere højaktive enkeltatom-katalysatorer på. Innovationen, som dramatisk kunne forbedre effektiviteten og omkostningerne ved brintproduktion fra vand, fremhæver den rolle, naturen kan spille i søgen efter nye energisystemer.

Mange kemiske reaktioner kræver en katalysator som en reaktiv overflade, hvor atomer eller molekyler bringes sammen med den rigtige mængde energi for at udløse en kemisk ændring. Vand, for eksempel, kan opdeles i brint- og oxygenatomer ved at reagere på et par elektroder lavet af platin og iridiumoxid. Effektiviteten af ​​reaktionen, imidlertid, afhænger i høj grad af, hvor mange atomer der kan blive involveret.

"I en nanopartikelkatalysator, kun 20 procent af metalatomerne er muligvis tilgængelige for katalyse, " siger Srikanth Pedireddy, tidligere på KAUST og nu på University of Exeter, U.K. "Enkeltatoms katalysatorer, på den anden side, tillade 100 procent atomudnyttelse og er derfor lovende til forskellige katalysatoranvendelser; imidlertid, konventionelle syntesemetoder er dyre, involverer høje temperaturer og giver kun lave udbytter med dårlig atomfordeling."

På jagt efter en mere pålidelig og omkostningseffektiv tilgang, Pedireddy, Pascal Saikaly og deres kolleger vendte sig mod naturen. Den anaerobe bakterie G. sulfurreducens er usædvanlig, idet den 'ånder' jern, ikke ilt, og har den bemærkelsesværdige evne til at lede elektroner fra indersiden til ydersiden af ​​cellen.

"Denne bakterie har redoxaktive proteiner kaldet c-type cytochromer, der indeholder et hæmkompleks - et centralt jernatom koordineret til fire nitrogenatomer i en porphyrinring, " siger Pedireddy. "Vi forestillede os, at dette hæm-sted kunne bruges til kemisk at reducere enkelte atomer af katalytisk aktive metaller i stedet for jern."

Efter at have bekræftet dannelsen af ​​enkelte jernatomer på cytokromsteder på overfladen af ​​bakterieceller, holdet nedsænkede bakterierne i en opløsning indeholdende iridium, hvilket gav et lignende og meget tilfredsstillende resultat.

"At se enkelte atomer på overfladen af ​​bakterier var en stor udfordring, " siger Pedireddy. "Med højopløsningselektronmikroskopifaciliteterne på KAUST, vi var i stand til at visualisere de atomisk spredte enkelte atomer af metaller på bakterieoverfladen."

Holdet fandt ud af, at de kunne fylde bakterierne med op til 1 procent af godt spredt enkeltatom iridium, give en mere pålidelig katalysator med sammenlignelig hydrogen-udviklende aktivitet til platin/carbon-standarden til en brøkdel af prisen for andre enkeltatom-metoder.

"Vores arbejde kunne inspirere til brugen af ​​andre effektive elektroaktive bakterier til at syntetisere højtydende og billige elektrokatalysatorer til forskellige energirelaterede applikationer, " siger Saikaly.