Bio-elektrochemische systemen combineren het beste van twee werelden - microbiële cellen met anorganische materialen - om brandstoffen en andere energierijke chemicaliën te maken met een ongeëvenaarde efficiëntie. Maar door technische problemen zijn ze overal onpraktisch gebleven, behalve in een laboratorium. Nu hebben onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) een nieuw membraan op nanoschaal ontwikkeld dat deze problemen zou kunnen aanpakken en de weg zou kunnen effenen voor commerciële schaalvergroting.

Het membraan op nanoschaal is ingebed met moleculaire draden die tegelijkertijd chemisch scheiden, toch elektrochemisch koppelen, een microbiële en een anorganische katalysator op de kortst mogelijke lengteschaal. Deze nieuwe modulaire architectuur, beschreven in een recent gepubliceerd artikel in Natuurcommunicatie , opent een grote ontwerpruimte voor het bouwen van schaalbare biohybride elektrochemische systemen voor een verscheidenheid aan toepassingen, inclusief elektriciteitsopwekking, afval sanering, en herstel van hulpbronnen, naast chemische synthese.

Het werk werd geleid door Heinz Frei, een senior wetenschapper in de Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division (MBIB) van Berkeley Lab, en Caroline Ajo-Franklin, een stafwetenschapper bij Berkeley Lab's Molecular Foundry die een secundaire aanstelling heeft in MBIB.

"Deze vooruitgang introduceert een volledig nieuwe architectuur voor bio-elektrochemische systemen op basis van integratie op nanoschaal en biedt een weg voorwaarts om deze systemen op te schalen naar een commercieel relevant niveau, "zei Frei. "Bovendien, het geeft een voorbeeld van hoe een belangrijk ontwerpprincipe, geïnspireerd door de biologie, wordt toegepast voor het oplossen van een grote wetenschappelijke leemte in technische systemen."

Biohybride elektrochemische systemen maken gebruik van afzonderlijke microbiële en anorganische katalysatoren bij oxidatiereductie, of redox, reacties, om te profiteren van de complementaire sterke punten van elk onderdeel. Microben kunnen complexe moleculen synthetiseren met een hoge selectiviteit, terwijl anorganische katalysatoren de meest efficiënte energiecollectoren zijn. Dergelijke biohybride systemen zijn aantrekkelijk als duurzame technologie om brandstoffen en hoogwaardige chemicaliën te produceren met behulp van hernieuwbare energie.

Maar, een fundamentele uitdaging bij het ontwerpen van biohybride systemen is dat de omgevingen die een optimale functie van levende cellen en anorganische materialen ondersteunen, chemisch onverenigbaar zijn, resulterend in toxiciteit, corrosie, of efficiëntieverlagende kruisreacties. Daten, de benadering was om de biologische en abiotische componenten fysiek gescheiden te houden door macroscopische (millimeter tot centimeter) afstanden. Dit vereist echter hoge kosten in termen van efficiëntie, als gevolg van weerstandsverliezen (in de orde van grootte van 25 procent van de celspanning) veroorzaakt door ionentransport tussen de componenten, opschaling naar commercieel relevante niveaus onpraktisch maken.

In elektrochemische systemen, in grote lijnen, een oxidatiereactie aan de anode en een reductiereactie aan de kathode creëren een drijvende kracht voor elektronen om te stromen, waardoor chemische energie wordt omgezet in elektrische energie of omgekeerd. Als proof-of-concept, de onderzoekers elektrochemisch gekoppeld Shewanella oneidensis, een anaërobe bacterie, tot een anorganische katalysator, tindioxide (SnO2). Met een dikte van 2 nanometer, het silicamembraan zorgde voor stroom terwijl het zuurstof en ander transport van kleine moleculen blokkeerde.

Deze studie bouwt voort op eerder werk van Frei's groep waarin ze een kunstmatig fotosysteem van vierkante inch maakten, in de vorm van een anorganische kern-schaal nanobuis-array, en door de groep van Ajo-Franklin waarin inzicht op moleculair niveau onthulde hoe het buitenste celmembraaneiwit interageert met een anorganisch oxide-oppervlak.