Ingenieurs van Lehigh University zijn de eersten die een enkelvoudig biomineralisatieproces van enzymen gebruiken om een ​​katalysator te creëren die de energie van opgevangen zonlicht gebruikt om watermoleculen te splitsen om waterstof te produceren. Het syntheseproces wordt uitgevoerd bij kamertemperatuur en onder omgevingsdruk, het overwinnen van de uitdagingen op het gebied van duurzaamheid en schaalbaarheid van eerder gerapporteerde methoden.

Door zonne-energie aangedreven watersplitsing is een veelbelovende route naar een op hernieuwbare energie gebaseerde economie. De gegenereerde waterstof zou kunnen dienen als zowel transportbrandstof als een kritische chemische grondstof voor kunstmest en chemische productie. Beide sectoren dragen momenteel een groot deel van de totale uitstoot van broeikasgassen bij.

Een van de uitdagingen om de belofte van zonne-energieproductie te realiseren, is dat, terwijl het benodigde water een overvloedige hulpbron is, eerder onderzochte methoden maken gebruik van complexe routes die milieubelastende oplosmiddelen en enorme hoeveelheden energie vereisen om op grote schaal te produceren. De kosten en de schade aan het milieu hebben deze methoden onwerkbaar gemaakt als langetermijnoplossing.

Nu heeft een team van ingenieurs aan de Lehigh University een biomineralisatiebenadering gebruikt om zowel kwantumgebonden nanodeeltjesmetaalsulfidedeeltjes als het ondersteunende materiaal van gereduceerd grafeenoxide te synthetiseren om een ​​fotokatalysator te creëren die water splitst om waterstof te vormen. Het team rapporteerde hun resultaten in een artikel met de titel:"Enzymatische synthese van ondersteunde CdS-quantumdot/gereduceerde grafeenoxide-fotokatalysatoren" op de omslag van het nummer van 7 augustus van Groene chemie , een tijdschrift van de Royal Society of Chemistry.

De auteurs van het artikel zijn:Steven McIntosh, Professor in Lehigh's Department of Chemical and Biomoleculaire Engineering, samen met Leah C. Spangler, voormalig Ph.D. student en John D. Sakizadeh, huidige doctoraat student; ook, als Christopher J. Kiely, Harold B. Chambers Senior Professor in Lehigh's Department of Materials Science and Engineering en Joseph P. Cline, een doctoraat student die met Kiely werkt.

"Ons op water gebaseerde proces vertegenwoordigt een schaalbare groene route voor de productie van deze veelbelovende fotokatalysatortechnologie, " zei McIntosh, die tevens Associate Director is van Lehigh's Institute for Functional Materials and Devices.

In de afgelopen jaren, McIntosh's groep heeft een enkele enzymbenadering ontwikkeld voor biomineralisatie:het proces waarbij levende organismen mineralen produceren van op grootte gecontroleerde, quantum opgesloten metaalsulfide nanokristallen. In een eerdere samenwerking met Kiely, het lab heeft met succes de eerste nauwkeurig gecontroleerde, biologische manier om quantum dots te maken. Hun eenstapsmethode begon met gemanipuleerde bacteriële cellen in een eenvoudige, waterige oplossing en eindigde met functionele halfgeleidende nanodeeltjes, allemaal zonder toevlucht te nemen tot hoge temperaturen en giftige chemicaliën. De methode was te zien in een artikel in de New York Times:"Hoe een mysterieuze bacterie je bijna een betere tv gaf."

"Andere groepen hebben geëxperimenteerd met biomineralisatie voor chemische synthese van nanomaterialen, " zegt Spangler, hoofdauteur en momenteel een postdoctoraal onderzoeker aan de Princeton University. "De uitdaging was om controle te krijgen over de eigenschappen van de materialen, zoals deeltjesgrootte en kristalliniteit, zodat het resulterende materiaal kan worden gebruikt in energietoepassingen."

McIntosh beschrijft hoe Spangler het gevestigde biomineralisatieproces van de groep kon afstemmen om niet alleen de cadmiumsulfide-nanodeeltjes te synthetiseren, maar ook om grafeenoxide te reduceren tot de meer geleidende gereduceerde grafeenoxidevorm.

"Ze was toen in staat om de twee componenten aan elkaar te binden om een ​​efficiëntere fotokatalysator te creëren, bestaande uit de nanodeeltjes ondersteund op het gereduceerde grafeenoxide, "zegt McIntosh. "Dus haar harde werk en de daaruit voortvloeiende ontdekking zorgden ervoor dat beide kritieke componenten voor de fotokatalysator op een groene manier konden worden gesynthetiseerd."

Het werk van het team demonstreert het nut van biomineralisatie om een ​​goedaardige synthese van functionele materialen te realiseren voor gebruik in de energiesector.

"De industrie kan de implementatie van dergelijke nieuwe syntheseroutes op grote schaal overwegen, " voegt Kiely toe. "Andere wetenschappers kunnen de concepten in dit werk misschien ook gebruiken om andere materialen van cruciaal technologisch belang te creëren."

McIntosh benadrukt het potentieel van deze veelbelovende nieuwe methode als "een groene route, naar een groene energiebron, met behulp van overvloedige middelen."

"Het is van cruciaal belang om te erkennen dat elke praktische oplossing voor de vergroening van onze energiesector op enorme schaal moet worden geïmplementeerd om een ​​substantiële impact te hebben, " hij voegt toe.