Gebruikmakend van het ongebruikelijke metaalreducerende vermogen van de ijzerademende bacterie Geobacter sulfurreducens, KAUST-onderzoekers hebben een goedkope en betrouwbare manier aangetoond om zeer actieve katalysatoren met één atoom te synthetiseren. de innovatie, die de efficiëntie en kosten van waterstofproductie uit water drastisch zouden kunnen verbeteren, benadrukt de rol die de natuur kan spelen bij het zoeken naar nieuwe energiesystemen.

Veel chemische reacties vereisen een katalysator als reactief oppervlak waar atomen of moleculen worden samengebracht met de juiste hoeveelheid energie om een ​​chemische verandering teweeg te brengen. Water, bijvoorbeeld, kan worden gesplitst in waterstof- en zuurstofatomen door te reageren op een paar elektroden gemaakt van platina en iridiumoxide. De efficiëntie van de reactie, echter, hangt grotendeels af van hoeveel atomen erbij betrokken kunnen raken.

"In een nanodeeltjeskatalysator slechts 20 procent van de metaalatomen is mogelijk beschikbaar voor katalyse, " zegt Srikanth Pedireddy, voorheen aan KAUST en nu aan de Universiteit van Exeter, UK "Single-atom katalysatoren, anderzijds, 100 procent atomair gebruik mogelijk maken en dus veelbelovend zijn voor verschillende katalysatortoepassingen; echter, conventionele synthesemethoden zijn duur, omvatten hoge temperaturen en geven alleen lage opbrengsten met een slechte atomaire distributie."

Op zoek naar een meer betrouwbare en kosteneffectieve aanpak, Pedireddy, Pascal Saikaly en hun collega's wendden zich tot de natuur. De anaërobe bacterie G. sulfurreducens is ongebruikelijk omdat hij ijzer 'ademt', geen zuurstof, en heeft het opmerkelijke vermogen om elektronen van binnen naar buiten de cel te geleiden.

"Deze bacterie heeft redox-actieve eiwitten, c-type cytochromen genaamd, die een heemcomplex bevatten - een centraal ijzeratoom gecoördineerd aan vier stikstofatomen van een porfyrinering, " zegt Pedireddy. "We dachten dat deze heemplaats gebruikt zou kunnen worden om enkele atomen van katalytisch actieve metalen chemisch te reduceren in plaats van ijzer."

Na bevestiging van de vorming van enkele ijzeratomen op de cytochroomplaatsen op het oppervlak van bacteriële cellen, het team dompelde de bacteriën onder in een oplossing met iridium, wat een vergelijkbaar en zeer bevredigend resultaat opleverde.

"Het zien van afzonderlijke atomen op het oppervlak van bacteriën was een grote uitdaging, ", zegt Pedireddy. "Met de hoge-resolutie elektronenmicroscopiefaciliteiten bij KAUST, we waren in staat om de atomair verspreide enkele atomen van metalen op het bacterieoppervlak te visualiseren."

Het team ontdekte dat ze de bacteriën konden laden met maximaal 1 procent goed verspreid iridium met één atoom, het geven van een betrouwbaardere katalysator met vergelijkbare waterstofontwikkelingsactiviteit als de platina/koolstofstandaard tegen een fractie van de kosten van andere methoden met één atoom.

"Ons werk zou het gebruik van andere efficiënte elektroactieve bacteriën kunnen inspireren voor het synthetiseren van hoogwaardige en goedkope elektrokatalysatoren voor verschillende energiegerelateerde toepassingen, ' zegt Saikaly.