Het mengen van microben met koolstofnanomaterialen zou de overgang naar hernieuwbare energie kunnen helpen. Onderzoek van KAUST toont aan dat microben en nanomaterialen samen kunnen worden gebruikt om een ​​biohybride materiaal te vormen dat goed presteert als elektrokatalysator. Het materiaal zou kunnen worden gebruikt voor de productie van koolstofvrije brandstoffen op zonne-energie en verschillende andere toepassingen van groene energie.

De kern van veel technologieën voor schone energie is een proces dat de zuurstof-evolutiereactie (OER) wordt genoemd. In het geval van de productie van zonne-brandstof, bijvoorbeeld, de OER maakt het gebruik van zonne-elektriciteit mogelijk om watermoleculen te splitsen in zuurstof en waterstof, produceren van schone waterstof die als brandstof kan worden gebruikt. Momenteel, zeldzame en dure metalen worden gebruikt als OER-elektrokatalysatoren. Maar op grafeen gebaseerde biohybride materialen kunnen een goedkope, milieuvriendelijk alternatief, Pascal Saikaly en zijn team hebben laten zien.

Grafeen - een laag koolstof die slechts een enkele laag atomen dik is - en nauw verwant gereduceerd grafeenoxide zijn zeer geleidend, mechanisch robuust en overal verkrijgbaar. Echter, ze worden pas actieve katalysatoren als ze zijn gedoteerd met andere elementen, zoals zwavel, ijzer, stikstof of koper.

"Gewoonlijk worden op grafeen gebaseerde OER-katalysatoren ontwikkeld door chemische methoden, die strenge reactieomstandigheden vereisen, zoals hoge temperatuur en overvloedige giftige chemicaliën, " legt Shafeer Kalathil uit, Saikaly's voormalige postdoc. Een milieuvriendelijker alternatief is om microben te gebruiken om het oppervlak van het gereduceerde grafeenoxide te versieren. "We gebruikten de elektrische bacterie Geobacter sulfurreducens omdat deze niet-pathogeen is, rijk aan ijzerhoudende eiwitten en overvloedig in de natuur, ", legt Kalathil uit.

Toen het team de bacterie en het grafeenoxide onder zuurstofvrije omstandigheden mengde, de bacteriecellen hechten aan het oppervlak en produceren ijzerrijke eiwitten om biochemisch te interageren met het grafeenoxide als onderdeel van hun natuurlijke metabolisme. Als resultaat, het gereduceerde grafeenoxide wordt versierd met ijzer, koper en zwavel; daarbij, een zeer efficiënte OER-elektrokatalysator te worden.

"De elementen die door de bacterie werden bijgedragen, transformeerden het katalytisch inerte grafeen in een zeer elektrokatalytische, ", zegt Kalathil. "De OER-activiteit van het biohybride materiaal presteerde beter dan de dure, op metaal gebaseerde OER-katalysatoren, " voegt hij eraan toe. De bonus is de milieuvriendelijke methode die het team heeft gebruikt om het te maken.

Saikaly en zijn team werken nu aan de grootschalige productie en commercialisering van deze biohybride katalysator en de ontwikkeling van andere soorten biohybride katalysatoren voor andere belangrijke elektrokatalytische reacties, zoals waterstof-evolutiereactie en kooldioxidereductie.