Elektroactieve bacterie genereert goed gedefinieerde metaalkatalysatoren van nanoformaat met opmerkelijke watersplitsende prestaties

Een biologische methode die metalen nanoclusters produceert met behulp van de elektroactieve bacterie Geobacter sulfurreducens, zou een goedkope en duurzame oplossing kunnen bieden voor hoogwaardige katalysatorsynthese voor verschillende toepassingen, zoals watersplitsing.

Metalen nanoclusters bevatten minder dan honderd atomen en zijn veel kleiner dan nanodeeltjes. Ze hebben unieke elektronische eigenschappen, maar beschikken ook over tal van actieve sites die beschikbaar zijn voor katalyse op hun oppervlak. Er zijn verschillende synthetische methoden om metalen nanoclusters te maken, maar de meeste vereisen meerdere stappen met giftige stoffen en barre temperatuur- en drukomstandigheden.

Van biologische methoden wordt verwacht dat ze milieuvriendelijke alternatieven opleveren voor conventionele chemische synthese. Toch hebben ze tot op heden alleen geleid tot grote nanodeeltjes in een breed scala aan formaten. “We hebben een manier gevonden om de grootte van de nanoclusters te regelen”, zegt Rodrigo Jimenez-Sandoval, een Ph.D. kandidaat in de groep van Pascal Saikaly bij KAUST.

Nadat eerder was aangetoond dat het oppervlak van elektroactieve bacteriecellen zou kunnen dienen als ondersteuning voor afzonderlijke metaalatomen, onderzocht het team van Saikaly de creatie van biohybride materialen. Deze bestonden uit palladium nanoclusters verankerd aan het bacteriële oppervlak van G. sulfurreducens cellen. Deze bacterie, gemakkelijk te vinden in de bodem, kan elektronen overbrengen naar metalen die buiten de cel aanwezig zijn en kan ook elektriciteit geleiden wanneer hij wordt gekweekt op een elektrode van een microbieel elektrochemisch systeem. In dit project fungeerde het als een reductiemiddel en een geleidende steiger voor de nanoclusters.

Op basis van de chemische synthese van nanodeeltjes besloten de onderzoekers om de concentratie van metaalprecursors in hun opstelling te beheersen, en hun poging loonde, zegt Jimenez-Sandoval. “Om op dit idee te komen, moesten we G. sulfurreducens zien als een chemische entiteit in plaats van een biologische entiteit.”

Ze ontdekten dat het stap voor stap toevoegen van de metaalprecursor de sleutel was tot het verfijnen van de grootte en distributie van de nanocluster en, uiteindelijk, de katalytische prestaties.

Als een proof of concept evalueerden de onderzoekers de katalytische prestaties van de as-gesynthetiseerde nanoclusters verankerd aan het bacteriële oppervlak voor de algehele watersplitsingsreactie, waarbij water elektrochemisch wordt afgebroken tot gasvormige waterstof en zuurstof. De nanoclusters presteerden beter dan benchmark-katalysatoren op basis van platina en iridium die werden gebruikt voor de waterstof- en zuurstofevolutiereacties in alkalische oplossingen.

“Deze resultaten hebben zeer belangrijke implicaties voor toepassingen in het echte leven, omdat een katalysator gesynthetiseerd met een biologische methode niet alleen goedkoper en eenvoudiger is, maar ook groener”, zegt Jimenez-Sandoval.

De studie is gepubliceerd in het tijdschrift ACS Duurzame Chemie & Engineering.

Het team werkt nu aan de productie van een biohybride katalysator die niet afhankelijk is van edele metalen, maar een overvloediger en goedkoper materiaal om de duurzaamheid van hun strategie te verbeteren.