Ingenjörer vid Lehigh University är de första som använder en enda enzymbiomineraliseringsprocess för att skapa en katalysator som använder energin från fångat solljus för att dela vattenmolekyler för att producera väte. Syntesprocessen utförs vid rumstemperatur och under omgivningstryck, övervinna utmaningarna för hållbarhet och skalbarhet för tidigare rapporterade metoder.

Soldriven vattensplittring är en lovande väg mot en förnybar energibaserad ekonomi. Det genererade vätet kan fungera både som transportbränsle och som en kritisk kemisk råvara för gödningsmedel och kemisk produktion. Båda dessa sektorer bidrar för närvarande med en stor bråkdel av de totala utsläppen av växthusgaser.

En av utmaningarna för att förverkliga löftet om soldriven energiproduktion är att, medan det nödvändiga vattnet är en riklig resurs, tidigare utforskade metoder använder komplexa vägar som kräver miljöskadliga lösningsmedel och massiva mängder energi för att producera i stor skala. Kostnaden och skadan för miljön har gjort dessa metoder omöjliga att fungera som en långsiktig lösning.

Nu har ett team av ingenjörer vid Lehigh University utnyttjat en biomineraliseringsmetod för att syntetisera både kvantbegränsade nanopartikelmetallsulfidpartiklar och det stödjande reducerade grafenoxidmaterialet för att skapa en fotokatalysator som delar vatten för att bilda väte. Teamet rapporterade sina resultat i en artikel med titeln:"Enzymatisk syntes av stödda CdS -kvantprickar/reducerade grafenoxidfotokatalysatorer" som finns på omslaget till den 7 augusti -numret av Grön kemi , en tidskrift för Royal Society of Chemistry.

Tidningens författare inkluderar:Steven McIntosh, Professor i Lehighs institution för kemisk och biomolekylär teknik, tillsammans med Leah C. Spangler, tidigare doktorand student och John D. Sakizadeh, nuvarande doktorsexamen studerande; också, som Christopher J. Kiely, Harold B. Chambers Seniorprofessor vid Lehighs institution för materialvetenskap och teknik och Joseph P. Cline, en doktorsexamen student som arbetar med Kiely.

"Vår vattenbaserade process representerar en skalbar grön väg för produktion av denna lovande fotokatalysatorteknik, sa McIntosh, som också är biträdande chef för Lehigh's Institute for Functional Materials and Devices.

Under de senaste åren har McIntoshs grupp har utvecklat en enda enzymmetod för biomineralisering-processen genom vilken levande organismer producerar mineraler av storleksstyrd, kvantbegränsade metallsulfid -nanokristaller. I ett tidigare samarbete med Kiely, labbet visade framgångsrikt den första exakt kontrollerade, biologiskt sätt att tillverka kvantprickar. Deras enstegsmetod började med konstruerade bakterieceller i en enkel, vattenlösning och slutade med funktionella halvledande nanopartiklar, allt utan att tillgripa höga temperaturer och giftiga kemikalier. Metoden presenterades i en artikel i New York Times:"Hur en mystisk bakterie nästan gav dig en bättre TV."

"Andra grupper har experimenterat med biomineralisering för kemisk syntes av nanomaterial, säger Spangler, huvudförfattare och för närvarande postdoktoral forskare vid Princeton University. "Utmaningen har varit att uppnå kontroll över materialens egenskaper som partikelstorlek och kristallinitet så att det resulterande materialet kan användas i energitillämpningar."

McIntosh beskriver hur Spangler kunde ställa in gruppens etablerade biomineraliseringsprocess för att inte bara syntetisera kadmiumsulfid -nanopartiklar utan också för att reducera grafenoxid till den mer ledande reducerade grafenoxidformen.

"Hon kunde sedan binda ihop de två komponenterna för att skapa en mer effektiv fotokatalysator bestående av nanopartiklar som stöds av den reducerade grafenoxiden, "säger McIntosh." Således gjorde hennes hårda arbete och resulterande upptäckt det möjligt att syntetisera båda kritiska komponenterna för fotokatalysatorn på ett grönt sätt. "

Teamets arbete visar nyttan av biomineralisering för att realisera godartad syntes av funktionella material för användning inom energisektorn.

"Industri kan överväga att implementera sådana nya syntesvägar i stor skala, "tillägger Kiely." Andra forskare kan också kunna använda begreppen i detta arbete för att skapa andra material av kritisk teknisk betydelse. "

McIntosh betonar potentialen med denna lovande nya metod som "en grön väg, till en grön energikälla, använder rikliga resurser. "

"Det är avgörande att inse att alla praktiska lösningar för att förgröna vår energisektor måste implementeras i enorm skala för att få någon betydande inverkan, " han lägger till.