Utnyttjar den ovanliga metallreducerande förmågan hos den järnandande bakterien Geobacter sulfurreducens, KAUST-forskare har visat ett billigt och pålitligt sätt att syntetisera högaktiva enatomkatalysatorer. Innovationen, som dramatiskt kan förbättra effektiviteten och kostnaden för väteproduktion från vatten, lyfter fram den roll naturen kan spela i sökandet efter nya energisystem.

Många kemiska reaktioner kräver en katalysator som en reaktiv yta där atomer eller molekyler samlas med rätt mängd energi för att utlösa en kemisk förändring. Vatten, till exempel, kan delas upp i väte- och syreatomer genom att reagera på ett par elektroder av platina och iridiumoxid. Reaktionens effektivitet, dock, beror till stor del på hur många atomer som kan engagera sig.

"I en nanopartikelkatalysator, endast 20 procent av metallatomerna kan vara tillgängliga för katalys, säger Srikanth Pedireddy, tidigare vid KAUST och nu vid University of Exeter, Storbritannien "Single-atom katalysatorer, å andra sidan, tillåta 100 procent atomutnyttjande och så är lovande för olika katalysatortillämpningar; dock, konventionella syntesmetoder är dyra, innebär höga temperaturer och ger bara låga utbyten med dålig atomfördelning. "

På jakt efter ett mer tillförlitligt och kostnadseffektivt tillvägagångssätt, Pedireddy, Pascal Saikaly och deras kollegor vände sig till naturen. Den anaeroba bakterien G. sulfureducens är ovanlig genom att den 'andas' järn, inte syre, och har den anmärkningsvärda förmågan att leda elektroner från insidan till utsidan av cellen.

"Denna bakterie har redoxaktiva proteiner som kallas c-typ cytokromer som innehåller ett hemkomplex-en central järnatom som är samordnad med fyra kväveatomer i en porfyrinring, "säger Pedireddy." Vi tänkte oss att denna hemplats skulle kunna användas för att kemiskt minska enskilda atomer av katalytiskt aktiva metaller istället för järn. "

Efter att ha bekräftat bildandet av enstaka järnatomer vid de cytokroma platserna på ytan av bakterieceller, laget nedsänkte bakterierna i en lösning som innehåller iridium, vilket gav ett liknande och mycket tillfredsställande resultat.

"Att se enskilda atomer på ytan av bakterier var en stor utmaning, "säger Pedireddy." Med högupplösta elektronmikroskopimöjligheter på KAUST, vi kunde visualisera de atomiskt spridda enskilda atomerna av metaller på bakterieytan. "

Teamet fann att de kunde ladda bakterierna med upp till 1 procent av väl dispergerad enkelatom iridium, ger en mer tillförlitlig katalysator med jämförbar väteutvecklande aktivitet till platina/kolstandarden till en bråkdel av kostnaden för andra enkelatommetoder.

"Vårt arbete kan inspirera till användning av andra effektiva elektroaktiva bakterier för syntetisering av högpresterande och billiga elektrokatalysatorer för olika energirelaterade applikationer, "Säger Saikaly.