Электроактивная бактерия создаёт чётко определённые наноразмерные металлические катализаторы с выдающейся эффективностью для расщепления воды
Биологический метод получения металлических нанокластеров с помощью электроактивной бактерии Geobacter sulfurreducens может стать дешёвым и устойчивым решением для синтеза высокопроизводительных катализаторов для таких применений, как расщепление воды.
Металлические нанокластеры содержат менее ста атомов и намного меньше наночастиц. Они обладают уникальными электронными свойствами и имеют множество активных центров на поверхности для катализа. Существует несколько методов синтеза нанокластеров, но большинство из них требуют многоэтапных процессов с использованием токсичных веществ и жёстких условий температуры и давления.
Биологические методы рассматриваются как экологичная альтернатива традиционному химическому синтезу. Однако до сих пор они приводили лишь к образованию крупных наночастиц с широким разбросом размеров. «Мы нашли способ контролировать размер нанокластеров», — говорит Родриго Хименес-Сандоваль, кандидат наук в группе Паскаля Сайкали в KAUST.
Ранее показав, что поверхность клеток электроактивных бактерий может служить основой для отдельных атомов металла, команда Сайкали исследовала создание биогибридных материалов. Они состояли из нанокластеров палладия, закреплённых на бактериальной поверхности клеток G. sulfurreducens. Эта бактерия, часто встречающаяся в почве, может переносить электроны на металлы вне клетки, а также проводить электричество при росте на электроде микробной электрохимической системы. В этом проекте она выступила в роли восстановителя и проводящей основы для нанокластеров.
Опираясь на опыт химического синтеза наночастиц, исследователи решили контролировать концентрацию металла-предшественника в своей установке, и их попытка увенчалась успехом, отмечает Хименес-Сандоваль. «Чтобы прийти к этой идее, нам пришлось думать о G. sulfurreducens как о химической, а не биологической сущности».
Они обнаружили, что ключом к точной настройке размера и распределения нанокластеров, а в итоге и каталитической производительности, является пошаговое добавление металла-предшественника.
В качестве доказательства концепции исследователи оценили каталитическую производительность синтезированных нанокластеров, закреплённых на бактериальной поверхности, для полной реакции расщепления воды, которая включает электрохимическое разложение воды на газообразные водород и кислород. Нанокластеры превзошли по эффективности эталонные катализаторы на основе платины и иридия, используемые для реакций выделения водорода и кислорода в щелочных растворах.
«Эти результаты имеют очень важное значение для реальных применений, потому что катализатор, синтезированный биологическим методом, не только дешевле и проще, но и экологичнее», — говорит Хименес-Сандоваль.
Исследование опубликовано в журнале ACS Sustainable Chemistry & Engineering.
Команда сейчас работает над созданием биогибридного катализатора, который не будет полагаться на благородные металлы, а на более распространённый и дешёвый материал, чтобы повысить устойчивость своей стратегии.