Explorando a capacidade incomum de redução de metais da bactéria que respira ferro Geobacter sulfurreducens, Os pesquisadores da KAUST demonstraram uma maneira barata e confiável de sintetizar catalisadores de átomo único altamente ativos. A inovação, o que poderia melhorar drasticamente a eficiência e o custo da produção de hidrogênio a partir da água, destaca o papel que a natureza pode desempenhar na busca de novos sistemas energéticos.

Muitas reações químicas requerem um catalisador como superfície reativa onde átomos ou moléculas são reunidos com a quantidade certa de energia para desencadear uma mudança química. Água, por exemplo, pode ser dividido em átomos de hidrogênio e oxigênio reagindo em um par de eletrodos feitos de platina e óxido de irídio. A eficiência da reação, Contudo, depende muito de quantos átomos podem estar envolvidos.

"Em um catalisador de nanopartículas, apenas 20 por cento dos átomos de metal podem estar disponíveis para catálise, "diz Srikanth Pedireddy, anteriormente na KAUST e agora na Universidade de Exeter, U.K. "Catalisadores de átomo único, por outro lado, permitem 100 por cento de utilização atômica e, portanto, são promissores para várias aplicações de catalisadores; Contudo, métodos de síntese convencionais são caros, envolvem altas temperaturas e só dão baixos rendimentos com má distribuição atômica. "

Em busca de uma abordagem mais confiável e econômica, Pedireddy, Pascal Saikaly e seus colegas se voltaram para a natureza. A bactéria anaeróbia G. sulfurreducens é incomum porque "respira" ferro, não oxigênio, e tem a notável capacidade de conduzir elétrons de dentro para fora da célula.

"Esta bactéria tem proteínas ativas redox chamadas citocromos do tipo C que contêm um complexo heme - um átomo de ferro central coordenado a quatro átomos de nitrogênio de um anel de porfirina, "diz Pedireddy." Prevemos que este sítio heme poderia ser usado para reduzir quimicamente átomos individuais de metais cataliticamente ativos em vez de ferro. "

Depois de confirmar a formação de átomos de ferro únicos nos locais do citocromo na superfície das células bacterianas, a equipe imergiu a bactéria em uma solução contendo irídio, que produziu um resultado semelhante e muito satisfatório.

"Ver átomos isolados na superfície das bactérias foi um grande desafio, "diz Pedireddy." Com as instalações de microscopia eletrônica de alta resolução da KAUST, fomos capazes de visualizar os átomos isolados atomicamente dispersos de metais na superfície das bactérias. "

A equipe descobriu que poderia carregar as bactérias com até 1 por cento de irídio de átomo único bem disperso, dando um catalisador mais confiável com atividade de evolução de hidrogênio comparável ao padrão de platina / carbono por uma fração do custo de outros métodos de átomo único.

"Nosso trabalho pode inspirar o uso de outras bactérias eletroativas eficientes para a síntese de eletrocatalisadores de alto desempenho e baixo custo para várias aplicações relacionadas à energia, "Saikaly diz.