Gli ingegneri della Lehigh University sono i primi ad utilizzare un singolo processo di biomineralizzazione enzimatica per creare un catalizzatore che utilizza l'energia della luce solare catturata per dividere le molecole d'acqua e produrre idrogeno. Il processo di sintesi viene eseguito a temperatura ambiente e sotto pressione ambiente, superare le sfide di sostenibilità e scalabilità dei metodi precedentemente segnalati.

La scissione dell'acqua azionata dal sole è una strada promettente verso un'economia basata sull'energia rinnovabile. L'idrogeno generato potrebbe servire sia come carburante per il trasporto che come materia prima chimica fondamentale per la produzione di fertilizzanti e prodotti chimici. Entrambi questi settori contribuiscono attualmente a una grande frazione delle emissioni totali di gas serra.

Una delle sfide per realizzare la promessa della produzione di energia solare è che, mentre l'acqua necessaria è una risorsa abbondante, i metodi precedentemente esplorati utilizzano percorsi complessi che richiedono solventi dannosi per l'ambiente e enormi quantità di energia per produrre su larga scala. Le spese ei danni all'ambiente hanno reso questi metodi impraticabili come soluzione a lungo termine.

Ora un team di ingegneri della Lehigh University ha sfruttato un approccio di biomineralizzazione per sintetizzare sia le particelle di solfuro metallico di nanoparticelle quantistiche confinate sia il materiale di supporto ridotto di ossido di grafene per creare un fotocatalizzatore che divide l'acqua per formare idrogeno. Il team ha riportato i risultati in un articolo intitolato:"Sintesi enzimatica di fotocatalizzatori a punti quantici supportati da CdS/ossido di grafene ridotto" apparso sulla copertina del numero del 7 agosto di chimica verde , un giornale della Royal Society of Chemistry.

Gli autori del documento includono:Steven McIntosh, Professore nel Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare di Lehigh, insieme a Leah C. Spangler, ex dottorato di ricerca studente e John D. Sakizadeh, attuale dottorato di ricerca alunno; anche, come Christopher J. Kiely, Harold B. Chambers Professore Senior nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali di Lehigh e Joseph P. Cline, un dottorato di ricerca studente che lavora con Kiely.

"Il nostro processo a base d'acqua rappresenta un percorso verde scalabile per la produzione di questa promettente tecnologia di fotocatalizzatori, "ha detto McIntosh, che è anche Direttore Associato dell'Institute for Functional Materials and Devices di Lehigh.

Negli ultimi anni, Il gruppo di McIntosh ha sviluppato un unico approccio enzimatico per la biomineralizzazione, il processo mediante il quale gli organismi viventi producono minerali di dimensioni controllate, nanocristalli di solfuro di metallo confinato quantistico. In una precedente collaborazione con Kiely, il laboratorio ha dimostrato con successo il primo controllo preciso, metodo biologico per produrre punti quantici. Il loro metodo in un solo passaggio è iniziato con cellule batteriche ingegnerizzate in modo semplice, soluzione acquosa e terminata con nanoparticelle semiconduttrici funzionali, il tutto senza ricorrere ad alte temperature e sostanze chimiche tossiche. Il metodo è stato descritto in un articolo del New York Times:"Come un misterioso batterio ti ha quasi dato una TV migliore".

"Altri gruppi hanno sperimentato la biomineralizzazione per la sintesi chimica di nanomateriali, "dice Spangler, autore principale e attualmente ricercatore post-dottorato presso la Princeton University. "La sfida è stata ottenere il controllo sulle proprietà dei materiali come la dimensione delle particelle e la cristallinità in modo che il materiale risultante possa essere utilizzato in applicazioni energetiche".

McIntosh descrive come Spangler è stato in grado di mettere a punto il processo di biomineralizzazione stabilito dal gruppo non solo per sintetizzare le nanoparticelle di solfuro di cadmio, ma anche per ridurre l'ossido di grafene alla forma di ossido di grafene ridotta più conduttiva.

"È stata quindi in grado di legare insieme i due componenti per creare un fotocatalizzatore più efficiente costituito dalle nanoparticelle supportate sull'ossido di grafene ridotto, " afferma McIntosh. "Così il suo duro lavoro e la conseguente scoperta hanno permesso di sintetizzare in modo ecologico entrambi i componenti critici per il fotocatalizzatore".

Il lavoro del team dimostra l'utilità della biomineralizzazione per realizzare una sintesi benigna di materiali funzionali da utilizzare nel settore energetico.

"L'industria può prendere in considerazione l'implementazione di tali nuovi percorsi di sintesi su larga scala, " aggiunge Kiely. "Anche altri scienziati potrebbero essere in grado di utilizzare i concetti di questo lavoro per creare altri materiali di fondamentale importanza tecnologica".

McIntosh sottolinea il potenziale di questo nuovo metodo promettente come "un percorso verde, ad una fonte di energia verde, utilizzando abbondanti risorse”.

"È fondamentale riconoscere che qualsiasi soluzione pratica per l'inverdimento del nostro settore energetico dovrà essere implementata su scala enorme per avere un impatto sostanziale, " Aggiunge.