Sfruttando l'insolita capacità di riduzione dei metalli del batterio che respira ferro Geobacter sulfurreducens, I ricercatori KAUST hanno dimostrato un modo economico e affidabile per sintetizzare catalizzatori a singolo atomo altamente attivi. L'innovazione, che potrebbe migliorare notevolmente l'efficienza e il costo della produzione di idrogeno dall'acqua, mette in evidenza il ruolo che la natura può svolgere nella ricerca di nuovi sistemi energetici.

Molte reazioni chimiche richiedono un catalizzatore come superficie reattiva in cui gli atomi o le molecole sono riuniti con la giusta quantità di energia per innescare un cambiamento chimico. Acqua, Per esempio, può essere scisso in atomi di idrogeno e ossigeno reagendo su una coppia di elettrodi fatti di platino e ossido di iridio. L'efficienza della reazione, però, dipende in gran parte da quanti atomi possono essere coinvolti.

"In un catalizzatore di nanoparticelle, solo il 20% degli atomi di metallo potrebbe essere disponibile per la catalisi, "dice Srikanth Pedireddy, precedentemente alla KAUST e ora all'Università di Exeter, Regno Unito "catalizzatori a singolo atomo, d'altra parte, consentono l'utilizzo atomico al 100% e quindi sono promettenti per varie applicazioni di catalizzatori; però, i metodi di sintesi convenzionali sono costosi, comportano alte temperature e danno solo rese basse con una scarsa distribuzione atomica."

Alla ricerca di un approccio più affidabile ed economico, Pediretto, Pascal Saikaly e i loro colleghi si sono rivolti alla natura. Il batterio anaerobico G. sulfurreducens è insolito in quanto "respira" ferro, non ossigeno, e ha la notevole capacità di condurre gli elettroni dall'interno all'esterno della cellula.

"Questo batterio ha proteine ​​redox attive chiamate citocromi di tipo c che contengono un complesso eme, un atomo di ferro centrale coordinato a quattro atomi di azoto di un anello di porfirina, " dice Pedireddy. "Abbiamo previsto che questo sito eme potrebbe essere utilizzato per ridurre chimicamente singoli atomi di metalli cataliticamente attivi invece del ferro".

Dopo aver confermato la formazione di singoli atomi di ferro nei siti del citocromo sulla superficie delle cellule batteriche, il team ha immerso i batteri in una soluzione contenente iridio, che ha prodotto un risultato simile e molto soddisfacente.

"Vedere singoli atomi sulla superficie dei batteri è stata una grande sfida, " afferma Pedireddy. "Con le strutture di microscopia elettronica ad alta risoluzione di KAUST, siamo stati in grado di visualizzare i singoli atomi di metalli atomicamente dispersi sulla superficie dei batteri".

Il team ha scoperto che potevano caricare i batteri fino all'1% di iridio a atomo singolo ben disperso, fornendo un catalizzatore più affidabile con attività di evoluzione dell'idrogeno comparabile allo standard platino/carbonio ad una frazione del costo di altri metodi a singolo atomo.

"Il nostro lavoro potrebbe ispirare l'uso di altri batteri elettroattivi efficienti per sintetizzare elettrocatalizzatori ad alte prestazioni e a basso costo per varie applicazioni legate all'energia, "dice Saikaly.