Reclutar bacterias para construir catalizadores átomo a átomo
Una enigmática bacteria resulta ser un útil aliado para la síntesis de catalizadores de un solo átomo para separar el hidrógeno del agua
Aprovechando la inusual capacidad de reducción de metales de la bacteria Geobacter sulfurreducens, que respira hierro, los investigadores de la KAUST han demostrado una forma barata y fiable de sintetizar catalizadores monoatómicos altamente activos. La innovación, que podría mejorar drásticamente la eficiencia y el coste de la producción de hidrógeno a partir del agua, pone de manifiesto el papel que puede desempeñar la naturaleza en la búsqueda de nuevos sistemas energéticos.
El equipo de investigación aprovechó la bacteria Geobacter sulfurreducens, que respira hierro, para sintetizar catalizadores de un solo átomo, que podrían utilizarse para diversas aplicaciones relacionadas con la energía.
© 2021 KAUST
Muchas reacciones químicas requieren un catalizador como superficie reactiva en la que los átomos o las moléculas se unen con la cantidad adecuada de energía para provocar un cambio químico. El agua, por ejemplo, puede dividirse en átomos de hidrógeno y oxígeno al reaccionar en un par de electrodos de platino y óxido de iridio. Sin embargo, la eficacia de la reacción depende en gran medida del número de átomos que puedan intervenir.
"En un catalizador de nanopartículas, sólo el 20 por ciento de los átomos de metal pueden estar disponibles para la catálisis", explica Srikanth Pedireddy, antes en la KAUST y ahora en la Universidad de Exeter (Reino Unido). "Los catalizadores de un solo átomo, en cambio, permiten un aprovechamiento atómico del 100 por cien y, por tanto, son prometedores para diversas aplicaciones catalíticas; sin embargo, los métodos de síntesis convencionales son caros, implican altas temperaturas y sólo dan rendimientos bajos con una mala distribución atómica".
En busca de un método más fiable y rentable, Pedireddy, Pascal Saikaly y sus colegas recurrieron a la naturaleza. La bacteria anaeróbica G. sulfurreducens es inusual porque "respira" hierro, no oxígeno, y tiene la notable capacidad de conducir electrones desde el interior al exterior de la célula.
"Esta bacteria tiene proteínas redox activas llamadas citocromos de tipo c que contienen un complejo hemo, un átomo de hierro central coordinado con cuatro átomos de nitrógeno de un anillo de porfirina", explica Pedireddy. "Imaginamos que este sitio hemo podría utilizarse para reducir químicamente átomos individuales de metales catalíticamente activos en lugar de hierro".
Tras confirmar la formación de átomos individuales de hierro en los sitios del citocromo en la superficie de las células bacterianas, el equipo sumergió las bacterias en una solución que contenía iridio, lo que produjo un resultado similar y muy satisfactorio.
"Ver átomos individuales en la superficie de las bacterias era un gran desafío", dice Pedireddy. "Con las instalaciones de microscopía electrónica de alta resolución de la KAUST, pudimos visualizar los átomos individuales de metales atómicamente dispersos en la superficie de las bacterias".
El equipo descubrió que podía cargar las bacterias con hasta un 1 por ciento de iridio monoatómico bien disperso, lo que proporcionaba un catalizador más fiable con una actividad de evolución del hidrógeno comparable a la del estándar de platino/carbono a una fracción del coste de otros métodos monoatómicos.
"Nuestro trabajo podría inspirar el uso de otras bacterias electroactivas eficientes para sintetizar electrocatalizadores de alto rendimiento y bajo coste para diversas aplicaciones relacionadas con la energía", afirma Saikaly.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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