Los ingenieros de la Universidad de Lehigh son los primeros en utilizar un proceso de biomineralización de una sola enzima para crear un catalizador que utiliza la energía de la luz solar capturada para dividir las moléculas de agua para producir hidrógeno. El proceso de síntesis se realiza a temperatura ambiente y a presión ambiente, superando los desafíos de sostenibilidad y escalabilidad de los métodos informados anteriormente.

La división del agua impulsada por energía solar es una ruta prometedora hacia una economía basada en energías renovables. El hidrógeno generado podría servir como combustible de transporte y como materia prima química crítica para la producción de fertilizantes y productos químicos. Ambos sectores contribuyen actualmente con una gran fracción de las emisiones totales de gases de efecto invernadero.

Uno de los desafíos para hacer realidad la promesa de la producción de energía impulsada por energía solar es que, mientras que el agua requerida es un recurso abundante, Los métodos previamente explorados utilizan rutas complejas que requieren solventes que dañan el medio ambiente y cantidades masivas de energía para producir a gran escala. El costo y el daño al medio ambiente han hecho que estos métodos sean inviables como solución a largo plazo.

Ahora, un equipo de ingenieros de la Universidad de Lehigh ha aprovechado un enfoque de biomineralización para sintetizar partículas de sulfuro metálico de nanopartículas confinadas cuánticas y el material de óxido de grafeno reducido de soporte para crear un fotocatalizador que divide el agua para formar hidrógeno. El equipo informó sus resultados en un artículo titulado:"Síntesis enzimática de fotocatalizadores CdS de punto cuántico / óxido de grafeno reducido compatibles" que aparece en la portada de la edición del 7 de agosto de Química verde , una revista de la Royal Society of Chemistry.

Los autores del artículo incluyen:Steven McIntosh, Profesor del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de Lehigh, junto con Leah C. Spangler, ex Ph.D. estudiante y John D. Sakizadeh, actual Ph.D. estudiante; así como, como Christopher J. Kiely, Harold B. Chambers, profesor principal del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Lehigh y Joseph P. Cline, un doctorado estudiante que trabaja con Kiely.

"Nuestro proceso a base de agua representa una ruta verde escalable para la producción de esta prometedora tecnología de fotocatalizador, "dijo McIntosh, quien también es Director Asociado del Instituto de Materiales y Dispositivos Funcionales de Lehigh.

Durante los últimos años, El grupo de McIntosh ha desarrollado un enfoque de enzima única para la biomineralización:el proceso mediante el cual los organismos vivos producen minerales de tamaño controlado, nanocristales de sulfuro metálico confinado cuántico. En una colaboración anterior con Kiely, el laboratorio demostró con éxito el primer control forma biológica de fabricar puntos cuánticos. Su método de un solo paso comenzó con células bacterianas diseñadas de una manera simple, solución acuosa y terminó con nanopartículas semiconductoras funcionales, todo ello sin recurrir a altas temperaturas y productos químicos tóxicos. El método apareció en un artículo del New York Times:"Cómo una bacteria misteriosa casi le dio una mejor televisión".

"Otros grupos han experimentado con la biomineralización para la síntesis química de nanomateriales, "dice Spangler, autor principal y actualmente investigador postdoctoral en la Universidad de Princeton. "El desafío ha sido lograr el control sobre las propiedades de los materiales, como el tamaño de las partículas y la cristalinidad, de modo que el material resultante se pueda utilizar en aplicaciones energéticas".

McIntosh describe cómo Spangler pudo ajustar el proceso de biomineralización establecido del grupo no solo para sintetizar las nanopartículas de sulfuro de cadmio, sino también para reducir el óxido de grafeno a la forma de óxido de grafeno reducido más conductora.

"Luego pudo unir los dos componentes para crear un fotocatalizador más eficiente que consistía en nanopartículas apoyadas en el óxido de grafeno reducido". ", dice McIntosh. Por lo tanto, su arduo trabajo y el descubrimiento resultante permitieron que ambos componentes críticos para el fotocatalizador se sintetizaran de manera ecológica".

El trabajo del equipo demuestra la utilidad de la biomineralización para realizar síntesis benigna de materiales funcionales para su uso en el sector energético.

"La industria puede considerar la implementación de tales rutas de síntesis novedosas a escala, ", añade Kiely." Otros científicos también pueden utilizar los conceptos de este trabajo para crear otros materiales de importancia tecnológica crítica ".

McIntosh enfatiza el potencial de este nuevo y prometedor método como "una ruta verde, a una fuente de energía verde, utilizando abundantes recursos ".

"Es fundamental reconocer que cualquier solución práctica para la ecologización de nuestro sector energético tendrá que implementarse a una escala enorme para tener un impacto sustancial, " él añade.