Aprovechando la inusual capacidad reductora de metales de la bacteria que respira hierro Geobacter sulfurreducens, Los investigadores de KAUST han demostrado una forma económica y fiable de sintetizar catalizadores de un solo átomo altamente activos. La innovación que podría mejorar drásticamente la eficiencia y el costo de la producción de hidrógeno a partir del agua, destaca el papel que puede desempeñar la naturaleza en la búsqueda de nuevos sistemas energéticos.

Muchas reacciones químicas requieren un catalizador como superficie reactiva donde los átomos o moléculas se unen con la cantidad correcta de energía para provocar un cambio químico. Agua, por ejemplo, se puede dividir en átomos de hidrógeno y oxígeno al reaccionar en un par de electrodos hechos de platino y óxido de iridio. La eficiencia de la reacción, sin embargo, depende en gran medida de cuántos átomos pueden participar.

"En un catalizador de nanopartículas, solo el 20 por ciento de los átomos de metal podrían estar disponibles para catálisis, "dice Srikanth Pedireddy, anteriormente en KAUST y ahora en la Universidad de Exeter, Reino Unido "Catalizadores de un solo átomo, por otra parte, permiten una utilización atómica del 100 por ciento y, por lo tanto, son prometedoras para diversas aplicaciones de catalizadores; sin embargo, los métodos de síntesis convencionales son caros, implican altas temperaturas y solo dan rendimientos bajos con mala distribución atómica ".

En busca de un enfoque más confiable y rentable, Pedireddy Pascal Saikaly y sus colegas se volvieron hacia la naturaleza. La bacteria anaeróbica G. sulfurreducens es inusual porque 'respira' hierro, no oxigeno, y tiene la notable capacidad de conducir electrones desde el interior hacia el exterior de la celda.

"Esta bacteria tiene proteínas activas redox 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, ", dice Pedireddy." Pensamos que este sitio hemo podría usarse para reducir químicamente átomos individuales de metales catalíticamente activos en lugar de hierro ".

Después de confirmar la formación de átomos de hierro individuales en los sitios del citocromo en la superficie de las células bacterianas, el equipo sumergió las bacterias en una solución que contenía iridio, que produjo un resultado similar y muy satisfactorio.

"Ver átomos individuales en la superficie de las bacterias fue un gran desafío, "dice Pedireddy." Con las instalaciones de microscopía electrónica de alta resolución en KAUST, pudimos visualizar los átomos individuales de metales dispersos atómicamente en la superficie de las bacterias ".

El equipo descubrió que podían cargar las bacterias con hasta un 1 por ciento de iridio de un solo átomo bien disperso. dando un catalizador más confiable con actividad de generación de hidrógeno comparable al estándar de platino / carbono a una fracción del costo de otros métodos de un solo átomo.

"Nuestro trabajo podría inspirar el uso de otras bacterias electroactivas eficientes para sintetizar electrocatalizadores de alto rendimiento y bajo costo para diversas aplicaciones relacionadas con la energía, "Dice Saikaly.