研究人员利用细菌制造廉价且可靠的合成高活性单原子催化剂

2021年05月31日 阅读量:2

KAUST的研究人员利用铁呼吸细菌Geobacter sulfreducens的非凡的金属还原能力,证明了一种廉价且可靠的合成高活性单原子催化剂的方法。这项创新可以显着提高水制氢的效率和成本,突出了自然界在寻找新能源系统中可以发挥的作用。

 

许多化学反应都需要催化剂作为反应性表面,其中原子或分子与适量的能量聚集在一起,从而引发化学变化。例如,水可以通过在由铂和铱氧化物制成的一对电极上反应而分解为氢和氧原子。但是,反应的效率很大程度上取决于可以涉及多少个原子。

该研究小组利用了铁呼吸细菌“ Geobacter sulfreducens”来合成单原子催化剂,该催化剂可用于各种与能源相关的应用。

 

在纳米粒子催化剂中,可能只有20%的金属原子可用于催化,曾在KAUST任职,现在在英国埃克塞特大学任职的Srikanth Pedireddy说,因此对于各种催化剂应用是有前途的;但是,常规合成方法昂贵,涉及高温并且仅产生低收率和不良的原子分布。

 

为了寻求一种更可靠,更具成本效益的方法,Pedireddy,Pascal Saikaly及其同事转向了大自然。厌氧菌硫还原菌是不寻常的,因为它“呼吸”铁而不是氧气,并且具有从细胞内到细胞外传导电子的显着能力。

Pedireddy说,这种细菌具有称为c型细胞色素的氧化还原活性蛋白,其中含有血红素复合物-中央铁原子与卟啉环的四个氮原子配位。我们设想该血红素位点可用于化学还原催化活性金属而不是铁的单个原子。

 

在确认细菌细胞表面的细胞色素部位形成单个铁原子后,研究小组将细菌浸入含有铱的溶液中,产生了相似且非常令人满意的结果。

 

Pedireddy说,看到细菌表面上的单个原子是一项重大挑战。借助KAUST的高分辨率电子显微镜设备,我们能够观察到细菌表面上金属原子分散的单原子。

 

研究小组发现,它们可以使细菌中负载多达1%的分散良好的单原子铱,从而提供一种更可靠的催化剂,其放氢活性与铂/碳标准相当,而成本仅为其他单原子的一小部分。

 

Pedireddy说,我们的工作可能会激发其他高效电活性细菌的使用,以合成用于各种能源相关应用的高性能和低成本电催化剂。

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