02.06.2021 - King Abdullah University of Science and Technology (KAUST)

Bakterien helfen Katalysatoren Atom für Atom aufzubauen

Ein rätselhaftes Bakterium erweist sich als nützlicher Verbündeter für die Synthese von Ein-Atom-Katalysatoren zur Abspaltung von Wasserstoff aus Wasser

Unter Ausnutzung der ungewöhnlichen metallreduzierenden Fähigkeit des eisenatmenden Bakteriums Geobacter sulfurreducens haben KAUST-Forscher einen kostengünstigen und zuverlässigen Weg zur Synthese hochaktiver Einzelatom-Katalysatoren demonstriert. Die Innovation, die die Effizienz und die Kosten der Wasserstoffproduktion aus Wasser drastisch verbessern könnte, unterstreicht die Rolle, die die Natur bei der Suche nach neuen Energiesystemen spielen kann.

Viele chemische Reaktionen benötigen einen Katalysator als reaktive Oberfläche, auf der Atome oder Moleküle mit der richtigen Menge an Energie zusammengebracht werden, um eine chemische Veränderung auszulösen. Wasser zum Beispiel kann durch die Reaktion an einem Elektrodenpaar aus Platin- und Iridiumoxid in Wasserstoff- und Sauerstoffatome gespalten werden. Die Effizienz der Reaktion hängt jedoch maßgeblich davon ab, wie viele Atome sich daran beteiligen können.

"In einem Nanopartikel-Katalysator stehen vielleicht nur 20 Prozent der Metallatome für die Katalyse zur Verfügung", sagt Srikanth Pedireddy, früher an der KAUST und jetzt an der University of Exeter, U.K. "Einatomige Katalysatoren hingegen erlauben eine 100-prozentige atomare Ausnutzung und sind daher vielversprechend für verschiedene Katalysatoranwendungen; allerdings sind herkömmliche Synthesemethoden teuer, erfordern hohe Temperaturen und liefern nur geringe Ausbeuten bei schlechter atomarer Verteilung."

Auf der Suche nach einem zuverlässigeren und kostengünstigeren Ansatz wandten sich Pedireddy, Pascal Saikaly und ihre Kollegen der Natur zu. Das anaerobe Bakterium G. sulfurreducens ist insofern ungewöhnlich, als es Eisen und nicht Sauerstoff "atmet" und die bemerkenswerte Fähigkeit besitzt, Elektronen von innerhalb nach außerhalb der Zelle zu leiten.

"Dieses Bakterium hat redoxaktive Proteine, die sogenannten c-Typ-Cytochrome, die einen Häm-Komplex enthalten - ein zentrales Eisenatom, das mit vier Stickstoffatomen eines Porphyrinrings koordiniert ist", sagt Pedireddy. "Wir stellten uns vor, dass diese Häm-Stelle genutzt werden könnte, um einzelne Atome von katalytisch aktiven Metallen anstelle von Eisen chemisch zu reduzieren."

Nachdem das Team die Bildung einzelner Eisenatome an den Cytochromstellen auf der Oberfläche der Bakterienzellen bestätigt hatte, tauchte es die Bakterien in eine iridiumhaltige Lösung, was zu einem ähnlichen und sehr zufriedenstellenden Ergebnis führte.

"Einzelne Atome auf der Oberfläche von Bakterien zu sehen, war eine große Herausforderung", sagt Pedireddy. "Mit den hochauflösenden Elektronenmikroskopie-Einrichtungen an der KAUST waren wir in der Lage, die atomar verteilten Einzelatome der Metalle auf der Bakterienoberfläche sichtbar zu machen."

Das Team fand heraus, dass sie die Bakterien mit bis zu 1 Prozent gut dispergiertem einatomigem Iridium beladen konnten, was einen zuverlässigeren Katalysator mit vergleichbarer Wasserstoff entwickelnder Aktivität wie der Platin/Kohlenstoff-Standard zu einem Bruchteil der Kosten anderer einatomiger Methoden ergab.

"Unsere Arbeit könnte die Verwendung anderer effizienter elektroaktiver Bakterien für die Synthese hochleistungsfähiger und kostengünstiger Elektrokatalysatoren für verschiedene energiebezogene Anwendungen inspirieren", sagt Saikaly.

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