Инженеры из Университета Лихай первыми использовали процесс биоминерализации с одним ферментом для создания катализатора, который использует энергию захваченного солнечного света для расщепления молекул воды для производства водорода. Процесс синтеза выполняется при комнатной температуре и при атмосферном давлении, преодолевая проблемы устойчивости и масштабируемости ранее описанных методов.
Расщепление воды с использованием солнечной энергии - многообещающий путь к экономике, основанной на возобновляемых источниках энергии. Полученный водород может служить как транспортным топливом, так и важным химическим сырьем для производства удобрений и химической продукции. На оба этих сектора в настоящее время приходится значительная доля общих выбросов парниковых газов.
Одна из проблем на пути реализации перспектив производства солнечной энергии заключается в том, что, хотя необходимая вода является обильным ресурсом, ранее изученные методы используют сложные пути, которые требуют экологически вредных растворителей и огромного количества энергии для производить в больших масштабах. Расходы и вред окружающей среде сделали эти методы неприменимыми в качестве долгосрочного решения.
Теперь команда инженеров из Университета Лихай использовала биоминерализационный подход для синтеза частиц сульфида металла в виде квантово-ограниченных наночастиц и вспомогательного материала из восстановленного оксида графена для создания фотокатализатора, который расщепляет воду с образованием водорода. Команда сообщила о своих результатах в статье под названием «Ферментативный синтез фотокатализаторов с квантовыми точками CdS и восстановленным оксидом графена», опубликованной на обложке журнала Королевского химического общества Green Chemistry от 7 августа.
Среди авторов статьи: Стивен Макинтош, профессор кафедры химической и биомолекулярной инженерии Лихай, а также Лия С. Спенглер, бывшая доктор философии. студент и Джон Д. Сакизаде, нынешний доктор философии. ученик; а также Кристофер Дж. Кили, старший профессор Гарольда Б. Чемберса кафедры материаловедения и инженерии Лихай, и Джозеф П. Клайн, доктор философии. студент, работающий с Кили.
"Наш процесс на водной основе представляет собой масштабируемый зеленый путь для производства этой многообещающей технологии фотокатализаторов", - сказал Макинтош, который также является заместителем директора Института функциональных материалов и устройств Лехай.
За последние несколько лет группа Макинтоша разработала единый ферментный подход к биоминерализации - процессу, с помощью которого живые организмы производят минералы из нанокристаллов сульфидов металлов контролируемого размера, квантово ограниченных. В предыдущем сотрудничестве с Kiely лаборатория успешно продемонстрировала первый точно контролируемый биологический способ производства квантовых точек. Их одноэтапный метод начался с создания бактериальных клеток в простом водном растворе и закончился функциональными полупроводниковыми наночастицами, не прибегая к высоким температурам и токсичным химическим веществам. Этот метод был описан в статье в New York Times: «Как загадочные бактерии почти дали вам лучший телевизор».
«Другие группы экспериментировали с биоминерализацией для химического синтеза наноматериалов», - говорит Спенглер, ведущий автор и в настоящее время научный сотрудник Принстонского университета. «Задача заключалась в том, чтобы добиться контроля над свойствами материалов, такими как размер частиц и кристалличность, чтобы полученный материал можно было использовать в энергетических приложениях».
McIntosh описывает, как Спенглер смог настроить установленный группой процесс биоминерализации не только для синтеза наночастиц сульфида кадмия, но и для восстановления оксида графена до более проводящей формы восстановленного оксида графена.
«Затем она смогла связать два компонента вместе, чтобы создать более эффективный фотокатализатор, состоящий из наночастиц, нанесенных на восстановленный оксид графена», - говорит Макинтош. «Таким образом, ее тяжелая работа и полученные в результате открытия позволили синтезировать оба критически важных компонента фотокатализатора экологически безопасным способом».
Работа группы демонстрирует полезность биоминерализации для реализации безопасного синтеза функциональных материалов для использования в энергетическом секторе.
«Промышленность может рассмотреть возможность внедрения таких новых способов синтеза в больших масштабах», - добавляет Кили. «Другие ученые также могут использовать концепции этой работы для создания других материалов, имеющих критическое технологическое значение».
Макинтош подчеркивает потенциал этого многообещающего нового метода как «зеленого пути к зеленому источнику энергии с использованием обильных ресурсов».
«Очень важно признать, что любое практическое решение по экологизации нашего энергетического сектора должно быть реализовано в огромных масштабах, чтобы иметь какое-либо существенное влияние», - добавляет он..