Les ingénieurs de l'Université Lehigh sont les premiers à utiliser un seul processus de biominéralisation enzymatique pour créer un catalyseur qui utilise l'énergie de la lumière solaire captée pour diviser les molécules d'eau afin de produire de l'hydrogène. Le procédé de synthèse est réalisé à température ambiante et sous pression ambiante, surmonter les défis de durabilité et d'évolutivité des méthodes précédemment rapportées.

Le fractionnement de l'eau par l'énergie solaire est une voie prometteuse vers une économie basée sur les énergies renouvelables. L'hydrogène généré pourrait servir à la fois de carburant de transport et de matière première chimique critique pour la production d'engrais et de produits chimiques. Ces deux secteurs contribuent actuellement à une grande partie des émissions totales de gaz à effet de serre.

L'un des défis pour réaliser la promesse de la production d'énergie solaire est que, alors que l'eau nécessaire est une ressource abondante, les méthodes précédemment explorées utilisent des voies complexes qui nécessitent des solvants nocifs pour l'environnement et des quantités massives d'énergie pour produire à grande échelle. Les dépenses et les dommages causés à l'environnement ont rendu ces méthodes impraticables en tant que solution à long terme.

Aujourd'hui, une équipe d'ingénieurs de l'Université Lehigh a exploité une approche de biominéralisation pour synthétiser à la fois des particules de sulfure de métal nanoparticulaire confinées quantiques et le matériau d'oxyde de graphène réduit pour créer un photocatalyseur qui divise l'eau pour former de l'hydrogène. L'équipe a rendu compte de ses résultats dans un article intitulé :« Synthèse enzymatique de photocatalyseurs d'oxyde de graphène pris en charge par le support CdS » présenté sur la couverture du numéro du 7 août de Chimie verte , un journal de la Royal Society of Chemistry.

Les auteurs de l'article sont :Steven McIntosh, Professeur au Département de génie chimique et biomoléculaire de Lehigh, avec Leah C. Spangler, ancien doctorat étudiant et John D. Sakizadeh, doctorat actuel étudiant; également, comme Christopher J. Kiely, Harold B. Chambers, professeur principal au département de science et d'ingénierie des matériaux de Lehigh et Joseph P. Cline, un doctorat étudiant travaillant avec Kiely.

"Notre procédé à base d'eau représente une voie verte évolutive pour la production de cette technologie prometteuse de photocatalyseur, " a déclaré McIntosh, qui est également directeur associé du Lehigh's Institute for Functional Materials and Devices.

Au cours des dernières années, Le groupe de McIntosh a développé une approche enzymatique unique pour la biominéralisation - le processus par lequel les organismes vivants produisent des minéraux de taille contrôlée, nanocristaux de sulfure de métal à confinement quantique. Dans une précédente collaboration avec Kiely, le laboratoire a démontré avec succès le premier contrôle avec précision, façon biologique de fabriquer des points quantiques. Leur méthode en une étape a commencé avec des cellules bactériennes modifiées d'une manière simple et solution aqueuse et terminée par des nanoparticules semi-conductrices fonctionnelles, le tout sans recourir à des températures élevées et à des produits chimiques toxiques. La méthode a été présentée dans un article du New York Times :« How a Mysterious Bacteria Almost Gave You a Better TV. »

« D'autres groupes ont expérimenté la biominéralisation pour la synthèse chimique de nanomatériaux, " dit Spangler, auteur principal et actuellement chercheur postdoctoral à l'Université de Princeton. "Le défi a été de contrôler les propriétés des matériaux telles que la taille des particules et la cristallinité afin que le matériau résultant puisse être utilisé dans des applications énergétiques."

McIntosh décrit comment Spangler a pu ajuster le processus de biominéralisation établi du groupe pour non seulement synthétiser les nanoparticules de sulfure de cadmium, mais aussi pour réduire l'oxyde de graphène en une forme d'oxyde de graphène réduite plus conductrice.

"Elle a ensuite pu lier les deux composants ensemble pour créer un photocatalyseur plus efficace constitué des nanoparticules supportées sur l'oxyde de graphène réduit, " dit McIntosh. " Ainsi, son travail acharné et la découverte qui en a résulté ont permis de synthétiser les deux composants essentiels du photocatalyseur de manière écologique. "

Les travaux de l'équipe démontrent l'utilité de la biominéralisation pour réaliser une synthèse bénigne de matériaux fonctionnels à utiliser dans le secteur de l'énergie.

« L'industrie peut envisager la mise en œuvre de ces nouvelles voies de synthèse à grande échelle, " ajoute Kiely. " D'autres scientifiques peuvent également être en mesure d'utiliser les concepts de ce travail pour créer d'autres matériaux d'une importance technologique critique. "

McIntosh souligne le potentiel de cette nouvelle méthode prometteuse en tant que « voie verte, à une source d'énergie verte, en utilisant des ressources abondantes.

« Il est essentiel de reconnaître que toute solution pratique à l'écologisation de notre secteur énergétique devra être mise en œuvre à grande échelle pour avoir un impact substantiel, " il ajoute.