Exploitant la capacité inhabituelle de réduction des métaux de la bactérie à respiration ferreuse Geobacter sulfurreducens, Les chercheurs du KAUST ont démontré un moyen peu coûteux et fiable de synthétiser des catalyseurs à un seul atome hautement actifs. La nouveauté, qui pourrait considérablement améliorer l'efficacité et le coût de la production d'hydrogène à partir de l'eau, souligne le rôle que la nature peut jouer dans la recherche de nouveaux systèmes énergétiques.

De nombreuses réactions chimiques nécessitent un catalyseur comme surface réactive où les atomes ou les molécules sont réunis avec la bonne quantité d'énergie pour déclencher un changement chimique. L'eau, par exemple, peut être divisé en atomes d'hydrogène et d'oxygène en réagissant sur une paire d'électrodes en oxyde de platine et d'iridium. L'efficacité de la réaction, cependant, dépend en grande partie du nombre d'atomes qui peuvent être impliqués.

"Dans un catalyseur à nanoparticules, seulement 20 pour cent des atomes métalliques pourraient être disponibles pour la catalyse, " dit Srikanth Pedireddy, anciennement à la KAUST et maintenant à l'Université d'Exeter, Royaume-Uni "catalyseurs à un seul atome, d'autre part, permettent une utilisation atomique à 100 % et sont donc prometteurs pour diverses applications catalytiques ; cependant, les méthodes de synthèse conventionnelles sont chères, impliquent des températures élevées et ne donnent que de faibles rendements avec une mauvaise distribution atomique."

A la recherche d'une approche plus fiable et plus rentable, Pédireddy, Pascal Saikaly et leurs collègues se sont tournés vers la nature. La bactérie anaérobie G. sulfurreducens est inhabituelle en ce qu'elle « respire » du fer, pas d'oxygène, et a la capacité remarquable de conduire des électrons de l'intérieur vers l'extérieur de la cellule.

"Cette bactérie possède des protéines actives redox appelées cytochromes de type c qui contiennent un complexe hème - un atome de fer central coordonné à quatre atomes d'azote d'un cycle porphyrine, " dit Pedireddy. "Nous avons envisagé que ce site hème pourrait être utilisé pour réduire chimiquement des atomes uniques de métaux catalytiquement actifs au lieu du fer."

Après avoir confirmé la formation d'atomes de fer uniques au niveau des sites cytochromes à la surface des cellules bactériennes, l'équipe a immergé les bactéries dans une solution contenant de l'iridium, qui a produit un résultat similaire et très satisfaisant.

"Voir des atomes isolés à la surface des bactéries était un défi majeur, " dit Pedireddy. "Avec les installations de microscopie électronique à haute résolution de KAUST, nous avons pu visualiser les atomes uniques de métaux dispersés atomiquement à la surface des bactéries."

L'équipe a découvert qu'elle pouvait charger les bactéries avec jusqu'à 1% d'iridium à un seul atome bien dispersé, donnant un catalyseur plus fiable avec une activité de dégagement d'hydrogène comparable à la norme platine/carbone à une fraction du coût des autres méthodes à un seul atome.

"Nos travaux pourraient inspirer l'utilisation d'autres bactéries électroactives efficaces pour synthétiser des électrocatalyseurs performants et peu coûteux pour diverses applications liées à l'énergie, " dit Saïkaly.