ترکیب نانومواد و باکتری برای تولید ارزان‌قیمت هیدروژن

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، سیستم فتوسنتز مصنوعی را تصور کنید که ترکیبی از نانوذرات نیمه‌هادی با یک باکتری غیر فتوسنتزیک است. این سامانه می‌تواند مسیر جدید امیدوارکننده‌ای برای تولید سوخت هیدروژن خورشیدی پایدار ارائه دهد.

سایر سیستم های فتوسنتز مصنوعی که قبلاً توسعه یافته‌اند نانومواد را با میکروب‌های زنده ادغام می‌کنند، که باعث احیاء دی اکسید کربن یا تولید هیدروژن می‌شوند. در این روش‌ها، معمولاً این میکروارگانیسم است که محصول را از طریق یک مسیر متابولیکی ایجاد می‌کند. در این مسیر از یک نانوماده فعال شده با نور که الکترون‌های لازم را تأمین می‌کند، استفاده می‌شود.

اکنون آزمایشگاه‌های کارا برن و تاد کراوس در دانشگاه روچستر، این مفهوم را تغییر داده‌اند. آن‌ها یک سیستم هیبریدی جدید نانوبیویی طراحی کرده‌اند که نانوذرات نیمه‌هادی فتوکاتالیستی را برای تهیه هیدروژن با باکتری ترکیب می‌کند در حالی که فتوسنتزی رخ نمی‌دهد، اما الکترون‌های لازم را برای سنتز هیدروژن فراهم می‌کند.

برن می‌گوید: «در این سیستم، فرآیند کاتالیزوری در نانوذرات صورت می‌گیرد. توسعه و مطالعه کاتالیزورهای نانوذرات یک زمینه بسیار جذاب است. این نتایج می‌تواند بر محدودیت‌های رویکردهای سنتی که به متابولیک باکتریایی سازگار متکی هستند، غلبه کند و مسیرها و خصوصیات نانومواد در داخل ارگانیسم‌ها را با دقت کنترل کند.»

تیم تاد کراوس نشان داد که نانوذرات سلنید کادمیوم می‌تواند نور را برای کاتالیز فرآیند تولید هیدروژن در آب جذب کند. منبع الکترون در آن سیستم یک ماده شیمیایی مانند اسید اسکوربیک است. با این حال، انتقال الکترون به نانوذرات ناکارآمد بود و به غلظت بسیار بالایی از احیاءکننده‌ها نیاز داشت.

در همین حال، برن کار خود را صرف مطالعه سیتوکروم‌ها کرده بود، که پروتئین‌های حاوی آهن هستند که در حمل و نقل الکترون و کاتالیز ردوکس نقش دارند. برن به ویژه روی باکتری Shewanella Oneidensis، که با بسیاری از سیتوکروم‌ها تزئین شده است، تمرکز داشت.

همکاری میان این دو دانشمند، موجب پیشرفت‌هایی در این حوزه شد. آن‌ها سویه‌ای از Shewanella Oneidensis که با نانوکریستال‌های کادمیوم سلنید در شرایط بی هوازی کشت داده شده بود را زیر نور LEDهای سبز قرار دادند. میکروب‌ها بیوفیلم حاوی سلنید کادمیوم را تشکیل دادند، که برای مدت طولانی‌تر از سیستم قبلی با اسید اسکوربیک از نظر کاتالیستی فعال باقی ماندند. نتایج نشان داد که این سیستم حدود یک هفته هیدروژن تولید می‌کند و با پر کردن مواد مغذی می‌تواند دوباره فعال شود.