Utilizing Atmospheric Carbon Dioxide and Sunlight in Graphene Quantum Dot-Based Nano-Biohybrid Organisms for Making Carbon-Negative and Carbon-Neutral Products

材料科学 石墨烯 碳纤维 温室气体 二氧化碳 纳米材料 纳米技术 生物塑料 废物管理 有机化学 化学 生态学 复合数 工程类 复合材料 生物
作者
Yuchen Ding,John R. Bertram,Prashant Nagpal
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (46): 53464-53475 被引量:8
标识
DOI:10.1021/acsami.3c12524
摘要

Increasing emissions of greenhouse gases compounded with legacy emissions in the earth's atmosphere poses an existential threat to human survival. One potential solution is creating carbon-negative and carbon-neutral materials, specifically for commodities used heavily throughout the globe, using a low-cost, scalable, and technologically and economically feasible process that can be deployed without the need for extensive infrastructure or skill requirements. Here, we demonstrate that nickel-functionalized graphene quantum dots (GQDs) can effectively couple to nonphotosynthetic bacteria at a cellular, molecular, and optoelectronic level, creating nanobiohybrid organisms (nanorgs) that enable the utilization of sunlight to convert carbon dioxide, air, and water into high-value-added chemicals such as ammonia (NH3), ethylene (C2H4), isopropanol (IPA), 2,3-butanediol (BDO), C11-C15 methyl ketones (MKs), and degradable bioplastics poly hydroxybutyrate (PHB) with high efficiency and selectivity. We demonstrate a high turnover number (TON) of up to 108 (mol of product per mol of cells), ease of application, facile scalability (demonstrated using a 30 L tank in a lab), and sustainable generation of carbon nanomaterials from recovered bacteria for creating nanorgs without the use of any toxic chemicals or materials. These findings can have important implications for the further development of sustainable processes for making carbon-negative materials using nanorgs.
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