Команда з Хімічного інституту енергетики та навколишнього середовища (IQUEMA) Університету Кордови розробила батарею, яка використовує гемоглобін як стимулятор електрохімічних реакцій і функціонує приблизно 20–30 днів.
Гемоглобін — це білок, який міститься в еритроцитах і відповідає за транспортування кисню від легенів до різних тканин тіла (а потім транспортування вуглекислого газу навпаки). Він має дуже високу спорідненість з киснем і є фундаментальним для життя, але що, якби він також був ключовим елементом для типу електрохімічних пристроїв, у яких кисень також відіграє важливу роль, таких як повітряно-цинкові батареї?
Це те, що групи фізичної хімії (FQM-204) і неорганічної хімії (FQM-175) в Університеті Кордови (UCO) хотіли перевірити та розробити разом з командою з Політехнічного університету Картахени після дослідження, проведеного університету Оксфорда та проєкт випуску дипломів UCO продемонстрували, що гемоглобін має багатообіцяючі властивості для процесу відновлення та окислення (окисно-відновного процесу), за допомогою якого генерується енергія в системі цього типу.
Таким чином, дослідницька група розробила в рамках проекту підтвердження концепції першу біосумісну батарею (яка не є шкідливою для організму), використовуючи гемоглобін в електрохімічній реакції, яка перетворює хімічну енергію в електричну.
Використовуючи повітряно-цинкові батареї, одну з найбільш стійких альтернатив тим, що зараз домінують на ринку (літій-іонні батареї), гемоглобін стане каталізатором у таких батареях.
Тобто він використовуватиметься як білок, відповідальний за електрохімічну реакцію, яка називається реакцією відновлення кисню (ORR), у результаті чого після того, як повітря потрапляє в батарею, кисень відновлюється та перетворюється на воду в одній із частин акумулятора. батарея (катод або позитивний полюс), вивільняючи електрони, які переходять до іншої частини батареї (анод або негативний полюс), де відбувається окислення цинку.
Як пояснює дослідник UCO Мануель Кано Луна: «Щоб бути хорошим каталізатором у реакції відновлення кисню, каталізатор повинен мати дві властивості: він повинен швидко поглинати молекули кисню та відносно легко утворювати молекули води. І гемоглобін відповідає цим вимогам». Фактично, за допомогою цього процесу команда отримала свій прототип біосумісної батареї для роботи з 0,165 міліграма гемоглобіну протягом 20-30 днів.
Крім високої продуктивності, прототип акумулятора, який вони розробили, має й інші переваги. Перш за все, повітряно-цинкові батареї є більш стійкими та можуть витримувати несприятливі атмосферні умови, на відміну від інших батарей, на які впливає вологість і для виробництва яких потрібна інертна атмосфера.
По-друге, як стверджує Кано Луна, «використання гемоглобіну як біосумісного каталізатора є досить перспективним щодо використання цього типу батареї в пристроях, інтегрованих у людське тіло», таких як кардіостимулятори. Насправді батарея працює при рН 7,4, що є рівнем рН крові. Крім того, оскільки гемоглобін присутній майже у всіх ссавців, можна також використовувати білки тваринного походження.
Однак розроблений ними акумулятор має місце для вдосконалення. Основна з них полягає в тому, що це первинний акумулятор, який розряджає лише електричну енергію. Крім того, він не перезаряджається. Тому команда вже робить наступні кроки, щоб знайти інший біологічний білок, який може перетворювати воду на кисень і, таким чином, заряджати батарею. Крім того, батареї працювали б лише за наявності кисню, тому їх не можна було використовувати в космосі.
Дослідження, опубліковане в журналі Energy&Fuels, відкриває двері для нових функціональних альтернатив для акумуляторів у контексті, в якому очікується все більше мобільних пристроїв і де зростає прихильність до відновлюваних джерел енергії, так що це необхідно мати пристрої, які накопичують надлишок електричної енергії у вигляді хімічної енергії. Найголовніше те, що найпоширеніші сьогодні літій-іонні акумулятори обтяжені дефіцитом літію та його впливом на навколишнє середовище як небезпечні відходи.