دانشمندان اولین باتری را با استفاده از هموگلوبین ساختند
به گزارش آرا نیرو محققان دانشگاه کوردوبا با همکاری سایر موسسات، نوع جدیدی از باتری را با استفاده از هموگلوبین به عنوان کاتالیزور در باتری های روی-هوا ساخته اند. این باتری زیست سازگار می تواند تا 30 روز کار کند و چندین مزیت از جمله پایداری و مناسب بودن برای استفاده در دستگاه های بدن انسان را ارائه می دهد. علیرغم ماهیت غیرقابل شارژ آن، این نوآوری گامی مهم به سوی جایگزین های باتری سازگار با محیط زیست است که محدودیت های باتری های لیتیوم یون فعلی را برطرف می کند.
محققان مؤسسه شیمیایی انرژی و محیط زیست (IQUEMA) در دانشگاه کوردوبا باتری‌ای ساخته‌اند که از هموگلوبین برای تسهیل واکنش‌های الکتروشیمیایی استفاده می‌کند و عملکرد آن را برای تقریباً 20 تا 30 روز حفظ می‌کند.
هموگلوبین پروتئینی است که در گلبول‌های قرمز خون وجود دارد و وظیفه انتقال اکسیژن از ریه‌ها به بافت‌های مختلف بدن (و سپس انتقال دی اکسید کربن) را بر عهده دارد. میل بسیار بالایی برای اکسیژن دارد و برای زندگی اساسی است، حالا اگر همین هموگلوبین عنصر کلیدی برای نوعی دستگاه الکتروشیمیایی نیز باشد که اکسیژن نیز در آن نقش مهمی دارد، مانند باتری های روی-هوا، چطور؟
این همان چیزی است که گروه های شیمی فیزیک (FQM-204) و شیمی معدنی (FQM-175) در دانشگاه کوردوبا (UCO) به همراه تیمی از دانشگاه پلی تکنیک کارتاخنا پس از مطالعه توسط دانشگاه می‌خواستند آن را تأیید و توسعه دهند. آکسفورد و یک پروژه درجه نهایی در UCO نشان دادند که هموگلوبین دارای خواص امیدوارکننده ای برای فرآیند کاهش و اکسیداسیون (redox) است که توسط آن انرژی در این نوع سیستم تولید می شود.
بنابراین، تیم تحقیقاتی، از طریق پروژه اثبات مفهوم اولین باتری زیست سازگار (که برای بدن مضر نیست) با استفاده از هموگلوبین در واکنش الکتروشیمیایی که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند، توسعه دادند.
مکانیسم و مزایای باتری هموگلوبین
با استفاده از باتری‌های روی-هوا، یکی از پایدارترین جایگزین‌ها برای باتری‌هایی که در حال حاضر بر بازار مسلط هستند (باتری‌های لیتیوم یون)، هموگلوبین به عنوان یک کاتالیزور در چنین باتری‌هایی عمل می‌کند. یعنی پروتئینی است که وظیفه تسهیل واکنش الکتروشیمیایی به نام واکنش کاهش اکسیژن (ORR) را بر عهده دارد و باعث می شود پس از ورود هوا به باتری، اکسیژن در یکی از قسمت های باتری کاهش یافته و به آب تبدیل شود. (کاتد یا قطب مثبت)، الکترون‌هایی را آزاد می‌کند که به قسمت دیگر باتری (آند یا قطب منفی)، جایی که اکسیداسیون روی رخ می‌دهد، می‌رسند.
همانطور که مانوئل کانو لونا، محقق UCO توضیح می‌دهد: «برای اینکه کاتالیزور خوبی در واکنش کاهش اکسیژن داشته باشیم، کاتالیزور باید دو ویژگی داشته باشد: باید مولکول‌های اکسیژن را به سرعت جذب کند و مولکول‌های آب را نسبتاً آسان تشکیل دهد، که هموگلوبین این الزامات را برآورده کرد. در واقع، از طریق این فرآیند، تیم موفق شد نمونه اولیه باتری زیست سازگار خود را با 0.165 میلی گرم هموگلوبین بین 20 تا 30 روز به کار بگیرد.
به گزارش آرا نیرو علاوه بر عملکرد قوی، نمونه اولیه باتری که آنها توسعه داده اند دارای مزایای دیگری نیز می باشد. اول از همه، باتری‌های روی-هوا پایدارتر هستند و می‌توانند در شرایط جوی نامطلوب مقاومت کنند، برخلاف سایر باتری‌هایی که تحت تأثیر رطوبت قرار دارند و برای ساخت آنها نیاز به جوی بی‌اثر است.
ثانیاً، همانطور که Cano Luna استدلال می کند، “استفاده از هموگلوبین به عنوان یک کاتالیزور زیست سازگار با توجه به استفاده از این نوع باتری در دستگاه‌هایی که در بدن انسان ادغام می شوند، مانند ضربان سازها، کاملا امیدوار کننده است.” در واقع باتری با pH 7.4 کار می کند که PH مشابه pH خون است. علاوه بر این، از آنجایی که هموگلوبین تقریباً در تمام پستانداران وجود دارد، می توان از پروتئین با منشاء حیوانی نیز استفاده کرد.
چالش ها و جهت گیری های آینده
با این حال، باتری ای که آنها توسعه داده اند، فضا برای بهبود دارد. نکته اصلی این است که این باتری نمونه اولیه است، اینکه فقط انرژی الکتریکی را تخلیه می‌کند و قابل شارژ نیست. بنابراین، تیم در حال حاضر گام‌های بعدی را برای یافتن پروتئین بیولوژیکی دیگری برمی‌دارد که می‌تواند آب را به اکسیژن تبدیل کند و در نتیجه باتری را شارژ کند. علاوه بر این، باتری ها فقط در حضور اکسیژن کار می کنند، بنابراین نمی توان از آنها در فضا استفاده کرد.
این مطالعه که در ژورنال Energy & Fuels منتشر شده است، در را به روی جایگزین‌های کاربردی جدید برای باتری‌ها باز می‌کند، در شرایطی که انتظار می‌رود دستگاه‌های تلفن همراه بیشتر و بیشتر شود، و در آن تعهد فزاینده‌ای به انرژی‌های تجدیدپذیر وجود دارد، به طوری که داشتن وسایلی که انرژی الکتریکی اضافی را به صورت انرژی شیمیایی ذخیره می کنندلازم است. مهمتر از همه، رایج ترین باتری های امروزی، لیتیوم یون، با مشکلات کمبود لیتیوم و اثرات زیست محیطی آن به عنوان زباله های خطرناک مواجه هستند.
منبع: «باتری روی-هوای مبتنی بر هموگلوبین انسانی در یک الکترولیت خنثی» توسط والنتین گارسیا-کابالرو، سباستین لورکا، مارتا ویلا-مورنو، آلوارو کابالرو، خوان جی. گینر-کازارس، آنتونیو جی.
25 سپتامبر 2023، انرژی و سوخت.
doi.org/10.1021/acs.energyfuels.3c02513