Suvremena znanost ne prestaje iznenađivati svojim inovacijama, posebno kada je u pitanju korištenje bioloških elemenata u tehnološkim aplikacijama. Nedavno otkriće tima s Kemijskog instituta za energiju i okoliš (IQUEMA) na Sveučilištu u Cordobi moglo bi promijeniti način na koji razumijemo i koristimo baterije. Ključ ovog otkrića leži u neobičnoj, ali briljantnoj primjeni hemoglobina, proteina koji je odavno poznat po svojoj vitalnoj ulozi u prijenosu kisika unutar ljudskog tijela.

Koristeći hemoglobin kao središnji element u elektrokemijskoj reakciji, istraživački tim je uspio stvoriti biokompatibilnu bateriju koja ne samo da pokazuje obećavajuće rezultate u trajanju od 20-30 dana, već i otvara vrata korištenju obnovljivih i ekološki prihvatljivih tehnologija. Ovaj pristup je u suglasju s globalnim trendovima koji teže prema smanjenju ovisnosti o fosilnim gorivima i promicanju održivih izvora energije.

Fascinantno je kako se hemoglobin, koji je temeljni dio ljudskog biološkog sustava, ovdje pojavljuje kao ključna komponenta u stvaranju električne energije. Njegova visoka afinitet prema kisiku, koja je ključna za održavanje života, sada nalazi novu ulogu u cink-zrak baterijama. Ove baterije predstavljaju jednu od najperspektivnijih alternativa trenutno dominantnim litij-ionskim baterijama, ne samo zbog svoje učinkovitosti, već i zbog svoje održivosti.

U samoj srži ove inovacije leži Reakcija redukcije kisika (ORR), gdje hemoglobin djeluje kao katalizator. Kad zrak uđe u bateriju, kisik se reducira i transformira u vodu na katodi (pozitivnom polu), oslobađajući elektrone koji putuju do anode (negativnog pola), gdje dolazi do oksidacije cinka. Ovaj proces ne samo da je efikasan, već je i u skladu s ekološkim standardima, obećavajući time značajan napredak u oblasti održive energije.

Ova inovacija je rezultat suradnje među različitim istraživačkim grupama, uključujući timove za fizikalnu kemiju (FQM-204) i anorgansku kemiju (FQM-175) s Sveučilišta u Córdobi, kao i tim s Politehničkog sveučilišta u Cartageni. Također, inspiracija za ovaj projekt potekla je iz prethodnih studija Sveučilišta Oxford i završnog studijskog projekta na UCO-u, koji su pokazali da hemoglobin ima obećavajuće svojstva za redoks procese.

S ovim novim pristupom, mogućnosti za daljnja istraživanja i primjene su gotovo neograničene, nudeći uzbudljiv uvid u budućnost održivih tehnologija.

Manuel Cano Luna, istraživač na Sveučilištu u Cordobi, detaljno objašnjava ključne karakteristike koje hemoglobin čine idealnim katalizatorom u reakciji redukcije kisika. Njegova sposobnost brze apsorpcije molekula kisika i formiranja molekula vode čini ga izvanrednim u svojoj ulozi. Ova otkrića su temelj uspjeha prototipa biokompatibilne baterije, koja efikasno radi s tek 0,165 miligrama hemoglobina tijekom perioda od 20 do 30 dana.

Ova inovacija otvara nove horizonte u primjeni cink-zrak baterija. Značajna prednost ovakvog tipa baterije leži u njenoj sposobnosti da izdrži nepovoljne atmosferske uvjete, što je veliki iskorak u odnosu na tradicionalne baterije koje su osjetljive na vlagu i zahtijevaju inertnu atmosferu za proizvodnju. Ova otpornost na vanjske uvjete čini cink-zrak baterije izuzetno atraktivnim za širok spektar primjena.

Jedna od najperspektivnijih aplikacija, kako ističe Cano Luna, je upotreba ovakvih baterija u biomedicinskim uređajima koji se integriraju u ljudsko tijelo, poput srčanih stimulatora. S obzirom da radi na pH vrijednosti od 7,4, što je slično pH vrijednosti krvi, ovakav tip baterije predstavlja revolucionarni napredak u medicinskoj tehnologiji. Dodatna prednost je mogućnost korištenja hemoglobina životinjskog podrijetla, obzirom da je ovaj protein prisutan kod gotovo svih sisavaca, što dodatno proširuje mogućnosti njegove primjene.

Ova tehnološka inovacija predstavlja veliki korak naprijed ne samo u razvoju održivih energetskih rješenja, već i u medicinskoj primjeni, pružajući novi pogled na interakciju biologije i tehnologije. S ovim napretkom, istraživački timovi na Sveučilištu u Cordobi i Politehničkom sveučilištu u Cartageni postavljaju nove standarde u području elektrokemije i biomedicine, istražujući granice između prirodnog i umjetnog u potrazi za rješenjima koja će oblikovati budućnost.

Iako je razvoj biokompatibilne baterije koristeći hemoglobin značajan napredak, tim istraživača svjestan je da postoji prostor za poboljšanja. Jedan od izazova s kojim se suočavaju je da se radi o primarnoj bateriji koja samo ispušta električnu energiju bez mogućnosti ponovnog punjenja. Ovaj aspekt ograničava njenu širu uporabu, naročito u kontekstu gdje je potreba za ponovno punjivim izvorima energije sve veća.

U odgovoru na ovaj izazov, istraživački tim već radi na pronalasku drugog biološkog proteina koji bi mogao pretvoriti vodu natrag u kisik. Ovaj proces bi omogućio punjenje baterije, što bi bio značajan korak prema stvaranju održive i učinkovite tehnologije baterija. Međutim, trenutno postoji ograničenje u primjeni ovih baterija - one zahtijevaju prisutnost kisika za rad, što znači da nisu prikladne za upotrebu u uvjetima gdje kisik nije dostupan, kao što je svemir.

Studija objavljena u časopisu Energy & Fuels otvara mogućnosti za nove funkcionalne alternative baterijama u svijetu koji se sve više oslanja na mobilne uređaje i obnovljive izvore energije. Ova potreba naglašava važnost razvoja uređaja koji mogu pohranjivati višak električne energije u obliku kemijske energije. Osim toga, s obzirom na probleme povezane s litij-ionskim baterijama, poput nedostatka litija i njegovog negativnog utjecaja na okoliš kao opasnog otpada, istraživanje alternativnih rješenja postaje sve važnije.

Ovaj napredak u razvoju biokompatibilnih baterija koristeći hemoglobin stavlja novi fokus na važnost inovativnih pristupa u rješavanju energetskih izazova. Iako postoje prepreke koje treba savladati, kontinuirani rad i istraživanje otvaraju put za stvaranje tehnologija koje će biti ključne u budućnosti održivog energetskog sektora.

Izvor: Univerzitet Cordoba 
Reference: Valentín García-Caballero, Sebastián Lorca, Marta Villa-Moreno, Álvaro Caballero, Juan J. Giner-Casares, Antonio J. Fernández-Romero, and Manuel Cano, “Human Hemoglobin-Based Zinc–Air Battery in a Neutral Electrolyte,”Energy Fuels, 2023, 37, 23, 18210–18215, doi.org.