Forscher des Instituts für Energie- und Umweltchemie (IQUEMA) der Universität Cordoba haben eine Batterie entwickelt, die Hämoglobin zur Förderung elektrochemischer Reaktionen nutzt und ihre Funktionalität etwa 20 bis 30 Tage lang aufrechterhalten kann. Hämoglobin, ein Protein, das in roten Blutkörperchen vorkommt und Sauerstoff von der Lunge zu verschiedenen Geweben im Körper transportiert (und dann Kohlendioxid wieder zurück), hat eine sehr hohe Affinität zu Sauerstoff und ist ein wesentliches Element des Lebens. Aber was wäre, wenn es auch ein Schlüsselelement in einem elektrochemischen Gerät wie einer Zink-Luft-Batterie wäre, in dem auch Sauerstoff eine Rolle spielt?
Genau das wollen die Gruppen für Physikalische Chemie (FQM-204) und Anorganische Chemie (FQM-175) der Universität Cordoba (UCO) gemeinsam mit einer Gruppe der Polytechnischen Universität Cartagena validieren und weiterentwickeln. Frühere Forschungen an der Universität Oxford und ein Abschlussprojekt an der Universität Cordoba (UCO) zeigten, dass Hämoglobin bei Reduktions- und Oxidationsprozessen (Redox), dem System, in dem Energie erzeugt wird, günstige Eigenschaften hat.
Daher entwickelte das Forschungsteam im Rahmen eines Proof-of-Concept-Projekts die erste biokompatible (für den Menschen ungefährliche) Batterie, die Hämoglobin nutzt, um in einer elektrochemischen Reaktion chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.
Hämoglobin wird als Katalysator in Zink-Luft-Batterien fungieren, einer der nachhaltigsten Alternativen zur derzeit dominierenden Batterie auf dem Markt: Lithium-Ionen-Batterien. Das heißt, Hämoglobin ist ein Protein, das für die Erleichterung einer elektrochemischen Reaktion verantwortlich ist, die als Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) bekannt ist und den Lufteintritt in die Batterie ermöglicht. Der Sauerstoff wird in einem Teil der Batterie (der Kathode oder positiven Elektrode) reduziert und in Wasser umgewandelt, wobei Elektronen freigesetzt und an einen anderen Teil der Batterie (die Anode oder negative Elektrode) weitergeleitet werden, wo die Zinkoxidation stattfindet.
UCO-Forscher Manuel Cano Luna erklärt: „Um ein guter Katalysator bei der Sauerstoffreduktionsreaktion zu sein, muss ein Katalysator zwei Eigenschaften haben: Er muss Sauerstoffmoleküle schnell absorbieren und relativ leicht Wassermoleküle bilden. Und Hämoglobin erfüllt diese Anforderungen.“ Tatsächlich gelang es dem Team durch diesen Prozess, seinen biokompatiblen Batterieprototyp mit 0,165 Milligramm Hämoglobin 20 bis 30 Tage lang funktionsfähig zu machen.
Der von ihnen entwickelte Batterie-Prototyp bietet neben seiner starken Leistung noch weitere Vorteile. Erstens sind Zink-Luft-Batterien im Gegensatz zu anderen Batterien, die Feuchtigkeit ausgesetzt sind und in einer inerten Atmosphäre hergestellt werden müssen, nachhaltiger und halten rauen atmosphärischen Bedingungen stand.
Zweitens, wie CanoLuna anmerkt: „Die Verwendung von Hämoglobin als biokompatibler Katalysator ist vielversprechend für den Einsatz solcher Zellen in Geräten, die in den menschlichen Körper integriert sind, wie etwa Herzschrittmachern. Die Zellen arbeiten bei einem pH-Wert von 7,4, ähnlich dem pH-Wert von Blut. Da Hämoglobin außerdem in fast allen Säugetieren vorhanden ist, können auch tierische Proteine verwendet werden.“
Die von ihnen entwickelte Batterie weist jedoch noch einige Verbesserungsmöglichkeiten auf. Hauptsache, es handelt sich um einen Primärakku, der also nur entladen werden kann. Außerdem kann es nicht wieder aufgeladen werden. Daher macht das Team bereits den nächsten Schritt, um ein weiteres biologisches Protein zu finden, das Wasser in Sauerstoff umwandeln kann, um die Batterie wieder aufzuladen. Darüber hinaus funktioniert die Batterie nur in Gegenwart von Sauerstoff und kann daher nicht im Weltraum eingesetzt werden.
Die in der Fachzeitschrift Energy & Fuels veröffentlichte Forschung öffnet die Tür zu neuen funktionalen Alternativen zu Batterien, da mehr mobile Geräte erwartet werden und die Nachfrage nach erneuerbaren Energien steigt, was den Einsatz von Geräten erforderlich macht, die überschüssige elektrische Energie in Form chemischer Energie speichern. Darüber hinaus leiden Lithium-Ionen-Batterien, der derzeit am weitesten verbreitete Typ, unter Lithiumknappheit und belasten die Umwelt als gefährlicher Abfall.
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily