Forscher der Universität Cordoba haben in Zusammenarbeit mit anderen Institutionen eine innovative Batterie entwickelt, die Hemoglobin als Katalysator in Zink-Luft-Batterien verwendet. Diese biokompatible Batterie kann etwa 30 Tage lang betrieben werden und bietet mehrere Vorteile wie Nachhaltigkeit und Eignung für den Einsatz in implantierbaren Geräten. Diese bahnbrechende Innovation ist ein wichtiger Schritt in Richtung umweltfreundlicher Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien.
Hemoglobin, ein Protein, das in roten Blutkörperchen vorkommt, ist normalerweise dafür verantwortlich, Sauerstoff von den Lungen zu verschiedenen Geweben im Körper zu transportieren, während es gleichzeitig Kohlendioxid zurückführt. Es besitzt eine hohe Affinität zu Sauerstoff und ist für das Leben unverzichtbar. Doch was wäre, wenn Hemoglobin auch eine Schlüsselrolle in elektrochemischen Geräten spielen könnte, bei denen Sauerstoff ebenfalls eine bedeutende Rolle spielt, wie zum Beispiel in Zink-Luft-Batterien?
Genau das haben die Forschungsgruppen für Physikalische Chemie (FQM-204) und Anorganische Chemie (FQM-175) der Universität Cordoba gemeinsam mit einem Team der Universität Cartagena erforscht und entwickelt. Studien der Universität Oxford sowie Masterarbeiten an der Universität Cordoba haben gezeigt, dass Hemoglobin vielversprechende Eigenschaften für den Reduktions- und Oxidationsprozess (Redox), der in einem solchen System Energie erzeugt, besitzt.
Das Forschungsteam hat somit eine biokompatible Batterie entwickelt, die auf dem ersten Konzept aufbaut und Hemoglobin in einer elektrochemischen Reaktion nutzt, um chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.
Mechanismus und Vorteile der Hemoglobin-basierten Batterien
Im Falle der Nutzung von Zink-Luft-Batterien würde Hemoglobin als Katalysator in diesen Batterien dienen. Das bedeutet, dass es ein Protein ist, das die elektrochemische Reaktion der Sauerstoff-Reduktionsreaktion (ORR) erleichtert. Hierbei wird der eintretende Sauerstoff an der Kathode (positiven Elektrode) reduziert und in Wasser umgewandelt, während Elektronen freigesetzt werden und zur Anode (negativen Elektrode) übertragen werden, wo die Zink-Oxidation stattfindet.
Wie Manuel Cano Luna, ein Forscher der Universität Cordoba, erklärt: „Um ein guter Katalysator in der Sauerstoff-Reduktionsreaktion zu sein, muss der Katalysator zwei Eigenschaften besitzen: Er muss Sauerstoffmoleküle schnell absorbieren und sich leicht zu Wassermolekülen formen lassen. Hemoglobin erfüllt diese Anforderungen.“ Tatsächlich konnte das Forschungsteam mit diesem Prozess seine biokompatible Batterie auf Basis von Hemoglobin für etwa 20 bis 30 Tage betreiben, wobei lediglich 0,165 Milligramm Hemoglobin verwendet wurden.
Neben der hohen Leistungsfähigkeit weist der entwickelte Batterieprototyp weitere Vorteile auf. Zink-Luft-Batterien sind nachhaltiger und können widrigen Wetterbedingungen standhalten im Vergleich zu anderen Batterien, die empfindlich gegenüber Feuchtigkeit sind und bei der Produktion eine inerte Atmosphäre erfordern.
Darüber hinaus ist laut Cano Luna „die Verwendung von Hemoglobin als biokompatibler Katalysator vielversprechend für den Einsatz solcher Batterien in implantierbaren Geräten im menschlichen Körper“, wie etwa Herzschrittmachern. Tatsächlich arbeitet die Batterie bei einem pH-Wert von 7,4, was einem ähnlichen Wert wie dem des Blut-pH-Werts entspricht. Da Hemoglobin in fast allen Säugetieren vorkommt, können auch Protein-Derivate von Tieren verwendet werden.
Herausforderungen und Entwicklungsrichtungen
Allerdings hat die entwickelte Batterie noch Optimierungspotenzial. Ihre Hauptbegrenzung besteht darin, dass es sich um eine Primärbatterie handelt, d.h. sie gibt nur elektrische Energie ab und kann nicht aufgeladen werden. Das Forschungsteam ist bereits dabei, nach einem anderen biologischen Protein zu suchen, das Wasser in Sauerstoff umwandeln kann und somit eine Wiederaufladung der Batterie ermöglicht. Darüber hinaus funktionieren diese Batterien nur in Gegenwart von Sauerstoff und sind daher für den Einsatz im Weltraum ungeeignet.
Die in der Zeitschrift Energy & Fuels veröffentlichte Studie eröffnet neue funktionale Alternativen zu herkömmlichen Batterien, da die Nachfrage nach mobilen Geräten und erneuerbaren Energien weiterhin steigt und ermöglicht Geräte, die überschüssige elektrische Energie in Form von chemischer Energie speichern können. Besonders wichtig ist, dass die aktuell am weitesten verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien mit Herausforderungen in Bezug auf die Verfügbarkeit von Lithium und ihre Umweltauswirkungen als gefährlicher Abfall konfrontiert sind.
Quellen:
Universität Cordoba
Universität Oxford
Häufig gestellte Fragen (FAQ) basierend auf den Hauptthemen und Informationen des Artikels:
1. Welche Anwendung hat die neue Art von Batterie, die von Forschern der Universität Cordoba entwickelt wurde?
– Die neue Art von Batterie verwendet Hemoglobin als Katalysator in Zink-Luft-Batterien. Diese biokompatible Batterie kann etwa 30 Tage lang betrieben werden und eignet sich für den Einsatz in implantierbaren Geräten.
2. Was ist Hemoglobin und welche Rolle spielt es in Zink-Luft-Batterien?
– Hemoglobin ist ein Protein, das in roten Blutkörperchen vorkommt und normalerweise dafür verantwortlich ist, Sauerstoff von den Lungen zu verschiedenen Geweben im Körper zu transportieren. In Zink-Luft-Batterien fungiert Hemoglobin als Katalysator und erleichtert die elektrochemische Reaktion der Sauerstoff-Reduktionsreaktion (ORR).
3. Wie funktioniert die hemoglobinbasierte Batterie?
– Beim Eintreten von Luft in die Batterie wird Sauerstoff an der Kathode reduziert und in Wasser umgewandelt, wobei Elektronen freigesetzt werden und zur Anode übertragen werden, wo die Zink-Oxidation stattfindet.
4. Was sind die Vorteile einer hemoglobinbasierten Batterie?
– Zink-Luft-Batterien sind nachhaltiger und widerstandsfähiger gegen widrige Wetterbedingungen. Sie können auch in implantierbaren Geräten im menschlichen Körper eingesetzt werden, da sie bei einem ähnlichen pH-Wert wie das Blut arbeiten und auch Hemoglobin tierischen Ursprungs verwenden können.
5. Mit welchen Herausforderungen sieht sich die entwickelte Batterie konfrontiert und welche Entwicklungsrichtungen gibt es?
– Die entwickelte Batterie ist derzeit eine Primärbatterie und kann nicht aufgeladen werden. Das Forschungsteam sucht bereits nach anderen biologischen Proteinen, die Wasser in Sauerstoff umwandeln können, um eine Wiederaufladung der Batterie zu ermöglichen. Darüber hinaus funktionieren diese Batterien nur in Gegenwart von Sauerstoff und sind daher für den Einsatz im Weltraum ungeeignet.
The source of the article is from the blog be3.sk