Hämoglobin ist ein Protein in den roten Blutkörperchen, das Sauerstoff von der Lunge zu den Körpergeweben transportiert. Es ist lebensnotwendig. Was wäre, wenn Hämoglobin auch in Geräten wie Zink-Luft-Batterien eingesetzt werden könnte, wo Sauerstoff unerlässlich ist? Wissenschaftler haben die erste Batterie auf Hämoglobinbasis entwickelt, die mehrere Vorteile bietet und etwa 20 bis 30 Tage lang funktioniert.
Forschern des Chemischen Instituts für Energie und Umwelt der Universität Córdoba ist es gelungen, die weltweit erste biokompatible Batterie auf Basis von Hämoglobin zu entwickeln , das für den Körper unschädlich ist. Diese Batterie ermöglicht elektrochemische Reaktionen und hat eine Laufzeit von etwa 20 bis 30 Tagen. Sie nutzt die Kraft des Hämoglobins in der elektrochemischen Reaktion und wandelt chemische Energie in Elektrizität um.
Manuel Cano Luna , ein Forscher der UCO, erklärt: „Um ein guter Katalysator in der Sauerstoffreduktionsreaktion zu sein, muss der Katalysator zwei Eigenschaften besitzen: Er muss Sauerstoffmoleküle schnell absorbieren und relativ leicht Wassermoleküle bilden können. Und Hämoglobin erfüllte diese Anforderungen.“
Das Team besteht aus:
- Die Gruppen für Physikalische Chemie (FQM-204) und Anorganische Chemie (FQM-175) an der Universität Córdoba (UCO)
- Ein Team aus dem Polytechnische Universität von Cartagena
Das Team aus Cartagena hat sich zum Ziel gesetzt, die vielversprechenden Eigenschaften von Hämoglobin für Redoxprozesse der Energiegewinnung zu bestätigen und weiterzuentwickeln. Diese Initiative entstand aus einer Studie der Universität Oxford und einem Abschlussprojekt an der UCO, das das Potenzial von Hämoglobin in diesem System aufzeigte.
Ihre neue Studie schlägt Batterieoptionen für die wachsende Nachfrage nach Mobilgeräten und die zunehmende Nutzung erneuerbarer Energien vor. Dies ist wichtig, da aktuelle Lithium-Ionen-Batterien mit Lithiumknappheit und Umweltbelastungen zu kämpfen haben.
Funktionsweise der Hämoglobinbatterie
Zink-Luft-Batterien stellen die nachhaltigste Alternative zu den derzeit verwendeten Lithium-Ionen-Batterien dar. In den neu entwickelten Batterien würde Hämoglobin als Katalysator fungieren.
- Dies wird erleichtern die elektrochemische Reaktion, Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR).
- Dadurch gelangt Luft in die Batterie, um den Sauerstoff zu reduzieren und ihn in der Kathode bzw. am Pluspol der Batterie in Wasser umzuwandeln.
- Dabei werden Elektronen freigesetzt, die zum Minuspol bzw. zur Anode der Batterie gelangen. Dort findet die Zinkoxidation statt.
Im Rahmen dieses Prozesses erreichte das Team die Funktionsfähigkeit seines Prototyps einer biokompatiblen Batterie mit nur 0.165 Milligramm Hämoglobin, die 20 bis 30 Tage lang Strom lieferte .
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Vorteile der Zink-Luft-Hämoglobin-Batterie
Der von ihnen entwickelte Batterieprototyp weist neben einer starken Leistung auch weitere wesentliche Vorteile auf.
- Zink-Luft-Batterien sind langlebigere und kann rauen Wetterbedingungen standhalten, im Gegensatz zu anderen Batterien, die von Feuchtigkeit beeinflusst werden und spezielle Herstellungsumgebungen benötigen.
- Darüber hinaus weist Cano Luna darauf hin, dass die Verwendung von Hämoglobin als biokompatibler Katalysator für die Integration dieses Batterietyps vielversprechend ist in medizinischen Geräten wie Herzschrittmachern.
Die Batterie arbeitet bei einem pH-Wert von 7.4, ähnlich dem pH-Wert des Blutes. Tierisches Eiweiß (Hämoglobin) kann ebenfalls verwendet werden, da es in den meisten Säugetieren vorkommt.
Wissenschaftler haben die erste Batterie auf Hämoglobinbasis entwickelt, die jedoch noch Verbesserungspotenzial aufweist. Ihr Hauptnachteil besteht darin, dass sie als Primärbatterie lediglich elektrische Energie abgeben und nicht wiederaufladbar ist. Das Forschungsteam arbeitet jedoch bereits an der Suche nach einem anderen biologischen Protein, das Wasser in Sauerstoff umwandeln kann und somit das Aufladen der Batterie ermöglicht. Es ist außerdem wichtig zu beachten, dass diese Batterien zum Funktionieren Sauerstoff benötigen und daher für den Einsatz im Weltraum ungeeignet sind.
Quelle : Zink-Luft-Batterie auf Basis von menschlichem Hämoglobin in einem neutralen Elektrolyten
