Sistemi di accumulo: la prima batteria con emoglobina

I ricercatori dell’Università di Cordoba, in collaborazione con altre istituzioni, hanno sviluppato un nuovo tipo di batteria utilizzando l’emoglobina come catalizzatore nelle batterie zinco-aria. Questa batteria biocompatibile può funzionare fino a 30 giorni e offre diversi vantaggi, come la sostenibilità e l’idoneità all’uso in dispositivi per il corpo umano. Nonostante la sua natura non ricaricabile, questa innovazione segna un passo significativo verso alternative di batteria rispettose dell’ambiente, affrontando i limiti delle attuali batterie agli ioni di litio.

I ricercatori dell’Istituto Chimico per l’Energia e l’Ambiente (IQUEMA) dell’Università di Cordoba hanno sviluppato una batteria che utilizza l’emoglobina per facilitare le reazioni elettrochimiche, mantenendo la funzionalità per circa 20-30 giorni.

L’emoglobina è una proteina presente nei globuli rossi ed è responsabile del trasporto dell’ossigeno dai polmoni ai diversi tessuti del corpo (e del trasferimento dell’anidride carbonica in senso inverso). Ha un’affinità molto elevata per l’ossigeno ed è fondamentale per la vita. Ma se fosse anche un elemento chiave per un tipo di dispositivo elettrochimico in cui anche l’ossigeno gioca un ruolo importante, come le batterie zinco-aria?

È quanto hanno voluto verificare e sviluppare i gruppi di Chimica Fisica (FQM-204) e Chimica Inorganica (FQM-175) dell’Università di Córdoba (UCO), insieme a un’équipe dell’Università Politecnica di Cartagena, dopo che uno studio dell’Università di Oxford e un progetto finale di laurea dell’UCO avevano dimostrato che l’emoglobina presentava proprietà promettenti per il processo di riduzione e ossidazione (redox) con cui si genera energia in questo tipo di sistema.

Così, il team di ricerca ha sviluppato, attraverso un progetto Proof of Concept, la prima batteria biocompatibile (non dannosa per l’organismo) che utilizza l’emoglobina nella reazione elettrochimica che trasforma l’energia chimica in energia elettrica.

Il meccanismo e i vantaggi della batteria ad emoglobina

Utilizzando le batterie zinco-aria, una delle alternative più sostenibili a quelle che attualmente dominano il mercato (batterie agli ioni di litio), l’emoglobina funzionerebbe come catalizzatore in tali batterie. Si tratta cioè di una proteina responsabile nel facilitare la reazione elettrochimica, chiamata reazione di riduzione dell’ossigeno (ORR), facendo sì che, dopo l’ingresso dell’aria nella batteria, l’ossigeno venga ridotto e trasformato in acqua in una delle parti della batteria (il catodo o polo positivo), liberando elettroni che passano all’altra parte della batteria (l’anodo o polo negativo), dove avviene l’ossidazione dello zinco.

Come spiega il ricercatore dell’UCO Manuel Cano Luna: “Per essere un buon catalizzatore nella reazione di riduzione dell’ossigeno, il catalizzatore deve avere due proprietà: deve assorbire rapidamente le molecole di ossigeno e formare molecole di acqua con relativa facilità. L’emoglobina soddisfa questi requisiti”. Infatti, grazie a questo processo, il team è riuscito a far funzionare il proprio prototipo di batteria biocompatibile con 0,165 milligrammi di emoglobina per un periodo compreso tra 20 e 30 giorni.

Oltre alle ottime prestazioni, il prototipo di batteria sviluppato vanta altri vantaggi. Innanzitutto, le batterie zinco-aria sono più sostenibili e possono resistere a condizioni atmosferiche avverse, a differenza di altre batterie che risentono dell’umidità e richiedono un’atmosfera inerte per la loro produzione.

In secondo luogo, come sostiene Cano Luna, “l’uso dell’emoglobina come catalizzatore biocompatibile è molto promettente per quanto riguarda l’impiego di questo tipo di batteria in dispositivi integrati nel corpo umano”, come i pacemaker. Infatti, la batteria funziona a pH 7,4, un pH simile a quello del sangue. Inoltre, poiché l’emoglobina è presente in quasi tutti i mammiferi, si potrebbero utilizzare anche proteine di origine animale.

Sfide e direzioni future

La batteria che è stata sviluppata ha tuttavia alcuni limiti che possono essere migliorati. Il principale è che si tratta di una batteria primaria, quindi scarica solo energia elettrica. Inoltre, non è ricaricabile. Pertanto, il team sta già compiendo i passi successivi per trovare un’altra proteina biologica che possa trasformare l’acqua in ossigeno e, quindi, ricaricare la batteria. Inoltre, le batterie funzionerebbero solo in presenza di ossigeno, quindi non potrebbero essere utilizzate nello spazio.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Energy & Fuels, apre le porte a nuove alternative tecnologiche per le batterie in un contesto in cui si prevede un numero sempre maggiore di dispositivi mobili e un crescente impiego di energie rinnovabili, per cui è necessario disporre di dispositivi che immagazzinino l’energia elettrica in eccesso sotto forma di energia chimica. Soprattutto, le batterie più diffuse oggi, agli ioni di litio, sono penalizzate dalla scarsità del litio e dal suo impatto ambientale come rifiuto potenzialmente pericoloso.

Riferimenti: “Human Hemoglobin-Based Zinc-Air Battery in a Neutral Electrolyte” di Valentín García-Caballero, Sebastián Lorca, Marta Villa-Moreno, Álvaro Caballero, Juan J. Giner-Casares, Antonio J. Fernández-Romero e Manuel Cano, 25 settembre 2023, Energy & Fuels.

DOI: 10.1021/acs.energyfuels.3c02513

Fonte articolo: The Future of Sustainable Energy? Scientists Create First-Ever Battery Using Hemoglobin (scitechdaily.com)

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