Įsivaizduokite įprastą parduotuvės lentynoje rastą produktą, tyliai dirbantį kaip baterijos katalizatorius. Keista, bet tiesa. Kordobos mokslininkai išėmė vitaminą B12 iš maisto papildų skyrelio ir įdėjo jį į eksperimentinę įkraunamą cinko-oro elementą, o rezultatai rodo, kad tai nėra vien tik keistas laboratorinis triukas.
Mokslininkai atrado netikėtą būdą derinti biologinę molekulę su pažangiais anglies materialais, siekiant pagerinti įkraunamas baterijas.
Cinko-oro chemija yra paprasta idėja ir elegantiškai veikia. Elementas semia deguonį iš oro, kuris reaguoja su cinku ir taip gamina elektros energiją. Tokia konstrukcija daro cinko-oro elementus lengvesnius ir turinčius didelę energijos tankį, palyginti su daugeliu tradicinių baterijų. Jie jau naudojami nišinėse srityse, kur svarbu mažas svoris ir didelis energijos tankis, pavyzdžiui klausos aparatuose. Tačiau problema buvo įkraunamumas. Norint daugkartinių ciklų, baterijai reikia katalizatoriaus, kuris patikimai skatintų deguonies redukciją išsikrovimo metu ir deguonies evoliuciją įkrovimo metu.
Štai čia į sceną įžengia pažįstama biomolekulė. Vitaminas B12, arba kobolaminas, turi cheminį aktyvų kobalto centrą. Kordobos universiteto Energijos ir aplinkos chemijos institute (IQUEMA) dirbusi tyrėjų komanda pritvirtino B12 molekules prie vienasienių anglies nanovamzdelių. Nanovamzdeliai veikia kaip pastoliai, laikydami vandenyje tirpstantį vitaminą pritvirtintą baterijoje, kurioje naudojamas vandeninis elektrolitas. Pritvirtinimas taip pat išsaugo vitamino gebėjimą tarpininkauti deguonies reakcijoms, kurių elementui reikia veikti abiem kryptimis.
Kordobos universiteto Energijos ir aplinkos chemijos instituto (IQUEMA) Fizinės chemijos tyrimų grupės (FQM-204) mokslininkai, sukūrę įkraunamą bateriją, veikiančią su vitaminu B-12.
Kodėl vitaminas ir kodėl cinko-oro?
Tam yra praktinių priežasčių, ne tik naujovės. Cinkas yra gausus ir perdirbamas. Šiuose elementuose naudojamas elektrolitas yra vandeninis ir nedegus, priešingai nei dauguma ličio jonų cheminių sistemų, kurios remiasi organinėmis tirpikliais. Aplinkosaugos rūpesčiai ir tiekimo grandinių spaudimas skatino mokslininkus ieškoti alternatyvų, kurios būtų pigesnės, saugesnės ir mažiau geopolitinių rizikų turinčios.
Tačiau baterija vertinama pagal gebėjimą atlikti ciklus. Ankstyvieji biomolekuliniai katalizatoriai leido cinko-oro elementams gerai išsikrauti. Pakartotinis įkrovimas? Tai pasirodė sudėtingiau. Vitaminas B12 pakeitė situaciją. Kordobos komanda praneša apie prototipą, kuris laboratoriniais bandymais atliko maždaug 250 įkrovimo ir iškrovimo ciklų. Tai dar nėra komercinis ilgaamžiškumas, bet aiškus žingsnis į priekį, palyginti su vienkartinėmis cinko-oro dalimis ir ankstesniais biomolekulių bandymais.
Kaip veikia chemija
Iškrovimo metu katalizatorius turi padėti sumažinti deguonį, kad susidarytų hidroksidas arba vanduo, priklausomai nuo elektrolito. Įkrovimo metu turi vykti atvirkštinis procesas: deguonis turi grįžti į orą. B12 kobalto centras keičia oksidacijos būsenas ir palaiko abi reakcijų kryptis. Anglies nanovamzdeliai atlieka dvigubą funkciją. Jie suteikia elektroninį laidumą ir laiko B12 vietoje, imituodami, kaip aminorūgštys pririša molekules baltymuose.
Kordobos universiteto Energijos ir aplinkos chemijos instituto (IQUEMA) Fizinės chemijos tyrimų grupės (FQM-204) mokslininkai, sukūrę įkraunamą bateriją, veikiančią su vitaminu B-12.
Kordobos grupė neapsiribojo teorija. Jie sukonstravo ir išbandė prototipus. Svarbiausias pasiekimas yra tikro įkraunamumo pridėjimas biologinio katalizatoriaus cinko-oro konstrukcijai. Ankstesnėse versijose komanda tyrinėjo hemoglobiną ir katalazę kaip katalizatorių šaltinius; abu turi geležies ir suteikė naudingą katalitinį poveikį, bet neišvedė praktiškai įkraunamo elemento. B12 išstūmė ribas link kažko arčiau naudojamos energijos saugyklos prietaiso.
Galimybės ir ribotumai
Ką tai gali reikšti platesnei energetikos ateičiai? Jei pigius ir stabilus biomolekulinius katalizatorius galima susieti su gausiais metalais, tokiais kaip cinkas, galime įsivaizduoti didelio masto energijos saugyklas, kurios išvengtų kai kurių žaliavų trūkumo ir sumažintų gaisro riziką. Tai padarytų perteklinę vėjo ir saulės energiją pigesnę saugoti ir galbūt mažiau prieštaringą.
Yra ir įspėjimų. Laboratoriniai ciklai neparodo visų ilgalaikio degradacijos mechanizmų, gamybos masto, B12 funkcionalizacijos kaštų ar nanovamzdelių tvirtinimų patvarumo per tūkstančius ciklų ir skirtingų temperatūrų metu. Komercinės baterijos turi užtikrinti nuoseklų veikimą, prognozuojamus saugos rezervus ir ekonomiką, kuri konkuruotų su esamomis technologijomis.
Kaip tyrimo autorius Manuelis Cano Luna teigė, grupė ieškojo natūralių medžiagų savybių, kurias būtų galima pritaikyti naujose baterijose. Tyrėjas Antonio Jesús Fernández Romero pridūrė, kad vitaminas B12 "įrodė atitikimą reikiamoms sąlygoms veikti kaip geras katalizatorius, nes iškrovimo metu jis katalizuoja deguonies redukciją iki vandens, o įkrovimo metu skatina deguonies susidarymą".
Ekspertų įžvalga
"Šis darbas yra sumanus, nes jis sujungia biologiją ir medžiagų mokslą būdu, kuris sprendžia tikrą techninį kliuvinį, o ne tik naujovių triuką," sako dr. Elena Martín, medžiagų chemikė, tirianti elektrodo sąsajas. "Nuo pažadinto prototipo iki diegimo yra ilgas kelias, tačiau gausių metalų ir palankių elektrolitų naudojimas gerai dera su tvarumo tikslais. Tolimesni žingsniai bus sintezės mastelio didinimas ir streso bandymai realiomis sąlygomis."
Tyrėjai Manuelis Cano Luna ir Antonio Jesús Fernández Romero, dalis tyrimų komandos, sukūrusios įkraunamą bateriją, veikiančią su vitaminu B-12.
Šiuo metu tai yra tyrimai, o ne paprastas plug-and-play sprendimas, pakeičiantis ličio jonų baterijas elektriniuose automobiliuose ar tinklo saugyklose. Vis dėlto tyrimas pabrėžia platesnę pamoką: sprendimai gali kilti iš netikėtų šaltinių, įskaitant gyvybės molekulinę įrangą. Biologijos motyvų panaudojimas ir jų papildymas inžinerinėmis anglies struktūromis siūlo kūrybišką kelią link saugesnių, pigesnių ir tvaresnių baterijų cheminių sistemų.
Palikti komentarą
Komentarai
Komentarų dar nėra. Būkite pirmas.