باتری شارژی روی-هوا با کاتالیزور ویتامین ب۱۲ ساخته شد

تصور کنید یکی از محصولات همیشگی قفسه‌های سوپرمارکت، بی‌سروصدا نقش کاتالیزور باتری را هم بازی کند. عجیب است، اما واقعیت دارد. پژوهشگران در کوردوبا ویتامین ب۱۲ را از راهروی مکمل‌های غذایی بیرون آورده و آن را درون یک سلول آزمایشی شارژی روی-هوا قرار داده‌اند؛ نتایج نشان می‌دهد این دستاورد چیزی فراتر از یک نمایش عجیب آزمایشگاهی است.

دانشمندان راهی غیرمنتظره یافته‌اند تا یک مولکول زیستی را با مواد کربنی پیشرفته ترکیب کنند و عملکرد باتری‌های شارژی را بهبود دهند.

شیمی باتری روی-هوا در مفهوم ساده و در اثرگذاری بسیار ظریف است. این سلول اکسیژن هوا را می‌گیرد تا با روی واکنش دهد و برق تولید کند. همین طراحی باعث می‌شود سلول‌های روی-هوا در مقایسه با بسیاری از باتری‌های رایج، سبک‌تر و دارای چگالی انرژی بالاتری باشند. این باتری‌ها همین حالا هم در کاربردهای خاصی که وزن کم و چگالی انرژی بالا اهمیت دارد، مانند سمعک‌ها، استفاده می‌شوند. اما چالش اصلی، شارژپذیری آن‌ها بوده است. برای چرخه‌های تکراری، باتری به کاتالیزوری نیاز دارد که بتواند در زمان تخلیه، واکنش کاهش اکسیژن و در زمان شارژ، واکنش تولید اکسیژن را به‌طور پایدار پیش ببرد.

اینجاست که یک زیست‌مولکول آشنا وارد ماجرا می‌شود. ویتامین ب۱۲ یا کوبالامین، دارای مرکز کبالت فعال از نظر شیمیایی است. تیم پژوهشی مؤسسه شیمی انرژی و محیط زیست دانشگاه کوردوبا، مولکول‌های ب۱۲ را به نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره متصل کرده است. این نانولوله‌ها مانند داربست عمل می‌کنند و ویتامین محلول در آب را درون باتری، که از الکترولیت پایه‌آبی استفاده می‌کند، ثابت نگه می‌دارند. این اتصال همچنین توانایی ویتامین را برای میانجی‌گری واکنش‌های اکسیژنی موردنیاز سلول در مسیر رفت و برگشت حفظ می‌کند.

پژوهشگران گروه شیمی‌فیزیک (FQM-204) در مؤسسه شیمی انرژی و محیط زیست (IQUEMA) دانشگاه کوردوبا که یک باتری شارژی مبتنی بر ویتامین ب۱۲ ساخته‌اند. 

چرا ویتامین، و چرا باتری روی-هوا؟

دلایل عملی مهمی فراتر از تازگی ایده وجود دارد. روی فراوان و قابل‌بازیافت است. الکترولیت مورد استفاده در این سلول‌ها پایه‌آبی و غیرقابل‌اشتعال است؛ موضوعی که آن را از بسیاری از شیمی‌های باتری لیتیوم-یون، که به حلال‌های آلی وابسته‌اند، متمایز می‌کند. نگرانی‌های زیست‌محیطی و فشارهای زنجیره تأمین، دانشمندان را به سمت بررسی گزینه‌هایی سوق داده که ارزان‌تر، ایمن‌تر و از نظر ژئوپلیتیکی کم‌تنش‌تر باشند.

اما ارزش یک باتری با توانایی آن در چرخه‌پذیری سنجیده می‌شود. کاتالیزورهای اولیه مبتنی بر زیست‌مولکول‌ها به سلول‌های روی-هوا امکان تخلیه مناسب می‌دادند. اما شارژ مجدد دشوارتر بود. ویتامین ب۱۲ این تصویر را تغییر داد. تیم کوردوبا گزارش کرده است که یک نمونه اولیه در آزمایش‌های آزمایشگاهی حدود ۲۵۰ چرخه شارژ و تخلیه را پشت سر گذاشته است. این عدد هنوز به معنای دوام تجاری نیست، اما گامی روشن رو به جلو نسبت به سلول‌های روی-هوای یک‌بارمصرف و تلاش‌های زیست‌مولکولی قبلی به‌شمار می‌آید.

این شیمی چگونه کار می‌کند؟

در زمان تخلیه، کاتالیزور باید به کاهش اکسیژن برای تشکیل هیدروکسید یا آب کمک کند، بسته به نوع الکترولیت. در زمان شارژ، باید مسیر معکوس رخ دهد: اکسیژن باید دوباره به هوا آزاد شود. مرکز کبالت در ب۱۲ میان حالت‌های اکسایش جابه‌جا می‌شود و از هر دو جهت واکنش پشتیبانی می‌کند. نانولوله‌های کربنی نیز دو نقش هم‌زمان دارند. آن‌ها رسانایی الکترونیکی فراهم می‌کنند و ب۱۲ را در جای خود نگه می‌دارند؛ مشابه نقشی که اسیدهای آمینه در مهار و تثبیت مولکول‌ها درون پروتئین‌ها دارند.

پژوهشگران گروه شیمی‌فیزیک (FQM-204) در مؤسسه شیمی انرژی و محیط زیست (IQUEMA) دانشگاه کوردوبا که یک باتری شارژی مبتنی بر ویتامین ب۱۲ ساخته‌اند. 

گروه کوردوبا به نظریه بسنده نکرده است. آن‌ها نمونه‌های اولیه را ساخته و آزمایش کرده‌اند. مهم‌ترین پیشرفت، افزودن شارژپذیری واقعی به یک طراحی باتری روی-هوا با کاتالیزور زیستی است. در نسخه‌های قبلی، این تیم هموگلوبین و کاتالاز را به‌عنوان منابع کاتالیزوری بررسی کرده بود؛ هر دو حاوی آهن هستند و اثرات کاتالیزوری مفیدی نشان دادند، اما به یک سلول شارژی کاربردی منتهی نشدند. ب۱۲ مرزها را به سمت چیزی نزدیک‌تر به یک دستگاه ذخیره‌سازی انرژی قابل‌استفاده جابه‌جا کرد.

ظرفیت‌ها و محدودیت‌ها

این دستاورد برای چشم‌انداز گسترده‌تر انرژی چه معنایی می‌تواند داشته باشد؟ اگر کاتالیزورهای ارزان، پایدار و مبتنی بر زیست‌مولکول‌ها بتوانند با فلزات فراوانی مانند روی همراه شوند، می‌توان سیستم‌های ذخیره‌سازی در مقیاس شبکه را تصور کرد که از برخی گلوگاه‌های مواد خام دور می‌شوند و خطر آتش‌سوزی را کاهش می‌دهند. چنین رویکردی می‌تواند ذخیره برق مازاد باد و خورشید را مقرون‌به‌صرفه‌تر و احتمالا کم‌حاشیه‌تر کند.

البته ملاحظاتی هم وجود دارد. چرخه‌های آزمایشگاهی همه حالت‌های تخریب بلندمدت، مقیاس‌پذیری تولید، هزینه عاملی‌سازی ب۱۲ یا پایداری اتصال نانولوله‌ها را در هزاران چرخه و دماهای متغیر به‌طور کامل نشان نمی‌دهند. باتری‌های تجاری به عملکرد یکنواخت، حاشیه‌های ایمنی قابل‌پیش‌بینی و اقتصادی نیاز دارند که بتواند با فناوری‌های موجود رقابت کند.

مانوئل کانو لونا، نویسنده این مطالعه، توضیح داده است که این گروه برای یافتن ویژگی‌هایی که بتوان آن‌ها را در باتری‌های جدید به کار گرفت، به مواد طبیعی نگاه کرده است. آنتونیو خسوس فرناندس رومرو، پژوهشگر این طرح، نیز افزوده است که ویتامین ب۱۲ «ثابت کرده شرایط لازم برای عمل کردن به‌عنوان یک کاتالیزور خوب را دارد، زیرا در زمان تخلیه، کاهش اکسیژن به آب را کاتالیز می‌کند و در زمان شارژ مجدد، تولید اکسیژن را پیش می‌برد».

دیدگاه کارشناس

دکتر النا مارتین، شیمیدان مواد که رابط‌های الکترودی را مطالعه می‌کند، می‌گوید: «این کار هوشمندانه است، چون زیست‌شناسی را با علم مواد به شکلی ترکیب می‌کند که به یک گلوگاه فنی واقعی پاسخ می‌دهد، نه صرفا یک ایده تازه و نمایشی. مسیر طولانی از یک نمونه اولیه امیدوارکننده تا استقرار عملی وجود دارد، اما استفاده از فلزات فراوان و الکترولیت‌های ملایم با اهداف پایداری همخوانی خوبی دارد. گام‌های بعدی، مقیاس‌پذیر کردن سنتز و آزمون‌های فشار در شرایط واقعی خواهد بود.»

پژوهشگران مانوئل کانو لونا و آنتونیو خسوس فرناندس رومرو، اعضای تیم پژوهشی که یک باتری شارژی مبتنی بر ویتامین ب۱۲ توسعه داده‌اند. 

در حال حاضر، این یک پژوهش اکتشافی است، نه جایگزینی آماده و مستقیم برای بسته‌های لیتیوم-یون در خودروهای برقی یا ذخیره‌سازی شبکه. با این حال، این مطالعه بر یک درس گسترده‌تر تأکید می‌کند: راه‌حل‌ها می‌توانند از جاهای غیرمنتظره بیایند، حتی از جعبه‌ابزار مولکولی حیات. وام گرفتن الگوها از زیست‌شناسی و سپس تقویت آن‌ها با چارچوب‌های کربنی مهندسی‌شده، مسیری خلاقانه به‌سوی شیمی باتری ایمن‌تر، ارزان‌تر و پایدارتر ارائه می‌دهد.