ساخت باتری شارژشدنی سازگار با محیط زیست با ویتامین B12

ویتامین B12 بیشتر به دلیل نقش در سلامت سیستم عصبی و تولید گلبول‌های قرمز شناخته می‌شود؛ اما پژوهشگران دانشگاه کوردوبا در اسپانیا کاربرد متفاوتی برای این ماده مغذی پیدا کرده‌اند. به گزارش عصر ایران به نقل از زومیت به نقل از سای‌تک‌دیلی، آن‌ها با بهره‌گیری از ویژگی‌های شیمیایی ویتامین B12، نمونه اولیه باتری شارژشدنی جدیدی ساخته‌اند که می‌تواند راه را برای توسعه سامانه‌های ذخیره انرژی ایمن‌تر و سازگارتر با محیط‌زیست هموار کند.

باتری جدید از نوع روی‌هوا (Zinc-Air) است و برای تولید برق از واکنش شیمیایی میان فلز روی و اکسیژن موجود در هوا استفاده می‌کند. برخلاف باتری‌های متداول که تمام مواد واکنش‌دهنده را درون خود نگه می‌دارند، باتری‌های روی‌هوا اکسیژن موردنیازشان را از محیط اطراف دریافت می‌کنند. این ویژگی به کاهش وزن و افزایش چگالی انرژی آن‌ها کمک می‌کند.

باتری روی‌هوا و مزیت‌های آن

باتری‌های روی‌هوا پیش‌تر در دستگاه‌های کوچکی مانند سمعک استفاده شده‌اند. فلز روی ماده‌ای نسبتاً فراوان و بازیافت‌پذیر است و الکترولیت‌های آبی و اشتعال‌ناپذیر این باتری‌ها می‌توانند خطر آتش‌سوزی را در مقایسه با باتری‌های لیتیوم‌یونی کاهش دهند.

بااین‌حال، یکی از موانع اصلی گسترش کاربرد باتری‌های روی‌هوا، دشواری شارژ مجدد آن‌ها است. برای ساخت نمونه شارژشدنی، به کاتالیزوری نیاز است که بتواند هم واکنش تولید برق و هم واکنش معکوس هنگام شارژ باتری را تسهیل کند.

نقش ویتامین B12 در شارژ مجدد

پژوهشگران دانشگاه کوردوبا برای برطرف‌کردن این مشکل به سراغ ویتامین B12 رفتند. این ویتامین که با نام کوبالامین نیز شناخته می‌شود، در ساختار مولکولی خود حاوی کبالت است. ویژگی‌های شیمیایی کبالت به ویتامین B12 اجازه می‌دهد در واکنش‌های مربوط به مصرف و تولید اکسیژن نقش کاتالیزور را ایفا کند.

ویتامین B12 هنگام تخلیه باتری به تبدیل اکسیژن به آب کمک می‌کند و در فرآیند شارژ مجدد، واکنش تولید اکسیژن را تسهیل می‌کند. به‌این‌ترتیب، یک ماده می‌تواند در هر دو مرحله عملکرد باتری نقش داشته باشد.

البته استفاده از ویتامین B12 چالش دیگری نیز ایجاد کرد. این ویتامین به‌راحتی در آب حل می‌شود و ازآنجاکه باتری‌های روی‌هوا از الکترولیت آبی استفاده می‌کنند، افزودن مستقیم آن به باتری راهکار مناسبی نبود.

پژوهشگران برای حل مشکل، مولکول‌های ویتامین B12 را به نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره متصل کردند. این ساختارهای بسیار نازک، مولکول‌های ویتامین را در جای خود ثابت نگه می‌دارند و درعین‌حال امکان مشارکت آن‌ها در واکنش‌های الکتروشیمیایی را فراهم می‌کنند. دانشمندان برای ایجاد این اتصال از سازوکاری الهام گرفتند که در طبیعت، اسیدهای آمینه را برای تشکیل پروتئین‌ها به یکدیگر پیوند می‌دهد.

سومین نمونه زیستی و نتایج آزمایش

باتری مبتنی بر ویتامین B12 سومین نمونه اولیه‌ای محسوب می‌شود که این گروه با استفاده از مولکول‌های زیستی ساخته است. پژوهشگران پیش‌تر از هموگلوبین حاوی آهن دوظرفیتی و آنزیم کاتالاز حاوی آهن سه‌ظرفیتی به‌عنوان کاتالیزور استفاده کرده بودند؛ اما تفاوت مهم نمونه جدید، قابلیت شارژ مجدد آن است.

در آزمایش‌های انجام‌شده، باتری جدید توانست تا ۲۵۰ چرخه شارژ و تخلیه را پشت سر بگذارد. این نتیجه نشان می‌دهد که استفاده از مولکول‌های زیستی در باتری‌های شارژشدنی امکان‌پذیر است؛ هرچند برای ارزیابی دوام، هزینه تولید و عملکرد این فناوری در مقیاس تجاری به بررسی‌های بیشتری نیاز خواهد بود.

پژوهشگران امیدوارند توسعه چنین باتری‌هایی در آینده به ساخت سامانه‌های ذخیره انرژی ارزان‌تر و پایدارتر کمک کند. یکی از کاربردهای احتمالی فناوری جدید، ذخیره برق مازاد تولیدشده در نیروگاه‌های خورشیدی و بادی است که میزان تولید برق آن‌ها با شرایط محیطی تغییر می‌کند. پژوهش در ژورنال Journal of Materials Chemistry A منتشر شده است.