Producerer proteinbatterier for sikrere, miljøvenlig strømopbevaring

Proteiner er gode til at opbygge muskler, men deres byggeklodser kan også være nyttige til at bygge bæredygtige økologiske batterier, der en dag kan være en levedygtig erstatning for konventionelle lithium-ion-batterier, uden deres sikkerheds- og miljøhensyn. Ved at bruge syntetiske polypeptider - som udgør proteiner - og andre polymerer, forskere har taget de første skridt mod at konstruere elektroder til sådanne strømkilder. Arbejdet kunne også give en ny forståelse af elektronoverførselsmekanismer.

Forskerne vil præsentere deres resultater i dag på American Chemical Society (ACS) Nationalmøde &Udstilling efterår 2019.

"Tendensen på batteriområdet lige nu er at se på, hvordan elektronerne transporteres inden for et polymernetværk, "siger Tan Nguyen, en ph.d. studerende, der hjalp med at udvikle projektet. "Det smukke ved polypeptider er, at vi kan kontrollere kemien på deres sidekæder i 3-D uden at ændre rygradens geometri, eller hoveddelen af ​​strukturen. Så kan vi systematisk undersøge effekten af ​​at ændre forskellige aspekter af sidekæderne."

Nuværende lithium-ion-batterier kan skade miljøet, og fordi omkostningerne ved at genbruge dem er højere end at fremstille dem fra bunden, de samler sig ofte på lossepladser. I øjeblikket, der er ingen sikker måde at bortskaffe dem på. Udvikling af et proteinbaseret, eller økologisk, batteri ville ændre denne situation.

"Amidbindingerne langs peptidrygraden er ret stabile - så holdbarheden er der, og vi kan så udløse, når de går i stykker til genbrug, " siger Karen Wooley, Ph.D., der leder teamet på Texas A&M University. Hun forestiller sig, at polypeptider med tiden kan bruges i applikationer som flowbatterier til lagring af elektrisk energi. "Den anden fordel er, at ved at bruge denne proteinlignende arkitektur, vi bygger den slags konformationer ind, der findes i proteiner i naturen, som allerede transporterer elektroner effektivt, " siger Wooley. "Vi kan også optimere dette for at kontrollere batteriets ydeevne."

Forskerne byggede systemet ved hjælp af elektroder fremstillet af kompositter af carbon black, konstruere polypeptider, der indeholder enten viologen eller 2, 2, 6, 6-tetramethylpiperidin 1-oxyl (TEMPO). De fastgjorde viologener til matrixen, der blev brugt til anoden, som er den negative elektrode, og brugte et TEMPO-holdigt polypeptid til katoden, som er den positive elektrode. Viologenerne og TEMPO er redox-aktive molekyler. "Hvad vi har målt indtil videre for rækkevidden, det potentielle vindue mellem de to materialer, er omkring 1,5 volt, velegnet til applikationer med lavt energibehov, såsom biosensorer, "Siger Nguyen.

Til potentiel brug i et organisk batteri, Nguyen har syntetiseret flere polymerer, der antager forskellige konformationer, såsom en tilfældig spole, en alfa -helix og et beta -ark, at undersøge deres elektrokemiske egenskaber. Med disse peptider i hånden, Nguyen samarbejder nu med Alexandra Danielle Easley, en ph.d. studerende i laboratoriet hos Jodie Lutkenhaus, Ph.D., også ved Texas A&M University, at bygge batteriprototyperne. En del af dette arbejde vil omfatte test for bedre at forstå, hvordan polymererne fungerer, når de er organiseret på et substrat.

Selvom denne forskning på et tidligt stadie stadig er langt, før organiske baserede batterier er kommercielt tilgængelige, fleksibiliteten og mangfoldigheden af ​​strukturer, som proteiner kan give, lover et bredt potentiale for bæredygtig energilagring, der er sikrere for miljøet.