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Pesquisadores da Universidade de Córdoba, em colaboração com outras instituições, desenvolveram um novo tipo de bateria que utiliza a hemoglobina como catalisador em baterias de zinco-ar. Essa bateria biocompatível pode funcionar por até 30 dias e oferece diversas vantagens, como sustentabilidade e adequação para uso em dispositivos do corpo humano. Apesar da sua natureza não recarregável, esta inovação marca um passo significativo em direcção a alternativas de baterias amigas do ambiente, abordando as limitações das actuais baterias de iões de lítio. (Conceito do artista.) Crédito: SciTechDaily.com
Pesquisadores do Instituto Químico de Energia e Meio Ambiente (IQUEMA) da Universidade de Córdoba desenvolveram uma bateria que utiliza hemoglobina para facilitar reações eletroquímicas, mantendo a funcionalidade por aproximadamente 20 a 30 dias.
A hemoglobina é uma proteína presente nos glóbulos vermelhos e é responsável por transportar o oxigênio dos pulmões para os diferentes tecidos do corpo (e depois transferir o dióxido de carbono no sentido inverso). Tem uma afinidade muito elevada pelo oxigénio e é fundamental para a vida, mas, e se fosse também um elemento-chave para um tipo de dispositivo eletroquímico em que o oxigénio também desempenha um papel importante, como as baterias zinco-ar?
Isto é o que os grupos de Físico-Química (FQM-204) e de Química Inorgânica (FQM-175) da Universidade de Córdoba (UCO) quiseram verificar e desenvolver, juntamente com uma equipe da Universidade Politécnica de Cartagena, após estudo do Universidade de Oxford e um Projeto de Conclusão de Curso na UCO demonstraram que a hemoglobina apresentava propriedades promissoras para o processo de redução e oxidação (redox) pelo qual a energia é gerada neste tipo de sistema.
A equipe de pesquisa da Universidade de Córdoba. Crédito: Universidade de Córdoba
Assim, a equipa de investigação desenvolveu, através de um projeto de Prova de Conceito, a primeira bateria biocompatível (que não faz mal ao organismo) utilizando hemoglobina na reação eletroquímica que transforma energia química em energia elétrica.
O mecanismo e as vantagens da bateria de hemoglobina
Utilizando baterias de zinco-ar, uma das alternativas mais sustentáveis às que atualmente dominam o mercado (baterias de íon-lítio), a hemoglobina funcionaria como um catalisador nessas baterias. Ou seja, é uma proteína responsável por facilitar a reação eletroquímica, chamada de Reação de Redução de Oxigênio (ORR), fazendo com que, após a entrada do ar na bateria, o oxigênio seja reduzido e transformado em água em uma das partes da bateria. (cátodo ou pólo positivo), liberando elétrons que passam para a outra parte da bateria (ânodo ou pólo negativo), onde ocorre a oxidação do zinco.
Como explica o investigador da UCO Manuel Cano Luna: “Para ser um bom catalisador na reação de redução de oxigénio, o catalisador tem de ter duas propriedades: precisa de absorver rapidamente moléculas de oxigénio e formar moléculas de água com relativa facilidade. E a hemoglobina atendeu a esses requisitos.” Na verdade, através deste processo, a equipe conseguiu fazer com que seu protótipo de bateria biocompatível funcionasse com 0,165 miligramas de hemoglobina por 20 a 30 dias.
Além do forte desempenho, o protótipo de bateria que desenvolveram apresenta outras vantagens. Em primeiro lugar, as baterias de zinco-ar são mais sustentáveis e podem resistir a condições atmosféricas adversas, ao contrário de outras baterias afetadas pela humidade e que requerem uma atmosfera inerte para o seu fabrico.
Em segundo lugar, como argumenta Cano Luna, “a utilização da hemoglobina como catalisador biocompatível é bastante promissora no que diz respeito à utilização deste tipo de bateria em dispositivos integrados no corpo humano”, como os pacemakers. Na verdade, a bateria opera em pH 7,4, que é um pH semelhante ao do sangue. Além disso, como a hemoglobina está presente em quase todos os mamíferos, também poderiam ser utilizadas proteínas de origem animal.
Desafios e direções futuras
A bateria que eles desenvolveram ainda pode ser melhorada. A principal delas é que se trata de uma bateria primária, portanto apenas descarrega energia elétrica. Além disso, não é recarregável. Por isso, a equipe já dá os próximos passos para encontrar outra proteína biológica que consiga transformar água em oxigênio e, assim, recarregar a bateria. Além disso, as baterias só funcionariam na presença de oxigênio, portanto não poderiam ser utilizadas no espaço.
O estudo, publicado na revista Energia e Combustíveis, abre a porta a novas alternativas funcionais para baterias num contexto em que se esperam cada vez mais dispositivos móveis e em que existe uma aposta crescente nas energias renováveis, de tal forma que é necessário ter dispositivos que armazenem o excesso de energia eléctrica na forma de energia química. Mais importante ainda, as baterias mais comuns actualmente, as de iões de lítio, enfrentam os problemas da escassez de lítio e do seu impacto ambiental como resíduos perigosos.
Referência: “Bateria de zinco-ar à base de hemoglobina humana em um eletrólito neutro” por Valentín García-Caballero, Sebastián Lorca, Marta Villa-Moreno, Álvaro Caballero, Juan J. Giner-Casares, Antonio J. Fernández-Romero e Manuel Cano, 25 de setembro de 2023, Energia e Combustíveis.
DOI: 10.1021/acs.energyfuels.3c02513