La hemoglobina es una proteína presente en los glóbulos rojos de la sangre y se encarga de transportar el oxígeno desde los pulmones hasta los diferentes tejidos del cuerpo (y luego de trasladar el dióxido de carbono en el camino inverso). La hemoglobina tiene una afinidad muy grande con el oxígeno y es fundamental para la vida, pero ¿y si también fuera un elemento clave para un tipo de dispositivo electroquímico donde el oxígeno juega también un papel importante como son las baterías de zinc-aire?
Eso es lo que quisieron comprobar y desarrollar los grupos de investigación de Química Física (FQM-204) y Química Inorgánica (FQM-175) de la Universidad de Córdoba (UCO), junto a un equipo de la Universidad Politécnica de Cartagena, después de que una investigación de la Universidad de Oxford y un Trabajo Fin de Grado en la UCO demostraran que la hemoglobina presentaba propiedades interesantes para el proceso de reducción y oxidación (redox) con el que se genera la energía en este tipo de sistemas. Así, el equipo investigador ha desarrollado a través de una prueba de concepto la primera batería biocompatible (que no es dañina para el cuerpo) que emplea hemoglobina en la reacción electroquímica que transforma la energía química en energía eléctrica.
Empleando baterías de zinc-aire, una de las alternativas más sostenibles a las baterías que actualmente dominan el mercado (las de ion-litio), la hemoglobina funcionaría como catalizador en dichas baterías. Es decir, es una proteína que se encarga de facilitar la reacción electroquímica, llamada Reacción de Reducción de Oxígeno (ORR en inglés), que hace que, después de que el aire entre en la batería, el oxígeno se reduzca y transforme en agua en una de las partes de la batería (el cátodo o polo positivo), liberando electrones que pasan a la otra parte de la batería (el ánodo o polo negativo) donde se produce la oxidación del zinc.
Como explica el investigador de la UCO Manuel Cano Luna, “para ser un buen catalizador en la reacción de reducción de oxígeno, el catalizador tiene que cumplir dos propiedades: absorber rápidamente moléculas de oxígeno y formar las moléculas de agua relativamente fácil. Y la hemoglobina cumplía esos requisitos”. De hecho, a través de este proceso, el equipo ha conseguido que su prototipo de batería biocompatible funcione con 0,165 miligramos de hemoglobina entre 20 y 30 días.
Además del buen funcionamiento, el prototipo de batería que han desarrollado presenta otras ventajas. En primer lugar, al ser baterías de zinc-aire, son más sostenibles y se puede trabajar con ellas en condiciones atmosféricas, no como otras baterías a las que les afecta la humedad y requieren de una atmósfera inerte para su fabricación. En segundo lugar, como sostiene Cano Luna, “el uso de hemoglobina como un catalizador biocompatible es bastante interesante para el uso de este tipo de baterías en dispositivos que estén integrados en el cuerpo humano”, como puede ser el caso de marcapasos. De hecho, la batería funciona a pH 7,4 que es un pH similar al de la sangre. Además, como la hemoglobina está presente en casi todos los mamíferos, también se podría trabajar con proteína de origen animal.
Sin embargo, la batería que han desarrollado tiene aspectos a mejorar. La principal es que se trata de una batería primaria por lo que solo descarga energía eléctrica. No es recargable. Por ello, el equipo ya está dando los siguientes pasos para buscar otra proteína biológica que permita transformar el agua en oxígeno y así recargar la batería. Además, las baterías solo funcionarían con la presencia de oxígeno, por lo que no se podrían utilizar en el espacio.
El estudio, publicado en la revista Energy & Fuels, abre la puerta a nuevas alternativas funcionales para las baterías en un contexto en el que previsiblemente cada vez haya más dispositivos móviles y en el que se apuesta por energías renovables y, por tanto, sea necesario disponer de dispositivos que almacenen el exceso de energía eléctrica en forma de energía química. Sobre todo, teniendo en cuenta que las baterías más comunes actualmente, las de ion-litio, tienen que hacer frente al problema de la escasez del litio y al impacto medioambiental como residuo peligroso.
Referencia:
Valentín García-Caballero, Sebastián Lorca, Marta Villa-Moreno, Álvaro Caballero, Juan J. Giner-Casares, Antonio J. Fernández-Romero, y Manuel Cano, “Human Hemoglobin-Based Zinc–Air Battery in a Neutral Electrolyte”, Energy Fuels 2023, 37, 23, 18210–18215, https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.3c02513.
