Para peneliti di Universitas Cordoba, bekerja sama dengan institusi lain, telah mengembangkan baterai jenis baru yang menggunakan hemoglobin sebagai katalis dalam baterai zinc-air. Baterai biokompatibel ini dapat berfungsi hingga 30 hari dan menawarkan beberapa keunggulan, seperti keberlanjutan dan kesesuaian untuk digunakan pada perangkat tubuh manusia. Meskipun sifatnya tidak dapat diisi ulang, inovasi ini menandai langkah signifikan menuju alternatif baterai ramah lingkungan, mengatasi keterbatasan baterai lithium-ion saat ini. (Konsep Artis.) Kredit: SciTechDaily.com
Para peneliti di Institut Kimia untuk Energi dan Lingkungan (IQUEMA) di Universitas Cordoba telah mengembangkan baterai yang menggunakan hemoglobin untuk memfasilitasi reaksi elektrokimia, mempertahankan fungsinya selama kurang lebih 20 hingga 30 hari.
Hemoglobin adalah protein yang terdapat dalam sel darah merah dan bertanggung jawab untuk membawa oksigen dari paru-paru ke berbagai jaringan tubuh (dan kemudian mentransfer karbon dioksida sebaliknya). Ia memiliki afinitas yang sangat tinggi terhadap oksigen dan sangat penting bagi kehidupan, namun, bagaimana jika ia juga merupakan elemen kunci untuk jenis perangkat elektrokimia di mana oksigen juga memainkan peran penting, seperti baterai seng-udara?
Hal inilah yang ingin diverifikasi dan dikembangkan oleh kelompok Kimia Fisika (FQM-204) dan Kimia Anorganik (FQM-175) di Universitas Córdoba (UCO), bersama dengan tim dari Universitas Politeknik Cartagena, setelah dipelajari oleh Universitas Oxford dan Proyek Gelar Akhir di UCO menunjukkan bahwa hemoglobin memiliki sifat yang menjanjikan untuk proses reduksi dan oksidasi (redoks) yang menghasilkan energi dalam sistem jenis ini.
Tim peneliti dari Universitas Cordoba. Kredit: Universitas Cordoba
Oleh karena itu, tim peneliti mengembangkan, melalui proyek Proof of Concept, baterai biokompatibel pertama (yang tidak berbahaya bagi tubuh) menggunakan hemoglobin dalam reaksi elektrokimia yang mengubah energi kimia menjadi energi listrik.
Mekanisme dan Keunggulan Baterai Hemoglobin
Dengan menggunakan baterai zinc-air, salah satu alternatif paling ramah lingkungan dibandingkan baterai yang saat ini mendominasi pasar (baterai lithium-ion), hemoglobin akan berfungsi sebagai katalis dalam baterai tersebut. Artinya, merupakan protein yang bertugas memfasilitasi reaksi elektrokimia yang disebut Oxygen Reduction Reaction (ORR), yang menyebabkan, setelah udara masuk ke dalam baterai, oksigen tereduksi dan diubah menjadi air di salah satu bagian baterai. (katoda atau kutub positif), melepaskan elektron yang berpindah ke bagian lain baterai (anoda atau kutub negatif), tempat terjadinya oksidasi seng.
Seperti yang dijelaskan oleh peneliti UCO, Manuel Cano Luna: “Untuk menjadi katalis yang baik dalam reaksi reduksi oksigen, katalis harus memiliki dua sifat: katalis harus cepat menyerap molekul oksigen, dan membentuk molekul air dengan relatif mudah. Dan hemoglobin memenuhi persyaratan tersebut.” Faktanya, melalui proses ini, tim berhasil membuat prototipe baterai biokompatibel mereka bekerja dengan 0,165 miligram hemoglobin selama antara 20 dan 30 hari.
Selain performa tangguh, prototipe baterai yang mereka kembangkan juga memiliki keunggulan lain. Pertama-tama, baterai zinc-air lebih ramah lingkungan dan tahan terhadap kondisi atmosfer yang buruk, tidak seperti baterai lain yang terpengaruh oleh kelembapan dan memerlukan atmosfer inert untuk pembuatannya.
Kedua, seperti pendapat Cano Luna, “penggunaan hemoglobin sebagai katalis biokompatibel cukup menjanjikan sehubungan dengan penggunaan baterai jenis ini pada perangkat yang terintegrasi ke dalam tubuh manusia,” seperti alat pacu jantung. Faktanya, baterai beroperasi pada pH 7,4, yang merupakan pH serupa dengan darah. Selain itu, karena hemoglobin terdapat pada hampir semua mamalia, protein yang berasal dari hewan juga dapat digunakan.
Tantangan dan Arah Masa Depan
Namun, baterai yang mereka kembangkan masih memiliki ruang untuk perbaikan. Yang utama adalah baterai primer, sehingga hanya mengeluarkan energi listrik. Selain itu, ini tidak dapat diisi ulang. Oleh karena itu, tim telah mengambil langkah selanjutnya untuk menemukan protein biologis lain yang dapat mengubah air menjadi oksigen dan dengan demikian dapat mengisi ulang baterai. Selain itu, baterainya hanya akan berfungsi jika ada oksigen, sehingga tidak bisa digunakan di luar angkasa.
Studi tersebut dipublikasikan di jurnal Energi & Bahan Bakar, membuka pintu bagi alternatif fungsional baru untuk baterai dalam konteks dimana semakin banyak perangkat mobile yang diharapkan, dan dimana terdapat peningkatan komitmen terhadap energi terbarukan, sehingga diperlukan perangkat yang menyimpan kelebihan energi listrik dalam bentuk energi kimia. Yang paling penting, baterai yang paling umum saat ini, litium-ion, dibebani dengan masalah kelangkaan litium dan dampak lingkungannya sebagai limbah berbahaya.
Referensi: “Baterai Seng-Udara Berbasis Hemoglobin Manusia dalam Elektrolit Netral” oleh Valentín García-Caballero, Sebastián Lorca, Marta Villa-Moreno, Álvaro Caballero, Juan J. Giner-Casares, Antonio J. Fernández-Romero dan Manuel Cano, 25 September 2023, Energi & Bahan Bakar.
DOI: 10.1021/acs.energyfuels.3c02513
