Proteiner är bra för att bygga muskler, men deras byggstenar kan också vara till hjälp för att bygga hållbara organiska batterier som en dag kan vara ett livskraftigt substitut för konventionella litiumjonbatterier, utan deras säkerhets- och miljöhänsyn. Genom att använda syntetiska polypeptider – som utgör proteiner – och andra polymerer, forskare har tagit de första stegen mot att konstruera elektroder för sådana kraftkällor. Arbetet kan också ge en ny förståelse för elektronöverföringsmekanismer.

Forskarna kommer att presentera sina resultat idag vid American Chemical Society (ACS) Fall 2019 National Meeting &Exposition.

"Trenden inom batterifältet just nu är att titta på hur elektronerna transporteras inom ett polymernätverk, " säger Tan Nguyen, en doktorsexamen student som hjälpte till att utveckla projektet. "Det fina med polypeptider är att vi kan kontrollera kemin på deras sidokedjor i 3D utan att ändra geometrin på ryggraden, eller huvuddelen av strukturen. Sedan kan vi systematiskt undersöka effekten av att förändra olika aspekter av sidokedjorna."

Nuvarande litiumjonbatterier kan skada miljön, och eftersom kostnaden för att återvinna dem är högre än att tillverka dem från grunden, de ackumuleras ofta på soptippar. Just nu, det finns inget säkert sätt att kassera dem. Att utveckla en proteinbaserad, eller ekologisk, batteriet skulle förändra denna situation.

"Amidbindningarna längs peptidryggraden är ganska stabila - så hållbarheten är där, och vi kan sedan utlösa när de går sönder för återvinning, " säger Karen Wooley, Ph.D., som leder teamet vid Texas A&M University. Hon föreställer sig att polypeptider så småningom kan användas i applikationer som flödesbatterier för att lagra elektrisk energi. "Den andra fördelen är att genom att använda denna proteinliknande arkitektur, vi bygger in de typer av konformationer som finns i proteiner i naturen som redan transporterar elektroner effektivt, " säger Wooley. "Vi kan också optimera detta för att kontrollera batteriets prestanda."

Forskarna byggde systemet med elektroder gjorda av kompositer av kimrök, konstruera polypeptider som innehåller antingen viologen eller 2, 2, 6, 6-tetrametylpiperidin 1-oxyl (TEMPO). De fäste viologer till matrisen som användes för anoden, som är den negativa elektroden, och använde en TEMPO-innehållande polypeptid för katoden, som är den positiva elektroden. Viologenerna och TEMPO är redoxaktiva molekyler. "Vad vi har mätt hittills för intervallet, det potentiella fönstret mellan de två materialen, är ca 1,5 volt, lämplig för applikationer med lågt energibehov, såsom biosensorer, " säger Nguyen.

För potentiell användning i ett organiskt batteri, Nguyen har syntetiserat flera polymerer som antar olika konformationer, som en slumpmässig spole, en alfahelix och ett betaark, för att undersöka deras elektrokemiska egenskaper. Med dessa peptider i handen, Nguyen samarbetar nu med Alexandra Danielle Easley, en doktorsexamen student i laboratoriet hos Jodie Lutkenhaus, Ph.D., även vid Texas A&M University, att bygga batteriprototyperna. En del av det arbetet kommer att inkludera tester för att bättre förstå hur polymererna fungerar när de är organiserade på ett substrat.

Även om denna tidiga forskning har långt kvar innan ekologiska batterier är kommersiellt tillgängliga, flexibiliteten och variationen av strukturer som proteiner kan tillhandahålla lovar bred potential för hållbar energilagring som är säkrare för miljön.