Исследователи представят свои результаты сегодня на Национальном собрании и выставке Американского химического общества (ACS) осенью 2019 года.
«Тенденция в области аккумуляторов сейчас заключается в том, чтобы посмотреть, как электроны транспортируются в полимерной сети», – говорит Тан Нгуен, доктор философии.D. студент, который помогал в разработке проекта. «Прелесть полипептидов в том, что мы можем контролировать химию их боковых цепей в 3D, не изменяя геометрию скелета или основной части структуры. Затем мы можем систематически исследовать эффект изменения различных аспектов боковых цепей."
Современные литий-ионные батареи могут нанести вред окружающей среде, и поскольку стоимость их переработки выше, чем их изготовление с нуля, они часто накапливаются на свалках.
На данный момент нет безопасного способа избавиться от них. Разработка батареи на белковой или органической основе изменила бы эту ситуацию.
«Амидные связи вдоль пептидного остова довольно стабильны – так что долговечность есть, и мы можем сработать, когда они разрушаются для повторного использования», – говорит Карен Вули, доктор философии.D., кто возглавляет команду в Техасском университете A&M.
Она предполагает, что полипептиды в конечном итоге можно будет использовать в таких приложениях, как проточные батареи для хранения электрической энергии. «Другое преимущество состоит в том, что, используя эту белковоподобную архитектуру, мы создаем те конформации, которые встречаются в природных белках, которые уже эффективно переносят электроны», – говорит Вули. "Мы также можем оптимизировать это, чтобы контролировать производительность батареи."
Исследователи построили систему, используя электроды из композитов сажи, построив полипептиды, содержащие либо виологен, либо 2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил (TEMPO).
Они прикрепили виологены к матрице, используемой для анода, который является отрицательным электродом, и использовали TEMPO-содержащий полипептид для катода, который является положительным электродом. Виологены и ТЕМПО представляют собой окислительно-восстановительные молекулы. "То, что мы измерили до сих пор для диапазона, потенциального окна между двумя материалами, составляет около 1.5 вольт, подходит для приложений с низким энергопотреблением, таких как биосенсоры, – говорит Нгуен.
Для потенциального использования в органической батарее Нгуен синтезировал несколько полимеров, которые принимают различные формы, такие как случайная катушка, альфа-спираль и бета-лист, чтобы исследовать их электрохимические характеристики. Имея в руках эти пептиды, Нгуен теперь сотрудничает с Александрой Даниэль Изли, доктором философии.D. студентка лаборатории Джоди Люткенхаус, Ph.D., также в Техасском университете A&M для создания прототипов батарей.
Часть этой работы будет включать тестирование, чтобы лучше понять, как полимеры функционируют, когда они расположены на подложке.
Хотя этим ранним исследованиям еще далеко до того, как органические батареи станут коммерчески доступными, гибкость и разнообразие структур, которые могут обеспечить белки, обещают широкий потенциал для устойчивого хранения энергии, более безопасного для окружающей среды.