Создан новый источник энергии — дешёвый, безопасный и почти живой: рибофлавин и сахар заменили литий и нефть

Учёные нашли способ превращать натуральные вещества в электричество. Исследователи разработали проточную батарею, которая использует витамин B2 (рибофлавин) и глюкозу — два компонента, знакомые каждому человеку. По сути, она повторяет принципы, по которым наше тело извлекает энергию из пищи. Новый подход обещает создать экологичные и безопасные источники энергии без редких металлов. Работа опубликована в журнале ACS Energy Letters.

"Рибофлавин и проточные клетки глюкозы могут вырабатывать электричество из природных источников энергии. Используя недорогие компоненты, широко доступные в природе, эта система предлагает многообещающий путь к безопасному и доступному хранению энергии в жилых домах", — отметил ведущий автор исследования Чон-Хва Шон.

Как устроена проточная батарея

Проточные батареи отличаются от привычных литий-ионных аккумуляторов: энергия в них хранится в жидких электролитах, которые циркулируют между положительным и отрицательным электродами. Когда жидкости проходят через ячейки, происходят химические реакции, выделяющие или накапливающие электроны.

В новой конструкции вместо дорогих металлических катализаторов используются вещества, встречающиеся в живых организмах. Рибофлавин играет ключевую роль — он переносит электроны, так же как и в процессе метаболизма внутри клеток. Глюкоза, служащая топливом для батареи, окисляется, отдавая энергию, а витамин помогает направить этот поток в нужное русло.

Почему выбрали глюкозу

Глюкоза оказалась идеальным компонентом для бионической батареи: она стабильна, легко возобновляется, встречается почти во всех растениях и не представляет угрозы для экологии.

Ранее инженеры пытались использовать сахар в системах хранения энергии, но сталкивались с дорогими материалами — катализаторами из платины и золота. Эти металлы эффективно расщепляют глюкозу, высвобождая электроны, однако их высокая стоимость и ограниченные запасы делали масштабное производство невозможным.

Теперь рибофлавин заменил металлы, показав удивительную стойкость даже в щелочной среде, где работают глюкозные электролиты. Это стало прорывом, открывшим дорогу к массовому применению безопасных и дешёвых батарей.

Природа как инженер

Рибофлавин в этой системе действует как электронный посредник: он переносит заряд между электродами и электролитом, повторяя функции, которые выполняет в организме человека при выработке энергии из пищи.

Благодаря такой биомиметической конструкции батарея работает по принципу живых систем, где энергия создаётся без токсичных отходов и высоких температур. Идея вдохновлена самой природой: учёные стремятся использовать биохимические процессы в энергетике, сохранив их простоту и эффективность.

Два варианта катода

Инженеры испытали две конфигурации положительного электрода: один использовал феррицианид калия, другой — обычный кислород.

"Использование феррицианида калия позволяет батарее выдавать энергию на уровне современных ванадиевых проточных систем, а вариант с кислородом делает производство более простым и дешёвым для крупных масштабов", — говорит Шон.

Оба варианта оказались успешными, но каждый имеет особенности. Система с кислородом проще в производстве, однако рибофлавин под воздействием света начинает разрушаться, что вызывает постепенный саморазряд. Несмотря на этот недостаток, она демонстрирует более высокую плотность мощности по сравнению с другими глюкозными батареями.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: полагать, что экологичные батареи невозможны без редких металлов.
• Последствие: зависимость энергетики от дорогих и токсичных компонентов.
• Альтернатива: использование природных молекул вроде рибофлавина и глюкозы как безопасных носителей энергии.

Мифы и правда

Миф: биологические батареи слишком слабы для практического применения.
Правда: современные бионические системы показывают мощность, сравнимую с промышленными проточными батареями.

Миф: глюкоза не способна обеспечить стабильную работу.
Правда: в щелочной среде и при помощи рибофлавина она демонстрирует устойчивую электрохимическую активность.

Миф: подобные технологии дороги.
Правда: глюкоза и витамин B2 — недорогие, доступные и биоразлагаемые материалы, которые можно использовать без сложных производств.

Сравнение: традиционные и бионические батареи

Преимущества рибофлавина

Рибофлавин не только безопасен, но и удивительно устойчив. Он сохраняет активность даже при высоких уровнях pH, необходимых для электролитов глюкозы. Кроме того, он не требует сложных методов очистки, в отличие от металлических катализаторов.

Эта стабильность делает витамин B2 идеальным кандидатом для систем, где важны надёжность и длительный срок службы. Учёные считают, что с дальнейшей оптимизацией рибофлавин-глюкозные батареи смогут конкурировать с ванадиевыми установками, применяемыми в энергетике сегодня.

Советы шаг за шагом: как работают такие системы

1. Готовятся два резервуара с жидкими электролитами — положительным и отрицательным.
2. В отрицательный электролит добавляется глюкоза, в положительный — рибофлавин и феррицианид калия или кислород.
3. При циркуляции электролитов через ячейку происходит перенос электронов.
4. Электроды из угля принимают и отдают заряд, создавая электрический ток.
5. При обратном процессе система "заряжается", восстанавливая исходные химические соединения.

Плюсы и минусы бионической батареи

А что если применить её дома?

Исследователи видят в этой технологии будущее бытового хранения энергии: такие батареи можно будет устанавливать в домах, где они будут питать освещение, бытовые приборы или резервные источники питания. Благодаря натуральным материалам устройство будет безопасно даже при повреждении — электролиты нетоксичны и не воспламеняются.

FAQ

Можно ли уже купить такую батарею?
Нет, технология находится на стадии лабораторных испытаний, но первые коммерческие образцы могут появиться в течение 5-10 лет.

Почему именно витамин B2?
Рибофлавин активно участвует в переносе электронов в организме, поэтому идеально подходит для создания аналогичного процесса в батарее.

Насколько она безопасна?
Все материалы нетоксичны и биоразлагаемы, не требуют специальной утилизации и не выделяют вредных веществ.

Как долго она работает?
При правильной конструкции батарея способна выдерживать сотни циклов зарядки и разрядки без потери ёмкости.

Можно ли заменить глюкозу другими сахарами?
В теории да: фруктоза и сахароза также обладают электрохимической активностью, но пока глюкоза показала наилучшие результаты.

Исторический контекст

Первые проточные батареи появились в 1970-х годах и использовали ванадий — редкий и дорогой металл. Они показали высокую эффективность, но оставались слишком затратными и токсичными для массового применения.

В 2000-х годах начались поиски органических альтернатив: учёные экспериментировали с растительными экстрактами и ферментами, вдохновляясь биохимией живых существ. Идея "биобатарей" на сахарах впервые была предложена японскими инженерами в 2010 году, но тогда мощность систем была крайне низкой.

Теперь, благодаря использованию рибофлавина, этот подход сделал шаг к практической реализации. природа, как оказалось, может не только питать организм, но и заряжать батареи.