„Je to další krok na cestě k dostupnějšímu vodíku,“ říkají Peter Kúš a Tomáš Hrbek, členové vědeckého týmu z katedry fyziky povrchů a plazmatu MFF UK, který vyvinul unikátní technologii pro zvětšení povrchu proton-vodivé membrány. Ta je klíčovou složkou moderních vodíkových palivových článků a elektrolyzérů vody. V září 2021 za vynález a jeho využití v elektrolýze vody získali prestižní ocenění f-cell award ve Stuttgartu.
Čím je vaše technologie výjimečná?
Hrbek: Může najít praktické uplatnění v moderních palivových článcích a elektrolyzérech vody. Elektrolyzér vody rozkládá prostřednictvím elektrického proudu vodu na vodík a kyslík a je významný pro takzvané vodíkové hospodářství. Uskladněný vodík je poté možné zpětně měnit na elektrickou energii s využitím vodíkových palivových článků. Tento cyklus je důležitý pro stabilizaci produkce elektrické energie založené zejména na větrných a solárních elektrárnách, které neposkytují konstantní výkon. Vzhledem k tomu, že jediné dostatečně aktivní a stabilní katalyzátory elektrochemických reakcí u elektrolyzérů vody a vodíkových palivových obsahují vzácné kovy, zaměřuje se velká část světového výzkumu na snižování jejich množství v těchto zařízeních. Naší výzkumné skupině se podařilo najít unikátní způsob, jak tento problém řešit.
Jak konkrétně?
Kúš: Naše metoda tkví v kombinaci reaktivního magnetronového tenkovrstvého naprašování oxidu ceru se současným plazmovým leptáním proton-vodivé membrány, což vede k výraznému zvětšování jejího povrchu. Takto upravený povrch vyžaduje při tenkovrstvém pokovení výrazně menší spotřebu drahého kovu. Modifikovaná membrána má nově vláknitou strukturu, kde jsou vlákna přímo součástí. Poréznost membrány pak umožňuje naprostou absenci dalšího nosiče či zvláštní vrstvy pro disperzi katalyzátoru, kterým jsou právě platina či iridium.
Zní to jednoduše a elegantně. Jak to, že ještě nikoho před vámi podobný postup nenapadl?
Hrbek: Metoda magnetronového naprašování je dobře známá, my jsme ji pouze aplikovali na novou oblast. Standardně se disperze katalyzátoru dosahuje takzvanými mokrými cestami, což si lze představit jako míchání různých roztoků ionomeru s částicemi katalyzátorů a prášky nosného materiálu. Vzniklá směs se následně rozmístí po membráně. Jde tedy o složitý postup tvořený více kroky, jako je míchání, homogenizace, nanášení a schnutí. Naše „suchá“ fyzikální cesta je přímočařejší, rychlejší, bez kapalných chemikálií, za použití menšího množství drahých kovů.
Tomáš Hrbek rozpracoval technologii plazmového leptání proton-vodivé membrány už ve své bakaářské práci. Za čtyři roky podali na vynález patentovou žádost.
Jaké je uplatnění vámi modifikovaného elektrolyzéru v automobilovém průmyslu?
Kúš: Pro pochopení musíme nejprve popsat rozdíl mezi elektrolyzérem a palivovým článkem. Palivový článek slouží k tomu, že se z vodíku a kyslíku vyrábí elektřina. A elektrolyzér k tomu, že se vody rozloží pomocí elektřiny na vodík a kyslík. Jsou to opačné procesy. Dříve se zdálo, že budou pro výzkum a vývoj zajímavější palivové články, jelikož se předpokládalo, že vodík bude možné dodávat jednoduše odjinud. Jenže pro snižování emisí oxidu uhličitého potřebujeme čistý vodík, a nikoli odpadní například z průmyslu, jenž obsahuje nečistoty. Modifikace membrány je naprosto univerzálně použitelná, je však z určitých důvodů výrazně perspektivnější pro elektrolyzéry. Může tedy spíše posloužit ke snížení ceny výroby vodíku – mimo jiné paliva pro vodíková auta.
Podařilo se vám snížit množství katalyzátoru, tedy drahých kovů – platiny a iridia. Mohlo by i to do budoucna zlevnit vodíkové elektromobily?
Hrbek: Ano, vedle zmíněné levnější výroby vodíku také redukcí ceny samotných palivových článků. Do cenové problematiky však vstupuje ještě řada dalších faktorů, například skutečnost, že se vodíkových elektromobilů zatím neprodukuje tolik – masová výroba výslednou cenu produktu logicky snižuje. V tomto případě však pouze částečně – cena katalyzátorů z drahých kovů nemůže klesnout pod určitou hranici jednoduše proto, že jich je na planetě omezené množství.
Kúš: V tuto chvíli dokáže těžba iridia a platiny poptávku pokrýt. Problém s jejich dostupností může nastat ve chvíli, kdy se výroba vodíkových elektromobilů výrazně zvýší a zde by naše technologie mohla pomoci.
Hrbek: Pro její uplatnění na trhu také hovoří fakt, že se nám podařilo ověřit stabilitu elektrolyzéru – jeho dlouhodobou funkčnost a životnost, což je z komerčního hlediska zásadní.
Podle Petera Kúše přišla myšlenka ochránit vynález patentem už ve chvíli, kdy získali na výzkum finance z programu GAMA. Nyní mají český patent, brzy by měl přibýt i evropský a americký.
Jak dlouhá byla cesta od počátku výzkumu až k patentové žádosti?
Hrbek: Zhruba čtyři roky a byl to postupný proces. Technologii plazmového leptání proton-vodivé membrány jsem rozpracovával ve své bakalářské práci, v diplomové jsem se pak věnoval iridium-rutheniovému katalyzátoru, který na modifikovanou membránu deponujeme.
To je sen každého mladého vědce – dostat se od bakalářské práce až k mezinárodnímu patentu.
Hrbek: Je třeba říci, že ideu plazmového leptání proton-vodivé membrány načrtl a velký kus práce zde odvedl náš kolega Yurii Yakovlev, který se jí věnoval především v souvislosti s palivovými články. My jsme se následně rozhodli zkusit ji aplikovat na elektrolyzér vody a z řady důvodu funguje tato technologie lépe u elektrolyzéru než u palivového článku.
Kúš: Myšlenkou ochránit si vynález patentem jsme se začali zabývat, když jsem získal finanční podporu pro výzkum z programu GAMA. Proces získání patentové ochrany je totiž nejen časově náročná, administrativně složitá ale také finančně nákladná záležitost s nejistým výsledkem. Hodně nám s tím pomohlo oddělení CPPT a následně CUIP, a především také náš vedoucí, profesor Matolín, který je rovněž držitelem několika patentů, a tak dokázal zhodnotit, zda je naše technologie opravdu tak unikátní, že má smysl se o patent pokoušet.
Za vynález jste ve Stuttgartu spolu s profesorem Matolínem a doktorem Yakovlevem obdrželi prestižní f-cell award, což je pro odborníky v oblasti vodíkových technologií událost roku, pro vás jakožto vítěze zase skvělé promo u světových firem.
Hrbek: Přesně tak. Cenu jsme získali v kategorii Research & Development, určenou primárně pro vědecká pracoviště, kdy odborná komise hodnotí především míru inovace vynálezu, potenciál jeho uplatnění na trhu, pozitivní vliv na životní prostředí i společenský dopad. Členy komise tedy byli nejen odborníci z prostředí akademického výzkumu, ale také lidé z nadnárodních firem a průmyslu.
Peter Kúš a Tomáš Hrbek s profesorem Vladimírem Matolínem ze Skupiny nanomateriálů katedry fyziky povrchů a plazmatu MFF UK.
| RNDr. Peter Kúš, Ph. D a Mgr. Tomáš Hrbek |
| Působí na katedře fyziky a povrchů plazmatu, ve Skupině nanomateriálů MFF UK. Zabývají se aplikovaným výzkumem v oblasti vodíkových technologií a nanostrukturními katalyzátory. Jejich unikátní technologie pro zvětšení povrchu proton-vodivé membrány byla v září 2021 oceněna f-cell award ve Stuttgartu a byl jí také udělen český patent. V nejbližší době by měli získat i evropský a americký. |
