Výroba zeleného vodíka naráža na celosvetový problém. Je ním závislosť od extrémne drahých ušľachtilých kovov. V uplynulých mesiacoch tím košických vedcov z Ústavu materiálového výskumu Slovenskej akadémie vied (ÚMV SAV) úspešne zavŕšil projekt DEMADES. 

Jeho cieľom bolo skúmať výrobu vodíka z lacnejších a dostupnejších alternatív, ktoré by mali rovnakú účinnosť a stabilitu ako drahé kovy. Pomocou technológie elektrostatického zvlákňovania pripravili modifikové uhlíkové nanovlákna, ktoré by v budúcnosti dokázali nahradiť platinu a irídium vo vodíkových technológiách.

Tím z výskumného centra Promatech sa snaží vyrábať vodík z dostupných a lacných materiálov. Zľava Iván Shepa, Magdaléna Strečková a Erika Múdra.

Ako to funguje

Zelený vodík sa vyrába rozkladom vody na vodík a kyslík v zariadeniach zvaných elektrolyzéry. Srdcom týchto prístrojov sú katalyzátory, ktoré reakciu spúšťajú. 

Svetovým štandardom sú v súčasnosti drahé kovy, a to platina a irídium. Práve ich extrémne vysoká cena predražuje výrobu elektrolyzérov, ako aj palivových článkov (zariadení, ktoré z vodíka spätne vyrábajú elektrinu). To momentálne najviac brzdí konkurencieschopnosť zeleného vodíka na trhu.

Na prvý pohľad biely povlak na podkladovej textílii nepúta pozornosť. Obsahuje však dôležité nanovlákna tenšie ako vlas vytvorené z tekutého polyméru.

„Sú to najlepšie katalyzátory, aké sa na svete ukázali. Lenže ak by mal celý svet masívne prejsť na vodíkové technológie, ťažba týchto prvkov by nebola kapacitne ani finančne rentabilná,“ vysvetľuje Iván Shepa z ÚMV SAV na Watsonovej ulici v Košiciach.

Tím, ktorý tvoria výskumníci Erika Múdra, Iván Shepa a Magdaléna Strečková, preto stavil na diametrálne odlišný a podstatne lacnejší prístup. Vyvinuli uhlíkové nanovlákna s nanočasticami zlúčenín, konkrétne fosfidov niklu, železa a kobaltu.

Zafarbenie textílií závisí od pridaného katalyzátora. Tyrkysovú farbu vlákien získali pridaním kovov. Po tepelnom spracovaní sa farba mení na čierne uhlíkové vlákna s priemerom do 1 mikrometra. 

Kľúčom k ich vysokej účinnosti je obrovská aktívna plocha materiálu. „Jeden gram takýchto uhlíkových vlákien má približne rozlohu dvoch väčších bytov. Tá plocha je taká veľká, že poskytuje obrovské množstvo aktívnych centier, kde môže voda veľmi rýchlo a efektívne reagovať už pri malom množstve energie,“ dopĺňa Múdra.

Čierny štvorec uprosted je tvorený nanovláknami. Jeho sila je násobne väčšia než sa zdá. Počas reakcie pokryje takú plochu ako dva väčšie byty.

Spekanie pri 1000 stupňoch

Proces výroby tohto inovatívneho materiálu začína prípravou polymérnych roztokov, do ktorých sa primiešajú soli kovov. Vďaka vysokému elektrickému napätiu sa z roztoku v špeciálnych zariadeniach "vyťahujú" mikroskopické vlákna. Tieto vlákna sa následne umiestnia do pece, kde sa bez prístupu kyslíka "spekajú" pri teplote nad 1000 °C. Výsledkom je čierna netkaná textília tvorená uhlíkovými vláknami s jemnými nanočasticami.

V laboratóriu sa tento materiál následne testuje. „Cena výroby jedného štvorca uhlíkových vlákien s rozmerom 10 centimetrov sa môže pohybovať v desiatkach eur. Najdrahšie na celom procese je práve tepelné spracovanie, ktoré zhltne najviac energie,“ približuje proces Strečková.

Vzniknutá textília funguje ako samostojaca elektróda, ktorú vedci vkladajú do malého laboratórneho elektrolyzéra – jednocelovej testovacej jednotky oddelenej špeciálnou teflónovou membránou. Len čo sa pri zvyšovaní elektrického napätia objavia vo vode prvé bublinky vodíka, vedci vedia, že katalyzátor funguje. Alternatívne vedia materiál spracovať aj do podoby čierneho atramentu a na membránu ho nastriekať technikou zvanou „airbrush” (spray coating).

Zlatá tehlička, ktorú drží v rukách Magdaléna Strečková, je len testovacím modulom. Zatiaľ však funguje výborne a preto sa môžu pustiť do skúšania vo veľkom elektrolyzéri.

Napriek obrovskému potenciálu a prvotným úspechom sú však košickí vedci opatrní a bránia sa unáhleným vyhláseniam o okamžitej revolúcii na trhu. „Je to ako keď sa vymyslí nový liek. Dáte ho testovacej myši, ona prežije, ale nemôžete hneď vyhlásiť, že to rovnako bezpečne funguje u ľudí. Náš katalyzátor už v malom systéme funguje, vidíme výsledky a účinnosť je porovnateľná s najlepšími na svete. Musíme ho však ešte dôkladne elektrochemicky charakterizovať, kým ho budeme môcť nasadiť do veľkých megawattových priemyselných strojov,“ upozorňuje výskumníčka.

Slovenský vodík brzdí legislatíva

Zatiaľ čo košickí vedci posúvajú vpred samotnú technológiu, zavádzanie vodíka do bežnej praxe na Slovensku naráža na nepripravenosť štátu a chýbajúcu infraštruktúru. Kým napríklad vo Viedni mestské autobusy bežne krúžia na zelený vodík z vlastných elektrolyzérov, u nás je realita odlišná.

„Slovensko je v tomto smere legislatívne pozadu. Chýba nám legislatíva pre distribúciu, čerpacie stanice aj pre bezpečnosť pri práci. Na Slovensku máme v podstate jedinú čerpaciu stanicu v Bratislave, kde si musíte tankovanie objednať tri dni vopred. Kilo vodíka u nás stojí vyše 21 eur, kým napríklad v Nemecku je to takmer o polovicu menej,“ konštatujú vedci.

Paradoxom je, že slovenská firma z Hornej Potône Mobility & Innovation Production s.r.o. nedávno vyrobila špičkové vodíkové kamióny, no predala ich do Nórska a Holandska, kde už plnohodnotne fungujú v tzv. bezemisných vodíkových údoliach.

Vodík je poistkou pre batérie

V čase boomu elektromobility sa často vynára otázka, prečo vôbec vodík potrebujeme. Vedci zdôrazňujú, že vodík nemá lítiovým batériám konkurovať, ale ich dopĺňať.

Kým batérie sú ideálne pre malé mestské autá, pre ťažkú dopravu (kamióny, vlaky či lode) by boli neúnosne ťažké. Vodík má totiž trojnásobne vyššiu kalorickú hodnotu ako zemný plyn, vďaka čomu poskytne obrovské množstvo energie pri oveľa nižšej hmotnosti. Prechod iba na lítiové batérie by navyše znamenal nebezpečnú závislosť Európy od ťažby lítia a kritického kobaltu z tretích krajín. Vývoj alternatív, akými sú aj lacné košické nanovlákna pre zelený vodík, je tak dôležitou strategickou poistkou pre budúcnosť.

Revolúcia, ktorá takmer zapadla prachom 

Hoci sa s nanovláknami často spája prívlastok „materiály budúcnosti“, technológia elektrostatického zvlákňovania má za sebou dlhú históriu. Niektoré jej základné princípy boli objavené už koncom 19. storočia. „Najväčší rozmach však táto technológia, založená na ťahaní vlákien z kvapaliny pomocou elektrostatických síl, zaznamenala v 30. a 40. rokoch 20. storočia. Nový impulz jej neskôr priniesol rozvoj mikroskopov, ktoré umožnili detailnejšie skúmanie štruktúry materiálov s nano rozmermi," vysvetľuje Shepa.

V súčasnosti patrí elektrostatické zvlákňovanie medzi najsľubnejšie techniky výroby polymérnych, keramických a uhlíkových nanovlákien. Tie nachádzajú uplatnenie v medicíne, farmácii, úprave vody, filtrácii, pri výrobe senzorov, ako aj v mnohých ďalších, nemenej významných odvetviach. Na ÚMV SAV v Košiciach majú k dispozícii dva svetové prístroje s touto technológiou. Nachádzajú sa vo výskumnom centre PROMATECH na Watsonovej ulici a pomáhajú im prekonávať technologické výzvy v oblasti vývoja pokročilých nanomateriálov s novými vlastnosťami.

text: Monika Ištvánová

foto: autorka, ÚMV SAV