Ocenená chemička Anna Kityk vyvíja udržateľné katalyzátory pre výrobu zeleného vodíka

Nedávno spolu so svojím tímom získala hlavnú cenu vo finále súťaže Challenger Science 2025 za vývoj netoxickej povrchovej úpravy kovov.

Docentka Anna Kityk z Centra pre využitie pokročilých materiálov SAV a Ústavu materiálov a mechaniky strojov SAV sa venuje modifikáciám povrchových vlastností materiálov pomocou elektrochemických metód. Elektrochemické úpravy sú najčastejšie aplikované na kovové materiály, pretože umožňujú kontrolovane meniť ich povrchovú morfológiu aj chemické zloženie, čo vedie k zlepšeniu ich funkčných vlastností.

Na jeseň tohto roka získala ocenenie programu L’Oréal – UNESCO Pre ženy vo vede. Ocenenie jej udelili za prínos vo vedeckom výskume v oblasti materiálových vied, konkrétne za rozvoj ekologických elektrochemických metód a vývoj pokročilých katalyzátorov s potenciálom pre udržateľné technológie. Výskum Anny Kityk môže prispieť k tomu, aby procesy výroby zeleného vodíka boli efektívnejšie, cenovo dostupnejšie a šetrnejšie k životnému prostrediu. Jej prístup je jedinečný tým, že využíva biologicky odbúrateľné rozpúšťadlá a nanoštruktúrované materiály na penových substrátoch. Vďaka tomu dokáže s kolegami vytvárať vysokoúčinné a zároveň ekologické katalyzátory, ktoré môžu prispieť k rozvoju technológií využívajúcich obnoviteľné zdroje energie.

Vedkyňa je líderkou vedeckého tímu ElectroChemX zo Slovenskej akadémie vied, ktorý nedávno získal hlavnú cenu vo finále súťaže Challenger Science 2025 za vývoj netoxickej povrchovej úpravy kovov.

Nevypúšťajú nebezpečné toxické látky do tela

Prečo je potrebné modifikovať povrchové vlastnosti materiálov?

Práca s povrchom kovov umožňuje získať materiály, ktoré sú nielen kvalitnejšie, ale môžu mať aj úplne nové funkcie. Povrchové úpravy dokážu napríklad zvýšiť odolnosť materiálu, jeho životnosť alebo bezpečnosť pri kontakte s ľudským telom.

V našom tíme sa primárne venujeme elektrochemickým úpravám a procesom, ktoré je možné aplikovať na rôzne účely, pričom kľúčová je práve povrchová úprava kovových materiálov. Napríklad sme s kolegami pracovali na projekte zameranom na úpravu povrchov titánových zliatin, ktoré sa používajú ako protézy a implantáty pre pacientov. Spolupracovali sme s firmou zaoberajúcou sa 3D tlačou kovových implantátov na mieru, ktorá nám poskytla konkrétne kovové súčiastky. Cieľom bolo zvýšiť biokompatibilitu týchto materiálov s ľudským telom. Výhodou titánu je jeho inertnosť, čo znamená, že s telesnými tekutinami nereaguje a neuvoľňuje žiadne nebezpečné či toxické látky.

Aké sú nevýhody titánových materiálov?

Problémom je, že ich biologická kompatibilita je stále nízka. V dôsledku toho v tele môžu vznikať neželané zápalové procesy, ktoré komplikujú hojenie. Preto sa povrch implantátov dodatočne upravuje.

Akým spôsobom zlepšujete ich biokompatibilitu?

Biokompatibilita kovových implantátov sa dá upraviť vytvorením špecifickej nanoštruktúry na povrchu materiálu, ktorá napodobňuje štruktúru kosti človeka. Bunky kosti sa vďaka tomu dokážu lepšie prichytiť k povrchu takého materiálu a vytvoria lepšie spojenie. Keď implantát zarastie bunkami, telo ho už berie ako svoju súčasť. Takýmto spôsobom sa minimalizuje zápalový proces a liečba sa zjednoduší a urýchli.

V rámci povrchových úprav titánových implantátov ste spolupracovali s rôznymi zahraničnými inštitúciami. Čo vám priniesli tieto formy spolupráce?

Vďaka medzinárodným spoluprácam dokážeme aplikovať elektrochemickú úpravu aj na iné kovové materiály, nielen titánové implantáty. Môže to byť napríklad oceľ, ktorá sa v medicíne využíva najmä na výrobu chirurgických nástrojov, skalpely či niektoré druhy protéz.

Prečo sú práve titánové zliatiny a chirurgické ocele vhodné na takúto povrchovú úpravu?

Titánové zliatiny a ocele, ktoré sa používajú na výrobu chirurgických nástrojov, sú vhodnými materiálmi na elektrochemické úpravy, pretože môžeme meniť chemické zloženie povrchovej vrstvy takým spôsobom, aby sa zlepšili ich vlastnosti. Výsledkom je lepšia zmáčavosť a biokompatibilita pre titán a zlepšená odolnosť proti korózii a antibakteriálny účinok pre ocele.

Mohli by titán nahradiť iné druhy kovových materiálov?

Nie je to naším cieľom, nehľadáme konkrétne riešenia pre medicínske účely. Vieme, ako zlepšiť využitie existujúcich materiálov v medicíne, a dokážeme kov zlepšiť tak, aby bol efektívnejšie využívaný a mal lepšie vlastnosti a kvality. Titán sa využíva nielen v medicíne, ale aj v aerokozmických výrobkoch, ktoré dokážu vydržať teplotné, ale aj mechanické záťaže. Ak zlepšíme povrch a chemickú kompozíciu tohto materiálu, môžeme ho využiť aj mimo medicíny.

Snažíte sa zlepšiť povrch materiálu, konkrétne jeho štruktúry či vrstvy. Ako to vyzerá v praxi?

Počas elektrochemickej úpravy dochádza k riadenému rozpúšťaniu povrchovej vrstvy, čím sa odstránia mikrodefekty a vytvorí sa homogénna povrchová topografia. Proces môže viesť aj k zmene chemického zloženia povrchu, napríklad k jeho selektívnemu obohateniu niektorými prvkami z pôvodnej zliatiny, čo zlepšuje koróznu odolnosť alebo mechanické vlastnosti. Tým sa mení aj využiteľnosť materiálu a jeho životnosť v rôznych podmienkach.

Skracujú čas liečby

Aké sú najväčšie výhody týchto povrchových úprav?

Dokážeme výrazne zvýšiť koróznu odolnosť, mechanické vlastnosti ako mikrotvrdosť, odolnosť proti vysokým, ale aj nízkym teplotám. Ide o účinky, ktoré nedosiahneme mechanickou úpravou. Mechanická úprava vyleští materiál a zbaví ho určitých povrchových defektov, ale chemická kompozícia zostane rovnaká. Výhodou elektrochemických úprav je to, že sa na povrchu materiálu jemne upraví chemické zloženie, čo umožňuje jeho efektívne využitie na rôzne účely. Okrem toho je možné zlepšiť aj vizáž konkrétnych produktov.

Akým spôsobom umožňuje takáto povrchová úprava zlepšenie vlastností daných medicínskych titánových protéz?

Telo ich následne ľahšie prijme, čo môže urýchliť hojenie a znížiť riziko neželaných zápalových reakcií. Okolité tkanivo po našej úprave lepšie reaguje na upravené implantáty. Napríklad titánové stavce v chrbtici sa musia zafixovať na konkrétnom mieste, aby lepšie prilipli ku kosti. Vďaka tomu je materiál pevnejší a pacient nemusí podstúpiť ďalšiu operáciu, navyše zostane v tele po celý život. Okrem toho má povrch daného materiálu aj jemný antibakteriálny účinok po takomto spracovaní. To je dôležité najmä pre chirurgické náčinie.

Ako sa tieto zlepšené vlastnosti materiálov prejavujú v praxi?

Momentálne spolupracujeme s výrobcami automobilových súčiastok, firmou BOOSTER Precision Components, ktorá vyrába súčiastky pre BMW, Audi či Škodu. Vyrábajú ich z rôznych druhov oceľových materiálov, pričom sa v ústave snažíme opracovať odliatu súčiastku našou elektrochemickou metódou tak, aby sa zlepšili jej korózne či mechanické vlastnosti. Aj malá povrchová modifikácia môže významne predĺžiť životnosť materiálu a znížiť riziko dopravných nehôd.

Ocenenie ste získali za výskum zeleného vodíka. Čo konkrétne ste skúmali?

Venovala som sa projektu týkajúceho sa výroby katalyzátorov zeleného vodíka pomocou elektrolýzy vodných roztokov. Vodík sa takýmto spôsobom tvorí na elektróde pri elektrochemickom rozklade vody. Problémom je, že tento proces nie je efektívny. Preto je cena zeleného vodíka stále vysoká, a teda jeho produkcia stále nie je konkurencieschopná. Zameriavame sa na katalyzátory, ktoré zvyšujú účinnosť elektrochemických procesov. Vyššia účinnosť môže v budúcnosti nepriamo ovplyvniť aj náklady na výrobu vodíka.

Akým spôsobom katalyzátor zvyšuje efektivitu vývoja vodíka?

Vývoj vodíka je komplexný proces pozostávajúci z niekoľkých krokov, ako je adsorpcia, prenos elektrónov, rekombinácia a desorpcia. Snažíme sa vytvoriť multifunkčné katalyzátory, ktoré zrýchlia každý tento krok. Vyvinuté katalyzátory nanášame na penové substráty. Takýmto prístupom riešime dve hlavné otázky zvýšenia efektivity katalýzy: zvýšenie množstva katalyticky aktívnych centier a ich účinnosti. Je potrebné zdôrazniť, že využitím penových elektród sa dá dosiahnuť maximálna účinnosť katalýzy pri minimálnej spotrebe materiálu.

Otázky efektívnej elektrolýzy sú kľúčovými pre výrobu zeleného vodíka. A výroba zeleného vodíka by mala byť v najbližšom čase jednou z priorít Slovenska. Podľa európskej smernice RED III by malo Slovensko do roku 2030 nahradiť približne 50-tisíc ton sivého vodíka, vyrábaného zo zemného plynu, obnoviteľným alebo nízkouhlíkovým palivom. Podľa najnovších prieskumov Národnej vodíkovej asociácie Slovenska bude naša krajina reálne potrebovať aspoň stotisíc ton vodíka ročne, ktorý buď efektívne vyrobíme, alebo draho nakúpime.

Kde všade v súčasnosti môže byť využitý zelený vodík?

V Bratislave jazdí niekoľko vodíkových autobusov. Zelený vodík môže byť tiež využitý vo výrobe ako surovina pre chemické reakcie aj iné technologické procesy alebo ako zdroj energie.

Má Slovensko dostatočne rozvinutú infraštruktúru na výrobu vodíka?

Áno, Slovensko má veľký potenciál dokonale zapadnúť do európskej vodíkovej infraštruktúry. Máme výbornú geografickú polohu, existujúcu sieť potrubí a všetky zdroje potrebné na efektívnu výrobu vodíka vrátane vhodných podzemných ložísk na jeho uskladňovanie. Preto je dôležité venovať otázkam výroby a uskladnenia vodíka viac úsilia, pozornosti a financovania.

Náš vedecký tím sa aktívne venuje napríklad problematike zefektívnenia výroby zeleného vodíka v rámci projektov podporených z mechanizmu Next Generation EU. Ako sme už spomínali, kľúčovým je pre nás vývoj účinnejších katalyzátorov pre udržateľnú výrobu zeleného vodíka.

V akom časovom horizonte by sme dokázali byť sebestačnou krajinou z hľadiska výroby a distribúcie vodíka?

Do roku 2030 sa očakáva iba čiastočné zavedenie vodíkových riešení, napríklad v doprave a priemysle. Nejde teda o úplné pokrytie spotreby Slovenska. Existujú dve cesty – buď začneme pracovať na vlastnom vývoji vodíkových technológií už teraz, alebo budeme v budúcnosti odkázaní na drahé technológie od partnerských štátov.

Realistická energetická sebestačnosť na báze vodíka sa však dá dosiahnuť až v dlhšom horizonte, približne po roku 2050. Bude si to vyžadovať systematické investície do výskumu, pilotných projektov, rozvoja infraštruktúry a škálovania výroby. Krajiny, ktoré začnú budovať svoje kapacity včas, získajú strategickú výhodu nielen v energetickej nezávislosti, ale aj v technologickom a priemyselnom rozvoji.

Ako využívajú vodík ostatné krajiny v porovnaní so Slovenskom?

Napríklad Francúzsko, Španielsko, Portugalsko či Nemecko využívajú vodík vo výrazne väčšej miere a realizujú množstvo úspešných projektov podporených z európskych fondov. Príkladom je projekt HOPE, ktorý sa zameriava na výrobu vodíka z morskej vody v Severnom mori pomocou obnoviteľných zdrojov energie. Tento projekt má ambíciu produkovať vodík priamo na mori a následne ho transportovať na pevninu.

Okrem toho existuje mnoho ďalších iniciatív zameraných na výrobu zeleného vodíka. Španielsko a Portugalsko dosahujú v posledných rokoch významné úspechy v budovaní rozsiahlych elektrolytických kapacít a v integrácii vodíka do priemyslu. Nemecko taktiež dynamicky napreduje a investuje do celého hodnotového reťazca: od výroby cez distribúciu až po využitie v doprave a energetike.

Pre Slovensko by bola veľká škoda túto príležitosť zmeškať. Je dôležité aktívnejšie sa zapojiť do medzinárodných vodíkových projektov a iniciatív, aby sme nestratili krok s technologickým vývojom a aby sme dokázali z dlhodobého hľadiska posilniť našu energetickú bezpečnosť.

Dôležité je zneškodnenie batérií z elektrických vozidiel

Aké máte ešte plány v oblasti výskumu?

Chcela by som pokračovať vo výskume a vývoji, pretože doterajšie výsledky naznačujú, že naše katalyzátory by mohli významne prispieť k efektívnejšej výrobe zeleného vodíka. Okrem toho mám ambiciózne plány aj v oblasti recyklácie automobilových batérií. Predaj elektrických vozidiel každoročne výrazne rastie a v priebehu nasledujúcich dvadsiatich rokov sa nahromadí veľké množstvo batériového odpadu. Tieto batérie obsahujú cenné suroviny, najmä lítium, ktoré by sme mohli na Slovensku ekologicky recyklovať a opätovne využívať pri výrobe nových batérií. Kľúčová bude úzka spolupráca s automobilovým priemyslom, aby sme dokázali vytvoriť efektívny a udržateľný reťazec spracovania a recyklácie batérií.

Akým spôsobom si predstavujete takúto spoluprácu?

Spoluprácu si predstavujem ako dlhodobé partnerstvo, ktoré prepája akademickú sféru a priemysel. Našou úlohou by bolo poskytovať odborné know-how, realizovať výskum a vyvíjať nové technológie, zatiaľ čo priemyselní partneri by zabezpečili praktické testovanie, výrobnú kapacitu a implementáciu riešení v reálnom prostredí.

V oblasti recyklácie batérií je dôležité vytvoriť prepojenie s automobilkami, dodávateľmi batériových komponentov a so spoločnosťami zameranými na spracovanie odpadu. Spolu s nimi by sme vedeli navrhnúť efektívny systém zberu, recyklácie a spätného využitia strategických surovín, najmä lítia či kobaltu.

Rovnako významná je medzinárodná spolupráca – zapájanie sa do európskych výskumných projektov, spoločných testovacích platforiem či pilotných liniek. Takéto partnerstvá by nám umožnili zrýchliť vývoj, získať prístup k moderným technológiám a zároveň posilniť konkurencieschopnosť Slovenska v oblasti vodíkových technológií aj cirkulárnej ekonomiky.

Máte predstavu o tom, ako by mohla v budúcnosti vyzerať recyklácia batérií z elektrických vozidiel?

Pôjde o komplexnú problematiku, pretože batérie treba najskôr rozobrať – oddeliť plastovú vrstvu od elektrolytu a elektród a každý tento materiál recyklovať zvlášť. Momentálne je jednoduchšie batériu vyhodiť, ale rozumnejšie by bolo ju rozdeliť na jednotlivé komponenty v rámci recyklácie. Po separácii získame grafit, lítium a iné kovy, ktoré by sa dali opäť využiť.

Nedávno ste získali grant a prvé miesto v programe Challenger Science 2025 so svojím tímom ElectroChemX za vývoj netoxickej povrchovej úpravy kovov. Ako hodnotíte skúsenosti s touto súťažou?

Program Challenger Science umožňuje objaviť podnikateľský potenciál vedeckých tímov. Naučila som sa, ako vedecké bádanie skomercializovať. V rámci súťaže sme museli ponúknuť náš výskum konkrétnym firmám a podnikateľom, pred ktorými sme prezentovali naše poznatky. Snažili sme sa im prezentovať využitie nášho vedeckého portfólia. Firmy mali možnosť otestovať našu technológiu na svojich materiáloch a veríme, že jej potenciál sa bude môcť v blízkej budúcnosti uplatniť aj v praxi.

Aké máte ďalšie plány?

Snažíme sa nielen publikovať naše poznatky, ale výskum preniesť aj k potenciálnym zákazníkom. Chceme verejnosti ukázať, že veda žije a prináša konkrétne riešenia technologických a priemyselných problémov. Vnímam potrebu vyvážiť publikovanie s praktickým uplatnením výskumu. Preferujem postup, v ktorom najprv vznikne riešenie použiteľné v praxi a následne sa jeho výsledky publikujú. S postupom času sa totiž stráca aktuálnosť využitia nejakej novej technológie. Rovnako je dôležité vyhľadávať a vypočuť si ľudí z praxe, napríklad majiteľov rôznych firiem, ktorí hľadajú riešenia na konkrétny problém.

Výrobcovia však bežne nehľadajú riešenia u konkrétnych vedcov. Ako by ste vyriešili tento problém?

Odborníci by mali aktívnejšie propagovať svoj výskum verejnosti, podnikateľom, výrobcom, firmám. To sa dá dosiahnuť prezentáciou výsledkov na inovačných podujatiach, výstavách alebo iných odborných akciách. Napríklad podujatie Challenger Science bolo jedným z takýchto miest, kde sa prezentovali nové technologické riešenia.

Veľmi užitočným nástrojom je aj kancelária transferu technológií, ktorá pomáha prenášať vedecké poznatky a technológie do praxe a podporuje ich implementáciu v priemysle. Budúci rok plánujeme založiť spin-off, v rámci ktorého budeme ponúkať konkrétne produkty a služby vychádzajúce z nášho výskumu priamo pre trh, čím zabezpečíme praktické využitie našich inovácií a uľahčíme spoluprácu s priemyslom.

(RR)