Iryna Ivanko: Kyselina mravenčí pomáhá zlepšit vlastnosti energetických úložišť

Datum vysílání

02.05.2025

Energetická úložiště s vyšší kapacitou, rychlejším nabíjením a delší životností pro budoucnost obnovitelné energie? To je cíl, k němuž může příspět i výzkum Iryny Ivanko z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, která získala společně s Elenou Tomšík z Ústavu makromolekulární chemie AV ČR prestižní cenu Wernera von Siemense za výzkum v oblasti uchovávání energie. Její práce odhaluje, jak vodíkové vazby ovlivňují vlastnosti speciálních vodivých polymerů používaných v superkapacitorech.

Co jsou superkapacitory a jakým způsobem jste je vylepšili?

Superkapacitory jsou zařízení pro ukládání energie, která se oproti běžným bateriím dokážou nabít i vybít mnohem rychleji a vydrží více nabíjecích cyklů. Proto se hodí tam, kde je potřeba rychlý přísun energie – například startovacích systémech nebo v některých typech nositelné elektroniky. V naší práci jsme společně s doktorkou Elenou Tomšík navrhly využití superkapacitorů na bázi vodivých polymerů pro efektivní skladování energie. Bohužel, tyto materiály mají jednu hlavní nevýhodu, a to je jejich omezená elektrochemická stabilita, která brání jejich širšímu praktickému využití.

A vám se podařilo tento problém vyřešit?

Ano. Zaměřili jsme se na vodivý polymer PEDOT (poly-(3,4-ethylendioxythiofen)) a vyvinuli inovativní přístup ke zlepšení jeho vlastností – zvýšení stability a minimalizaci rychlosti samovolného vybíjení. Prokázali jsme, že vodíkové vazby stabilizují lokalizované kation-radikály a přispívají k lepšímu uspořádání polymerní struktury, což vedlo k vyšší výkonnosti a delší životnosti těchto zařízení.

V čem tedy spočívá inovativnost?

Inovace našeho výzkumu tkví v objevu, jak kyselina mravenčí ovlivňuje strukturu vodivých polymerů a stabilizuje jejich náboj pomocí vodíkových vazeb. Zjistili jsme, že správně nastavené podmínky při přípravě polymeru mohou výrazně zvýšit výkon a životnost elektrochemických článků. Zatímco tradiční výzkum se soustředí hlavně na samotné složení materiálu, my jsme se zaměřili na důležitost slabých mezimolekulárních interakcí, které zásadně ovlivňují elektrochemické vlastnosti superkapacitorů.

Jak vás napadlo použít kyselinu mravenčí jako klíčový prvek pro zlepšení stability vodivých polymerů v superkapacitorech?

Myšlenka využití kyseliny mravenčí vznikla během mého postgraduálního kurzu UNESCO v Ústavu makromolekulární chemie AV ČR v Praze, kde jsem zkoumala její schopnost vytvářet vodíkové vazby, zejména s vodivým polymerem - polyanilinem. Výzkumný tým, ke kterému jsem se připojila, prokázal, že kyselina mravenčí vykazuje výjimečné chaotropní vlastnosti ovlivňující strukturu vody. To následně vede k hydrataci polymerních řetězců a jejich supramolekulárnímu uspořádání. Tyto poznatky jsem později aplikovala v rámci svého doktorského výzkumu na jiný polymer, poly(3,4-ethylendioxythiofen) (PEDOT).

Jaké byly největší výzvy ve vaší práci a co vás na této práci naopak nejvíce těšilo?

Největší výzvou na začátku výzkumu bylo nalézt správnou metodiku pro přípravu polymeru a sestavení elektrochemického článku. Prvním krokem byla optimalizace podmínek pro polymerizaci, což se ukázalo jako složitý úkol. Tradiční metody měly své nevýhody – elektrochemická polymerizace vyžadovala vodivé elektrody, na které nebylo vždy možné polymer efektivně nanášet, a chemická syntéza se potýkala s problémem eliminace nežádoucích vedlejších produktů. S Elenou Tomšík jsme proto vyvinuli metodu „acid-assisted“ polymerizace, která umožňuje syntézu PEDOTu bez nutnosti přidávat oxidační činidla, a polymer lze nanášet na jakýkoli povrch elektrody. Po vyřešení těchto problémů jsme se zaměřili na správné sestavení elektrochemického článku, kde jsme narazili na další komplikace, které si vyžádaly přizpůsobení metodiky.

Nejvíce uspokojivé bylo vidět, jak se naše teoretické předpoklady potvrdily v praxi. Bylo obzvlášť potěšující zjistit, že závěry vyvozené během tří let mého doktorandského výzkumu byly úspěšně aplikovány.

Jak vnímáte potenciál vašeho objevu pro řešení globálních energetických problémů?

Můj výzkum se zaměřoval na zlepšení účinnosti a stability energetických úložišť, což je klíčový aspekt pro budoucnost udržitelné energetiky. Objevení významu vodíkových vazeb v materiálech pro superkondenzátory otevírá možnost vývoje nových energetických úložišť na bázi vodivých polymerů, která budou mít vyšší kapacitu, rychlejší nabíjení a delší životnost. Tyto superkondenzátory mohou zlepšit efektivitu obnovitelných energetických systémů díky rychlé a stabilní akumulaci energie, což je klíčové pro spolehlivost energetické infrastruktury.

Co vás přivedlo k vědecké dráze v oblasti elektrochemie a materiálového výzkumu?

K vědecké dráze v oblasti elektrochemie a materiálového výzkumu mě přivedl můj dlouhodobý zájem o to, jak materiály ovlivňují naše každodenní technologie a jak mohou zlepšit naše energetické systémy. Již během studií mě fascinovalo, jak i malé změny na povrchu materiálů mohou zásadně změnit jejich vlastnosti a chování. Elektrochemie je jedinečná tím, že nám umožňuje ovlivňovat a řídit tyto procesy pomocí napětí či proudu v reálném čase. Tento proces řízení mi umožnil spojit základní výzkum s praktickými aplikacemi, jako je vývoj superkapacitorů nebo biosenzorů.

Jak dlouho žijete v Praze a působíte v Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského?

V Praze žiji od roku 2016, kdy jsem přijela na postgraduální kurz UNESCO na Ústav makromolekulární chemie. To, co jsem tam dělala, mě velmi zaujalo, a tak jsem se rozhodla pokračovat dál jako PhD studentka pod vedením doktorky Eleny Tomšík. Své PhD studium jsem absolvovala na Přírodovědecké fakultě, obor makromolekulární chemie, na Univerzitě Karlově. V roce 2023 jsem nastoupila jako postdoktorandka do Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského, kde jsem se připojila k týmu Matěje Velického. Atmosféra na našem pracovišti je velmi přátelská a podporující. Je tu silný důraz na spolupráci mezi kolegy, což vytváří prostředí, kde je snadné se obrátit na ostatní pro pomoc.

Můžete ve zkratce popsat, na čem nyní pracujete?

Na našem ústavu se věnuji studiu elektrochemickému dopování monovrstvy grafenu. Pomocí kombinace elektrochemie a Ramanovy spektroskopie sleduji lokální elektrochemické a spektrální změny grafenu v reálném čase. Specializuji se na sledování vlivu elektrochemického dopování na elektronické vlastnosti grafenu. Dále se zaměřuji na zkoumání vlivu lokálního dopování, tedy jak přítomnost náboje v určité oblasti nanomateriálu, konkrétně grafenu, ovlivňuje okolí této oblasti.

Jaké další výzvy plánujete řešit ve svém budoucím výzkumu?

V příštích letech se chci soustředit na klíčový problém energetických technologií - zvýšení výkonnosti a efektivity materiálů používaných v energetických aplikacích. Mým cílem je pokračovat ve výzkumu inovativních materiálů, které dokáží výrazně zlepšit kapacitu a prodloužit životnost energetických zařízení, především baterií. Tyto pokroky jsou zásadní pro další rozvoj udržitelných energetických řešení.

Motivuje Vás Cena Wernera von Siemense do dalšího výzkumu?

Cena Wernera von Siemense pro mě představuje prestižní ocenění vědecké práce a důkaz, že můj výzkum má nejen akademickou hodnotu, ale i reálný přínos pro technologický pokrok. Tato cena pro mě znamená více než jen ocenění dosažených úspěchů – je to také inspirace k překonávání nových výzev, a dává mi ještě větší chuť pokračovat v bádání a rozvíjet nové myšlenky.

Autorka: Miroslava Macháčková

Zdroj: Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR