Не золото, а платина: как ученые из ЮФУ развивают «зеленые» технологии

Фото: Фото: Центр общественных коммуникаций ЮФУ

Руководитель НОЦ «Новые наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» химического факультета Южного федерального университета Владимир Гутерман — о водородной энергетике, научном производстве и экспорте платиносодержащих катализаторов.

— Владимир Ефимович, сегодня многие страны активно развивают водородную энергетику. В чем преимущество этого источника энергии?

— Водородная энергетика — это в определенной степени вынужденное решение человечества, потому что она дороже современной, ориентирующейся на углеродное топливо. Дело в том, что в последнее время из-за деятельности человечества, возникли серьезные климатические проблемы. Количество углекислого газа в атмосфере Земли постоянно повышается, это приводит к разогреванию атмосферы. Если эта тенденция сохранится, то к 2050 году температура атмосферы повысится на 2,5 градуса и наступит климатическая катастрофа.

Человечество поставило задачу этой климатической катастрофы избежать. Для этого надо заменить углеводородное топливо на водородное. Водород при взаимодействии с кислородом производит очень большое количество энергии, при этом продуктом реакции является вода. Использование водорода должно привести к значительному сокращению выбросов СО₂, что замедлит повышение температуры в атмосфере планеты до 1,5 градуса к 2050 году. Если усилия продолжатся, последует снижение средней температуры.

— Созданная на химическом факультете лаборатория синтеза каталитически активных материалов специализируется на изготовлении специальных катализаторов для топливных водородных элементов. Как работает это устройство?

— Топливный элемент представляет собой устройство, которое преобразует энергию химической реакции в электричество. При этом сокращаются этапы превращения по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, что также очень выгодно и эффективно. Коэффициент полезного действия топливных элементов может приближаться к 100%.

Низкотемпературный топливный элемент — это устройство, в центре которого находится полимерная протонопроводящая мембрана, с двух сторон на эту мембрану нанесены каталитические электродные слои. В устройство с двух сторон подаются кислород и водород. Водород окисляется, в цепь поступают электроны, протоны движутся через мембрану на кислородный электрод. Там кислород восстанавливается, взаимодействует с протонами, превращается в воду, и вода выводится из этого устройства. Энергия от этой химической реакции превращается в электрическую и поступает в сеть для питания тех или иных потребителей.

— А почему возникла необходимость создания новых катализаторов?

— Скорость окисления водорода и скорость восстановления кислорода очень зависят от того, из какого материала сделан электрод. Если мы используем в качестве электрода платину, то скорость этих реакций в десятки тысяч раз больше, чем на других металлах. А если в единицу времени превращается большое количество веществ, мы получаем большую силу тока. Поэтому и применяется платина. Чтобы расходовать меньше платины, ее стали наносить в виде наночастиц на поверхность носителей, в первую очередь, углерода. За счет этого 1 грамм платины в наших катализаторах имеет площадь поверхности до 120 квадратных метров.

— Как в ЮФУ начали разрабатывать платиносодержащие катализаторы?

— Эти катализаторы были известны достаточно давно. В свое время я три года проработал в Институте передовых технологий компании Samsung в Южной Корее. Именно там в 2003 году и начал заниматься этой тематикой. Там я увидел планы Европейского экономического сообщества, Соединенных Штатов Америки, Японии и понял, что это очень долговременная тема. Стратегии развития водородной энергетики разработаны в зарубежных странах на период до 2050 года.

И мне показалось, что это очень важно и интересно. Вернулся сюда, собрал студентов химического факультета, предложил им заниматься этой тематикой. Так появилась студенческая лаборатория, специализировавшаяся на производстве компонентов для устройств водородной энергетики. Сегодня в нашем научно-образовательном центре работают уже две полноценные лаборатории, поскольку в 2024 году был начат новый проект, «Технологии синтеза каталитически активных материалов» — кандидат в стратегические проекты программы «Приоритет 2030». Исследования, проводимые в рамках этого проекта, направлены на разработку новых подходов к управлению сложными процессами синтеза наночастиц. Научившись управлять синтезом, мы можем контролировать микроструктуру платиносодержащих катализаторов в процессе получения и, как следствие, управлять их функциональными характеристиками.

— Вы с коллегами организовали собственное производственное предприятие «Прометей РД». В каком объеме оно производит катализаторы сегодня?

—  В какой-то момент мы поняли, что разработали оригинальную технологию и получаем катализатор мирового уровня. Было интересно реализовать свои научные наработки в рамках реальной продукции. Водородная энергетика развивается, и это будет отечественный катализатор, который не уступает, а может, даже и несколько превосходит мировые аналоги. Наша команда выиграла грант «Старт» Фонда поддержки инноваций и создала малое предприятие, которое смогло масштабировать технологию и начать производство инновационного продукта.

Это было сложно. Один автомобиль Toyota Mirai, который сейчас выпускают японцы, содержит в топливном элементе примерно 10–15 граммов платины. Это очень немного. К тому же катализатор — очень дорогой продукт из-за того, что в его состав входит платина. Технология достаточно дорога. Но его не нужно производить тоннами, что очень удобно. Правда, некоторые зарубежные предприятия производят в таких объемах, но в России пока нет такой потребности.

«Прометей РД» стал успешно развиваться. Однако в России сегодня отсутствует коммерческое производство топливных элементов с протонообменной мембраной. Пока появляются только опытные образцы, как у компаний КАМАЗ и ГАЗ. Беспилотники могут летать на таких топливных элементах. Но все эти устройства надо заправлять водородом, а заправок таких практически нет. Поэтому закупки катализаторов не очень велики. За год предприятие производит и продает около 2 кг катализаторов.

— Планируется ли дальнейшее расширение мощностей «Прометей РД»? Каким будет следующий этап развития этого предприятия?

— Мы с нетерпением ждем, когда в России сформируется рынок водородной энергетики и коммерческое производство устройств с водородными топливными элементами, электролизеров, для которых нужны катализаторы такого типа, которые мы производим.

Рано или поздно это произойдет. Мы готовы выпускать гораздо больше продукта. На начальном этапе это не потребует больших вложений и большого наращивания производственных мощностей. Сейчас мы наладили синтез продукта в реакторах и можем получать в одном реакторе 100 граммов катализатора за сутки. Производство можно увеличить, но нам нужен потребитель.

Сейчас мы думаем о том, чтобы пытаться выйти с этой продукцией за рубеж. Будем пробовать наладить поставки в Арабские Эмираты, в Индию, может быть, в Китай – один из мировых лидеров водородной энергетики.

— В какой перспективе возможно такое сотрудничество?

— К нам обращались российские компании, у которых были планы передачи технологий и производства топливных элементов в дружественных России странах. И мы готовы к такому сотрудничеству. В ближайшем будущем планируем активно участвовать в мероприятиях, которые будут проводиться на площадках этих дружественных стран, попытаемся установить непосредственный контакт с представителями зарубежных компаний, развивающих зеленую энергетику, для передача своих образцов на испытания.

— Каковы планы вашего научного коллектива до конца текущего года?

— Только недавно трое наших кандидатов наук получили три гранта Российского научного фонда. Для коллектива довольно сложно одновременно работать по разным проектам. Тем не менее мы пытаемся расширять ту область, в которой работаем. Она пока сосредоточена вокруг катализаторов — катализаторы для электролизеров, новые типы наноструктурных катализаторов для топливных элементов, прогрессивные технологии их получения. Здесь не обойтись без качественных фундаментальных исследований, которые и выполняются в рамках грантовых проектов, государственного задания РФ по науке, программы «Приоритет 2030».

Для сотрудников НОЦа я когда-то приводил пример, что мы растим дерево, на котором много веток. Заранее невозможно предсказать, на какой ветке будет больше плодов. Поэтому мы постоянно выращиваем новые ветки. Если какое-то из направлений развивается более активно, направляем усилия туда, а еще пытаемся посадить второе дерево, чтобы в перспективе возник садик.

Беседовала Анастасия Назарова