Недоизученный металл: преимущества палладия в очистке воды и энергетике будущего
Металлы платиновой группы — шесть металлов со схожими химическими и физическими свойствами. Они обладают высокой химической и коррозионной стойкостью, поэтому детали с таким «благородным» покрытием хорошо выдерживают работу в агрессивных средах. Высокие каталитические свойства обеспечили им «трудоустройство» и в тех сферах, где необходимо в десятки и сотни тысяч раз ускорять химические реакции. Например, в дожигании выхлопных газов, при производстве химических соединений вроде серной и азотной кислоты, и для очистки воды.
Палладий, поваренная соль и никаких складов опасных реагентов
Технология электрохимического обеззараживания воды устроена довольно просто. В воду добавляется обычная поваренная соль — хлорид натрия, — и опускаются электроды. Под действием тока происходит цепочка реакций и на одном из электродов — аноде, — из воды и соли образуется гипохлорит натрия.
Гипохлорит натрия хорошо обеззараживает воду, но при этом он значительно менее токсичен, чем чистый хлор. При этом поваренная соль не требует особых условий хранения и утилизации, в отличие от баллонов с хлором или пакетов с хлорной известью К тому же, будучи менее сильным окислителем, гипохлорит натрия не провоцирует активное образование других хлорорганических соединений в воде. Кстати, у воды, очищенной электрохимическим способом, нет явно выраженного привкуса.
В чем подвох электрохимического обеззараживания? Электролиз чрезвычайно энергозатратен. Чтобы процесс был эффективным, реакция на аноде должна давать большое количество гипохлорита натрия при минимальных затратах электроэнергии. Эту реакцию запускают, усиливают и ускоряют катализаторы.
Каталитическое покрытие титановых анодов для электрохимического обеззараживания воды обычно делают из рутения, иридия и платины. А там, где один металл платиновой группы показывает хорошие результаты, может пригодиться и его «брат».
Почему стоит использовать палладий?
«Когда мы начали заниматься палладием, то увидели, что научных публикаций по исследованию палладия в составе разных материалов существенно меньше, чем у других металлов платиновой группы. Можно сказать, что этот металл недоизученный. Так и появился фундаментальный интерес к изучению потенциала его использования в разных продуктах», — рассказал Сергей Салтыков, руководитель по направлению разработки Центра палладиевых технологий.
«У палладия высокий потенциал использования в тех отраслях, где уже используются другие платиноиды: платина, иридий, рутений и другие. Конечно, просто напрямую заместить их палладий не может, потому что металлы этой группы различаются по свойствам, но он точно может показать хорошие результаты в составе сплавов», — продолжил Сергей Салтыков.
Именно к таким успешным результатам привели эксперименты по созданию катализаторов на основе палладия для очистки воды.
Новые катализаторы снижают затраты энергии
На протяжении нескольких лет «Норникель» в сотрудничестве с российскими учеными ставили серию экспериментов с целью найти состав для нового катализатора, который бы показал хорошие результаты в сравнении с существующими коммерческими анодами. «Простым сплавом такой состав не назвать — пленка-катализатор из сплава имеет гораздо более сложную структуру. На металлическую основу анода ее наносили из химических растворов.
В 2023 году специалисты создали первый успешный лабораторный прототип анода с каталитическим покрытием, включающим палладий», — говорит руководитель проекта по разработке анодов для обеззараживания воды Дмитрий Королев. В 2024 году такие аноды успешно прошли тестирование в промышленных системах водоподготовки. По словам Сергея Салтыкова, продукт почти готов к выходу на рынок.
«Анод с новым катализатором на базе палладия показал высокий выход гипохлорита натрия на единицу электроэнергии, при этом он более оптимален по количеству драгоценных металлов на единицу поверхности (а значит, дешевле!). И что самое важное — он сокращает потребление электроэнергии в процессе электролиза на 10-15%», — говорит руководитель проекта Дмитрий Королев.
Выход на наноуровень и другие сферы применения катализаторов с палладием
«Когда мы выходим на наноуровень, то возникает так называемый размерный эффект, приводящий к изменению свойств наноматериала и появление новых, и палладий – не исключение. Причем предсказать эти свойства теоретически, даже используя всю мощь искусственного интеллекта пока не представляется возможным. Пока что все решается только экспериментальным путем. Поэтому помимо интереса к свойствам палладия в составах материалов, у нас есть интерес к изучению свойств сплавов с этим металлом на наноуровне — палладий может привносить новые свойства, о которых мы пока не знаем», — объяснил Сергей Салтыков, руководитель по направлению разработки Центра палладиевых технологий.
Это открывает широкие перспективы использования палладия в разных сферах.
«Новые свойства проявляются при переходе одного из размеров образца материала в интервал до десяти нанометров. Это важно в водородной энергетике, где катализаторы — наноразмерные частицы из сплавов с палладием и другими металлами. В составе водородо-воздушной топливной ячейки, работающей на газообразном водороде, такие катализаторы вырабатывают электроэнергию за счет окисления водорода. Размер частиц позволяет управлять эффективностью протекания реакции», — объяснил эксперт.
Другие перспективные сферы использования каталитических свойств палладия, над которыми специалисты Центра палладиевых технологий работают совместно с научным сообществом, — катализаторы для автотермического реформинга природного газа и паровой конверсии, синтеза гликолевой кислоты, которая широко используется в косметике, в электроэкстракции никеля и в очистке сточных вод промышленных предприятий. Разработки в этих областях тоже уже проходят испытания.
Норникель, как крупнейшая международная горно-металлургическая группа, постоянно занимается научными разработками, которые в перспективе могут обеспечить технологическое преимущество над конкурентами. Компания запустила масштабную программу по разработке новых материалов на базе палладия для энергоперехода и высоких технологий. Реализацией программы занимается Центр Палладиевых Технологий «Норникеля».
В рамках Центра «Норникель» меняет парадигму бизнеса традиционных горнометаллургических компаний как поставщиков сырья и занимаемся разработкой, проведением испытаний у конечных потребителей и в конечном итоге выводом на рынок новых материалов, которые позволяют существенно сократить стоимость и ускорить масштабирование зеленых технологий. Специалисты Центра активно формируют пул экспертов для проведения совместных исследований с российскими и зарубежными институтами и лабораториями, а также для взаимодействия с потенциальными заказчиками из Азиатско-Тихоокеанского региона. На сегодняшний день в портфеле Центра более 20 новых разработок с применением металла, которые находятся на разных стадиях готовности. В планах Центра вывести на рынок более 100 новых материалов к 2030 году и основная часть портфеля – новые отрасли энергоперехода: водородная, солнечная энергетика, биотопливо и прочие.