На двух опорах. Российские материалы для водородной энергетики не уступают зарубежным аналогам

7 сентября 2024 10 мин.

В рамках федеральной программы «Приоритет 2030» поддержку получила лаборатория «Технологии синтеза каталитически активных материалов» Южного федерального университета (ЮФУ). Ее деятельность направлена на разработку нового подхода к созданию наноструктурных платиносодержащих катализаторов для устройств водородной энергетики. Руководитель проекта доктор химических наук Владимир ГУТЕРМАН (на снимке) рассказал «Поиску» об исследованиях, которые ведутся под его началом.
— Владимир Ефимович, новая лаборатория наверняка начиналась не с чистого листа. Что предшествовало ее появлению?
— Это очень давняя история. В начале 2000-х я работал в Институте передовых технологий компании Samsung в Южной Корее. В России ситуация с наукой в те годы была довольно сложной, и я решил попробовать реализовать свой потенциал и сделать что-то интересное за рубежом.
Занимался тематикой, связанной с платиносодержащими катализаторами для топливных элементов. Мне она показалась очень интересной, разнообразной, и к тому же я видел серьезные планы по развитию водородной энергетики в странах Европейского экономического сообщества, Японии, Южной Корее, США. Я подумал, что и в России обязательно будут заниматься этими вопросами и, когда вернулся, попытался продолжить исследования по этой тематике в лаборатории, которую организовал в Южном федеральном университете.
Какой-то официальной поддержки от университета на первых порах я получить не смог, и поначалу все развивалось как некая инициативная лаборатория. Я собрал учащихся химического факультета, рассказал им об этой тематике и ее перспективах и пригласил их в новую студенческую лабораторию, в которой мы с нуля начали вести исследования, опираясь на мой опыт, полученный в Южной Корее.
Лаборатория постепенно развивалась, многие студенты поступали в аспирантуру, защищали диссертации, и в нашем коллективе появились кандидаты наук.
Финансирование исследований шло через гранты Минобрнауки, РФФИ, РНФ. В какой-то момент университет увидел, что лаборатория работает на хорошем уровне и тоже стал нам помогать. В 2020 году нам дали постоянные ставки для научных сотрудников. Средства грантов, особенно вначале, мы тратили в основном на покупку приборов и оборудования, без которых сложно было качественно выполнять исследования.
Параллельно приобретался опыт, росли наши знания и компетенции. Наш коллектив работал все более успешно, и с 2017 года объем его внешнего грантового финансирования не опускался ниже 55% от объема грантового финансирования всего химического факультета Южного федерального университета.
Лаборатория развивалась, однажды стало понятно, что мы можем расширяться, и в этом году мы решили поучаствовать в конкурсе ЮФУ на получение гранта по программе «Приоритет 2030».
Под новый проект при участии того же коллектива, который работает достаточно давно, создана новая лаборатория, и в ее состав включены пятеро студентов, поскольку талантливых студентов у нас, как и раньше, много. Только двое сотрудников этой лаборатории, включая меня, старше 40 лет, остальные — молодые ученые и студенты. Теперь мы расширяем тематику исследований, и к изучению свойств каталитически активных материалов добавлено еще и направление по развитию технологий их синтеза.
— Прежде чем перейти к разговору о предмете ваших исследований, функциональных материалах для водородной энергетики, задам вопрос о ее перспективах.
— На разных этапах истории человечества для получения энергии использовались разные материалы. Сейчас мы живем в период углеродной, или углеводородной, энергетики, где основным топливом являются углеродсодержащие материалы.
Создание водородной энергетики — это не просто идея, желание что-то улучшить, а насущная необходимость, потому что углеродная энергетика становится опасной для существования человечества.
В частности, текущие и грядущие климатические проблемы во многом вызваны антропогенным фактором: высоким производством углекислого газа. Если человечество не сможет сойти с этого пути, то к 2050 году температура на планете увеличится на 2,5 градуса, что грозит глобальной климатической катастрофой.
Поэтому надо уходить от углеродного топлива, и лучшей альтернативой является водородное, потому что водород, взаимодействуя с кислородом воздуха, дает воду, которая является естественным продуктом и не создает экологических и климатических проблем.
К тому же водород обладает определенными достоинствами и преимуществами именно как топливо, по сравнению с бензином, керосином, углем. Но эти преимущества надо уметь реализовать.
— Каков же самый оптимальный путь реализации?
— Создание электрохимических устройств, которые могут преобразовывать энергию химической реакции непосредственно в электроэнергию. Это очень выгодно и позволяет иметь высокий коэффициент полезного действия, который в таких установках может доходить практически до 100%. Но сами установки достаточно сложные, это продукт современных технологий.
Если говорить о водородной энергетике (а часто речь идет даже о водородной экономике), то я бы выделил в ней три компонента.
Первый — это производство водорода, потому что, в отличие от нефти и ископаемого газа, его природных запасов почти нет.
Второй — хранение, тут много вопросов и проблем, потому что это легколетучий газ, он сжижается при очень низких температурах, его трудно удержать, передавать по трубопроводам.
И третий — получение электроэнергии посредством химической реакции.
Мы работаем именно в этой области, над устройствами превращения энергии. Преобразование энергии химической реакции в электрический ток происходит на специальных электродах, и их основу составляют так называемые каталитически активные материалы, обладающие уникальными свойствами.
Дело в том, что на некоторых материалах, скажем на платине, скорость электрохимических реакций окисления водорода и восстановления кислорода в десятки тысяч раз больше, чем на других металлах! И для того, чтобы получать эффективные установки преобразования энергии, эти процессы должны идти с очень высокой скоростью.
В то же время платина — металл драгоценный и дорогостоящий, ее надо стараться использовать как можно меньше, не снижая при этом скорости электрохимических превращений.
Вот отсюда и вытекает идея, что надо изготавливать платиносодержащие катализаторы, у которых очень высокая активность и которые мало подвержены деградации (чтобы не заменять их слишком часто). Поверхность катализатора должна быть очень высока, поэтому платину используют в виде наночастиц размером от 2 до 5 нанометров.
Наша задача — создать такие катализаторы, которые проводят реакции окисления водорода и восстановления кислорода с высокой скоростью и достаточно долговечны. Это очень интересные и сложные наноструктурные материалы, в основе которых — наночастицы платины или платиновых сплавов (они могут быть еще более активными катализаторами), нанесенные на микрочастицы носителя, в качестве которого в первую очередь выступают порошкообразные углеродные материалы.
— Это сложная работа?
— В ней довольно много нюансов, потому что форма наночастиц платины, их размер, характер размещения на поверхности и в порах углеродного материала оказывают очень большое влияние на каталитическую активность и стабильность этих материалов.
Второй момент: когда создаются наночастицы сплавов, они могут иметь достаточно сложное строение, неоднородное распределение компонентов в теле этих наночастиц.
Например, в структурах «оболочка — ядро» ядро наночастицы — из одного металла, а оболочка — из другого (как правило, из платины). Оболочка может быть разной толщины, а ядро может иметь разные размеры, то есть тут очень много всяких вариантов. Но мы же не можем собирать каждую частицу отдельно, их миллиарды в катализаторах, поэтому надо проводить эти процессы так, чтобы образование миллиардов частиц давало нужный результат, чтобы они были в основном однотипные, «правильно» размещались по поверхности носителя, прочно прикреплялись к ней и эффективно работали.

— Я правильно понимаю, что речь идет о прикладных, а не только о фундаментальных исследованиях?
— Наша команда стоит на двух опорах. Одна — имеющийся опыт фундаментальных исследований, а вторая, которая не появилась бы без первой, — это прикладные исследования и результаты, в которых мы используем накопленные знания.
Отрабатывая те или иные технологии, получая те или иные катализаторы, мы в определенный момент увидели, что можем наладить реальное промышленное производство. Была организована первая в России инновационная компания «Прометей РД», производящая катализаторы по оригинальной масштабированной технологии, не имеющей аналогов в мире.
Наши катализаторы (набор которых пока не очень широк, то есть они не столь разнообразны по составу, как у мировых лидеров) по характеристикам, как минимум, не уступают, а скорее несколько превосходят аналоги, которые предлагают ведущие мировые компании.
— Востребованы ли эти катализаторы в России? И какие вообще перспективы водородной энергетики в нашей стране?
— Перспективы в России пока не очень понятны, потому что начавшееся у нас несколько лет назад активное движение в эту сторону несколько замедлилось. Сейчас появилось много более насущных задач, и, соответственно, никто не понимает, как быстро будет усилен тренд на водородную энергетику.
Россия сегодня опирается на нефть и газ, но рано или поздно мы все равно должны будем перейти на водород. Понятно, что в этом мы будем опаздывать по сравнению с другими сильными странами, вопрос — на сколько?
Сегодня потребность в таких катализаторах в России невелика. Скажем, на один водородный автомобиль Toyota Mirai, который японцы запустили в серийное производство, нужно примерно 20-30 граммов катализатора, или примерно 10-15 граммов платины. То есть это не тот продукт, который надо получать десятками тонн.
На всю Россию сегодня достаточно 2 килограммов таких катализаторов, потому что у нас пока нет коммерческого производства ни топливных элементов, ни электролизеров с протонообменной мембраной. То, что где-то у нас делается, в основном ориентировано на покупку готовых компонентов в Китае. А опыт производства своих компонентов в России очень небольшой.
Пока речь идет об опытных образцах, ограниченных партиях топливных элементов. Это может быть что-то для автобусов, автомобилей, для беспилотных летательных аппаратов, кораблей. Мы готовы производить этот катализатор в нужных количествах, но серьезного спроса пока нет.
— То есть серийных устройств с водородным двигателем у нас в стране еще не существует?
— Коммерческого производства, то есть серийного, не существует, и основная проблема тут вот в чем. Например, КАМАЗ говорит: мы готовы производить водородные автомобили, но где их заправлять? У нас нет системы водородных заправок, нет организованной системы производства водорода, его хранения.
В других странах в водородную инфраструктуру делает весомые вложения государство. А дальше уже компании начинают производить устройства, которые этот водород используют. Они, кстати, достаточно дорогостоящие и не приносят прибыль в близкой перспективе, но тем не менее там это все движется, хотя тоже с определенными сложностями и задержками.
— Выходит, вы работаете на перспективу, можно сказать, что ваши исследования — это некий задел, который будет востребован, когда придет время?
— В определенной степени вы правы. С другой стороны, поскольку катализаторы — это продукт высоких технологий, то производство даже не очень больших количеств позволяет нашей компании существовать не просто безубыточно, а с неким небольшим доходом. В основном мы эту прибыль стараемся тратить на развитие.
Наши покупатели — это российские компании, которые занимаются производством небольших партий топливных элементов или электролизеров, чтобы заявить о возможности такого производства.
В 2023 году у нас было порядка 13-15 контрагентов, которые покупали наш катализатор. Среди них есть исследовательские организации, которым нужно относительно небольшое количество, а есть производственные организации, которые пытаются делать инновационные изделия. Некоторые российские компании обращаются к нам для проведения НИОКР по «каталитической» тематике, создавая заделы на будущее.
— Ваше предприятие «Прометей РД» является резидентом Сколково. Что это дает?
— Есть определенные преимущества, например пониженное налогообложение. К тому же в Сколково есть эксперты, которые консультируют нас по тем или иным вопросам. Кроме того, существуют некоторые виды услуг, которые мы можем получить от сколковского технопарка, например просвечивающая электронная микроскопия на мощных микроскопах, которая нам нужна для того, чтобы понимать, какие свойства имеют изучаемые материалы.
— Я знаю, что достаточно много ваших работ опубликовано в ведущих научных журналах. Как эти исследования смотрятся на международном уровне?
— Обычно при подаче заявок в фонды все коллективы пишут, что работают на самом передовом мировом уровне, хотя многие лукавят. Мы можем утверждать это совершенно определенно. Наша лаборатория — ведущая в России в области разработки и исследования катализаторов для низкотемпературных топливных элементов, она очень хорошо известна.
За рубежом о нас и наших работах тоже знают. Мы докладывали о своих результатах на многих зарубежных конференциях, коллеги высоко оценивали качество наших исследований. Но было бы неправильно говорить, что мы являемся мировыми лидерами.
Мы работаем на достойном, достаточно высоком уровне, но наше материально-техническое обеспечение, конечно, уступает тому, что есть в ведущих мировых центрах. Мы пытаемся эти вопросы решать и с помощью университета, и самостоятельно.
Например, подавали общий проект на совместный грант РНФ с продвинутой китайской командой, однако в число победителей по этой заявке не попали. Но мы будем продолжать двигаться вперед и улучшать результаты как в области фундаментальных исследований, так и в области прикладных решений. Идей у нас очень много!