Растет палладиевый пирог: новые сферы применения «металла будущего»
История палладия началась более двух веков назад с шутки над коллегами-химиками. В 1803 году английский химик Уильям Хайд Волластон вместо того, чтобы публично заявить об открытии нового металла, передал его образцы в торговую лавку и попросил запустить рекламные листовки: «Палладий, или новое серебро, — его свойства позволяют отнести этот новый металл к числу благородных...». Признался он лишь через пару лет, когда другому химику уже успели вручить медаль за развенчание мифа об открытии нового металла. И не скоро еще химики нашли новому металлу применение.
У палладия есть два чрезвычайно ценных свойства. Во-первых, палладий обладает поразительной способностью «впитывать» водород — в 900 раз больше собственного объема. Пропуская смесь газов через палладий, можно извлекать водород, очищать его от примесей или хранить газ. Поэтому палладий может пригодиться для растущего рынка водородной энергетики.
Во-вторых, он прекрасный катализатор — то есть ускоряет протекание химических реакций, но не расходуется сам. В водородной энергетике уже есть катализаторы на основе других металлов платиновой группы — платины и иридия. Но палладий может оказаться важным добавочным компонентом в составе би- и триметаллических систем, увеличивающим срок службы катализатора и его активность, а потенциал таких электрокатализаторов изучен пока недостаточно.
«Электрокатализаторы представляют собой наночастицы металла строго определенного размера, состава и формы, управление которыми является основой получения наилучших каталитических свойств», — говорит Сергей Салтыков, руководитель направления «Катализаторы» компании «Норникель». В этом году «Норникель» совместно с научным сообществом представил первый прототип катализатора с палладием — наноразмерный металлический материал для мембранно-электродных блоков, которые могут применяться как для генерации электролизного водорода, так и в составе водородо-воздушных топливных элементов. «Палладий почти в два раза легче платины, поэтому при одинаковой микроструктуре массовая доля палладия в катализаторах с той же площадью электрохимически активной поверхности будет заметно меньше, чем массовая доля платины, — говорит профессор В. Гутерман, ведущий эксперт в области водородной энергетики. — Возможности получения высокоактивных полиметаллических катализаторов на основе палладия далеко не исчерпаны, а соответствующие методики синтеза разработаны в меньшей степени, чем для платиносодержащих катализаторов».
Сегодня, по последним данным «Норникеля», более 80% палладия идет на производство систем дожига выхлопных газов, и это с учетом того, что металла на каждую такую систему уходит не так уж много. С той же целью его используют во множестве других сфер: от нефтепереработки до фармацевтики. А вскоре, возможно, начнут применять и для очистки воды.
Палладий и вода
Любая вода, которая контактирует с человеком, — будь то в кране, бассейне или для влажной уборки — проходит стадию обеззараживания. Классический и самый распространенный способ такой обработки — хлорирование. Для этого в воду добавляют чистый хлор или его соединения. Но с ним есть сложности.
Во-первых, килограммы, а то и тонны реагента нужно хранить на станции очистки в достаточном количестве. Во-вторых, запас нужно регулярно пополнять, а при истечении срока хранения — утилизировать хлор. В-третьих, за использованием и утилизацией опасного реагента должны следить специальные сотрудники.
Поэтому довольно давно в мире начала развиваться технология очистки воды с помощью электролиза хлорида натрия — простой и безопасной поваренной соли. В резервуар, через который проходит вода, помещают электроды, добавляют соль и пускают электричество. За счет электрохимических процессов из соли на электродах образуется очищающее воду соединение хлора.
При чем же здесь палладий? Электроды изготавливаются из стойкого металла, например, титана, но покрываются тонким слоем металла-катализатора, который из многообразия электрохимических реакций ускоряет именно нужную. Чем эффективнее катализатор, тем быстрее идет реакция. Сегодня для этого используют иридий или рутений. Но палладий также имеет серьезный потенциал, но с ним меньше экспериментируют из-за его высокой стоимости.
Чтобы полноценно проверить эти свойства палладия, «Норникель» сегодня сотрудничает с научным сообществом для подбора химического состава катализатора — соотношения палладия с иридием, рутением или платиной. После создания физического прототипа нового материала начнется этап его тестирования уже не в лаборатории, а в реальных резервуарах для очистки воды электролизом.