Лаборатория специализируется на палладии — металле платиновой группы под атомным номером 46 в периодической таблице Менделеева. Его открыл английский химик Уильям Волластон еще в начале XIX века. Больше ста лет на серебристый металл особо не обращали внимания. Наконец, в 1970-х годах популярность палладия резко выросла: его начали использовать в ювелирных изделиях и в катализаторах для очистки автомобильных выбросов.
От чипов до литий-серных батарей: как ученые ищут 100 применений палладия?
Как многого наука еще не знает о химических элементах! Например, о палладии — слишком уж долго на него не обращали внимания. Исправить это решили ученые уникальной лаборатории, недавно открытой в Москве. Редакция Techinsider.ru прогулялась по новому научному пространству, чтобы понять: насколько реально найти десятки свежих применений металлу, известному нам уже более двухсот лет.
Центр палладиевых технологий
Долгое время автомобильная индустрия обеспечивала стойкий спрос на палладий, но сейчас на дорогах появляется все больше электромобилей, которым уже не нужно очищать выбросы.
Так возник вопрос, где еще может пригодиться этот драгоценный металл?
Больше всего в ответе заинтересованы производители — а именно «Норникель» как один из крупнейших в мире поставщиков палладия (40% рынка). Работая на опережение, российская компания запустила программу «100 палладиевых патентов», главным «мозгом» которой стала лаборатория Центра палладиевых технологий.
Чем оборудованы современные инновационные лаборатории
Лаборатория новых материалов расположилась в Московском инновационном кластере. Поднимаемся на нужный этаж — и перед нами открывается, казалось бы, обычное офисное пространство. Эту иллюзию тут же разрушает человек в лабораторном халате. Направляемся по коридору — невольно преследуя ученого, которого, как оказалось, зовут Антон, — мы оказываемся в крыле физико-химических методов анализа.
Лаборатория новых материалов в первую очередь фокусируется на исследованиях, поэтому тут есть все необходимое оборудование для того, чтобы анализировать преимущества и недостатки палладия в любых материалах.
Начнем с «Зоны микроскопии». В материаловедении ничего нельзя решить без изучения образцов под увеличением, поэтому здесь есть три вида микроскопов. Металлографический микроскоп с увеличением до 1000 крат используют, чтобы изучить форму кристаллов, из которых состоит материал. Электронный растровый микроскоп дает увеличение более 100 тысяч крат и показывает микроструктуру и состав материала. Наконец, атомно-силовой микроскоп позволяет определить «шероховатость» на наноуровне, измеряя мельчайшие неровности, скажем, высотой в 10 нанометров. Для сравнения: толщина человеческого волоса измеряется десятками тысяч нанометров, а диаметр атома в среднем — 0,1–0,5 нанометра.
Если нужно определить состав, образец отправляют в «Зону рентгеновских методов анализа», где находятся рентгеновский дифрактометр, определяющий внутреннее строение материала, и прибор для рентгенофлуоресцентного анализа, который за несколько минут определяет все химические элементы в материале.
Для определения точного химического состава используют спектральные методы — и это еще одна зона лаборатории! Там стоит оптико-эмиссионный спектрометр. В нем под искрой высокого напряжения часть поверхности материала испаряется, и чувствительный детектор фиксирует элементный состав.
Также есть прибор для проведения исследований методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой — на сегодня это самый точный способ определения элементного состава материала. Агрегат может засечь пикограммы вещества на литр. Для сравнения: примерно шесть пикограмм весит вся ДНК в ядре человеческой клетки.
Отдельное помещение отведено под исследование жидких материалов. Там стоят ИК-спектрометр, высокоэффективный жидкостный хроматограф и газовый хроматограф, которые определяют содержание химических соединений.
От химического состава до микроструктуры — в крыле физико-химических методов анализа можно изучать любые материалы вплоть до молекулярной структуры. Конечно, чтобы анализировать что-то нужное, необходимо сперва создать что-то нужное! Этой задачей занимаются специалисты по синтезу.
Три класса материалов из палладия
Синтезом и испытаниями ученые занимаются в отдельном крыле Лаборатории новых материалов Центра палладиевых технологий. Там лабораторные помещения разделены по основным классам материалов, где применяется палладий: сплавы для агрессивных сред, катализаторы и функциональные материалы. Последние — самые перспективные в долгосрочной перспективе.
Уникальные свойства функциональных материалов компенсируются их «капризностью». В «палладиевом центре» с ними работают в специальной зоне высокого класса чистоты с шлюзом на входе, мощной вытяжкой и перчаточными боксами. Там же стоит установка для создания тонких металлических пленок толщиной менее 100 нанометров.
В других помещениях этого крыла производят сплавы, металлические пленки и порошки. Последние используют для создания катализаторов. Все это небольшие образцы материалов для дальнейшего исследования. А уже масштабным экспериментальным производством и испытаниями занимаются партнеры компании, внедряющие новые разработки, — но если возникают вопросы, именно Центр палладиевых технологий объясняет, почему те или иные новые материалы работают лучше (или хуже, такое тоже бывает) доступных на рынке.
Где найти 100 применений палладию?
Все новые направления для использования палладия можно разделить на две группы: альтернатива существующим технологиям и решения для активно развивающихся новых технологий.
Сейчас у «Норникеля» запущено 30 «палладиевых» проектов на разных стадиях разработки. Три решения уже используются в промышленности.
- Первое новое применение палладия нашлось в области электрохимии. Ученые компании разработали новые электроды для обеззараживания воды хлорированием, но без добавления хлора. Активное покрытие с палладием позволяет получать хлор прямо в воде из обычной соли с помощью электричества. От концепции до внедрения технологии прошло всего 14 месяцев — чрезвычайно короткий срок для новых материалов. Обычно выход на рынок занимает более пяти лет.
- Еще два палладиевых решения сейчас проходят испытания на заводах в Китае. В партнерстве с технологическим партнером Красцветметом ученые Центра палладиевых технологий разработали новые сплавы на базе палладия для бушингов. Бушинги, или фильеры, — специальные формы с тысячами отверстий, с помощью которых создают нити стекловолокна. Их отливают из стойких материалов, чтобы тонкие трубочки не деформировались под действием высокой температуры и химического воздействия. Традиционно используют платину, но палладий оказался более выгодным: при тех же свойствах он дешевле и легче.
Сейчас ученые Центра активно работают над палладиевыми решениями для трех новых рынков: солнечная энергетика, микроэлектроника и аккумуляторы для электротранспорта.
- Солнечная энергетика остро нуждается в новых фотоэлементах, которые придут на смену кремниевым. Потенциальное решение — новые тандемные модули с несколькими слоями на базе палладия. Существующие тандемные модули хоть и обладают более высоким КПД, но «проигрывают» кремниевым по сроку службы. Палладий решает эту проблему. В Центре палладиевых технологий уже работают над собственным тандемным модулем. Первый полноценный прототип разработчики планируют получить к концу 2026 года.
- Следующее направление — микроэлектроника. Индустрия искусственного интеллекта продолжает строить новые дата-центры, и таким вычислительным мощностям нужны новые чипы. Сегодня на их производство ежегодно уходит 250 тонн золота. Палладий гораздо дешевле и легче, и может выполнять те же задачи. Тут два направления применения металла: новые слои для печатных плат и соединительные провода, где медь с палладием может заменить золото.
- Наконец, палладий может значительно повлиять на индустрию аккумуляторов, в частности, для электротранспорта. Одно из перспективных решений — внедрение металла в литийсерные аккумуляторы. Такие батареи значительно дешевле литийионных, но пока не дотягивают по сроку службы. У палладия есть фундаментальные свойства, которые позволяют снизить побочные эффекты серы. Сейчас ученые разрабатывают в лаборатории новые материалы для катода и электролита, которые увеличат срок работы литийсерных аккумуляторов.
Новые разработки — не единственный продукт Центра палладиевых технологий. Результаты экспериментов и исследований — это качественный обучающий материал для специализированных моделей ИИ. В прошлом году компания представила генеративную языковую MetalGPT, обученную на отраслевых данных, которая лучше обычных моделей разбирается в металлургии. Сейчас же ведется разработка модели для предсказания кристаллических решеток и свойств материалов. Такой ИИ должен значительно ускорить поиск свежих применений палладия.