Чем уникален палладий
Палладий — это благородный металл серебристо-белого цвета, который относится к шестерке металлов платиновой группы (МПГ) наряду с платиной, родием, иридием, рутением и осмием, рассказывает Роман Борисов, кандидат химических наук, научный сотрудник Института химии и химической технологии Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр Сибирского отделения РАН».
Металл был открыт еще в начале XIX века английским химиком и минералогом Уильямом Волластоном. Исследователь обнаружил палладий в самородной платине. Сегодня палладий широко применяется в промышленности благодаря сочетанию уникальных физико-химических свойств.
Некоторые свойства — хорошая пластичность и ковкость, одна из наиболее низких (1552 °С) температур плавления из МПГ, сохранение первоначального серебристого цвета с течением времени, твердость и возможность прокатки — делают палладий важным компонентом металлических сплавов, например сплава золота с палладием (так называемое белое золото), указывает Борисов. А устойчивость металла к окислению находит применение в электронике. Благодаря этому свойству контакты со временем не окислятся.
Палладий, как и другие металлы платиновой группы, можно достаточно легко получать в виде черни, то есть частиц размером от нескольких сотен до нескольких десятков нанометров, которые проявляют уникальные каталитические свойства (свойства, ускоряющие химическую реакцию. — «РБК Тренды») и активно используются во многих каталитических процессах в автомобильной и химической промышленности.
Эти же свойства делают палладий металлом будущего и одним из ключевых элементов водородной экономики. «Самое главное для водородной энергетики — это каталитические свойства палладия в виде наноразмерных частиц, которые позволят получать газообразный водород», — поясняет Борисов.
Где добывают палладий
По данным Statista, в последнее десятилетие производство палладия в мире находится на уровне около 200 т в год. Россия при этом является лидером по добыче этого металла. В 2022 году РФ добыла 88 т палладия. На втором месте — ЮАР с показателем 80 т. На третьем с сильным отрывом — Канада (15 т).
По словам Романа Борисова из Сибирского отделения РАН, на долю России приходится около 1/6 мировых запасов палладия. «Оценка запасов, как правило, происходит в целом по МПГ, доля палладия не выделяется. Практически все запасы МПГ страны сосредоточены в Норильском горнорудном районе на севере Красноярского края, а наиболее значительный потенциал наращивания запасов МПГ как основных компонентов в рудах малосульфидного платиноидного типа связан с Имандра-Варзугской металлогенической зоной, расположенной в Мурманской области», — комментирует эксперт.
При этом, дополняет он, месторождения в Норильском горнорудном районе — Октябрьское, Талнахское, Норильск-1, Масловское и Черногорское — отличаются уникальным для планеты преобладанием палладия над платиной в соотношении около 3 к 1.
Как палладий используют сегодня
Палладий активно применяется в автомобильной и химической промышленности, фармацевтике, медицине и электронике, а также при изготовлении ювелирных изделий и в инвестиционных целях.
Автомобильная промышленность
По данным «Норникеля», большую часть (82%) мирового спроса на палладий предъявляет автопром. Металл используют при создании систем очистки и нейтрализации выхлопных газов, позволяющих минимизировать негативное влияние автомобилей на окружающую среду. В них палладий применяется в качестве катализатора.
«Палладий в силу высокой каталитической активности и химической стабильности обеспечивает эффективность работы нейтрализатора на протяжении всего цикла эксплуатации автомобиля и практически не имеет аналогов, за исключением платины, которая преимущественно используется в дизельных автомобилях», — говорит Роман Борисов.
Химическая промышленность и фармацевтика
В химической промышленности палладий используется как катализатор многочисленных процессов органического синтеза, как катализатор в химическом синтезе взрывоопасных, хлорсодержащих и аммиаксодержащих веществ и для изготовления специальной химической посуды. Кроме того, на основе соединений палладия изготавливают лекарственные препараты, например противоопухолевые.
Медицина
Палладий используется в стоматологии при производстве зубных протезов, но, как отмечает Роман Борисов, из-за высокой стоимости металла он в последнее время замещается альтернативными композитными материалами. Также из палладия делают отдельные детали кардиостимуляторов.
Электроника
Палладий применяют при создании многослойных керамических конденсаторов, которые востребованы практически во всех видах электроники: потребительской, автомобильной, медицинской и т.д. Среди прочего эти конденсаторы применяются и в тех областях, где крайне важна надежность оборудования, например в военно-промышленном комплексе и в авиакосмической отрасли.
Кроме того, говорит Борисов, палладий, отличающийся высокой износоустойчивостью, необходим при выпуске реохордов (аппаратов для измерения электрического сопротивления. — «РБК Тренды»).
Ювелирная промышленность и инвестиции
На основе палладия создают различные сплавы, которые используют в ювелирных украшениях. Например, палладий 950 пробы хорошо прокатывается и применяется для изготовления обручальных колец, стойких к истиранию и изменению окраски.
«Стоит отметить и активное использование палладия в качестве объекта для инвестиций, при возрастающем спросе и ограниченном предложении его стоимость будет увеличиваться с течением времени», — считает Борисов.
Структура спроса на палладий в 2022 году
Автокатализаторы — 82%
Химическая промышленность — 6%
Медицина — 6%
Электроника — 2%
Ювелирная промышленность — 2%
Прочее — 2%
Источник: материалы «Норникеля».
Почему палладий — металл будущего
Палладий имеет широкие перспективы применения в высокотехнологичных отраслях, благодаря которым будет выстраиваться зеленая экономика. Важнейшим элементом в этом процессе станет чистый водород.
Водородные технологии
«В отличие от других металлов платиновой группы, которые уже сейчас активно применяются в водородных решениях, палладий обладает уникальным свойством проницаемости только для одного элемента — водорода», — рассказывает вице-президент — руководитель блока сбыта и коммерции «Норникеля» Антон Берлин.
Благодаря этому свойству, продолжает он, палладиевые мембраны можно использовать для получения сверхчистого водорода.
Сейчас для получения газа удовлетворяющей чистоты применяются другие способы, например метод КЦА — короткоцикловой адсорбции. Этот метод выигрывает при крупнотоннажном производстве водорода умеренной чистоты. А палладиевые мембраны могут стать более подходящим решением для установок с относительно небольшим объемом производства — на заправочных станциях, где чистый водород получают путем риформинга метана прямо на месте. В процессе риформинга из метана получают синтез-газ, содержащий водород. Потом уже из синтез-газа выделяют водород, пропуская его через палладиевые мембраны.
Еще одно перспективное направление — хранение и транспортировка водорода. Сегодня газ перевозят в сжатом или сжиженном виде, но это неэффективно с экономической точки зрения. Поэтому разрабатываются альтернативные технологии перевозки водорода на большие расстояния. Одна из них — LOHC или Liquified Organic Hydrogen Carriers (жидкие органические носители водорода). Речь идет о молекулах, в которые с помощью катализаторов на основе МПГ, включая палладий, вгоняется водород. Затем, уже на месте потребления, атомы водорода извлекаются из молекул-носителей. Так водород можно перевозить в жидком виде, что значительно удобнее, безопаснее и дешевле.
Палладий также можно использовать при создании рекомбинаторов водорода — специальных устройств, которые захватывают водород из воздуха и соединяют его с кислородом. Они превращают пожароопасный водород в безопасный водяной пар. Рекомбинаторы обеспечат пожарную безопасность в местах, где может скапливаться водород, например на парковках или промышленных объектах. «В настоящее время данные устройства в основном устанавливаются на АЭС, но на горизонте десяти лет мы увидим их более широкое применение в хозяйстве вслед за ростом представленности водородных решений», — прогнозирует вице-президент «Норникеля».
Наконец, в перспективе палладий может найти применение в электролизерах и топливных ячейках.
Электролизеры — это устройства, расщепляющие воду на водород и кислород. Сейчас используются протонообменные электролизеры на основе платины и иридия, а также щелочные электролизеры без МПГ. Из-за ограниченности ресурсов иридия и благодаря усовершенствованию технологий палладий начнет применяться в этих решениях уже в среднесрочной перспективе, ожидает Антон Берлин.
Топливные ячейки — это устройства, содержащие электроды, анод и катод, состоящие из катализаторного материала (металл платиновой группы) и мембран, чаще всего полимерных. Эти устройства производят энергию из водорода путем его соединения с кислородом. В итоге образуется водяной пар. Электроды в топливных ячейках сегодня в основном платиновые. «Внедрение новых core-shell (технология производства электрода из нескольких металлов. — «РБК Тренды») катализаторов, где палладиевое ядро будет покрываться оболочкой из платины, позволит увеличить производительность данных устройств», — комментирует Берлин.
Производство биотоплива
Палладий также можно использовать в качестве катализатора для производства биотоплива из биомассы. По словам вице-президента «Норникеля», это особенно актуально на фоне последних регуляторных поправок в Европе: автомобили с ДВС, использующие биотопливо, будут разрешены к продажам после 2035 года.
Сенсоры и датчики для автономных автомобилей
На данный момент электроника — одна из сфер, где активно применяют палладий. Металл обеспечивает высокую электропроводность при высоких же температурах. Это делает его особенно ценным для производства компьютерных плат, транзисторов и конденсаторов. Расширение производства автономных автомобилей приведет к росту спроса на палладий, уверен Берлин.
Сверхпроводники
Сверхпроводники — материалы, способные проводить электричество без сопротивления. Без сверхпроводников не было бы квантовых компьютеров, аппаратов МРТ, экспериментальных термоядерных реакторов, Большого адронного коллайдера, высокоскоростных поездов. Широкому внедрению сверхпроводников в жизнь мешает ограничение — они работают в условиях экстремально низких температур. Последние исследования показывают, что эту проблему может решить палладий. Ученые из Института физики твердого тела Венского технического университета в апреле 2023 года опубликовали работу, из которой следует, что на основе соединений палладия — палладатов — можно создать новый класс сверхпроводников, не требующих экстремально низких температур.
Другие перспективные области применения палладия — отделение вредных веществ из промышленных выбросов, очистка воды от органических загрязнений, изготовление покрытий и сплавов для аэрокосмической промышленности, устройств для улавливания и захоронения углекислого газа, элементов солнечных батарей.
И это лишь часть направлений, где палладий может быть востребован. Еще десятки и даже сотни направлений пока не вышли из недр лабораторий и не находятся на слуху, заключает Антон Берлин из «Норникеля».