Эра водорода

Владимир Гутерман, доктор химических наук, профессор химфака Южного федерального университета, член Международного электрохимического общества. Автор более 200 научных работ, имеет авторские свидетельства и патенты на изобретения. Три года работал в институте передовых технологий корпорации «Самсунг». Вернувшись из Южной Кореи в родной университет, создал лабораторию, привлекая в нее студентов химфака. В прошлом году лаборатория отметила свое 10-летие. За это время вчерашние студенты стали кандидатами наук, получили множество грантов. Сегодня молодые ученые работают над созданием новых платиносодержащих электрокатализаторов для водородной энергетики.

- Многие еще помнят «Ё»-мобиль или, как его еще называют, гибридный автомобиль, который должен был работать на альтернативном топливе. Почему этот эксперимент не удался? - спрашиваю Владимира Ефимовича.

- По-видимому, там была проблема в двигателе, из-за которого автомобиль не мог преодолевать большие расстояния. Сейчас ситуация иная. Современные электромобили проходят на одной зарядке или, точнее, заправке, до 600 километров. Что не уступает бензиновым автомобилям. Проблема - в стоимости (пока она значительно выше, чем у обычных автомобилей) и инфраструктуре. Если махнуть волшебной палочкой и все бензоколонки заменить на водородные заправки, то стоимость эксплуатации таких автомобилей существенно понизится. А где вы сегодня, допустим, в Ростове заправите автомобиль водородом? Но завтра все будет именно так! Или послезавтра.

- Как я понимаю, отличие электромобилей от обычных - в замене бензинового топлива на водород?

- Гибридный автомобиль дополнен электрохимическим устройством, генерирующим энергию в определенные моменты. Вся остальная «начинка» как в обычном автомобиле. Это - один из вариантов. Но не самый эффективный. Второй вариант - это когда в электромобиле устанавливается топливный элемент - устройство, в котором есть два разделенных между собой электрода. На одном идет окисление водорода, на другом - восстановление кислорода. В результате образуется та же вода, и энергия химической реакции сразу превращается в электроэнергию с высоким КПД. Вопрос в том, чтобы сделать двигатель или топливный элемент долго и эффективно работающим, и, соответственно, в хранении самого водорода.

- Его можно будет хранить в каких-то емкостях, типа газовых баллонов?

- В том числе. С такими баллонами достаточно длительное время летают наши беспилотники. То же самое может быть в автомобилях. Некоторые говорят, дескать, водород образует взрывоопасные смеси. Метан тоже образует взрывоопасные смеси с воздухом, но почему-то никто не боится ездить на автомобилях с метановым топливом. Проблема опять-таки в дороговизне самого топливного элемента. В частности, в полимерной мембране, которая разделяет кислородное и водородное пространство, не позволяя газам смешиваться и взаимодействовать друг с другом, так как каждый компонент должен реагировать только на своем электроде. И второе - катализатор, то есть сам материал электрода, на поверхности которого идет химическая реакция. Одними из первых такие катализаторы в своих устройствах применили американцы, когда запускали к Луне космические корабли. Электроды в этих источниках энергии состояли из чистой платины. Это очень дорогое удовольствие. Соответственно, нужны такие катализаторы, в которых бы масса платины была как можно меньше, а поверхность - как можно больше. Сейчас платину стали превращать в наночастицы, у которых до 60 % атомов сосредоточено именно в поверхностном слое.

- Тогда в чем трудности?

- Мы знаем, как получить наночастицы платины, но чтобы они заработали эффективно, необходимо оптимизировать состав, структуру, пространственное расположение этих частиц. Мы хотим использовать небольшое количество платины и при этом добиться максимального эффекта, и второе - нам нужно, чтобы она работала очень долго. Хотя катализатор в процессе реакции теоретически не расходуется, но на самом деле он деградирует. Дело еще и в том, что наночастицы платины нельзя нанести сами по себе, поскольку они начинают слипаться друг с другом, то есть они не сохраняются, им нужно за что-то цепляться. Приходится использовать специальные материалы – носители. Все манипуляции исследований связаны с тем, как потратить поменьше платины, чтобы получить максимальный эффект относительно скорости реакции и сохранения катализатора. Есть разные варианты. Мы идем по пути создания структур «оболочка-ядро». То есть ядро наночастицы сделано из одного металла, а оболочка, которая защищает ядро, из другого - платины. Вопрос в том, что мы не делаем наночастицы руками, таких частиц на поверхности миллиарды, их нельзя сделать одинаково устроенными, а надо к тому стремиться. Как раз разработкой этого метода мы сейчас занимаемся.

- Есть уже результаты?

- В прошлом году у нас закончился совместный грант с одним из университетов Шанхая. Сравнивали так называемую стабильность некоторых из полученных нами катализаторов с коммерческими материалами наших китайских коллег. Мы выполняли проект для компании «Самсунг». Так вот, полученные нами материалы показали более высокую стабильность, чем китайские или корейские. Другие наши материалы, наоборот, показывают высокую активность, но их стабильность недостаточна. И проблема в том, как совместить одно с другим. Важно сочетание…

- Исследования вашей лаборатории можно отнести к прикладным?

- Мы занимаемся не столько прикладной работой, чтобы получить конкретный катализатор, завтра его сделать и продавать по всему миру. Мы пытаемся понять: как то, над чем мы работаем, устроено? В конце концов, это же наука! Если мы достигнем нужного результата, то сможем установить некие закономерности, которые позволят нам или уже другим людям использовать их и в иных объектах. С точки зрения прикладного назначения нам не хватает средств, нужны некие испытательные устройства, в которых мы бы могли проводить, скажем, натурные испытания, собирать мембранно-электронные блоки, то есть фактически топливные элементы, и испытывать их. К тематике, которой мы занимаемся, есть определенный интерес. Мы не зря получаем гранты. Наши исследования поддерживает Южный федеральный университет, Российский научный фонд, Российский фонд фундаментальных исследований.

- Где могут применяться платиносодержащие электрокатализаторы?

- В электрической начинке самолетов, беспилотниках, морском и подводном флоте, электромобилях. Основанный на водороде топливный элемент можно использовать в качестве источника энергии в домах и коттеджах отделенных районов, где нет газа. Но Россия в этом плане пока отстает от западных стран. Продвижению этого направления мешает, к сожалению, наша нефтяная и газовая зависимость. Понимание того, что нефти и газа хватит надолго, наверное, и здесь играет не самую лучшую роль. Но сейчас для электрохимической энергетики хорошее время - она востребована, и топливные элементы, думаю, займут свое достойное место.