Палладий против золота: как российский металл завоевывает новые рынки
Палладий редко оказывается в центре внимания, хотя и играет ключевую роль в ряде технологий. Где обычный человек встречается с этим металлом?
Прежде всего в автомобилях. Сегодня более 80 % мирового спроса на палладий приходится на автокатализаторы — системы очистки выхлопных газов. Каждый автомобиль с двигателем внутреннего сгорания или гибрид использует палладий для снижения вредных выбросов. Среди других сфер применения — микроэлектроника, нефтехимия, стоматология и ювелирная промышленность.
Палладий — это металл с широким набором уникальных свойств. Из него можно производить химические катализаторы, сплавы для агрессивных сред и медицины, а также разные функциональные материалы. Научный потенциал новых применений палладия колоссален, и мы работаем над его раскрытием.
«Норильский никель» — мировой лидер по производству палладия. Но сам палладий — попутный металл в медно- никелевых рудах.
Добываемая в Норильске руда является уникальной по содержанию полезных элементов. В продуктовом портфеле «Норникеля» сразу 12 металлов, включая никель, медь, палладий и платину. Да, палладий является попутным металлом с точки зрения тоннажа, но обеспечивает значительную часть выручки компании. При этом содержание палладия в руде выше, чем в африканских месторождениях, что обеспечивает нам лидерские позиции. Сегодня доля палладия, производимого нами, составляет более 40 % всей мировой добычи. Эта своего рода уникальная ситуация для индустрии добычи металлов накладывает на нас особую ответственность.
Нам как добывающей компании приходится самим заниматься развитием индустриальных применений. Можно сказать, что мы выступаем одновременно в роли заказчика разработок, лаборатории, аналитического центра, центра экспертизы и агента по внедрению технологий.
В рамках программы «100 палладиевых патентов» мы разрабатываем и выводим на мировой рынок новые материалы для разных отраслей — от традиционных, таких как стекольная и нефтехимическая промышленность, до отраслей будущего, таких как солнечная, водородная энергетика, микроэлектроника и электротранспорт. Наша цель — создать 40–50 тонн нового ежегодного спроса на палладий.
Вы часто говорите о том, что палладий долгое время был «заложником» автокатализаторов. Когда стало понятно, что нужно искать альтернативу?
Когда в 2022–2023 годах формировалась начальная стратегия нашего Центра палладиевых технологий (ЦПТ), мы жили в условиях высокого ажиотажа вокруг электротранспорта. В тот момент это определило особую актуальность создания новых рынков палладия и диверсификации мирового спроса. Сегодня темпы распространения электромобилей замедлились. Но осознание необходимости (и главное, возможности) создания нового устойчивого долгосрочного спроса сохранилось. Для этих целей в конце 2023 года был создан ЦПТ, цель которого — раскрыть индустриальный потенциал палладия и создать новые рынки спроса на металл.
Как формируется портфель ЦПТ?
Портфель изначально разделен по горизонтам. Краткосрочный эффект дают проекты в существующих рынках с понятной экономикой и инфраструктурой — например, стекольная промышленность, электрохимия, нефтехимия. Здесь возможен быстрый переход на новые материалы и относительно короткий цикл внедрения. Параллельно развиваются направления с более длинным горизонтом — микроэлектроника, солнечная и водородная энергетика, батарейные технологии. Около 15 тонн ежегодного спроса мы ожидаем от проектов на существующих рынках. Еще 35 тонн связаны с новыми и растущими рынками в горизонте 2030–2035 годов.
ЦПТ доводит лабораторные прототипы до результата за девять месяцев. За счет чего удается так ускорить цикл?
Мы используем гибридный подход: с одной стороны, под каждый проект привлекаем наиболее компетентный внешний научный коллектив, с другой — развиваем внутренний центр компетенций по палладию. Партнер обеспечивает экспертизу в заданной технологии, а Центр обеспечивает фундаментальную экспертизу по палладию, отточенные подходы управления проектами разработок, доступ к конечным потребителям и технологам. Это критически важно для определения правильных целевых характеристик на старте, создания продуктов с сильными конкурентными преимуществами и минимизации доработок.
Есть ли у вас партнеры из регионов?
В России мы сотрудничаем с более чем 25 научными коллективами в пяти федеральных округах. Это позволяет закрывать широкий спектр задач. Дополнительно работаем с зарубежными научными центрами, в том числе для независимой верификации результатов разработки.
Насколько полезен ИИ? Это уже рабочий инструмент или пока эксперимент?
ИИ уже занял свою нишу в разработке лекарств. Научить его создавать материалы и сплавы с заданными свойствами — задача сегодняшнего дня, и она, безусловно, решаема. Мы уже применяем его для поиска и анализа данных: алгоритмы помогают быстро отбирать статьи и патенты по нужным параметрам.
Следующий этап — создание платформы для моделирования новых материалов на основе экспериментальных данных. Сначала ИИ прогнозирует структуру и свойства материала, затем помогает подобрать методику синтеза и проанализировать результаты. Такая система у нас пока в разработке — для обучения моделей еще не хватает экспериментальных данных. Но отдельные задачи ИИ уже решает успешно. Например, он помог подобрать составы сплавов для производства стекловолокна с нужной прочностью и температурой плавления, а также разработать палладиевые наночастицы для улучшения перовскитных солнечных элементов.
Расскажите про лабораторию в Москве.
Лаборатория новых материалов Центра палладиевых технологий — это первая в мире лаборатория, полностью специализированная на создании и исследовании новых материалов на основе палладия. Здесь реализован полный цикл создания нового материала: формирование гипотезы, синтез, инструментальные исследования, испытания.
Оборудование позволяет исследовать материалы в любых концентрациях и во всех классах: катализаторы, сплавы, функциональные материалы. И, благодаря этому, видеть спектр возможностей палладия, понимать взаимосвязи на микроструктурном уровне, обучать передовые модели ИИ и в конечном итоге создавать материалы с наилучшими характеристиками в сжатые сроки.
Вы говорите о палладии как добавке в перовскитные солнечные элементы. За счет каких свойств он дает прирост эффективности?
Перовскитные модули — это новый перспективный вид солнечных панелей, которые в будущем смогут составить конкуренцию классическим кремниевым панелям, практически достигшим своего предела по КПД. Главные преимущества перовскитных модулей — относительно дешевые материалы для производства и более широкий спектр поглощения света в пасмурную погоду. Однако у перовскитов не такой высокий КПД при прямом свете и недостаточная стабильность. В нашем портфеле есть несколько разработок, которые пытаются решить главные проблемы перовскитных модулей. Например, добавка халькогенида палладия повышает электропроводность, улучшает сбор положительных зарядов, что обеспечивает общий прирост КПД на 3 %. Технология уже успешно прошла испытания у ведущего мирового производителя.
А чем палладий полезен для литий-серных батарей?
Литий-серные аккумуляторы — это технология, которая может стать достойной альтернативой литийионным батареям. Серные аналоги не только дешевле, но и более легкие и энергоемкие. Препятствием для их коммерциализации остается низкая стабильность, а именно небольшое число рабочих циклов.
Нам уже удалось нейтрализовать негативное влияние серы за счет внедрения палладия. По результатам проведенных испытаний Pd-катализатор способен значительно увеличивать срок службы аккумуляторов. Мы рассчитываем, что наше решение позволит увеличить время работы до 1000 циклов, а также повысить удельную энергию до 500 Втч/кг. Это откроет новые горизонты для использования Li-S-аккумуляторов в электротранспорте.
Если говорить о микроэлектронике: где палладий уже сегодня может быть заменой золоту?
Золото почти идеально подходит для микроэлектроники благодаря своей коррозионной стойкости и электропроводности, но оно дорого. Индустрия движется к удешевлению, и палладий — идеальный кандидат на замену. Он втрое дешевле золота и почти вдвое легче. Таким образом, палладиевая микросхема может стоить в шесть раз дешевле аналогичной золотой. Кроме того, палладий подходит для миниатюризации и изготовления сверхтонких покрытий. Сейчас мы ведем разработки по двум направлениям: финишным покрытиям для контактных площадок печатных плат и проводящим покрытиям для электроники будущего. В таких системах палладий формирует стабильный защитный и контактный слой, который препятствует коррозии и деградации, обеспечивая электрическое соединение на протяжении всего жизненного цикла.
В стекольной индустрии у вас уже есть коммерческие внедрения. Что оказалось самым сложным при переходе к палладию? Оборудование в стекольной промышленности обновляется примерно раз в год. Насколько это ускоряет внедрение новых материалов?
Обновление оборудования — это действительно важный фактор, который позволяет рассчитывать на быстрый переход отрасли на новые решения. Производители могут оценить реальный эффект уже в первые два-три года. Мы приступили к масштабированию наших продуктов в оборудовании для производства стекловолокна. Здесь ключевым преимуществом палладия стала его легкость по сравнению с платиной. Это позволяет снизить общую массу оборудования и уменьшить конечную стоимость продукта более чем на 25 %. А главная сложность, с которой мы столкнулись, — необходимость обеспечить эффективную работу при температурах выше 1000 градусов. Палладий имеет более низкую температуру плавления (1554 oC против 1769 oC у платины. — Прим. ред.) и меньшую стабильность, поэтому потребовалась разработка специальных сплавов. Это как раз одна из тех задач, где мы успешно использовали ИИ. Работоспособность первых решений уже подтверждена промышленными испытаниями.
Каким вы видите идеальный баланс спроса на палладий на горизонте 10–15 лет?
Конечно, автомобильные катализаторы останутся заметной сферой применения палладия. Мы ожидаем значительного прироста доли химических катализаторов, а также микроэлектроники. Также существенную долю займут новые применения в солнечной энергетике, существующих и новых сплавах для агрессивных сред, аккумуляторах, биоматериалах и «зеленой» химии.
Автор: Наталья Самойлова