Каталитическое мышление

«С таким объемом производства даже “Жигули” будут стоить дороже “Мерседеса”», - разводит руками главный инженер Уральского электрохимического комбината Александр Стихин. Его комбинат (единственный в России) разрабатывает и производит опытные модели двигателей, работающих на водороде. Несмотря на все усилия инженеров, снизить стоимость продукции не получается: двигатель для Lada стоит более $370 000. Стихин считает, что необходимо изготавливать как минимум полмиллиона двигателей в год, чтобы производство стало рентабельным. Однако у компании Honda, которая два месяца назад объявила о начале производства первого в мире серийного автомобиля на водороде, дела обстоят не лучше. При цене автомобиля ориентировочно в $60 000 до конца года планируется продать всего 20 машин.

Попытки заменить горючее топливо автомобиля обычной водой предпринимаются уже не первый десяток лет. Теоретически схема ясна: во-первых, нужно обеспечить эффективное производство «на местах» (желательно вообще в домашних условиях) водорода из воды; во-вторых, построить относительно дешевый двигатель, в котором водород превращался бы в энергию. Но и в том, и в другом случае на нынешнем уровне развития технологий используются сменяемые платиновые электроды - получается слишком дорого, ведь килограмм платины стоит $40 000.

Две научные работы, недавно опубликованные в журнале Science, могут стать основой для будущего прорыва. Дэниел Носера и Мэттью Канан из Массачусетского технологического института нашли решение первой проблемы (удешевили получение водорода), а группа ученых под руководством Бьорна Уинтер-Дженсена из австралийского Университета Монаша - второй (заменили платину в топливном элементе полимерными электродами).

Носера и Канан нашли дешевый катализатор, который позволяет разлагать воду на кислород и водород с очень низкими затратами энергии. Более того, катализатор работает при комнатной температуре и в нейтральной (а не щелочной, разъедающей электроды, как многие другие) среде. Как утверждают исследователи, скоро будет достаточно обычной домашней солнечной батареи, чтобы в течение всего 2,5 часов получить столько водорода, чтобы обогреть дом и заправить автомобиль. «Ваш дом становится и электростанцией, и заправочной станцией для автомобилей, - говорит Носера. - Если вы живете в стране, где мало солнца, то можно использовать и другие альтернативные источники электричества, например ветряки».

Носера на протяжении 25 лет занимается проблемой создания «искусственного фотосинтеза». Растения с помощью солнечной энергии разлагают воду, используя полученные водород и кислород для синтеза и накопления необходимых им веществ. «Последние шесть месяцев по дороге домой я смотрел на листья и говорил: я теперь владею вашим секретом!» - радуется Носера. И есть отчего. Носера и Канан обнаружили, что достаточно растворить в воде дешевые соли кобальта (около $100 за кг) и какой-нибудь фосфат (около $1 за кг) и начать электролиз, используя в качестве анода вместо платины стеклянный электрод, покрытый слоем оксидов индия и олова ($1540 за кг), как на электроде начнет осаждаться темный налет, прекрасно катализирующий выделение кислорода. Второй электрод, который необходим для выделения водорода, все равно изготавливается из платины, но экономия очевидна.

Носера признает, что они сделали научное открытие в какой-то мере случайно: «Мы долго меняли различные вещества, чтобы провести реакцию катализа, и нашли правильное сочетание этих веществ неожиданно». Какие именно химические процессы обеспечивают мощный поток пузырьков кислорода, ученые пока поняли не до конца, но активно работают над этим. Статья вышла 31 июля, а 18 августа, делая доклад на встрече Американского химического общества, Носера уже рассказывал новые подробности. Более того, наблюдения за электролизом позволяют предполагать, что происходит частичная «регенерация» катализатора, что делает такое устройство чуть ли не вечным - надо лишь подливать воду и подавать ток от солнечных батарей.

«Минимальное напряжение, которое необходимо для того, чтобы разложить воду на кислород и водород, в идеальных условиях составляет 1,23 вольта, - объясняет доктор физико-математических наук из Института фундаментальных проблем биологии РАН Иван Проскуряков. - А реально надо прикладывать существенно больше; при этом избыточное напряжение просто уходит в тепло. Американцам же удалось с помощью их катализатора понизить напряжение до 1,29 вольта, что является очень хорошим результатом».

Носера предлагает в первую очередь использовать свою систему для домашних нужд, отодвигая создание промышленных установок для массовой заправки автомобилей на 5–10 лет. «Это отличное решение для малой мощности, - соглашается вице-президент ГМК «Норильский никель» Владимир Пивнюк. - Ее как раз хватит для домашних нужд, а вот заправлять таким образом водородом топливные элементы для автомобилей пока рано». «Норильский никель» тоже планирует уже в следующем году выпустить энергетические установки, в которых будут совмещены солнечные батареи, ветряки, производство водорода и водородные двигатели. Поскольку на «Норникель» приходится 40% мирового выпуска металлов платиновой группы, себестоимость топливных элементов с этими металлами не так сильно их беспокоит.

Однако и для монополистов рынка платины могут скоро наступить не лучшие времена - в отличие от производителей водородных двигателей. Группа профессора Бьорна Уинтер-Дженсена смогла заменить платиновые электроды, необходимые для производства энергии водорода, на полимерные без потери мощности. «Сейчас они дешевле платиновых в 30 раз, - говорит ученый, - но с 2011 года, когда кончится действие патента Bayer AG на производство полимера PEDOT, разница будет еще больше». И Носера, и Уинтер-Дженсен соглашаются, что можно объединить их открытия, снизив тем самым стоимость устройства по производству водорода и его превращения в электричество для дома или автомобиля в несколько десятков раз.

В 1887 г. английский биолог Томас Гексли предсказывал скорый конец цивилизации. Причиной его мог стать «азотный голод»: чилийские месторождения селитры истощались, а сельское хозяйство без азотсодержащих удобрений уже не смогло бы прокормить человечество. Существовавшие же методы связывания инертного атмосферного азота были слишком неэффективными для промышленного применения. Задачу решили немецкие химики Фриц Габер и Карл Бош (впоследствии лауреаты Нобелевской премии), обнаружившие условия и катализаторы, при которых реакция азота с водородом шла достаточно быстро. Получавшийся аммиак уже несложно было использовать для синтеза нужных удобрений. «Пищевой» кризис был предотвращен, но спустя 120 лет энергетический становится всё более вероятным. Как и в случае с азотом, огромное количество необходимых ресурсов - солнце, ветер, вода - под рукой, но эффективно их использовать мы пока не умеем. Поиск катализаторов - один из возможных методов второго «спасения человечества».