Как в будущем обеспечить энергетические потребности человечества? Можно ли надеяться на водородную энергетику? Как найти разумный баланс между растущими потребностями и сохранением здоровой экологии? Об этом – наш разговор с Андреем Борисовичем Ярославцевым, членом-корреспондентом РАН, заведующим лабораторией функциональных материалов Института общей и неорганической химии и заведующим лабораторией катализа на мембранах в Институте нефтехимического синтеза, специалистом в области химии твердого тела и мембранных технологий, председателем Российского мембранного сообщества и главным редактором журнала «Мембраны и мембранные технологии».
– Андрей Борисович, расскажите, пожалуйста, чем занимается ваша лаборатория в ИОНХе?
– Лаборатория занимается сразу несколькими направлениями. В первую очередь, это материалы для энергетики и для экологических технологий. Одна из основных тематик связана с ионообменными мембранами. Мембраны очень широко применяются не только в энергетике, но и для водоочистки, для процессов разделения, для мембранного катализа и так далее.
Мембраны делают всего несколько фирм. В России долго ничего нового не появлялось, и все технологии разрабатывались на тех мембранах, которые существовали в промышленном производстве. В России существовало две основных технологии производства ионообменных мембран – гетерогенных и гомогенных перфторированных. Сейчас мы разработали несколько новых подходов к синтезу ионообменных мембранных материалов. Наши мембранные материалы по соотношению проводимости и селективности находятся на уровне лидеров – перфторированных мембран, которые крайне дороги и поэтому используются только для топливных элементов.
– Это одно направление, которым вы занимаетесь, а еще какие?
– Второе направление – это литий-ионика. Сейчас у каждого человека в кармане лежит мобильный телефон, есть фотоаппараты, ноутбуки и так далее. Во всех них есть литий-ионный аккумулятор. Емкость литий-ионных аккумуляторов определяется электродными материалами, катодными и анодными, разработка которых и является вторым направлением нашей лаборатории.
Для примера – если вы вспомните, сколько вам приходится заряжать мобильный телефон, беспроводной инструмент – это обычно занимает несколько часов. Мы разработали такие материалы, катодные и анодные, которые за пять минут позволяют набрать и высвободить половину своей емкости при сохранении всех прочих параметров. Это – те энергоемкие технологии, которые нужны сейчас, например, для беспроводных дрелей, для транспорта. Фактически они должны выполнять роль источников энергии тогда, когда этой энергии не хватает, тогда, когда нужно завести машину, разогнать ее и так далее.
Между катодом и анодом в аккумуляторе есть прослойка электролита. Это – та же самая мембрана, но сейчас они представляют собой гель, в котором находятся органический растворитель и соль лития с объемным анионом. Проблема этих электролитов в том, что через них могут прорастать литиевые дендриты, которые могут привести к короткому замыканию. Если мы захотим быстро зарядить или разрядить аккумулятор, он неизбежно нагреется и может загореться. Раньше таких случаев было очень много, в интернете хватает фотографий ноутбуков, сгоревших из-за возгорания аккумулятора.
– А вам удалось создать аккумуляторы, которые не взрываются, не горят и при этом являются энергоемкими?
– Да, современные устройства практически исключают такую опасность. Я рассказывал об электродных материалах. Энергоемкость аккумуляторов определяют катодные и анодные материалы. Электролит – это прослойка, определяющая кулоновские потери и безопасность аккумулятора.
Еще одна очень большая проблема с литий-ионными аккумуляторами – они крайне быстро садятся на холоде. Но приходишь домой, и через пару минут у него уже практически полный заряд. Это происходит по одной причине – электролит замерзает, и проводимость у него резко падает, в первую очередь за счет фазового перехода.
– А на жаре нет такого эффекта?
– На жаре есть другие эффекты. Становятся более возможными возгорания, разгерметизация аккумулятора. Если из него начнет лететь органика, это тоже крайне неприятно.
Мы разрабатываем сейчас такие электролиты, которые обладают высокой проводимостью и в них отсутствуют фазовые переходы. Лауреат Нобелевской премии Дж. Гуденаф полагает: если мы перейдем на такие электролиты, то за несколько ближайших лет мощность литий-ионных аккумуляторов возрастет в 2-3 раза.
– Чем эти электролиты отличаются от традиционных?
– Есть два основных типа электролитов. Первый – полимерные электролиты, к примеру, когда мы берем ионообменную мембрану, переводим ее в литиевую форму и наполняем смесью растворителей, которая не замерзает при сравнительно низких температурах. Поскольку все это еще происходит за счет набухания мембраны, растворитель входит в нанопоры, размер которых составляет всего-то четыре-пять нанометров, температура его замерзания понижается.
Н.С. Лесков в свое время писал про Левшу, который подковал блоху. Мы в своей научной работе зачастую занимаемся примерно тем же самым. В нанопорах мембраны, размер которых четыре-пять нанометров, мы синтезируем еще меньшие наночастицы неорганических веществ для того, чтобы перенос в этих мембранах становился более быстрым, более селективным.
– Это первый тип электролита, а второй?
– Второй тип – это полностью твердые электролиты, которые основаны в первую очередь на фосфатах. Мы делаем твердые электролиты, которые проводят по ионам лития. Связи в твердых телах обычно более прочные, и их проводимость при изменении температуры меняется только в соответствии с уравнением Аррениуса. В обозримых интервалах температуры это сравнительно небольшое падение. Главное, получить электролит, проводящий ток при комнатной температуре.
– В чем уникальность вашей работы? Есть ли что-то такое, что в других лабораториях мира не делают?
– Все материалы, которые мы разрабатываем, новые. Но я не могу сказать, что то, чем мы занимаемся, полностью уникально. Этим занимаются многие лаборатории в мире. Та же лаборатория Гуденафа, множество моих коллег из Европы, Китая. Тем не менее мы сделали такие привитые мембраны, которые по соотношению проводимость-селективность по-своему уникальны.
– Привитые? Это слово у меня ассоциируется с вакцинацией. Что это значит – «привитые мембраны»?
– Это означает, что мы берем некую промышленную пленку, например, из полиэтилена, активируем ее, а потом на ней синтезируем органический полимер, который затем сульфируем. За счет этого у нас получается ионопроводящая мембрана.
В ионообменных мембранах поры создаются за счет процессов самоорганизации. Я не очень люблю, когда говорят о самоорганизации, поскольку часто на этом у нас спекулируют. Мне это напоминает русскую народную сказку про Иванушку-дурачка, который на печи сидел, говорил: «Я хочу того, хочу этого», – и у него все сразу появлялось.
– Само организовалось.
– Не бывает такого в науке. В науке надо трудиться для того, чтобы чего-то достичь. Но здесь небольшое исключение, когда мы можем получить материал, чтобы он мог сам организовываться.
Чем хороши те же самые гомогенные ионообменные мембраны? Система довольно простая – есть полимерные цепочки, либо углеводородные, либо перфторированные. Но все они являются гидрофобными. И есть сульфогруппы. Вы, наверное, видели такие эксперименты, когда серную кислоту капают на какое-то деревянное покрытие, и оно начинает обугливаться. Оно обугливается не за счет того, что серная кислота – сильный окислитель. Она не окислитель, она просто обладает очень высокой способностью забирать откуда бы то это ни было воду, даже из дерева. Потому что дерево – это углевод, и оно состоит фактически из угля и воды. Только там кислород и водород соединены с тем же самым углеродом.
Серная кислота может вытягивать воду из чего угодно. Когда мы сульфируем мембраны, мы в них получаем такие же фрагменты серной кислоты, которые за счет того, что они гидрофильные, объединяются в кластеры. А эти кластеры насасывают воду из всего окружающего пространства. И за счет этого в мембране образуются поры. За счет того, что эти поры связаны каналами, в них обеспечивается сквозная проводимость в водном растворе, содержащем протоны кислотных остатков.
Перфторированные мембраны хороши тем, что у них вся матрица совершенно равномерная. Но эти мембраны жутко дороги, и поэтому для всех технологий, кроме топливных элементов, используются другие гетерогенные мембраны, которые получаются гораздо более простым и подходящим для промышленности способом. Это фактически прессование крупиц ионообменного полимера и полиэтилена, который выполняет роль связующего, чтобы такая мембрана не распадалась. Такие мембраны гораздо более дешевые. Но между этими частицами ионообменного материала и полиэтилена возникают поры. Они тоже небольшие, но они гораздо больше тех пор, которые присущи самой мембране, и определяют ее протонную проводимость.
В порах положительно заряженные частицы (протоны) выстраиваются около отрицательно заряженных анионов, связанных с матрицей. Другие же отрицательно заряженные частицы почти полностью из мембраны вытесняются за счет закона Кулона. Но в крупных порах, расположенных между частицами, на больших расстояниях эти закономерности не работают, и анионы в них входят и перемещаются так же, как и протоны. Фактически селективность гетерогенных мембран, которые более дешевые, получается гораздо более низкой.
– Андрей Борисович, скажите, а вам удается где-то внедрить свои разработки?
– Наверное, все ученые пытаются внедрить свои разработки. Первый мой опыт внедрения был на заводе световой рекламы, где делали люминофорные лампы, которые никоим образом не связаны с тем, о чем я сейчас говорю. Нам удалось разработать такую технологию, с помощью которой на трубки люминесцентных ламп можно было бы наносить люминофорное покрытие без органического растворителя. Мы договорились с руководством завода и даже объединили с ним свои усилия, чтобы наше открытие «не зажали», и разработали способ, когда можно из водного раствора наносить те же самые покрытия.
Нам сказали, что мы сделали великое дело, нам даже выплатили бешеные по тем временам деньги, которые за счет Павловской реформы буквально через пару недель сгорели полностью. Но на этом заводе нам сказали, что мы не можем внедрить это в производство, потому что для этого должны производство как минимум на четыре месяца остановить. Но нам этого никто не даст сделать – надо выполнять план. А женщины, которые работали в этом цеху и в 30 лет уходили на пенсию, нас чуть не побили за то, что мы можем лишить их этой возможности.
– А был ли у вас более удачный опыт внедрения разработок?
– Да. Потом таких попыток было довольно много. Мы с нашими коллегами из Кубанского университета и с фирмой «Мембранные технологии», которой руководит профессор Заболоцкий, делаем электромембранные аппараты для опреснения воды.
С коллегами из Воронежского госуниверситета мы используем гибридные мембраны с внедренными наночастицами неорганических веществ для получения мультисенсорных систем, это так называемый искусственный нос или язык. Увеличивая за счет этого селективность, мы сделали такие мультисенсорные системы, которые позволяют достаточно быстро и надежно анализировать, например, состав сточных вод, лекарственные препараты или наркотические вещества.
Наши коллеги сделали на основе этих мембран сенсоры, которые позволяют определять, насколько свежими являются такие разные продукты, как пиво или молоко.
Довольно плотно мы занимаемся топливными элементами. У нас в России недавно приняли программу развития водородной энергетики. Мы в этом смысле не первые. Такие программы приняты во многих развитых странах. И наши мембраны хорошо работают в таких топливных элементах.
Все это важно в свете Парижского соглашения, которое будет вести мир к безуглеродной экономике. В России основные доходы обеспечиваются нефтью, газом и, пожалуй, металлургическими процессами, в которых без того же самого угля тоже никуда. Поэтому боюсь, что если мы не будем внедрять новые технологии, то нас ждут довольно сложные времена. Другое дело, что надо заранее думать о том, что и как мы должны сделать. Вряд ли мы можем основываться только на том, что мы будем получать водород и продавать его за рубеж. Это в первую очередь заложено в концепцию развития водородной энергетики в России, в отличие от всех западных стран. Если этот водород производить из природного газа, то вряд ли его будут покупать.
Весь мир сейчас ставит на возобновляемую энергетику, которая основана на солнечных аккумуляторах, на ветрогенераторах. А с ними в паре должны стоять накопители энергии, например, аккумуляторы. Но поверить в то, что это будут литий-ионные аккумуляторы, невозможно, потому что запасы лития на Земле небольшие. А для большой энергетики количества нужны огромные. Для большой энергетики его практически на сто процентов заменит натрий.
В часы, например, когда у нас солнышка много, накапливаем энергию в литий-ионных или натрий-ионных аккумуляторах. Мы можем получать водород с помощью электролиза, а потом, когда нам это будет нужно, из этого водорода или из литий-ионных аккумуляторов получать необходимую нам энергию. Если говорить о цикле день – ночь, это аккумуляторы. А для цикла лето – зима – водород.
Автомобилей и автобусов на водороде в мире уже очень много. К этому мы и идем. Российские железные дороги поставили себе целью сделать поезд на водороде.
– Мы идем к экономии ресурсов, к использованию их таким образом, чтобы ничто не пропадало зря?
– Это с одной стороны. А второе – мы когда говорили о Парижском соглашении, мы говорили о глобальных выбросах CO2. Но на самом деле есть не только выбросы CO2. Если мы задумаемся, откуда в атмосфере берутся вредные вещества – большая их часть от выбросов автотранспорта. Это – продукты неполного окисления бензина, оксиды азота. Вроде бы откуда им взяться? А на самом деле окисление происходит воздухом, и поэтому, может быть, не в такой значительной степени, но тем менее азот воздуха при этом соединяется с кислородом. В топливах в качестве присадок или примесей есть соединение серы, а это значит, что выбросы оксидов серы тоже происходят.
Но мы живем в мегаполисе, в огромном городе, в котором есть множество машин и разных предприятий. Если хотя бы в городе сделать транспорт на водородной энергетике, мы можем очень резко повысить уровень экологии. При этом где-то в любом случае будут стоять заводы, на которых производится водород, и это производство будет не очень чистым. Но мы можем это разнести в пространстве так, чтобы минимальным образом вредить человечеству. Забота о мегаполисах тоже является очень важной составляющей всех этих технологий. Может быть, об этом гораздо меньше говорят, но это не менее важно, поскольку это – реальная забота о людях. На самом деле пока производство энергии с помощью водорода довольно-таки дорого, но наука не стоит на месте, технологии совершенствуются, а стремление бороться за экологию придает им дополнительный импульс.
