Как экономилась платина
Кандидат химических наук 31-летняя Анастасия Алексеенко получает электричество из водородно-кислородной химической реакции. Ее научные достижения способствуют развитию одного из чистых источников энергии, который все шире используется в стране и мире. Настя с коллегами стремится снизить цену получаемой энергии за счет экономии необходимой в топливном элементе платины.
— Я училась в школе в поселке Чистоозерном Каменского района Ростовской области, — говорит Анастасия. — Школа одна на поселок, в классе 13 человек, а два учителя-химика были очень сильными. Большая часть выпускников пошла в направлении химии, фармацевтики и медицины. Меня постигла та же участь. Мне нравилась химия. Особенно неорганическая. Но когда поступила в ростовский университет, то здесь было шесть кафедр и другой принцип выбора. Есть физическая химия, электрохимия, органическая. В общем, это было еще интереснее.
Анастасия не с первого курса занялась наукой. Училась на отлично. Исследовательскую работу выполняла на кафедре аналитической химии. Кафедра специализируется на химическом анализе различных объектов, например продуктов питания, фармпрепаратов и т. п. Эти знания и умения считаются важным для химиков, работающих на любом производстве:
— На третьем курсе я устроилась на работу в аналитическую испытательную химическую лабораторию при НИИ биологии ЮФУ. Совмещала работу с учебой. Проводила анализ воды, почвы, воздуха. Потом перешла в эколабораторию ООО «Дон-инк». Предполагала, что после окончания учебы останусь работать химиком. Темой дипломной работы была разработка метода определения тяжелых металлов в растительности города. Моя исследовательская деятельность была поддержана стипендией банка «Центр-инвест» и стипендией Экологического фонда им. Вернадского. В 2013 году декан химфака профессор кафедры электрохимии, доктор химических наук Владимир Ефимович Гутерман пригласил меня в свою научную лабораторию «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики». В 2007 году он вернулся из командировки, которая проходила в Корее в компании Samsung. Владимир Ефимович создал лабораторию, работа которой направлена на получение и исследование материалов для альтернативной энергетики. Профессор Гутерман предложил мне рассмотреть поступление в аспирантуру под его руководством и проводить исследования по теме работы лаборатории. Так я сменила направление деятельности и начала заниматься междисциплинарными исследованиями в областях электрохимии, нанотехнологий и водородной энергетики.
В течение лета Анастасия часто встречалась с научным руководителем, прочитала множество литературы, сдала вступительные экзамены по электрохимии, английскому языку и философии. Вскоре поняла, что совмещать научную деятельность с работой проблематично:
— Изначально мне казалось, что возможно совмещать работу в научной и испытательной лаборатории. Но учеба в аспирантуре оказалась более интересной и перспективной для меня. С 2014 года стала участвовать в грантовых проектах, и стало понятно, что наука и с финансовой точки зрения является привлекательной. За время работы коллектив лаборатории «Наноструктурные материалы для электрохимической энергетики» смог получить финансирование различных фондов на проведение исследований: внутренние гранты ЮФУ, РНФ, РФФИ. В 2016 году я выиграла личный грант РФФИ на 1 млн руб. Через год выиграла грант фонда «Инопрактика». Все эти гранты были направлены на поддержку исследований по созданию электрокатализаторов для водородной энергетики.
Тема перехода к альтернативной энергетике сейчас весьма популярна во всем мире. Это связано в первую очередь с нехваткой ресурсов и загрязнением воздуха от традиционных источников энергии, в том числе двигателей внутреннего сгорания. Одним из новых источников энергии рассматривается водород. В ходе преобразования водорода и кислорода образуется электричество, а побочными продуктами являются вода и небольшое количество тепла. Именно поэтому устройства, работающие на водородно-кислородном топливном элементе, являются безопасными для окружающей среды. Протекание реакций в топливном элементе обусловлено наличием электрокатализатора в системе, представляющего собой наночастицы платины или ее сплавов, распределенных на углеродном носителе. Именно такие катализаторы Анастасия и коллеги создают в лаборатории на химическом факультете ЮФУ.
— В мире это уже довольно широко распространенные устройства, работающие на водородно-кислородных топливных элементах, — говорит Анастасия. — Японцы выпускают серийные автомобили с водородным двигателем — «Тойота Мирей». В бензобак, вернее баллон повышенного давления, закачивается водород. Автобусы на водородном топливе курсируют по Европе. В России эта тематика относительно недавно начала набирать обороты. Несмотря на это, мы уже кое-чего достигли, об этом свидетельствуют публикации в ведущих научных журналах и выступления на престижных международных конференциях. В России имеются коллективы ученых и некоторые коммерческие фирмы, работающие в области создания устройств с водородно-кислородными ТЭ: ИПХФ РАН (г. Черноголовка), «Инэнерджи» (г. Москва), ФГУП «Крыловской государственный научный центр» и другие. Недавно НАМИ на выставке MIMS Automobility Moscow 2022 представил российский водородный автомобиль — Aurus Senat. В г. Черноголовке уже создаются специальные баллоны высокого давления для закачивания в них водорода и использования в различных устройствах. Например, для питания удаленных вышек мобильной связи.
Широкое распространение водородной энергетики усложняется в том числе отсутствием на российском рынке некоторых компонентов для создания топливных элементов (протонопроводящих мембран, газодиффузионных слоев), а также дороговизной материалов, используемых для создания катализаторов. Основной компонент — платина — драгоценный металл, его запасы ограничены. Конечно, Россия отстает по созданию и внедрению конечных устройств, работающих на ТЭ, но есть надежда на будущее развитие этого направления при поддержке государственных структур и интереса бизнеса.
— Смысл нашей работы в том, чтобы, сохраняя высокие функциональные характеристики катализатора, снизить количество дорогостоящей платины в его составе, — считает Анастасия. — Если представить себе наночастицу в виде шара, то мы знаем, что работает только его поверхность. Соответственно, можно попытаться заменить внутреннюю, неработающую, часть на менее дорогой металл: кобальт, медь, никель. И получить катализаторы на основе биметаллических частиц, которые называются оболочка-ядро. Также известно, что легирующий металл может играть роль в повышении активности и стабильности катализатора. Именно от характеристик такого электрокатализатора зависит эффективность конечного устройства. Поэтому разработка технологичных методов синтеза высокоэффективных электрокатализаторов с пониженным содержанием платины является актуальной научной и прикладной задачей.
Анастасия в настоящее время исполняет обязанности руководителя лаборатории, являясь ведущим научным сотрудником химического факультета ЮФУ. В лаборатории работают 13 штатных сотрудников и 9 студентов, пишущих дипломные работы. Сотрудники лаборатории ежегодно привлекают наиболее талантливых студентов.
— Находим звездочек на втором курсе и помогаем им к пятому светить ярче, — шутит Настя. — Потом лучшие студенты вливаются в коллектив лаборатории. Каждый сотрудник работает на общий результат. Любая стипендия, даже самый маленький грант, — все это работает на престиж нашего коллектива.
Начиная научную работу в аспирантуре, Анастасии показалась интересной разработка способов синтеза катализаторов, которые дали бы возможность управлять размером наночастиц. Сначала многое не получалось, но к концу аспирантуры Анастасии удалось разработать и запатентовать две методики синтеза электрокатализаторов для топливных элементов. В 2017 году она стала кандидатом наук. Сейчас Анастасия работает над докторской диссертацией. Родные Настю поддерживают, гордятся тем, что она кандидат наук. Муж тоже работает на химфаке, так что ему объяснять масштаб достижений не надо. Руководство грантами, именные стипендии и штатная должность на химическом факультете ЮФУ являются существенным материальным достатком для молодого ученого.
— Если твоя тема востребована государством и сам ты активно работаешь, твои заявки на гранты обязательно заметят и дадут достойное финансирование, — уверена Анастасия. Мы сначала занимались фундаментальной наукой. Потом тематика становилась все ближе к прикладной. И когда запатентовали метод синтеза платиноуглеродных катализаторов, поняли, что в мире нет аналога. В 2017 году благодаря поддержке Фонда содействия инновациям мы открыли малое инновационное предприятие ООО «Прометей РД» (https://www.prometheusrd.com/). Мы провели масштабирование разработанного ранее метода синтеза для возможности коммерческого производства таких материалов и продажи заинтересованным лицам. В 2020 году «Прометей РД» стал резидентом «Сколково». Сегодня импортные катализаторы для топливных элементов приобрести практически невозможно, а в России их серийно изготавливает наша компания.
— Инициативность, трудолюбие и оптимизм — вот позитивное сочетание для ученого, — так характеризует Анастасию ее старший коллега кандидат химических наук Сергей Беленов. — Перспективы самые хорошие: я уверен, вскоре Настя защитит докторскую и возглавит научную группу. Она уже сейчас имеет опыт руководства сотрудниками. Дальше будет только лучше. Организаторские таланты у нее тоже на высоком уровне.
