Мировой рынок автомобильных катализаторов уникален: он создается не потребительским спросом, а регулирующими органами. С 2010 года новые автомобили в России должны соответствовать экологическому стандарту "Евро-4", а с 2012 года планируется переход на "Евро-5". Стремясь повысить характеристики каталитических нейтрализаторов — это полное имя автомобильного катализатора,— производители неизбежно приходят к использованию нанотехнологий.
Рынок очищения
С уменьшением размеров частиц катализатора увеличивается их поверхность, на которой, собственно, и происходит катализ. Это снижает потребность в благородных металлах, которые традиционно используются в катализаторах, и открывает дорогу к использованию новых, более экономичных материалов.
Российский рынок каталитических нейтрализаторов зависит от продаж автомобилей и жесткости принимаемых норм. Через пять лет эксперты ожидают более чем двукратного роста рынка. В основном спрос будет расти за счет перехода иностранных автоконцернов, собирающих автомобили на территории России, на использование российских систем нейтрализации отработанных газов — переходить на автокомпоненты местного производства их обязывают соглашения, подписанные с Минэкономразвития.
На одном из крупнейших российских производителей автомобильных систем нейтрализации — Новоуральском заводе автомобильных катализаторов — еще несколько лет назад начали работу над производством нейтрализаторов и систем очистки газов с усовершенствованной структурой материалов для двигателей с высокими экологическими стандартами. За счет инноваций завод планирует к 2011 году занять не менее 35% российского рынка.
Сейчас завод реализует два новых проекта — по разработке систем нейтрализации для автомобилей с дизельным двигателем и по производству катализаторов с повышенной жаропрочностью для транспорта с двигателями стандарта "Евро-5". При производстве автокатализаторов используются наноструктурированные материалы.
Бутерброд с платиной
Созданный в 1994 году Новоуральский завод автомобильных катализаторов входит в состав крупнейшего в мире предприятия по обогащению урана — Уральского электрохимического комбината (УЭХК). Надо сказать, что в России высокотехнологичные производства часто появлялись именно в качестве конверсионных идей на предприятиях, располагавших оборудованием, позволяющим проводить научные исследования и выпускать продукцию двойного назначения. Еще в 1970-е годы прошлого века на УЭХК начали работать над созданием катализаторов для космической отрасли. В 1989 году на УЭХК были созданы лаборатория и опытный участок сборки нейтрализаторов — комбинат решил применить свой опыт в производстве систем нейтрализации для автотранспорта.
"За разработки такого рода шла очень сложная борьба, было много противников. Пришлось пробивать вопрос через Кремль, доказывая, что львиная доля загрязнения атмосферы приходится на автотранспорт. В итоге нам с самого начала поставили задачу обеспечивать потребности в системах нейтрализации всех заводов СССР",— говорит директор завода автомобильных катализаторов Николай Данченко. В 1994 году был запущен завод автомобильных катализаторов, который выпускал продукцию по лицензии компании Engelhard. Одновременно на заводе автомобильных катализаторов в сотрудничестве с Институтом катализа СО РАН им. Г. К. Борескова и Центральным научно-исследовательским автомобильным и автомоторным институтом начали разрабатывать собственные технологии выпуска катализаторов и материалов для них. В 1998 году начали выпускать катализаторы для двигателей стандарта "Евро-2" и поставлять их практически всем российским автозаводам, в частности АвтоВАЗу, УАЗу, СП GM-АвтоВАЗ. К 2003 году завод освоил выпуск катализаторов стандарта "Евро-3".
Николай Данченко рассказывает, что уже несколько лет при производстве катализаторов используются наноструктурированные частицы оксидов алюминия, церия, титана, бария, циркония, лантана и частицы благородных металлов (платины, палладия, родия), обеспечивающие протекание окислительно-восстановительных реакций в широком диапазоне температур и состава газовой среды.
Зачем в производстве систем нейтрализации нужны именно наночастицы, Николай Данченко объясняет следующим образом. Так называемые нанесенные катализаторы — это блочные структуры, где на каждый квадратный дюйм приходится 400-600 каналов, по которым с большой скоростью вместе с воздухом выходят частицы топлива, сгоревшего в двигателе. Активная поверхность, на которой проходит процесс, в одном блоке равна поверхности футбольного поля — настолько должна быть развита пористая структура материала. Для этого удельная поверхность материала должна составлять 100-200 кв. м на грамм.
"Если сделать оксид алюминия обычным методом, мы можем получить гамма-фазу, которая при нагреве оксида алюминия до 950°С переходит в альфа-фазу,— говорит Николай Данченко,— в результате чего активный слой спекается и теряется его пористость. Поэтому мы используем при изготовлении материалов для автокатализаторов золь-гель-методы". Возможность при помощи золь-гель-технологий конструировать катализаторы не только позволяет уберечь частицы от спекания, но и делает себестоимость продукции ниже. "Если "футбольное поле" намазать платиной, с одной стороны, это очень дорого, с другой — почти не будет работать,— комментирует Николай Данченко.— Только соединение компонентов активного слоя с драгметаллами в необходимых количествах дает синергетический эффект и резко повышает эффективность катализатора".
Для суровых зим
Завод автомобильных катализаторов уже научился производить катализаторы для бензиновых двигателей с токсичностью по стандартам "Евро-4". Для "Евро-5" нужны более совершенные конструкции нейтрализаторов — с высокой температурной устойчивостью. Дело в том, что для более высокой степени очистки выхлопных газов катализатор должен включаться в работу как можно раньше, поэтому в современных автомобилях его располагают очень близко к двигателю. Это значит, что на катализаторы попадают раскаленные газы, и они должны выдерживать высокую температуру. "Уже сейчас мы используем материалы, которые держат 1100°С. Базовые формулы те же, но сделаны по новым технологиям",— говорит Николай Данченко. Один из новых инвестпроектов завода автомобильных катализаторов — производство новых катализаторов для двигателей по стандарту "Евро-5". Подробности проекта на заводе не раскрывают, ограничиваясь сообщением, что производство будет расположено не на площадке УЭХК, а в другом городе.
Второй крупный проект, который завод реализует совместно с Институтом катализа имени Борескова и рядом предприятий-производителей автокомпонентов Москвы и Санкт-Петербурга,— производство отечественных систем нейтрализаторов отработанных газов для автомобилей с дизельным двигателем по стандартам "Евро-4". Николай Данченко рассказывает, что в первую очередь такие системы будут сделаны для КамАЗа. Работы начались в феврале, а в декабре этого года на моторных стендах КамАЗа пройдет испытание новых систем нейтрализаторов.
Европейские разработчики автокатализаторов для дизелей, кстати, предложили систему для восстановления оксидов азота при помощи мочевины. Рядом с топливным баком в автомобиле должна стоять емкость с мочевиной. И, что совершенно не подходит для России с ее суровыми зимами, раствор замерзает при минус 11°С. "У нас совсем другие технологии",— отмечает Николай Данченко, но в подробности не углубляется. По требованиям международных ГОСТов производители автокомпонентов должны представить раскладку всех изменений в составах катализаторов своим потребителям. А конкуренты не спят. Поэтому разработчики предпочитают заниматься инвестпроектами в условиях конфиденциальности. Взаимопонимание в "Роснано" в этом вопросе, по их словам, они уже нашли.