Рутений (Ruthenium, Ru) — редкий металл платиновой группы, открытый в 1844 году химиком Карлом Клаусом в Казани при исследовании платиновых остатков, полученных с Петербургского монетного двора. Из полученного материала он выделил растворимую часть (включавшую осмий, хром и другие элементы) и нерастворимый остаток, который обработал царской водкой с последующей дистилляцией. Образовавшийся сухой остаток был промыт горячей водой и подвергнут действию поташа. В результате Клаус обнаружил в осадке гидроксида железа неизвестное вещество по характерной тёмно-пурпурной окраске раствора в соляной кислоте. Новый элемент был выделен в виде сульфида и назван рутением — в честь России (лат. Ruthenia).
Потребление
Ежегодное мировое потребление рутения составляет около 33 тонн. Основные направления использования включают:Химическая промышленность — 13 тонн;
Электротехника и электроника — 12 тонн;
Электрохимическая промышленность — 4 тонны;
Прочие сферы — 4 тонны.
Наиболее значимое применение рутения связано с производством катализаторов, используемых в синтезе широкого спектра химических соединений.
В электрохимической промышленности спрос на рутений в значительной степени обусловлен применением в хлор-щелочном процессе, который использует аноды с покрытием на основе рутения.
Рутений также используется в анодах полимер-электролитных электролизёров (PEM-electrolysers), предназначенных для получения водорода путём электролиза воды. В данной технологии рутений демонстрирует более высокую каталитическую активность по отношению к реакции выделения кислорода, чем иридий, однако его устойчивость к агрессивным условиям при высоких напряжениях ограничивает промышленное применение.
Одним из новых направлений применения рутения является его использование в системах обработки балластных вод морских судов. Согласно Международной конвенции по контролю и управлению балластными водами (The International Convention for the Control and Management of Ships' Ballast Water and Sediments, BWM Convention), целью является предотвращение переноса инвазивных водных организмов между регионами. Методы обеззараживания включают ультрафиолетовую обработку, применение химикатов (на основе хлора или перекиси водорода) и электрохимическое хлорирование. Электрохимические установки на основе рутения используются преимущественно на судах большого тоннажа.
В электронной промышленности рутений применяется в составе паст для резисторов и гибридных интегральных схем, а также в виде металлоорганических соединений при формировании тонкоплёночных покрытий в производстве микросхем памяти. Кроме того, он используется в качестве магнитных слоёв и подслоёв в жёстких дисках для хранения данных. На данный момент основное потребление рутения в электронике приходится именно на резисторы и компоненты запоминающих устройств.
В медицинской сфере применяется изотоп рутений-106, в частности, в офтальмологических аппликаторах для лечения опухолей глаза. Технология была разработана в конце 1970-х годов Всесоюзным научно-исследовательским институтом неорганических материалов им. А. А. Бочвара совместно с Московским НИИ глазных болезней им. Гельмгольца. В 1980-х годах данные устройства поставлялись в клиники по всей территории СССР. Аппликаторы получили высокую оценку и демонстрировались на международных выставках в ряде стран Европы и Азии. Срок эксплуатации офтальмоаппликаторов с рутением-106 составляет от 1,5 до 3 лет.
Монополия ЮАР
Глобальная добыча рутения в последние годы варьируется в пределах 30–35 тонн в год. Распределение по странам:Южно-Африканская Республика — около 95%;
Российская Федерация — приблизительно 2%;
Зимбабве — 1%;
Северная Америка — 1%;
Прочие страны — 1%.
Основными производителями металлов платиновой группы, включая рутений, в ЮАР являются компании Anglo American Platinum, Impala Platinum и Sibanye Stillwater.
Согласно отчётам компании Johnson Matthey, в 2022 году производство металлов платиновой группы на южноафриканских рудниках снизилось на 6%. Наиболее значительное снижение добычи отмечено на руднике Mogalakwena — до 1,03 млн унций, что составило падение на 16% по сравнению с предыдущим годом. Причинами стали снижение содержания металлов в добываемой руде, неблагоприятные погодные условия, перебои с оборудованием и протесты местных жителей, что привело к изменению плана горных работ.
В России основным производителем рутения является компания «Норильский никель», годовой объём производства которого составляет около 0,6 тонн в составе продукции МПГ. Внутреннее потребление рутения в России остаётся ограниченным и оценивается на уровне 100 кг в год в пересчёте на металл. Единственным производителем анодов с рутениево-иридиевым покрытием в стране выступает «Башкирская содовая компания».
Патентный аспект
По данным портала Google Patents, зарегистрировано более 100 тысяч документов, содержащих термин ruthenium, что отражает широкую область исследований и применений металла в различных отраслях. Основные патентообладатели следующие:-
Semiconductor Energy Lab . ( 半導體能源研究所股份有限公司 ) — 4,9%;
-
Shinetsu Chemical Co . — 3,1%;
-
Applied Materials Inc . — 2,8%;
-
Micron Technology, Inc. — 1.6%.
Рейтинг авторов патентов такой:
-
Shunpei Yamazaki ( 山崎舜平 ) — 2,5%;
-
Robert H. Grubbs —1,8%;
-
Tsutomu Ogihar a — 1,8%;
-
Takafumi Ueda — 1,6%;
-
Yoshiro Hirose — 1%.
Наиболее продуктивным изобретателем в области рутения является Ямадзаки Сюмпэй, который также является основателем компании Semiconductor Energy Laboratory Co. Среди пяти ведущих авторов патентов четверо являются представителями Японии. Вместе с тем, значительную долю патентов зарегистрировали американские компании и научные организации, что отражает международный интерес к данной тематике.
В базе Федерального института промышленной собственности (ФИПС) по ключевому слову «рутений» зарегистрировано 504 патента на изобретения в России, из которых 172 патента находятся в действующем состоянии.
Перспективные направления исследований, связанные с рутением
В научно-исследовательской, опытно-конструкторской и технологической деятельности гражданского назначения за период с 1991 по 2023 годы учтено 868 документов, включая отчёты по научно-исследовательским работам (НИР), выполненным на грантовой основе, а также диссертационные исследования. Основное внимание уделяется катализаторам на основе рутения, которые применяются в процессах гидрирования, гидродеоксигенизации, асимметричного циклопропанирования, контролируемой полимеризации и окислительного гидроксилирования органических соединений. Кроме того, изучаются электрохимические свойства электродов для накопителей энергии и процессов электрохимического разложения воды с выделением водорода и кислорода, а также разработка противоопухолевых медицинских препаратов.В сфере электроники отмечены работы по синтезу металлорганических соединений рутения и других металлов платиновой группы, применяемых в толстоплёночной микроэлектронике. Исследования включают разработку технологии биядерных нитридных соединений рутения, изучение влияния аллотропных форм тонких плёнок рутения на их сверхпроводящие свойства, а также изучение структурной динамики фотопереключаемых твердых фаз, основанных на рутении.
Заключение
Потребление рутения в мировой химической промышленности демонстрирует устойчивый рост, что связано с постоянными инвестициями в расширение производственных мощностей для выпуска капролактама и адипиновой кислоты — ключевых компонентов в производстве нейлона. Особенно активно данные процессы развиваются в Китае, где широко применяются рутениевые катализаторы.Усиление экологических требований в Китае способствует расширению использования рутениевых катализаторов для очистки промышленных сточных вод посредством каталитического окисления влажным воздухом (catalytic wet air oxidation, CWAO). В 2022 году спрос на рутений в данном сегменте вырос на 16%, достигнув 12 тонн, а по прогнозам, в 2023 году он превысит 13 тонн, что станет новым рекордом потребления в этой области.
Потенциал дальнейшего роста химического спроса на рутений сохраняется по крайней мере до 2024 года. Впоследствии циклические экономические факторы могут ограничить темпы закупок металла химическими предприятиями. Потребность в рутении напрямую связана с вводом новых производственных мощностей, поскольку значительная часть металла закупается на этапе строительства установок. После запуска требуется лишь восполнение потерь, возникающих в процессе эксплуатации и при регенерации катализаторов. В среднесрочной перспективе, учитывая избыток предложения на китайских рынках капролактама и адипиновой кислоты, ожидается замедление темпов ввода новых производств и, как следствие, снижение спроса на металл.
В области электроники спрос на рутений в последние годы оставался относительно стабильным. Однако в 2022 году было отмечено значительное снижение потребления, что было связано с падением продаж бытовой электроники, вызванным дефицитом полупроводников, последствиями пандемии COVID-19, высокой инфляцией и сокращением располагаемых доходов. В частности, потребность в рутении для жёстких дисков снизилась в связи с замедлением роста технологического сектора и сокращением объёмов строительства дата-центров.
В 2023 году ситуация стала улучшаться, и по прогнозам в 2024 году ожидается значительный рост закупок рутения, чему будет способствовать повышенный интерес к технологиям искусственного интеллекта и криптовалютам.