Мы продолжаем рассказывать о различных металлах, истории их открытия, применении и патентом аспекте. На этот раз речь пойдет об иридии, миноритарном представителе мажоритарных платиноидов.
Иридий является самым устойчивым к коррозии металлом на Земле и одним из двух самых плотных (вместе с осмием). Например, он в два раза плотнее свинца. Чрезвычайно твёрдый иридий (в 6 раз твёрже платины) отличается высокой температурой плавления (2465°C) и одновременно с этим хрупкостью, что делает его крайне сложным в обработке. При этом он является хорошим проводником тепла и электричества.
История открытия
В самом начале XIX в. химики-аналитики разных стран заинтересовались сырой платиной, подозревая, что в ней содержатся новые элементы. Англичанин Уильям Волластон исследовал растворимую в царской водке часть сырой платины и открыл палладий (1803). Одновременно его французские коллеги (Антуан де Фуркруа, Луи Воклен и др.) занялись изучением нерастворимой в царской водке части сырой платины. Сплавив ее с едким калием, они получили частично растворимые в воде соединения неизвестных металлов, но идентифицировать их они не смогли.
Другой английский химик, Смитсон Теннант, пошел тем же путем и в 1804 г. ему удалось выделить два новых металла — осмий и иридий. Название иридий произведено от греч. радуга или отливающий цветами радуги, так как соединения нового металла (хлориды) оказались окрашенными в различные красивые цвета.
Потребление
Иридий на сегодняшний день имеет четыре основных сферы применения:
Электроды в различных электрохимических процессах, например, для производства хлора, очистки воды и производства медной фольги;
Электроника, например, в качестве тиглей для выращивания кристаллов, используемых в мобильных телефонах, и в органических светодиодах (OLED);
Технологические катализаторы для производства определенных химических веществ, например, уксусной кислоты;
Наконечники зажигания в свечах зажигания премиум-класса, например, в свечах с длительным сроком службы для элитных автомобилей и тех, которые используются в аэрокосмической промышленности.
Особая история с радионуклидом иридий-192. Спрос на изотоп иридий-192 в основном формируется промышленностью. Закрытые капсульные источники иридия-192 входят в состав гамма-дефектоскопов, широко используемых для неразрушающего контроля качества сварных швов трубопроводов и изделий из стали и алюминиевых сплавов.
В медицине радиоизотоп иридий-192 используют для лечения онкологии. В клиниках России эксплуатируется порядка 100 аппаратов высокодозовой брахитерапии для лечения рака с применением источников на основе иридия-192. С учетом периода полураспада иридия 192 необходима замена источников в аппаратах каждые 3-4 месяца. Следует отметить, что в весовом отношении потребление изотопа иридий-192 невелико.
Известная компания Johnson Matthey (Великобритания) ведёт мониторинг мирового потребление иридия; последние годы представлены в таблице 1.
Таблица 1: Структура мирового потребление иридия в 2018-2023 гг., тонн
Отрасль | 2018 | 2019 | 2020 | 2021 | 2022 | 2023 |
Электрохимия | 2,3 | 2,5 | 2,6 | 2,5 | 2,8 | 3,3 |
Электрика и электроника | 1,4 | 1,5 | 1,8 | 1,5 | 1,1 | 1,2 |
Химикаты | 0,7 | 0,7 | 0,8 | 0,8 | 0,9 | 0,9 |
Прочие | 3,2 | 2,9 | 2,0 | 2,0 | 2,0 | 2,0 |
Всего | 7,6 | 7,6 | 7,2 | 6,8 | 6,8 | 7,4 |
Источник: Johnson Matthey PGM market report May 2023
Спад 2020-2021 гг. объясняется пандемией.
Добыча из недр
Среднее мировое производство иридия за последние несколько лет составляет около 8 тонн в год, из которых на ЮАР приходилось 6,5 тонн, далее следуют Зимбабве (700 кг), Канада (300 кг) и Россия (250 кг).
Бушвелдский комплекс ЮАР содержит львиную долю всех известных запасов данного металла. Имеет магматическое происхождение.
Бассейн Садбери в Канаде является местом падения огромного астероида (диаметром 10-15 км), столкнувшегося с Землей 1,8 млрд лет назад. Кратер служит источником многих полезных ископаемых.
В январе 2023 года как и за всё последнее полугодие цена на иридий составляла $161 за грамм.
Самая распространённая коммерческая форма — порошок.
Иридий в России
Добычу в России осуществляет ПАО «ГМК «Норильский Никель» в комплекте с другими платиноидами. Извлечение и аффинаж иридия выполняет Красноярский завод цветных металлов им. Гулидова.
Четыре основных области применения иридия в России:
Производство свечей зажигания;
Электронная промышленность;
Электротехническая промышленность;
Химическая промышленность.
Патентный аспект
На портале Google.Patents указано 100000 документов по слову Iridium. Среди патентообладателей нет лидеров, патенты распылены по сотням промышленных компаний. Топ выглядит так:
Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. (株式会社半導体エネルギー研究所) 16,3%;
Universal Display Corporation — 2,1%;
Merck Patent GmbH — 2%;
Canon Kabushiki Kaisha — 1,2%;
Mitsubishi Chemical Corporation — 0,9%;
The Boeing Company — 0,8%;
Sumitomo Chemical Co., Ltd. (住友化学株式会社) — 0,8%;
General Electric Company — 0,7%;
Samsung Electronics (삼성전자주식회사) — 0,7%.
Как видите, довольно активной является Semiconductor Energy Laboratory Co., которая на первом месте по числу иридиевых патентов со значительным отрывом от конкурентов. Ее основателю Ямадзаки Сюмпэю мы уже посвятили отдельный материал на Хабре. На него лично, к слову, записаны 1,4% всех патентов, связанных с иридием. Прочие места в рейтинге занимают транснациональные электротехнические и нефтехимические компании из США, Японии и Южной Кореи.
Среди авторов патентов сюрпризов нет. Первые два изобретателя — сотрудники Semiconductor Energy Laboratory и подчиненные Ямадзаки Сюмпэя. Остальные же авторы из пятерки лидеров работают на корпорацию Merck.
Satoshi Seo — 13,2%;
Hiromi Seo — 7,9%;
Nobuharu Ohsawa — 2,4%;
Hideko Inoue — 2,2%;
Philipp Stoessel — 1,9%.
Популярные темы в рамках международной патентной классификации выглядят так:
H10K 45,9% — металлоорганика для получения твердотельных устройств;
C09K 35,1% — материалы;
C07F 23,9% — органические соединения;
H05B 18,1% — электрический нагрев;
Y10S 12,6% — технические устройства.
В мировых патентах лидирует органика для получения твердотельных микроэлектронных устройств (H10K). Только за 2023 г. обнаружено 64 патента.
Примерами являются 9 китайских патентов, в частности по органическим электролюминесцентным устройствам (CN CN116554159A, CN CN116554218A и др. ). Примеры синего светоизлучающего материала включают комплексы 3-х валентного иридия.
В базе ФИПС на «иридий» числится всего 347 патента РФ на изобретения, из которых только 109 действующие. Это низкий показатель по сравнению с популярными металлами типа хрома! Можете посмотреть и сравнить статистику в наших материалах на Хабре по рутению, танталу или индию.
Из них в разделе «технологии процессов, B» — 26 патентов. Способы получения направлены на различные металлические катализаторы, в частности электролиза воды (№2394646), окисления горючих газов (№2635111), изделий из металлического иридия (№2633206) и т.п.
В разделе «электричество H» — 12 патентов, в большинстве по электротехнике свечи зажигания газотурбинного двигателя (№2678860), металлопористый катод (№2724980), магнетрон (№2528982 и №2776305); есть по микроэлектронике, например, патент №2789243 — диодный излучатель ИК-диапазона (слой иридия на поверхности гетероструктуры с металлическим отражателем).
Патентов РФ на полезные модели числится 30 штук, действующих всего 3. Перечислим: электрокардиостимулятор (№143968), свеча зажигания (№186491) и ракетный двигатель малой тяги с иридиевым катализатором (№192756).
Программ для ЭВМ по слову «иридий» в РФ зарегистрирована всего одна. Это №2017611484 — «1d программа для изучения влияния и оптимизации содержания иридия и платины в каталитических слоях электролизера Elcatel1d».
Баз данных и топологий интегральных схем в РФ по иридию нет.
Как видите, в патентом плане ситуация по иридию в России просто отвратительная.
Перспективные исследования
В базе научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ гражданского назначения числится 518 документов по иридию (для сравнения по хрому 4979), в основном отчёты по НИР по грантам и диссертации.
Наше внимание привлекли сведения о начинаемых научно-исследовательских работах со сроками исполнения 2024-2026 годы. Большинство — катализаторы, например для окисления летучих органических соединений, для электрохимического восстановления СО2; высокочистые металлоорганические соединения для получения слоев в микроэлектронике (в том числе толщиной менее 100 нанометров иридия) методами химического осаждения из газовой фазы; люминофоры, которые используются для преобразования различных видов энергии в световую и находят широкое применение в качестве лазерных материалов и в области визуализации изображений; детекторы в биохимических исследованиях.
Для ценителей передовой механики интересна НИР Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН «Иридийсодержащие соединения — новая платформа для создания сверхвысокотемпературных покрытий и конструкционных материалов для следующего поколения двигательных установок». Проект направлен на развитие нового концептуального подхода, основанного на том, что жидкая фаза, образующаяся при температуре эвтектического плавления многокомпонентной системы (иридий в сочетании с карбидами, боридами и некоторыми другими тугоплавкими соединениями), инициирует процессы взаимодействия ее компонентов, которые завершаются формированием тугоплавких и жаростойких иридийсодержащих соединений, обладающих высокой окислительной устойчивостью.
Заключение
Иридий — это не только известная система спутниковой связи Iridium Communications Inc., но специфический катализатор и полезный компонент для специальной электроники. Иридиевые свечи зажигания для автомобилей находят заметное применение, в том числе в силу возросшего качества бензинов. В области источников излучений на основе изотопа иридий-192 прогнозируется рост для диагностики различных газо- и нефтепроводов, в первую очередь под российским патронажем в дружеских странах Азии и Африки.
Согласно отчету британской компании Johnson Matthey возможны перспективы потребления иридия в водородной энергетике для электрохимического разложения воды с получением молекулярного водорода по технологии Proton exchange membrane (PEM) electrolysis, где используются катализаторы на основе иридия (на аноде) и платины (на катоде). Эти металлы являются идеальными катализаторами благодаря их высокому уровню активности и присущей им стабильности в химически агрессивной системе электролизера.
В патентном отношении очевидно отставание российских организаций от своих зарубежных коллег по всем параметрам.
Полезное от Онлайн Патент:
→ Что такое Реестр отечественного ПО?
→ Может ли иностранная компания внести свою программу в Реестр отечественного ПО?
→ Как IT-компаниям сохранить нулевой НДС и попасть в Реестр отечественного ПО