Рутений (Ruthenium или Ru) — этот металл платиновой группы открыт Карлом Клаусом в Казани в 1844 г. при анализе так называемых заводских платиновых осадков. Получив из Петербургского монетного двора около 15 фунтов такого сырья, после извлечения из руды платины и некоторых платиновых металлов, Клаус сплавил остатки с селитрой и извлек растворимую в воде часть (содержащую осмий, хром и другие металлы). Нерастворимый в воде остаток он подверг действию царской водки и перегнал досуха. Обработав сухой остаток после дистилляции кипящей водой и добавив избыток поташа, Клаус отделил осадок гидроокиси железа, в котором обнаружил присутствие неизвестного элемента по темной пypпурно-красной окраске раствора осадка в соляной кислоте. Клаус выделил новый металл в виде сульфида и предложил назвать его рутением в честь России (лат. Ruthenia — Русь). 

Потребление

Три основные сферы использования рутения (всего-навсего 33 тонны в год по миру, влезет в грузовичок типа КАМАЗ):

• Химическая промышленность 13 тонн;

• Электрика и электроника 12 тонн; 

• Электрохимия 4 тонны;

• Прочее 4 тонны.

Главное применение рутения — катализаторы широкой гаммы химикатов. 

Большая часть электрохимического спроса на рутений обусловлена старыми технологиями, в первую очередь хлор-щелочным процессом (chlor-alkali process). 

Рутений иногда используется в анодах ПЭМ-электролизеров по производству водорода из воды (PEM electrolyser); он является более активным катализатором реакции выделения кислорода, чем иридий, но его применение ограничено недостаточной стабильностью в кислых условиях при высоком напряжении.

Новинкой недавнего роста спроса на рутениевые электроды является обработка балластных вод с использованием электрохимической технологии. Конвенция по управлению балластными водами, The International Convention for the Control and Management of Ships' Ballast Water and Sediments (Ballast Water Management Convention or BWM Convention), направлена на предотвращение распространения вредных водных организмов из одного региона в другой путем обязательной очистки балластных вод морских судов. Для санобработки используются три основных метода: 1) ультрафиолетовая обработка воды, 2) прямое добавление химикатов на основе хлора или пероксида, 3) электрохимическое хлорирование. Электрохимическая технология на рутении обычно используется на крупнотоннажных судах.

Рутений также находит применение в электронной промышленности,  включая пасты, используемые в качестве резистивных слоев в чиповых резисторах и гибридных интегральных схемах, металлоорганические соли рутения для нанесения покрытий в технологии микросхем памяти, а также магнитные слои и подслои на жестких дисках для хранения данных. В настоящее время большая часть рутения используется в электронике в резисторах и жестких дисках.

В медицине нашёл применение изотоп рутений-106. Технологию производства офтальмоаппликаторов с радиоизотопами стронций-90 и рутений-106 ещё в конце 1970-х разработал ВНИИНМ им. Бочвара совместно с Московским НИИ глазных болезней им. Гельмгольца. В 1980-е эти устройства поставляли в клиники по всему Советскому Союзу. Аппликаторы были удостоены золотой медали ВДНХ, экспонировались на международных выставках в Швейцарии, Италии, Польше, Югославии, Болгарии, Индии, Чехословакии. Срок службы аппликаторов на рутении-103 составляет от полутора до трех лет.

Монополия ЮАР

В последнее время добыча составляет около 30-35 тонн в год, в том числе: 

• ЮАР — 95%;

• РФ — 2%;

• Зимбабве — 1%;

• Северная Америка — 1%;

• Прочие страны — 1%. 

Главным игроком на рынке рутения является ЮАР в лице 3-х крупнейших производителя металлов платиновой группы МПГ: Anglo American Platinum, Impala Platinum и Sibanye Stillwater. 

По данным авторитетной компании Johnson Matthey базовая добыча МПГ на южноафриканских рудниках в 2022 г. упала на 6%. Крупнейшее единичное изменение произошло на руднике Mogalakwena, где производство МПГ в концентрате снизилось на 16% до 1,03 млн унций. Произошло резкое снижение среднего содержания металлов в руде, поскольку добыча была перенаправлена в районы рудного тела с более низким содержанием в результате сильных дождей, нехватки оборудования и протестов общественности, которые привели к изменению последовательности горных работ.

При этом в России производство на уровне 0,6 тонн в год осуществляет «Норильский Никель» в составе МПГ. А объем видимого потребления отечественной промышленности невелик: около 100 кг в год в пересчете на металл. В частности, «Башкирская содовая компания» является единственным в России производителем анодов с рутений-иридиевым покрытием.

Патентный аспект

На портале Google.Patents указано 100 тыс. документов по слову ruthenium. 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%;

• California Institute Of Technology — 1,9%;

• Micron Technology, Inc. — 1.6%.

Рейтинг авторов патентов такой:

1. Shunpei Yamazaki (山崎舜平) — 2,5%;

2. Robert H. Grubbs —1,8%;

3. Tsutomu Ogihara — 1,8%;

4. Takafumi Ueda — 1,6%;

5. Yoshiro Hirose — 1%. 

Самым активным изобретателем является наш старый знакомый Ямадзаки Сюмпэй (собственно, он же основатель Semiconductor Energy Laboratory Co.), которому мы уже посвятили отдельный материал на Хабре. В принципе, в пятерке авторов четверо — японцы. Но среди компаний-лидеров много американских фирм и организаций, что тоже неудивительно. 

В базе ФИПС на «рутений» числится 504 патента РФ на изобретения, из которых 172 действующие. По разделам наблюдается следующая картина, штук патентов (штук):

• Медицинские препараты, биосенсоры, спецодежда — 11;

• Катализаторы органического синтеза, жаропрочные сплавы, электрические контактные элементы и химические соединения на основе рутения — 62;

• Способы получения катализаторов и электродов из металлического рутения и его соединения, сплавы на основе титана и никеля для аэрокосмических целей, ювелирные сплавы — 150;

• Буровой инструмент и титановый сплав — 2;

• Детали машин — 3;

• Элементы устройств на основе радиоактивных излучений — 9;

• Компоненты электрических устройств, таких как конденсаторы, топливные элементы на водороде и спирту — 8.

В общем, тематика изобретений близка к секторам потребления. указанным в начале статьи.

В базе ФИПС на «рутений» числится 27 патент РФ на полезные модели, из которых только 5 действующие. 

Программ для ЭВМ и баз данных на рутений нет вообще. Ни одной. 

Перспективные исследования по рутению

В базе научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ гражданского назначения числится 868 документов за период 1991-2023 гг., в основном отчёты по НИР по грантам и диссертации. В большинстве они касаются катализаторов на основе рутения, в частности для гидрирования, гидродеоксигенизации, ассиметричного циклопропанирования, контролируемой полимеризации и окислительного гидроксилирования органических соединений; электродов для электрохимических накопителей энергии и электрохимического разложения воды на водород и кислород; противо опухолевых медицинских препаратов.

В области электроники наше внимание привлекли сведения о научно-исследовательских работах по методам получения металлорганических соединений рутения (с других МПГ) для толстоплёночной микроэлектроники, технология биядерного нитридного соединения рутения, влияние аллотропных форм тонких плёнок рутения на сверхпроводящие свойства, структурная динамика фотопереключаемых твердых фаз на основе рутения. 

Заключение 

Потребление рутения в химической промышленности в мире переживает период активного роста благодаря постоянным инвестициям в новые мощности по производству капролактама и адипиновой кислоты (adipic acid), которые являются сырьем для производства нейлона. В КНР широко используются процессы с использованием рутениевых катализаторов.

Кроме того, ужесточение законодательства в области охраны окружающей среды в том же Китае стимулирует расширение использование рутениевых катализаторов при очистке промышленных сточных вод (процесс, известный как каталитическое окисление влажным воздухом, catalytic wet air oxidation, CWAO). В результате спрос на рутений в технологических катализаторах вырос на 16% до 12 тонн в 2022 году и, по прогнозам, превысит 13 тонн в 2023 году — новый рекорд потребления в этой области применения. 

Существует потенциал роста химического спроса на рутений, по крайней мере, еще на 2024 год, прежде чем циклические факторы начнут сдерживать его закупки химическими заводами. Спрос на химикаты в первую очередь зависит от ввода новых мощностей, при этом большое количество металла закупается на время строительства установки; после этого требуется лишь небольшое количество рутения для восполнения потерь, которые происходят в самом химическом процессе, а также при переработке и повторном изготовлении катализаторов в конце срока ее эксплуатации. В среднесрочной перспективе, поскольку на китайских рынках капролактама и адипиновой кислоты наблюдается переизбыток предложения, ожидается, что темпы ввода новых мощностей снизятся, а спрос на новые металлы снизится.

В электронике спрос на рутений в последние годы был в целом стабильным. Однако потребление резко сократилось в 2022 году, что отражало значительный спад продаж бытовой электроники, на который повлияло сочетание дефицита полупроводников, перебоев с Covid, высокой инфляции и падения располагаемых доходов. В частности, спрос на рутений для жестких дисков снизился в 2022 году в ответ на общую слабость технологического сектора и замедление расширения центров обработки данных. 

В 2023 году наблюдались обратные процессы. В 2024 году должен произойти соответствующий всплеск закупок рутения на фоне всплеска интереса к ИИ и криптовалютам. Остается поздравить южноафриканских горняков! 

В России, как мы видим, ситуация довольно плачевная. И в технологическом плане, и в плане добычи. 

Полезное от Онлайн Патент:

→ Что такое Реестр отечественного ПО?

→ Бесплатный онлайн-поиск по базам данных Роспатента и Мадридской системы (доступно после регистрации).

→ Может ли иностранная компания внести свою программу в Реестр отечественного ПО?

→ Как IT-компаниям сохранить нулевой НДС и попасть в Реестр отечественного ПО

→ Как запатентовать технологию?