Наука о катализе

КАТАЛИЗ – одна из самых наукоемких и перспективных фундаментальных областей, которая развивается на стыке химии, физики, биологии и математики. Решение многих научных, технологических, экологических проблем – от многотоннажного производства органических веществ до управления жизненно важными биохимическими процессами в живой клетке – непосредственно связано с катализом.

С химической точки зрения катализ – явление, при котором вещества, называемые катализаторами, вступая в цикл промежуточных взаимодействий, ускоряют протекание химических реакций, однако сами при этом не расходуются. Как следствие, очень малые количества катализаторов могут обеспечить конверсию значительно бoльших количеств химических веществ (в некоторых случаях в миллионы раз). Поэтому вклад катализа в экономическое развитие является таким же выдающимся, как и само явление.

Масштабы каталитических процессов в промышленности увеличиваются с каждым годом. Промышленный катализ лежит в основе ~ 70% самых разнообразных химических процессов. Среди недавно введенных в эксплуатацию химических производств эта доля составляет уже ~ 90%. В России с помощью катализа и каталитических технологий формируется около 15% валового национального продукта, в США и других, промышленно развитых странах этот показатель составляет 30-35%. Новые поколения катализаторов и новейшие высокоэффективные технологии на основе каталитических процессов применяются во многих областях промышленности:

• нефтепереработка и нефтехимия;
• использование нетрадиционного сырья (включая природный газ, уголь и возобновляемое органическое сырье) для синтеза химических продуктов, жидких моторных топлив и иных химических энергоносителей;
• производство полупродуктов и мономеров для основного и тонкого органического синтеза; синтез полимерных материалов;
• получение крупнотоннажных химических продуктов и удобрений;
• фармацевтическая промышленность: получение лекарств, витаминов, средств защиты растений и других биологически активных веществ;
• природоохранная деятельность, включающая очистку выбросов промышленных предприятий и транспорта;
• новейшие технологии, связанные с экологически чистыми и автономными энергосистемами и освоением нетрадиционных и возобновляемых энергоресурсов.

Основу для развития каталитических технологий создают фундаментальные исследования. Приоритетным направлением фундаментальных исследований в области катализа является исследование механизма и закономерностей протекания каталитических реакций на атомно-молекулярном уровне. Основная задача при этом – установление природы промежуточных соединений, через которые протекают каталитические превращения, структуры активного компонента. Такие исследования позволяют сформулировать основные принципы научно-обоснованного подбора каталитических систем для проведения различного рода реакций. Понимание механизма каталитических реакций способствует расширению области практического применения промышленных катализаторов и разработке технологий, характеризующихся высокими технико–экономическими показателями, экологической безопасностью, высокими выходами и качеством целевых продуктов.

Успех работ в этой области обеспечивается во многом развитием современных физико-химических методов исследования катализаторов и каталитических реакций непосредственно в условиях реакции in-situ. Физико-химические методы привлекаются на стадиях приготовления катализаторов и для охарактеризования готовых катализаторов, носителей, сорбентов, синтезируемых веществ и материалов, обеспечивая комплексное решение вопросов синтеза в соответствии с представлениями о строении активных центров, достижения оптимального распределения активного компонента в структуре носителя; оптимизации химического состава носителя и его пористой структуры. Физико-химические методы часто используются для изучения катализаторов и каталитических реакций в условиях внешних физических воздействий (гамма-излучение, воздействие электронных и нейтронных пучков, СВЧ-излучение, плазма, сверхкритические условия и др.). Такие воздействия позволяют в ряде случаев с одной стороны существенно ускорить химическую и термическую обработку веществ и получать катализаторы с уникальными свойствами, меняя их структуру, каталитическую активность, селективность и стабильность, с другой стороны, создавать методы активного управления самими каталитическими реакциями.

Другим приоритетным направлением в области фундаментальной науки о катализе является развитие научных основ приготовления катализаторов. Перспективность катализатора в отношении определенного процесса определяется рядом химических, физических и эксплуатационных показателей, поэтому для разработки катализаторов необходимы знания в области химии, материаловедения, химической технологии, инженерии. Становится все больше катализаторов, которые отличаются от ранее использовавшихся систем более сложным составом, организацией структуры и активных центров на молекулярном уровне, полифункциональностью действия. В последнее время достаточно большое внимание уделяется прогнозированию свойств катализаторов при их синтезе и подборе, что позволило создать теоретическую и математическую основу недавно появившегося направления - комбинаторного катализа, или, иначе говоря, высокопроизводительного скрининга катализаторов. Разрабатываются высокопроизводительные технологии параллельного синтеза и испытаний, создаются специальные реакторы малого объема, позволяющие быстро, одновременно, в одинаковых условиях, измерять активность большого числа систем и проводить анализ продуктов реакции.

Качество и ассортимент катализаторов в значительной мере определяют уровень материальных, энергетических и капитальных затрат, экологию производства, принципиальную новизну и конкурентоспособность технологий. Появление новых классов катализаторов открывает принципиально новые области применения каталитических технологий синтеза новых материалов и веществ. Так, например, новые концепции катализа позволяют получать полимерные материалы специальных марок, на которые прогнозируется существенное повышение спроса на российском рынке.

Актуальнейшей проблемой в настоящее время является охрана окружающей среды, что делает экологическую направленность катализа также одним из приоритетных пунктов. Можно выделить три основных направления в экологическом катализе - каталитические методы для создания новых экологически чистых продуктов и материалов; новые экологически чистые безотходные каталитические многотоннажные процессы; катализаторы и технологии для очистки вредных выбросов промышленности и транспорта, среди которых традиционными являются задачи удаления оксидов азота и серы из отходящих газов промышленных предприятий и автотранспорта, каталитическая очистка отходящих газов дизельных двигателей от сажи, разработка катализаторов окисления летучих органических соединений и сжигания топлив, удаление нитратов из воды. Другой актуальной экологической проблемой добывающих отраслей является утилизация легких углеводородов, так как их сжигание приводит к загрязнению атмосферы. Решением этой проблемы является каталитическая переработка попутных газов в моторные топлива и высокооктановые компоненты бензинов, а также в сырье для химической и нефтехимической промышленности.

Россия богата энергоресурсами. Несмотря на это, одним из важнейших мировых проблем ближайшего будущего является истощение традиционных источников энергии, ископаемого топлива. В настоящее время стало очевидным, что необходима разработка альтернативных и возобновляемых источников энергии различного происхождения: геотермальной, гидроэнергии, энергии ветра, приливов, солнечной энергии, энергии биомассы и т.д. Пристальное внимание уделяется проблемам развития водородной энергетики – поиску новых источников водорода; его использованию, хранению и транспортировке; а также экономическим аспектам водородной энергетики. Именно развитие каталитических технологий, создание новых катализаторов и сорбентов призвано решить многие насущные вопросы в этой области.

К одним из самых актуальных научных проблем современности относится создание наноматериалов и каталитических технологий с их участием. Понимание функционирования материалов и веществ на наноуровне позволяет решать самые разнообразные проблемы: повышать эффективность использования солнечной энергии, улучшать селективность и активность катализаторов, совершенствовать существующие и создавать новые материалы для хранения энергии. На современном этапе развития нанотехнологий важнейшей задачей является создание теоретической и экспериментальной базы в области синтеза и исследования веществ и материалов с заранее заданными свойствами.

Стремление к миниатюризации привело к созданию микрореакторов – реакторов субмиллиметровых размеров. Для них характерны экстремально большое соотношение поверхность/объем и исключительно высокие скорости массо- и теплопереноса. Благодаря этим свойствам в микрореакторах могут безопасно протекать каталитические процессы с участием токсичных и взрывоопасных веществ, становится реальным контроль за высокоэкзотермичными и высокоэндотермическими процессами. Микрореакторы расширяют возможности кинетических исследований и комбинаторного катализа. Эффективность использования микрореакторов в некоторых каталитических реакциях в несколько раз превышает таковую для традиционных реакторов.

Бурное развитие теории и практики катализа в XX веке обусловило создание специализированных центров, лабораторий и институтов. Специальным постановлением Правительства СССР, нацеленным на развитие катализаторной отрасли, в Новосибирске в 1958 году был создан Институт катализа СО АН СССР, а в 1985 г. образован Межотраслевой научно-технический комплекс (МНТК) “Катализатор”, возглавляемый Институтом катализа. В настоящее время Институт катализа имени Г.К. Борескова СО РАН – одна из наиболее мощных структур в России, которая работает в области как фундаментального, так и практического катализа. Основными направлениями деятельности ИК СО РАН на протяжении многих лет являются:

1. химический катализ как явление, предвидение каталитического действия;
2. изучение кинетики и механизмов каталитических реакций;
3. развитие научных основ приготовления катализаторов;
4. разработка катализаторов и каталитических процессов для новых областей применения.

Продвижение разработки от исходной идеи и фундаментальных исследований к внедрению – сложный, многостадийный процесс, который иногда затягивается на несколько лет. Тем не менее, за последние годы, в том числе с участием Института катализа СО РАН, созданы и внедрены в промышленность новые высокоэффективные катализаторы и технологии, отвечающие требованиям времени и пользующиеся спросом не только на Российском рынке. Можно констатировать, что в настоящее время формируется отечественный рынок разработок катализаторов и каталитических процессов, характеризующихся высоким научно-техническим уровнем. Примерами этого служат разрабатываемые в ИК СО РАН катализаторы нефтепереработки: микросферические катализаторы дегидрирования и крекинга, биметаллические катализаторы риформинга, каталитического облагораживания и глубокого обессеривания нефтяных дистиллятов; оксидные блочные катализаторы производства азотной кислоты; низкотемпературные катализаторы синтеза аммиака; технологии производства новых синтетических углеродных материалов и композитов на их основе; производства пластмасс и полимеров; фармацевтических препаратов; переработка растительного сырья и многое другое.

Перечень поисковых и перспективных работ, проводимых Институтом катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, обширен и включает практически все вопросы, прямо или косвенно связанные с наукой о катализе. Являясь на сегодняшней день крупнейшей академической организацией в России, работающей в области катализа, ИК СО РАН широко известен своими достижениями не только в России, но и за ее пределами.