9 Декабря 2019
Премия Правительства РФ в области науки и техники за 2019 год присуждена сотрудникам ФИЦ «Институт катализа СО РАН»
25 Ноября 2019
Научный руководитель ИК СО РАН, академик Валентин Николаевич Пармон удостоен высокой награды Французской Республики
20 Ноября 2019
Учёный секретарь ИК СО РАН Денис Владимирович Козлов стал лауреатом премии «Leaders Today – 2019»
19 Ноября 2019
Главный научный сотрудник ИК СО РАН Зинфер Ришатович Исмагилов избран в действительные члены Российской академии наук
16 Ноября 2019
Опубликован Каталитический бюллетень №3 (91) за 2019 год
Основным направлением деятельности Института катализа СО РАН является проведение фундаментальных научных исследований в области катализа и смежных наук, которые позволяют открывать новые пути осуществления химических превращений.
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
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
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.