• Читателям
  • Авторам
  • Партнерам
  • Студентам
  • Библиотекам
  • Рекламодателям
  • Контакты
  • Язык: English version
5339
Как очистить выбросы промышленных предприятий, сохранив благородные металлы для ювелиров, и стать стипендиатом конкурса «Для женщин в науке»
Химия

Как очистить выбросы промышленных предприятий, сохранив благородные металлы для ювелиров, и стать стипендиатом конкурса «Для женщин в науке»

За всю историю существования Нобелевского комитета из пятисот премий лишь 3% было присуждено женщинам. Но это ни в коем случае не умаляет заслуг женщин на научном поприще. В канун 8 марта мы публикуем материал, в котором стипендиат престижного конкурса «Для женщин в науке» L’OREAL– UNESCO 2015 года, кандидат химических наук, научный сотрудник Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН Ольга Булавченко рассказывает о фундаментальных исследованиях, направленных на разработку катализаторов для таких актуальных областей, как очистка газовых выбросов промышленных производств, облагораживание бионефти и создании компактных водородных энергоустановок.

Партнерство L’OREAL–UNESCO началось еще в 1989 г. с целью повышения интереса к работе женщин в науке, а также, чтобы познакомить общество с научными работами, направленными на решение актуальных для человечества задач. Журнал «НАУКА из первых рук» уже рассказывал про Ольгу Брызгунову из Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, получившую в 2015 г. стипендию L’OREAL–UNESCO за работы по поиску методов ранней диагностики рака предстательной железы.

Программа «Для женщин в науке», которая является частью международного проекта L’OREAL-UNESCO «For Women in Science», реализуется в России с 2007 г. Размер национальной стипендии – 450 тыс. рублей. Соискательницами могут стать кандидаты и доктора наук в возрасте до 35 лет включительно, работающие в российских научных институтах и вузах по следующим дисциплинам: физика, химия, медицина и биология. За девять лет существования российской программы стипендии получили 85 молодых россиянок, работающих в науке. Критериями выбора являются научные успехи кандидата, значимость и практическая польза проводимых им научных исследований, а также желание продолжать научную карьеру в России

Катализаторы служат стратегически важным ресурсом, по которому можно судить об уровне развития экономики. Сегодня без них не обходится ни одно крупнотоннажное химическое производство, от переработки нефти до получения полимерных материалов и удобрений: около 70—90% всех химических реакций, используемых сегодня в промышленности, – каталитические. К сожалению, в России с помощью каталитических технологий производится лишь около 15% валового национального продукта, тогда как в других развитых странах этот показатель вдвое выше, а применяемые в химической промышленности катализаторы практически на 100% импортные. 

Ольга Булавченко пришла в Институт катализа СО РАН студенткой 3-го курса Новосибирского государственного университета: «Институт катализа я выбрала потому, что мне понравилось, что здесь можно заниматься и фундаментальной, и прикладной наукой. Придумывать и внедрять – такая возможность есть далеко не везде. Я работаю в очень фундаментальном отделе института: лаборатория структурных методов исследования занимается изучением различных аспектов формирования катализаторов, так называемых гетерогенных каталитических реакций. Так как скорость подобной реакции определяется не только химическим составом, но и пространственной структурой катализатора, такие исследования нужны для понимания процессов, происходящих на всех стадиях его приготовления и эксплуатации. Таким образом, одна из моих рабочих задач – установление связи между способом приготовления катализатора и его структурой и, в конечном итоге, его каталитической активностью».

В случае гомогенного катализа сам катализатор, реагенты и продукты реакции находятся в одной фазе (жидкость или газ), а гетерогенного – в разных фазах. В гетерогенных каталитических реакциях катализатор чаще всего является твердым телом, при этом активным каталитическим центром служит не отдельная молекула или атом, а целый участок, включая поверхность и подповерхностные слои, представляющий собой упорядоченную структуру из многих молекул (атомов).

Катализаторы переходят в активное «рабочее» состояние в условиях реакционной среды. И современные методы исследования, такие как рентгенодифракционный анализ, просвечивающая электронная и сканирующая микроскопия, позволяют следить за их поведением in situ, т.е. непосредственно в ходе реакции. К примеру, с помощью уникального для СО РАН рентгеновского дифрактометра, установленного в лаборатории структурных методов исследования, можно проследить за изменением сразу множества параметров кристаллической структуры и размеров частиц катализатора. Специальное оборудование позволяет в ходе одного эксперимента проводить in situ-исследования в различных газах, а также в широком интервале температур и в двух геометриях съемки – геометрия параллельного пучка и фокусировка по Бреггу-Брентано. 

К.х.н Ольга Булавченко рядом с рентгеновским дифрактометром D8 Advance (DAVINCI Design)

Одно из важнейших направлений исследований, в которых принимает участие Ольга, – создание новых алюмо-марганцевых катализаторов глубокого окисления. Еще в конце 1990-х–начале 2000-гг. Институт катализа СО РАН наладил производство оксидного катализатора с уникальной термостабильностью, предназначенного для очистки газовых выбросов промышленных производств от летучих органических соединений и оксида углерода, а также для сжигания топлива без образования оксидов азота.

«На сегодняшний день разработано довольно много катализаторов окисления углеводородов и угарного газа – все они используются для дожигания промышленных выбросов, которые иначе бы попали в атмосферу. Чаще всего такие катализаторы создаются на основе дорогих благородных металлов – платины и палладия. Задача ученых – найти менее затратную и при этом достойную альтернативу. Алюмо-марганцевые катализаторы – один из таких компромиссов: они менее активны, но зато более стабильны термически и устойчивы к действию разрушающих веществ (в частности, к сере)».

Исследования механизмов формирования активного Mn-Al-катализатора показали, что в кислородсодержащей среде происходит расслоение предшественника катализатора (смешанных оксидов алюминия и марганца) в результате окисления. Тем самым в катализаторе «запасается» слабосвязанный кислород, необходимый для протекания каталитической реакции. Целенаправленное регулирование условий приготовления и активации позволило химикам получить катализаторы с разными параметрами наноструктуры и содержанием кислорода и, соответственно, с различной каталитической активностью.

Ученые протестировали несколько способов получения алюмо-марганцевых катализаторов, подтвердив общий характер влияния кислорода на процесс формирования активного компонента. При этом выяснилось, что с помощью механохимической активации исходных реагентов для производства катализатора его эффективность может быть увеличена вдвое по сравнению с традиционными промышленными технологиями.

Еще одна область исследований, в которой работают сотрудники лаборатории ИК СО РАН, заключается в разработке никелевых катализаторов для облагораживания биотоплива «второго поколения», которое получают не из пищевого сырья, а из отходов сельского хозяйства, опилок и т.п. Согласно прогнозам, уже в 2030 г. топливо из возобновляемого растительного сырья может занять пятую часть мирового топливного рынка.

«Одним из наиболее перспективных способов переработки биомассы является ее быстрый пиролиз – очень быстрое (за считанные секунды) нагревание при 450–550°С в бескислородной атмосфере. При этом образуются газообразные, твердые и жидкие продукты – бионефть. Однако в такой нефти в отличие от обычной содержится много воды и кислородсодержащих веществ, поэтому перерабатывать ее с помощью традиционных технологий затруднительно. Для улучшения свойств бионефти ее нагревают при температуре 200–400°С и повышенном давлении в присутствии водорода и катализаторов. В результате происходит каталитическое гидрирование – удаление кислорода и насыщение межуглеродных связей водородом».

Изучив влияние различных модифицирующих добавок (меди, молибдена, фосфора) на структуру предшественников никелевых катализаторов, формирования промежуточных соединений и, наконец, на структуру и состав активного компонента, исследователи смогли улучшить эксплуатационные характеристики катализатора, в том числе его износостойкость.

В СССР изучением каталитических процессов и разработкой новых катализаторов занимались почти 90 отраслевых и академических институтов, а в современной России – всего три научно-исследовательских учреждения, в том числе, созданный в 1958 г. Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН (Новосибирск)

Еще одна актуальная тенденция в современной энергетике – создание компактных «водородных» источников энергии, в которых водород будет выделяться при температуре окружающей среды. Речь идет о так называемой «водородной» таблетке, состоящей из смеси гидрида и предшественника катализатора. Для получения энергии планируется использовать химический процесс окисления молекулярного водорода, который будет выделять таблетка, если ее опустить в воду. Для более равномерного выделения водорода реакцию гидролиза можно проводить в проточном режиме – когда свежеприготовленный водный или воднощелочной раствор гидрида подается на гранулы или блоки каталитического слоя.

Источником водорода могут служить комплексные боргидриды (NaBH₄, NH₃BH₃), а перспективным катализатором – бориды кобальта, которые образуются в водном растворе в результате реакции предшественника (соединений кобальта) и самого боргидрида. Задача лаборатории структурных методов исследования ИК СО РАН – исследовать особенности формирования кристаллических боридов кобальта непосредственно в ходе гидролиза боргидридов.

Награждение стипендиаток конкурса «Для женщин в науке» L’OREAL–UNESCO. Фотография предоставлена О. Булавченко

«В наше время особое внимание уделяется боридам кобальта как дешевым и эффективным катализаторам гидролиза комплексных гидридов – источника водорода в портативных энергоустановках. Процессы кристаллизации аморфных боридов кобальта хорошо изучены, но причины многообразия образующихся при этом кристаллических фаз пока не выяснены. В ИК СО РАН нам удалось с помощью метода рентгенофазового анализа установить, что на процессы кристаллизации этих соединений влияют кислородсодержащие примеси».

Впрочем, перед тем, как разработки ученых будут внедрены в производство, им нужно пройти еще долгий путь. В частности, необходимы исследования стабильности катализаторов в условиях длительной и непрерывной работы, разработка схем утилизации отработанных катализаторов, заводские испытания. Для всего этого требуется активная поддержка государства и бизнеса. Ярким примером сотрудничества науки и промышленности служит специальное конструкторско-технологическое бюро катализаторов, созданное еще во времена академика М.А. Лаврентьева для реализации его идеи о «поясе внедрения».


Как сообщил замглавы Федерального агентства научных организаций А.В. Лопатин на европейском конгрессе EuropaCat-2015 в Казани, ФАНО создаст на базе новосибирского Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН федеральный научный центр (ФНЦ). Такие структурные образования, по словам Лопатина, позволят в сжатые сроки обеспечить высококачественными и доступными катализаторами промышленность, а также наладить связь между исследованиями, бизнесом и промышленностью


«Недавно я считала, в каком году пришла в лабораторию института – оказалось, что прошло уже десять лет. Правда, для нашей профессиональной среды это небольшой срок – только-только начинаешь мыслить, как серьезный ученый, и получать удовольствие не только от самих научных занятий, но и от сознания, что твоя работа нужна и будет востребована обществом».


Подготовила Татьяна Морозова 

Понравилось? Поделись с друзьями!

Подпишись на еженедельную e-mail рассылку!

comments powered by HyperComments