• Читателям
  • Авторам
  • Партнерам
  • Студентам
  • Библиотекам
  • Рекламодателям
  • Контакты
  • Язык: English version
273
Рубрика: Успехи науки
Раздел: Химия
Волшебство катализа

Волшебство катализа

Две из трех Государственных премий РФ в области науки и технологий за 2009 г. присуждены новосибирским ученым, сотрудникам Сибирского отделения РАН.

Высшей научной наградой России удостоен академик В.Н. Пармон (Институт катализа им. Г.К. Борескова) за крупный вклад в развитие теории и практики каталитических методов глубокой переработки углеводородного сырья и использования возобновляемых ресурсов.

Институт катализа, которым руководит лауреат, уникален - подобных ему академических организаций в стране нет. Здесь одновременно занимаются фундаментальным изучением каталитических процессов и разрабатывают и доводят непосредственно до промышленного использования новые катализаторы. Сегодня в институте работает около 1300 человек в составе шести десятков подразделений. Не менее масштабна и тематика: от водородной энергетики и производства биотоплива до роли каталитических процессов в зарождении жизни и самой Солнечной системы

«Государственная премия РФ – это, безусловно, высшая российская награда, которой может удостоиться ученый, но я воспринимаю свой успех как успех и заслугу всего института, и, конечно, моих предшественников. В отличие от Ленинских премий, которые присуждали за конкретную работу, Государственная премия РФ – «интегральная»: высокой оценки удостоена в совокупности вся работа по новым видам топлива, новым методам преобразования энергии, которую мы в Институте катализа СО РАН проводили с конца 1970-х. Отсюда и привкус досады: к сожалению, премия присуждается одному лицу, а на самом деле у нас в институте работает 1300 человек...»

Ученые в России всегда считали себя государевыми людьми. Наша обязанность – смотреть вперед, ведь для практической реализации даже самой перспективной идеи часто требуются десятилетия. Первая точка на этом пути – научная экспертиза состоятельности идеи, то, что сейчас называют фундаментальными ориентированными или поисковыми исследованиями; конечная – демонстрационные испытания: в задачу академических институтов не входит непосредственное внедрение разработок в производство.

В этом смысле Институт катализа уникален – подобных ему академических организаций в стране нет. У нас есть объект, который мы можем довести до непосредственного промышленного использования. Катализаторы – это настоящая «волшебная палочка» для химиков, с помощью которой из одного вещества можно получить другое. Но просто сделать волшебную палочку мало – нужно создать условия, чтобы она работала. Здесь мы вторгаемся в сферу между наукой и производством, которую сейчас называют химический инжиниринг – когда химик начинает мыслить уже не только как ученый, но и как инженер.

Слева: Микрореактор для парциального окисления метана размером 36×26×24 мм³ содержит 500. Справа: Объем микроканальных пластин этого реактора для паровой конверсии метанола, всего 3.7 см³. Производительность по водороду при температуре 450 °С – 33.6 л/ч. Разработка ИК СО РАН

ФАБРИКИ ВОДОРОДА
Одно из перспективных направлений в энергетике – топливные процессоры для получения водорода на основе микрореакторов. Эти компактные устройства содержат большое число микроканалов, на стенках которых закреплен катализатор. Для производства подобных устройств требуется решить ряд задач: синтезировать высокоактивные катализаторы, стойкие к высоким температурам и способные долго работать без потери активности; разработать методы надежного закрепления катализатора на стенках канала. Также требуется отладить методику изготовления тысяч и даже миллионов одинаковых каналов с равным количеством катализатора, чтобы повысить производительность и селективность работы прибора

Мы одновременно занимаемся изучением каталитических процессов и разработкой новых катализаторов, т. е. фундаментальными и прикладными исследованиями. Эти направления работы были четко заданы с самого начала первым директором института, академиком Г. К. Боресковым.

К сожалению, даже в Сибирском отделении не все понимают нашу специфику, считая нас «прикладниками». На самом деле цитируемость Института катализа за последние 4 года выше, чем у остальных химических институтов России – это объективный показатель уровня наших фундаментальных исследований. Притом что у нас действительно очень много прикладных работ, в том числе и тех, которые не имеем права публиковать. Не говоря уже о трех собственных опытно-промышленных производствах в Омске и Волгограде.

Стратегически важно

Для меня все началось 33 года назад, когда мой наставник К. И. Замараев и я, его недавний аспирант, приехали в Новосибирск из Москвы. Как раз в начале 1970-х прошумел очередной нефтяной кризис, что всегда стимулирует интерес к новым источникам энергии. Тогда академик Н. Н. Семенов (кстати, единственный российский нобелевский лауреат по химии) «заразил» нас фантастической по тому времени идеей: осуще­ствить «искусственный» фотосинтез, т. е. солнечную энергию превратить непосредственно в топливо. Вот такой «заряд» был в нас вложен – новые источники энергии, нетрадиционные пути…

Так в 1977 г. мы начали работы по возобновляемым источникам энергии, которые многими тогда воспринималось крайне скептически. Само слово «фотокатализ» считали несерьезным, а сегодня этой теме посвящена треть всех публикаций по катализу. Более того, сейчас в России четыре организации производят специальные устройства для очистки воздуха помещений, работающие по этому принципу. Так что будущее нашего института я вижу в научной экспертизе идей, пусть и самых неожиданных, которые связаны с использованием каталитических методов в энергетических технологиях и глубокой переработки органических ресурсов.

В мембранно-электродном блоке этой «ячейки» водородного топливного элемента используется катализатор платина-рутений на углеродном носителе, синтезированный на основе отечественного угля марки «Сибунит» производства Института проблем переработки углеводородов СО РАН (Омск). Разработка ИК СО РАН

ТОПЛИВНАЯ АЛЬТЕРНАТИВА
Топливные элементы как источник малой и средней мощности в будущем могут заменить привычные аккумуляторные батареи. Особо следует выделить водородные и прямые метанольные топливные элементы, способные работать при комнатной температуре. Их широкому применению препятствует высокая себестоимость вырабатываемой энергии, что во многом связано с большим содержанием и неэффективным использованием благородных металлов в каталитических слоях мембранно-электродных блоков.
Одним из наиболее важных усовершенствований стало применение платиновых катализаторов, закрепленных на углеродных носителях с высокой удельной поверхностью. Исследования сотрудников ИК СО РАН показали, что оптимизация физико-химических свойств носителя, позволяет в несколько раз увеличить эффективность топливных элементов и, соответственно, их мощность на единицу массы благородного металла

Почему это важно? Сегодня «волшебная палочка» дает 15 % валового национального продукта России. Для сравнения: в США эта доля достигает 35 %! Наше отставание обусловлено недостаточным развитием автомобильной промышленности, нефтепереработки. Есть много отраслей, связанных с переработкой сырья, где вообще нет «химии». У нас есть, куда расти – наша «волшебная палочка» имеет стратегическое значение.

До перестройки наш институт фактически выполнял роль министрества в этой области: нам удалось довести долю отечественных катализаторов в промышленности до 97—98 %, к настоящему времени эта цифра упала почти вдвое. И во многом это – политика, хотя мы делаем все, чтобы изменить ситуацию.

Вот недавний пример. За полгода буквально «с нуля» мы разработали промышленный катализатор для производства дизельного топлива по стандартам «Евро-4» и «Евро-5». Честно сказать, мы сами удивились, что задача была решена в такие короткие сроки. Алгоритм решения был прост: в институте над задачей стали работать одновременно пять команд, на финиш вышли две, один результат пошел в производство. И это отличные показатели – ведь в науке очень большой фактор риска: на уровне поисковых исследований хорошим считается отношение 1:10.

Привычная нетрадиционность

Как известно, каталитические методы широко применяются при переработке углеводородов, в нефтехими и других видах химической промышленности. Но запасы нефти и природного газа исчерпаемы. Поэтому сегодня в сферу наших интересов также включены возобновляемые источники энергетического и химического сырья, новые способы получения энергии (например, тот же фотокатализ).

Кстати, отдел, которым я заведую, так и называется – нетрадиционные технологии в катализе (я и химик-то «нетрадиционный» – по образованию инженер-физик в области химии быстропротекающих процессов). И самая «нетрадиционная» наша тема очень фундаментальна – речь идет о роли каталитических процессов в зарождении жизни и даже Солнечной системы. А вообще в институте около шестидесяти подразделений, и каждое работает сразу по нескольким направлениям.

Рассказать можно о многом. Например, о системах для прямого преобразования ионизирующего излучения в топливо. У нас уже были испытаны модели ядерных котлов, где вместо пара, который идет на турбину, с помощью катализаторов сразу получают топливо, которое можно при желании хранить и использовать в нужный момент.

Далее – водородная энергетика: сегодня водород считают самым универсальным и экологически чистым химическим энергоносителем. Для новой энергетики нужны компактные генераторы водорода для топливных элементов. Мы практически первыми в России начали заниматься этим перспективным направлением. Созданный у нас компактный микроканальный топливный процессор, способный стабильно выдавать 150 л водородосодержащего газа в час, может достойно конкурировать с зарубежными аналогами.

Первая в России макетная установка по получению бионефти – продукта быстрого пиролиза измельченной древесины. Разработка ИК и КТФ ИГиЛ СО РАН

В рамках совместного проекта ИК СО РАН и НГУ разрабатывается технология получения биодизельного топлива из растительных масел с использованием гетерогенных катализаторов переэтерификации, которая должна снизить себестоимость биодизеля и при этом обеспечивать его качество на уровне самых высоких экологических требований

Основная задача лаборатории, занимающейся проблемами производства биотоплив – получение энергоносителей из доступного растительного сырья. Это может быть и древесина, и сельскохозяйственные отходы, даже рисовая шелуха, которой только в России сотни тысяч тонн...

Проблема переработки любого вида биомассы в том, что она представляет собой твердое вещество. Чтобы катализатор заработал, он должен «прикоснуться» к веществу на молекулярном уровне. Для этого биомассу нужно сначала превратить либо в газ, либо в жидкость. У нас в институте уже разработан первый российский агрегат, превращающий опилки в жидкость, похожую на деготь. Чтобы облагородить полученную «бионефть», из нее надо удалить кислород и насытить водородом – над этой проблемой сейчас работают наши сотрудники.

Одно из новых для нас и интересных направлений – биоразлагаемые полимеры. Сегодня мы не представляем свою жизнь без полимерной упаковки, но стандартные пластики не разлагаются в естественной среде десятки и сотни лет. Других в России пока не производят, и купить за рубежом технологии их производства также не удается.

Слева: катализаторы серии ИК-ГО предназначены для глубокой гидроочистки дизельных фракций и вакуумного газойля. Разработка ИК СО РАН. Справа: Цеолитный катализатор ИК-17-М используется для получения ароматических соединений из попутных нефтяных газов по технологии БИЦИКЛАР

Наноразмерные кристаллы цеолитов и цеолитоподобных материалов проявляют уникальные каталитические свойства по сравнению с классическими цеолитными материалами из-за отсутствия у них внутридиффузионных ограничений. Активность подобных катализаторов в расчете на единицу веса на порядок выше обычной, а выход изопарафинов при нефтепереработке может превышать их выход в присутствии обычных катализаторов

Разработка подобных полимеров в институте уже идет – первые синтезы прошли успешно. Один из наиболее перспективных биополимеров получают из молочной кислоты биотехнологического происхождения. При этом хотелось бы напомнить, что биотехнологии, особенно в случае крупнотоннажного производства, работают лишь на первом этапе, затем за дело обязательно должны взяться химики, которые и обеспечивают получение конечного продукта. Задача нашего академического института не только разработать технологию, но и инициировать интерес к этому направлению.

Хотелось бы отметить, что этой работой у нас занимается специально организованная молодежная группа. Вообще в Институте катализа довольно много молодых – около трети научных сотрудников моложе 35 лет плюс полторы сотни студентов и аспирантов. Это один из наших главных приоритетов – подготовка кадров. Мы теснейшим образом работаем с новосибирскими вузами, НГУ и НГТУ: наши сотрудники читают лекции, заведуют кафедрами. Сам я около 20 лет веду в университете курс по термодинамике; написал шесть учебников для вузов.

Считаю, что поддерживать молодых – одна из основных задач руководства и дирекции, причем это включает и выбор самых актуальных и перспективных направлений. Наша молодежь уверена в своем будущем и знает, что оно – только в их руках.

Мне кажется, что свою главную задачу, вернее даже миссию, в науке я выполнил. Двадцать лет назад, когда в стране многое рушилось, институт не только выстоял и сохранил ядро, мы его омолодили, развили, экипировали... Та тематика, которой мы начали заниматься еще с конца 1970-х – разработка новых видов топлив и новых методов преобразования энергии – приобрела в мире большую популярнсть, и наш вклад в развитие этих направлений неоспорим.

Нам удалось поднять один из самых крупных в России инновационных проектов и с самой большой отдачей. Есть пример, когда промышленная реализация одного нашего масштабного проекта дала увеличение валового национального продукта почти на 9 млрд рублей только за три года! Это означает, что одним этим проектом мы на несколько лет вперед оправдали деятельность всего института.

Государственная премия – это огромная честь, которая ко многому обязывает. Мы к этому готовы, и сегодня единственное, что нам нужно – чтобы мы оставались востребованными у себя в стране.

Литература

Пармон В. Н. Естественный отбор среди молекул // НАУКА из первых рук. 2004. № 0. С. 32—41.

Luzgin M. V., Rogov V. A., Parmon V .N. et al. Methane aromatization on Zn-modified zeolite in the presence of a co-reactant higher alkane: How does it occur? // Catalysis Today, 2009. V. 144. P. 265—272.

Parmon V. Thermodynamics of Non-Equilibrium Processes for Chemists with a Particular Application to Catalysis / Elsevier, 2010. 340 p.

Редакция благодарит сотрудников ИК СО РАН д.х.н. Л. Л. Макаршина, д. т. н. А. С. Носкова, к. х. н. А. Н. Симонова, к. х. н. В. А. Яковлева и отдел рекламы ИК СО РАН за помощь в подготовке публикации

Понравилось? Поделись с друзьями!

Подпишись на еженедельную e-mail рассылку!

comments powered by HyperComments
#
parmon@catalysis.ru
д.х.н.
академик РАН, профессор
научный руководитель ИК СО РАН, зав. кафедрой катализа и адсорбции ФЕН НГУ, зав. кафедрой физической химии ФЕН НГУ

Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН

Новосибирский государственный университет