2 – 6 сентября 2019 года на острове Крит состоялась V Международная конференция «Катализ для переработки возобновляемого сырья: топливо, энергия, химические продукты» (CRS-5), организованная Институтом катализа СО РАН совместно с Университетом имени Аристотеля в Салониках. Мероприятие, которое проходило в конференц-центре отеля Миремаре города Агиос Николаос, объединило более 100 участников из 28 стран мира.

Открытие конференции. Слева направо: доктор Клод Миродатос (Институт IRCELYON, Лион, Франция),
д.х.н. Вадим Яковлев (ФИЦ ИК СО РАН, Новосибирск), д.х.н. Олег Мартьянов (ФИЦ ИК СО РАН, Новосибирск),
доктор Елени Гераклеоус (CPERI/CERTH, Салоники, Греция).

Научная направленность конференции традиционно была посвящена глобальным проблемам применения катализа в регулировании баланса энергетических ресурсов, сокращения зависимости от ископаемых видов топлива за счет использования возобновляемых источников энергии, защите окружающей среды.

Широкий спектр вопросов, обсуждаемых во время научных сессий, касался как глубоко фундаментальных подходов к осуществлению процессов глубокой и комплексной каталитической переработки возобновляемого сырья, так и реализации научных исследований в производственной сфере. Вопросы решения инженерно-технологических задач вызвали большой интерес, поэтому особое внимание аудитории привлекли презентации директора дирекции нефтепереработки ПАО «Газпром нефть» Михаила Леонидовича Антонова и представителя крупного биоэнергетического комплекса Крита, директора Завода технической биоэнергетики Крита (TBC) Яниса Петрокакиса.

В конференции приняли участие более 100 человек из 28 стран мира, в рамках научной программы было представлено 5 пленарных лекций, 6 ключевых лекций, 43 устных доклада, 2 презентационных доклада и более 30 стендовых презентаций.

Тематика устной и стендовой сессий конференции отразила современные тенденции развития этой быстро развивающейся области знаний:

Катализ для деполимеризации биомассы и последующего облагораживания
Каталитические системы для деполимеризации гемицеллюлозы, целлюлозы и лигнина
Каталитическая переработка таллового масла и дегтя
Селективная конверсия сахаров и фенольных соединений в топливо, химикаты и полимеры
Катализ в лесохимии для производства ценных химических продуктов

Использование биомассы в нефтехимии
Катализаторы для производства чистого синтез газа и водорода
Липиды в нефтехимическом синтезе
Совместная переработка производных биомассы и нефтяного сырья

Каталитические процессы для производства биотоплива
Каталитическая переэтерификация и гидрокрекинг липидов для получения керосина и дизельных фракций
Каталитические подходы к процессам пиролиза биомассы
Превращение биомассы и нетрадиционного ископаемого сырья с высоким содержанием углерода в биотопливо

Каталитическая переработка для производства ценных химических продуктов
Биокатализ для химического производства
Преобразование липидов в ценные продукты
Каталитические превращения CO₂ с образованием лигноцеллюлозы

Катализ в решении вопросов защиты окружающей среды и экологически устойчивого развития
Каталитические процессы для повышения энергоэффективности и экологической чистоты
Каталитическая переработка отходов
Фотокатализ для защиты окружающей среды.

Во время проведения всех научных сессий царила оживленная атмосфера, доклады сопровождались большим количеством вопросов и эмоциональными дискуссиями. Открыл пленарную сессию директор Научно-исследовательского Института химической технологии (CPERI), д-р Ангелос Лаппас (Салоники, Греция). Его лекция была посвящена in-situ методам исследования пиролиза биомассы в целях получения высококачественной бионефти и роли дезактивации катализатора в этом процессе. Использование гетерогенного катализа в быстром пиролизе биомассы интенсивно исследовалось в последние годы для получения бионефти с лучшими свойствами по сравнению с продуктами, получаемыми в отсутствие катализатора. Каталитический пиролиз биомассы может осуществляться в двух рабочих режимах: 1) in-situ, где каталитический быстрый пиролиз (CFP) проводится в одном реакторе, и 2) ex-situ, когда весь процесс происходит в двух последовательно соединенных реакторах (первый реактор используется для термического пиролиза, второй – для каталитического облагораживания получаемых на первой стадии паров). В своей лекции д-р Ангелос Лаппас представил и обсудил исследовательские работы, проведенные в CPERI за последние 10 лет (в рамках проектов ЕС BIOBOOST и CASCATBEL) для обоих режимов каталитического пиролиза. Особое внимание он уделил технологиям приготовления катализатора, разработанным в CPERI на основе цеолитов ZSM-5, и дизайну реакторов с циркулирующим псевдоожиженным слоем, а также явлениям дезактивации катализатора, которые сильно влияют на производительность процесса.

Было показано, что дезактивация катализатора в режиме ex-situ происходит главным образом из-за образования кокса, а не отравления металлами (как в режиме in-situ). В результате проведенных на сегодняшний день исследований было доказано, что лучшая технология ex-situ для потенциальной коммерциализации процесса должна применять реактор с псевдоожиженным слоем теплоносителя, за которым следует каталитический реактор с циркулирующим псевдоожиженным слоем катализатора для обеспечения его непрерывной регенерации. Эмоциональный характер представления лекции, а также ее содержание вызвали живой отклик аудитории и большое количество вопросов, ответы на которые переросли в дискуссию и активное обсуждение результатов.

Лекция д.х.н., профессора Марка Вениаминовича Цодикова (Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН (Москва, Россия) «Размерные эффекты в гетерогенном катализе при каталитической переработке биомассы в ценные нефтехимические продукты» касалась вопросов использования биомассы в качестве возобновляемого сырья для производства компонентов моторного топлива, водорода и синтез-газа, а также важных мономеров. В этом направлении особая роль отводилась каталитическим процессам с использованием наноразмерных каталитических систем, которые обеспечивают высокоселективную конверсию возобновляемых источников энергии. В лекции были представлены результаты, полученные за последние годы в лаборатории каталитических нанотехнологий ИНХС РАН, руководителем которой является профессор М.В. Цодиков. Деятельность коллектива была связана с исследованиями для разработки современных методов направленного формирования высокодисперсных каталитических систем. Работы были посвящены изучению влияния восстановительной активации на структуру платиносодержащих центров активного компонента ряда катализаторов, перспективных для каталитической конверсии этанола и триглицеридов жирных кислот в технологически значимые продукты – энергоносители и ценные продукты нефтехимии. Строение платиносодержащих компонентов Pt, PtSn, PtRe каталитических нанесенных систем было исследовано методом абсорбционной спектроскопии. При этом было обнаружено, что активный компонент платиновых катализаторов преимущественно состоит из металлических наночастиц платины. Автором было установлено, что высокая селективность промышленного платино-рениевого катализатора может быть обусловлена формированием биметаллических Pt–Re и Pt–Al кластеров в ходе предварительного длительного восстановления катализатора. Для каталитической PtSn наносистемы автором было показано, что использование гетерометаллического комплекса в качестве предшественника с молярным отношением Sn/Pt равным 5/1 приводит к образованию кластеров наноразмерных оксидов SnO и SnO₂, а также частиц метастабильного сплава PtSn3-δ на поверхности катализатора после восстановительной активации. Были найдены корреляции между структурными особенностями активного компонента и его каталитическими свойствами. Кроме этого, в лекции было продемонстрировано изучение закономерности протекания процессов углекислотного и парового риформинга метана и основных продуктов ферментации биомассы на пористых керамических Ni(Al)-Co-содержащих мембранах. Обнаружен неаддитивный эффект возрастания активности мембранно-каталитической системы состава Ni-Co₃О₄. Установлена последовательность протекания реакций в процессах углекислотного и парового риформинга метана и этанола в присутствии мембранно-каталитических систем. Найдено, что в ходе синтеза мембран формируются наноразмерные (10-50 нм) каталитически активные частицы сплава Ni-Co, распределенные на поверхности сегрегированных частиц Al₂O₃. В заключении М.В. Цодиков выразил благодарность коллективу, при совместной работе с которым ему удалось получить столь значительные результаты.

Следующую лекцию представил профессор Кевин Ван Гим из лаборатории химической технологии Университета Гента, Бельгия. Его лекция «Возможности и вызовы для процессов переработки биомассы» вызвала большой интерес у аудитории. Профессор Ван Гим начал свое выступление с напоминания о том, что Европейская комиссия, а также многие другие государственные и частные организации многих стран считают, что биомасса для производства топлива и ценных химических продуктов будет играть решающую роль в достижении целей Европы по переходу к низкоуглеродной экономике. Далее профессор Ван Гим охарактеризовал возможности существующих технологий переработки возобновляемого сырья. Он отметил, что среди основных передовых технологий конверсии биомассы (сжигание, газификация, пиролиз) только пиролиз преобразует биомассу в жидкие продукты с высокой энергетической плотностью (бионефть) и с высоким выходом. В результате этот процесс может рассматриваться как наиболее подходящий для удовлетворения будущих потребностей в биотопливе и биохимических продуктах. Однако имеющиеся в настоящее время реакторные технологии, как и технологии разделения, для биотоплив далеки от оптимальных. Большинство конструкций реакторов для процесса быстрого пиролиза, за редким исключением, не прошли стадию испытаний на пилотных установках. Учитывая важность существующей проблемы, профессор Ван Гим и его коллеги инициировали работы в направлении ее решения. В своей лекции он уделяет основное внимание первым принципам концепции реактора нового типа, разрабатываемой в его лаборатории – реактора с движущимся слоем (вращающейся активной зоной) в статической геометрии (RBR-SG). В настоящее время в Лаборатории химической технологии уже демонстрируется эта новая прорывная технология преобразования биомассы в ценные продукты и топливо путем быстрого пиролиза. В их комплексном подходе к проблеме, помимо реакторного проектирования, кинетического моделирования, вычислительной гидродинамики, упор делается, с одной стороны, на генетическую модификацию биомассы для оптимизации выхода жидкостей, а с другой – на дальнейшую очистку, фракционирование и извлечение ценных продуктов из жидких смесей. Онлайн анализ с использованием комплексного метода на основе двумерной газовой хроматографии и время-пролетной масс-спектрометрии играет важную роль для сведения массового баланса и получения точных данных. Стабилизация бионефти или ее каталитическая конверсия оказалась сложной задачей из-за дезактивации катализатора. Последовавшая по окончании лекции профессора Ван Гима дискуссия продемонстрировала согласие с автором по вопросу актуальности поставленных задач о необходимости интенсификации процессов для повышения их производительности, эффективности и сокращения отходов.

Профессор Бинг-Ханг Чен (Национальный Университет Чэн Гун, Тайвань) представил лекцию «Гидродеоксигенация жирных кислот и триглицеридов в жидкое топливо на никелевых катализаторах на цеолитсодержащих носителях». В продолжение темы предыдущей лекции, профессор Чен затронул проблему экологического характера, предлагая возможности перехода к низкоуглеродным технологиям. В его лекции отражен способ получения компонентов моторного топлива путем гидродеоксигенации возобновляемого сырья на основе триглицеридов жирных кислот. Использование нанесенных никелевых катализаторов обеспечивает превращение триглицеридов жирных кислот по маршруту «прямой гидродеоксигенации», позволяя избежать образования оксидов углерода и связанных с этим технологических проблем. Гидродеоксигенация различных растительных и животных жиров в настоящее время является одним из наиболее популярных направлений переработки возобновляемого сырья. Этот процесс дает возможность получения экологически чистых топлив, близких по своим свойствам к традиционному дизельному топливу. Профессор Чен отметил, что обширный выброс антропогенного диоксида углерода в результате широкого использования ископаемого топлива является одной из основных причин, ведущих к глобальному потеплению и экстремальным погодным явлениям. Поэтому получение экономически и экологически безопасных альтернативных источников топлива из возобновляемых ресурсов для замены ископаемых видов топлива становится предметом обширных исследований. Одним из таких альтернативных видов топлива являются метиловые/этиловые эфиры жирных кислот (FAME/FAEE), или биодизель. Биодизель получают в основном путем этерификации свободных жирных кислот или переэтерификации триглицеридов, включая растительные масла, животные жиры и отработанные кулинарные масла, в избытке метанола или этанола в присутствии подходящих катализаторов. Однако высокое содержание кислорода в биодизеле пагубно сказывается на длительном хранении и ограничивает его применение в холодную погоду. Например, биодизель может быть мутным и даже гелеобразным и способен засорить топливные линии в холодные месяцы. Для решения этой проблемы профессором Ченом предлагается каталитическая гидроочистка этих возобновляемых жирных кислот и триглицеридов для получения жидких алкановых топлив с более низким содержанием кислорода. В его группе для этого были разработаны Ni-Mо катализаторы на цеолитном носителе, которые были исследованы в каталитической переработке жирных кислот и триглицеридов в жидкое топливо, главным образом посредством процессов гидродеоксигенации и гидроизомеризации. Важно учесть, что в качестве активного компонента катализаторов в данной работе не использовались драгоценные металлы. В заключение профессор Бинг-Ханг Чен призвал аудиторию к тому, что в научном сообществе должна быть реализована оптимальная стратегия каталитической гидрообработки жирных кислот и триглицеридов. Этот призыв был горячо поддержан аудиторией.

Завершающую пленарную лекцию «Наноматериалы с контролируемой морфологией и нанопористые молекулярные сита для устойчивого развития» представил профессор Парасураман Селвам (Технологический Институт Индии – Мадрас), Ченнай, Индия. Он отметил, что открытие мезопористых материалов с периодической структурой, включающей одно- и трехмерные нанопористые каналы, в начале 1990-х годов представило широкий спектр возможностей для исследования пористых твердых тел с упорядоченным строением. Изучение и разработка таких материалов с четко определенной геометрией пор, то есть с точной и легко контролируемой формой и размером пор, имеет большое значение во многих областях современной науки и техники. Молекулярно-ситовые материалы с микропористой и иерархической структурой представляют собой упорядоченные нанопористые твердые частицы нового поколения, аналогичные микропористым (цеолитным) молекулярным ситам с большой площадью поверхности, большим входным отверстием и объемом пор. С одной стороны, уникальная гибкость с точки зрения условий синтеза, регулирования размера пор, большой площади поверхности, большого количества внутренних гидроксильных групп, замещения в узлах каркаса и т.д. открыли новые возможности не только в катализе, но и в областях создания современных энергетических материалов, определили стратегии контроля загрязнения окружающей среды и процессы разделения. Тем не менее, подготовка и характеризация высококачественных материалов с разработанными пористыми структурами имеет первостепенное значение для многих областей применения, включая наноматериалы, катализ, адсорбцию и разделение. При создании таких материалов могут быть учтены некоторые характеристики структуры пор, в том числе их форма, размер, взаимосвязанность и т.д. В своей лекции профессор Парасураман Селвам представил новейшие данные по разработке многочисленных наноразмерных материалов, включая их применение в гетерогенном катализе, электрокатализе, фотокатализе и экологическом катализе.

Ключевые лекции привлекли не меньшее внимание аудитории. Так, профессор Симони Менегетти (Федеральный Университет Алагоаса, Масейо, Бразилия) представила доклад «Катализ для конверсии биомассы», профессор Давид Кубичка (Высшая школа химической технологии, Прага, Чехия) – «Получение топлива и химических продуктов из биомассы с применением альдольной конденсации», профессор Иван Кожевников (Университет Ливерпуля, Великобритания) – «Синтез химических продуктов из возобновляемого сырья с использованием катализаторов на основе гетерополикислот», профессор Эрик Хеерес (Университет Гронингена, Нидерланды) – «Хемокаталитические преобразования глицерина в молочную кислоту», профессор Владимир Головко (Кентерберийский университет, Крайстчерч, Новая Зеландия) – «Прогрессивные фото/электрокатализаторы для защиты окружающей среды», профессор Субрахманьям Чаллапалли (Технологический Институт Индии, Хайдарабад, Индия) – «Плазменные нанометаллические декорированные фотоаноды для эффективного фотоэлектрохимического расщепления воды».

На конференции были представлены устные и стендовые доклады, многие из которых вызвали активное обсуждение. Тезисы всех представленных на конференции лекций и докладов можно найти по адресу http://catalysis.ru/resources/institute/Publishing/Report/2019/ABSTRACTS_CRS-5-2019.pdf

Оживленный отклик аудитории вызвали дебаты на Круглом столе «Новые тенденции в каталитической переработке древесины в ценные химические продукты и топливо».

Завершающей, и как обычно, весьма значительной и интересной частью программы конференции CRS-5 стала поездка на Завод технической биоэнергетики Крита (TBC). Предприятие специализируется на производстве электроэнергии, топлива, ценных химических продуктов путем глубокой переработки мусора, растительного сырья и отходов различных производств. Участники получили возможность ознакомиться с особенностями технологии, увидеть действующие реакторы и аппараты.

На закрытии конференции молодым ученым были вручены дипломы за лучшие представления устных и стендовых докладов. Участниками было отмечено, что отличительной чертой конференции CRS является её уникальная атмосфера. Невероятная активность делегатов в обсуждении докладов, их участие в интересных дискуссиях, желание получить позитивный и полезный результат придают конференции определенный заряд.

На традиционном брифинге членов комитетов, пленарных и ключевых спикеров, председателей научных заседаний местом проведения следующей конференции CRS-6 в 2021 году была выбрана Португалия по приглашению португальских участников.

На закрытии конференции предложение было поддержано всеми участниками. Представитель Чехии, ключевой лектор, профессор Давид Кубичка внес предложение придать конференции CRS-6 статус сателлита очередного Европейского конгресса по катализу EuropaCat-2021, который будет проходить в Праге.

Материал подготовили:
Т.В. Замулина, М.В. Алексеева, В.А. Яковлев
(Институт катализа СО РАН, Новосибирск

C 10 по 13 октября 2019 года в конференц-центре отеля Golden Tulip (Роза Хутор, Сочи, Россия) прошла III Международная школа-конференция «Прикладные нанотехнологии и нанотоксикология». Организаторами школы-конференции выступили Институт катализа СО РАН (Новосибирск), Институт цитологии и генетики СО РАН (Новосибирск) и Университет ИТМО (Санкт-Петербург).

Нанотехнологии сегодня рассматриваются как ключевые технологии будущего, которые представляют собой направленное конструирование изделий с заданными свойствами путем манипуляции атомами и молекулами. Практическое применение любой технологии невозможно без фундаментальной составляющей.

Добиться технологического преимущества возможно только в случае фундаментального понимания физических, химических и биологических процессов, а также свойств наносистем, лежащих в их основе. Поэтому первостепенное значение имеют фундаментальные исследования, направленные на создание принципиально новых технологических процессов и продуктов.

Своеобразие наномасштабов состоит в том, что здесь исчезают традиционные междисциплинарные границы между физикой, химией, биологией и механикой. Нанотехнологии применяются для создания новых высокоэффективных материалов, приборов, химических препаратов и лекарственных средств. По оценкам специалистов, уже в ближайшие десятилетия нанотехнологии окажут огромное влияние практически на все области деятельности человека. Научные исследования в области нанотехнологий обладают огромным положительным экономическим потенциалом, а практическое применение наноматериалов, безусловно, приведет к значительному техническому прогрессу, однако проблема прогнозирования и оценки возможного воздействия новых материалов и технологий на здоровье человека и окружающую среду, а также разработка соответствующих стандартов безопасности не менее актуальны.

Именно потому, что нанотехнологии проникают практически во все сферы жизни общества, необходимо проводить комплексную и всестороннюю оценку безопасности их применения, что возможно только в условиях тесного взаимодействия ученых на междисциплинарном уровне, когда происходит обмен данными между представителями различных научных направлений. Подобное взаимодействие позволяет свести воедино различные подходы к изучению и пониманию места нанотехнологий в современном мире и основных векторов, по которым в этой сфере должна развиваться наука.

Одной из важнейших целей прошедшей конференции было предоставить междисциплинарную платформу для контактов и обмена информацией между учеными различных сфер деятельности, вовлечения студентов и молодых ученых в исследования и расширения сотрудничества между участниками конференции – представителями различных научных школ.

Научная программа конференции включала в себя пять пленарных лекций, четыре ключевых лекции, а также 25 устных и 18 стендовых докладов по направлениям:

1. Нанотехнология

• синтез новых наноструктурированных материалов;
• физико-химические особенности наноструктур;
• методы характеризации наночастиц;
• наноразмерные эффекты в катализе;
• нанотехнологии для зеленой химии и экологически чистой энергии;

2. Нанотоксикология

• токсикология наночастиц;
• токсичность очищенных и неочищенных наноматериалов, окислительный стресс и антиоксиданты;
• тканеспецифическая реакция на наночастицы;
• распознавание и очистка наночастиц;
• индивидуальная устойчивость/восприимчивость к наноконтаминации;
• животные модели в нанотоксикологии);
• Наномедицина (наночастицы как носители фармацевтичес-ких препаратов; контрастные агенты на основе наночастиц; адресная доставка в очаги патологий; терапия каталитически активными наночастицами; наночастицы в передаче внешних воздействий).

Предыдущие конференции, прошедшие во Владивостоке и Листвянке, продемонстрировали значительный интерес со стороны участников к современным достижениям в указанных областях науки и технологии. Количество участников конференции 2019 года превысило 50 специалистов из 7 стран мира. В конференции приняли участие представители научных организаций из Армении, Беларуси, Германии, Испании, России, Сербии и Тайваня. Таким образом, участники конференции смогли оценить основные идеи и направления развития нанотехнологической отрасли в различных частях мира, от стран Западной Европы до Юго-Восточной Азии.

На открытии конференции выступил председатель организационного комитета к.х.н. А.А. Ведягин с обзорным сообщением «Балансирование между технологическими преимуществами и токсикологической безопасностью нанообъектов» (Balancing between Technological Advantages and Toxicological Jeopardy of the Nanoobjects), в котором еще раз была отмечена широкая распространенность наноматериалов в современном мире, а также проанализированы данные по научным публикациям на эту тему. Было показано, что пик научного интереса к теме нанотехнологий и наноматериалов пришелся на 2015 – 2016 годы, но и в настоящее время остается на стабильно высоком уровне.

В качестве пленарных и ключевых лекторов были приглашены ведущие мировые эксперты, представляющие сообщество как нанотехнологов, так и нанотоксикологов. Именно такое сочетание специалистов позволяет взглянуть на одни и те же объекты под разными углами.

В пленарной лекции «Получение металлических, металлоксидных и углеродных наночастиц и их функциональные возможности и применение в катализе» (Preparation of Metal/ Metal Oxide/Carbon Nanoparticles and their Functionalities and Catalytic Applications) профессор Тайваньского национального университета науки и технологий Тойоко Имае представила обзор различных методов получения металлических, металлоксидных и углеродных наночастиц, описала их основные характеристики и области применения. Так, одним из главных свойств металлических наночастиц является их каталитическая активность, что находит применение в различных химических процессах. Наночастицы золота и серебра обладают уникальным плазмонным эффектом. Многие оксиды металлов эффективны в фотокатализе, а полупроводниковые оксиды металлов (TiO₂, ZnO и т.п.) представляют ценность при изготовлении солнечных элементов. Углеродные наночастицы являются одним из аллотропов углеродных материалов, но обладают уникальными свойствами. Перспективными являются разработки, в которых металлические и углеродные наночастицы используются одновременно. В качестве такого примера можно привести солнечные батареи на основе оксида ZnO, сенсибилизированного красителем, содержащие углеродные наночастицы.

Профессор Т. Имае

д.ф.-м.н. Н.В. Каманина

Д.ф.-м.н. Н.В. Каманина из Государственного оптического института им. С.И. Вавилова (г. Санкт-Петербург, Россия) продолжила пленарную сессию с выступлением на тему «Нанотехнологический подход к модификации свойств материалов» (Modification of the material properties via nanotech-nology approach). В лекции были представлены два аспекта в области оптимизации свойств материалов. Первый аспект связан с использованием технологии лазерно-ориентированного осаждения для улучшения прозрачности, механической твердости и угла смачивания оптических систем, работающих в спектральных УФ, видимом и ИК диапазонах. Второй аспект связан с влиянием процесса легирования на характеристики преломляющих, фотопроводящих и поверхностных органических материалов. Кроме того, в лекции были показаны некоторые дополнительные оптические эффекты (вращение плоскости поляризации света, ориентация биообъектов и т.д.), на которые может быть оказано влияние путем нано- и биосенсибилизации.

Профессор кафедры юридической медицины и токсикологии, Медицинского факультета Университета Гранады (Испания) Антонио Эрнандес-Хереспредставил лекцию «Нанофармация пестицидов и безопасность. Токсикология и оценка риска» (Nanoformulations of pesticides and safety – Toxicology and risk assessment). Был продемонстрирован междисциплинарный подход к формулированию проблем, связанных с преимуществами и недостатками нанопестицидов, рассмотрены основные вопросы оценки рисков для людей и окружающей среды. Так, было показано, что обычные пестициды имеют серьёзные недостатки, которые ограничивают их использование из-за вредного воздействия на окружающую среду, а использование нанопестицидов позволило бы преодолеть эти недостатки. Нанопестициды имеют многочисленные преимущества по сравнению с обычными пестицидами. К ним относятся улучшенные характеристики состава, повышенная растворимость нерастворимых активных веществ, стабильность состава, простота применения, возможность медленного высвобождения активных веществ, предотвращение ранней деградации, отбор видов вредных организмов, повышение эффективности пестицидной активности, снижение норм внесения и повышение экологической безопасности. Однако ограниченные научные знания о биобезопасности нанопестицидов и их судьбе в окружающей среде затрудняют оценку рисков для человека и среды. Необходимо определить опасность нанопестицидов и уровни воздействия для различных групп населения, зависимости доза-ответ и реакцию окружающей среды. Кроме того, следует оценить физико-химические характеристики, которые влияют на их токсичность, потенциальные взаимодействия коформулантов с множественными стрессорами, существующими в агросистемах.

Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов (EFSA) разработало многоуровневую систему для токсикологи-ческих испытаний наноматериалов с использованием токсикологических исследований in vivo и in vitro. Действующая стратегия включает в себя подробную физико-химическую характеристику и технические параметры нанопестицидов и коформулантов, деградацию in vitro, токсикокинетику, острую токсичность, раздражение кожи и глаз, сенсибилизацию кожи, кратковременная токсичность и генотоксичность. На основе результатов, полученных на первом уровне, разрабатывается стратегия дальнейших исследований.

С большим интересом была встречена лекция «Наночастицы и мозг» (Nanoparticles and Brain) д.б.н. М.П. Мошкина (Институт цитологии и генетики СО РАН, г. Новосибирск, Россия). Наноразмерные частицы широко распространены в природе, являясь нашими невидимыми спутниками и часто врагами. Наночастицы бывают разных форм – от мелкозернистой пыли, золы и других загрязнителей окружающей среды до сложных вирусов. Будучи маленькими и легкими, наночастицы вездесущи в воздухе и постоянно вдыхаются людьми. Михаил Павлович представил захватывающую историю о наночастицах, проникающих из носа вглубь мозга, проанализировал судьбу этих наночастиц под разными углами зрения. Например, была продемонстрирована важность аэродинамики носа для доставки наночастиц, показано, как наночастицы распространяются в мозге, как они взаимодействуют с клеточными белками и т.д. Были показаны достижения в использовании наночастиц для диагностики нейрональных функций наряду с другими их применениями в качестве простых, но мощных фармацевтических средств.

Завершил пленарную сессию сотрудник Института катализа СО РАН (г. Новосибирск, Россия) к.х.н. И.В. Мишаков с сообщением «Синтез наноструктурированных углеродных материалов путем металлического напыления на Ni-содержащие сплавы» (Synthesis of nanostructured carbon materials via metal dusting of Ni-based alloys). Был представлен подход к синтезу углеродных наноструктурных материалов с помощью контролируемой углеродной эрозии Ni-M биметаллических предшественников, а также возможные области применения полученных углеродных материалов. Углеродные наноструктурные материалы, полученные путем каталитического химического осаждения из газовой фазы углеводородов (включая галогенированные), по-прежнему представляют особый интерес благодаря их уникальным физико-химическим свойствам, которые делают их незаменимыми материалами в широком спектре приложений. Катализатор синтеза углеродных наноматериалов может быть получен in situ в процессе углеродной эрозии объемных сплавов на основе никеля. Углеродная эрозия, приводящая к появлению так называемого самоорганизующегося катализатора, стала довольно мощным инструментом для целенаправленного производства углеродных наноматериалов.

В ходе конференции также были представлены следующие ключевые лекции:

К.х.н. Кривошапкин П.В. (Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург, Россия), Наноматериалы с высокой электронной плотностью для тераностики (High-electron density nanomaterials for theranostics);

Доктор Мария Бржезинская (Гельмгольц-Центр, г. Берлин, Германия), «Исследование перспективных углеродных наноструктур с использованием синхротронного излучения» (Investigation of Advanced Carbon Nanostructures using Synchrotron Radiation);

Доктор Ясмина Достанич (Белградский университет, г. Белград, Сербия), Новые и будущие разработки в фотокаталитическом расщеплении воды (New and Future Developments in Photocatalytic Water Splitting);

Д.ф.-м.н. Владимир Яковлевич Шур (Уральский федеральный университет, г. Екатеринбург, Россия), Основные положения и перспективы создания наночастиц и контроля их формы для нанотоксикологии в Уральском центре совместного использования "Современные нанотехнологии” (Highlights and perspectives of nanoparticle fabrication and shape control for nanotoxicology in the Ural center for shared use “Modern Nanotechnology”).

Тезисы всех докладов и лекций были изданы в виде Сборника тезисов, доступного для ознакомления по ссылке: http://catalysis.ru/resources/institute/Publishing/Report/2019/Abstracts-ANT-III-2019.pdf

При подведении итогов участники школы-конференции отметили высокий уровень представленных пленарных, ключевых, устных и стендовых докладов. Организационным комитетом были выбраны лучший устный и лучший стендовый доклады, участникам-победителям были вручены соответствующие именные дипломы и памятные призы. Следующую школу-конференцию было решено провести в 2022 году в г. Калининград.

Материал подготовили:
А.А. Ведягин, С.С. Логунова
фото А.М. Ершова, Ю.И. Бауман
(ИК СО РАН, Новосибирск)

Japan scientists develop new catalyst capable of assisting three different key hydrogen reactions

Scientists from Kyushu University and Kumamoto University in Japan have developed a new catalyst capable of assisting three key reactions for using hydrogen in energy and industry. Inspired by three types of enzymes in nature, this research can help elucidate unknown relationships among catalysts, paving the way for efficient use of hydrogen gas as a next-generation energy source in the future.

One key for establishing hydrogen as a next-generation energy source is the development of catalysts that help use it efficiently. Catalysts play a role not only in splitting hydrogen molecules to generate electricity in fuel cells but also in putting hydrogen atoms together to form the fuel. Hydrogen also has many applications in the chemical industry, often being attached to molecules through the process of hydrogenation to modify their properties.

Nature has already developed its own set of biological catalysts—i.e., enzymes—capable of these same fundamental reactions. However, each of these three reactions requires a different type of enzyme, and these hydrogenase enzymes can be grouped by the metals they contain: an atom each of nickel and iron, two atoms of iron, or a single atom of iron.

Taking inspiration from nature, research teams led by Seiji Ogo from Kyushu University and Shinya Hayami from Kumamoto University now report in an open-access paper in the journal Science Advances (DOI: 10.1126/sciadv.aaz8181) that a single catalyst can perform all three roles.

The catalyst the scientists developed contains nickel and iron as the key metals. Depending on reaction conditions, hydrogen atoms will connect to the molecule in a slightly different way, leading to a twisting of the molecule that puts it in a configuration best suited for one of the three types of reactions.

While the enzymes in nature rely on different sets of metals to accomplish these reactions, the newly developed catalyst takes advantage of the molecular twist being enough to switch between structures similar to those of the three types of enzymes, thereby obtaining similar functions without changing the metals.

While the molecule may not be suitable for practical applications at present, it points toward the possibility of developing a single catalyst with multiple uses. More importantly, the better understanding of the catalytic processes afforded by this molecule can give crucial insight into natural enzymes and the development of future catalysts for realizing a hydrogen-powered society.

Green Car Congress

Ester dance moves substituents around arene rings

Palladium catalyst offers unusual route to high-value compounds

Rearrangement reactions are useful ways to make substituted aromatic molecules, but most of the methods that shift a substituent around an arene ring leave a functional group behind at the vacated carbon. A rare exception is the “halogen dance” reaction, in which a halogen atom hops to a neighboring carbon, while a hydrogen atom takes its original place.

Junichiro Yamaguchi and a team of chemical choreographers at Waseda University have now developed an analogous “ester dance” reaction, the first carbonyl group rearrangement of its kind (Sci. Adv. 2020, DOI: 10.1126/sciadv.aba7614). The reaction uses a palladium catalyst with a diphosphine-thiophene ligand and a base, and works on more than 30 different arenes, including naphthalenes (example shown) and pyridines. The discovery was a happy accident. “I’ve never seen such a reaction before,” says Yamaguchi.

The researchers think the palladium catalyst inserts itself into the ester before forming a palladium-arene intermediate. This subsequently reforms the ester at a thermodynamically favored position on an adjacent carbon.

They also teamed the ester dance with a decarbonylative coupling reaction, offering a one-pot route to a range of high-value molecules. Yamaguchi says the dance could be used to create ester and carboxylic acid intermediates for pharmaceuticals and agrochemicals.

Chemical & Engineering News

Same catalyst, different times, give different enantiomers

Reaction forms chiral amines in high selectivity

Different molecular enantiomers can have different chemistry, both in the body and in industrial processes. Controlling the yield of the right one is a time-consuming yet critical step in organic and pharmaceutical synthesis. Shu-Li You and coworkers at the Shanghai Institute of Organic Chemistry have found a surprising and simple shortcut: they can selectively make either enantiomer of some chiral amines just by varying the reaction times (Nat. Chem. 2020, DOI: 10.1038/s41557-020-0489-1). They used an iridium cyclooctadiene compound and a chiral olefin to create a chiral catalyst in solution, a common approach for asymmetric synthesis. After 6 min, S isomers form with 84–99% enantiomeric purity. If the researchers let the reaction go for 10 h, the R isomer forms with 74–99% enantiomeric purity (shown). The catalyst is highly selective for the S isomer and makes the compound quickly, You says. Over time, however, it decomposes and the more stable R isomer forms. The team discovered this while monitoring the reaction every 10 min. You says he was shocked by the results, as no one has reported this effect in asymmetric catalysis before. The team is now studying if the effect occurs with other reactions.

Chemical & Engineering News

Photocatalysis in flow functionalizes light hydrocarbons

Decatungstate plucks hydrogen atoms from C–H bonds in methane, ethane, propane, and isobutane

It typically takes some dramatic chemistry to turn light hydrocarbons like methane and propane into molecules that can be used as something other than fuel. Making them into one useful class of molecules, alkyl halides, requires using chlorine or bromine gas and sometimes temperatures in excess of 500 °C. Alkyl halides made this way are often turned into organometallic nucleophiles that form C–C bonds. Seeking a more direct way to use light hydrocarbons to make C–C bonds, chemists led by Eindhoven University of Technology’s Timothy Noël have now turned to the photocatalyst decatungstate (Science 2020, DOI: 10.1126/science.abb4688). In the presence of nearultraviolet light, decatungstate can pull a hydrogen atom from C–H bonds in methane, ethane, propane, or isobutane in a predictable manner. The resulting radical then reacts with a conjugated olefin to create a new C–C bond (example shown). Noël’s team performed the transformation in a microflow reactor under pressure, which can safely handle the combustible gases. The reactor forces the light hydrocarbons into the liquid phase, which makes them more likely to encounter decatungstate. Because the reaction conditions are mild and the photocatalyst is easy to prepare, the chemists say, the reaction is ideal for turning feedstock chemicals into more-interesting molecules.

Chemical & Engineering News

21 июля 2020 года ушел из жизни выдающийся ученый в области химической технологии, д.т.н., профессор Юрий Шаевич Матрос. Его достижения в теории и практике гетерогенных каталитических процессов, осуществляемых в искусственно создаваемых нестационарных условиях, широко используются в науке и химической индустрии. Разработанный им «реверс процесс» – каталитический реактор с неподвижным слоем катализатора, работающий при переменном изменении направления подачи реакционной смеси, вошел в литературу под названием «Матрос реактор» и стал широко известен в научной и прикладной литературе как пример практического использования теории искусственно создаваемых нестационарных процессов.

Юрий Шаевич Матрос родился в 1937 году в Одессе. В 1959 году с красным дипломом окончил Одесский политехнический институт. После учебы в заочной аспирантуре и работы на Новосибирском химическом заводе защитил кандидатскую диссертацию в 1965 году, затем докторскую диссертацию в 1974 году.

С 1964 года до начала 1990-х работал в Новосибирском Академгородке в Институте катализа, пройдя путь от младшего научного сотрудника до заведующего лабораторией и отделом нестационарных процессов в катализе.

Работы Юрия Шаевича в области теории и практики каталитических процессов были направлены на глубокое, всестороннее исследование реакторов с неподвижным и псевдоожиженным слоями твердого катализатора. В 60-70х годах он изучал различные уровни математических моделей каталитических реакторов, начиная с процессов на поверхности катализатора, на одиночных зёрнах катализатора и реактора в целом. Эти исследования моделей сопровождались тщательными экспериментальными работами. Ю.Ш. Матросу принадлежат пионерские работы по определению множественности и устойчивости стационарных режимов, а также определению динамических характеристик в неподвижных слоях катализатора, включая исследование феномена динамического температурного заброса. Он внес значительный вклад в теорию формирования и движения теплового фронта в неподвижных слоях катализатора.

Главные научные результаты были получены Юрием Шаевичем в 70-90е годы – это теория и практика осуществления гетерогенных каталитических процессов в искусственно создаваемых нестационарных условиях как средство значительного повышения эффективности каталитического процесса в целом. Одним из наиболее часто цитируемых примеров высокой эффективности таких условий является реверс-процесс, при котором направление подачи реакционной смеси в реактор с неподвижным слоем катализатора периодически изменяется на противоположное (реверсируется). Академик Г.И. Марчук, президент Сибирского Отделения Академии Наук СССР в 1974-1980 годах, назвал идею реверс-процесса наиболее значимой в химической технологии за последние пятьдесят лет.

Ю.Ш. Матросу удалось довести свои фундаментальные научные результаты до практического применения в промышленности. Наиболее успешными оказались обезвреживание отходящих газов промышленных производств от вредных органических соединений, окисление SO₂ в SO₃ в производстве серной кислоты и восстановление окислов азота в безвредный азот.

Научные и практические достижения Ю.Ш. Матроса явились фундаментом созданной им научной школы. Его книги стали настольными учебными пособиями на кафедрах химической технологии во многих университетах мира.

В 1990-х годах после переезда в США Ю.Ш. Матрос создал компанию Matros Technologies, которая вначале занималась коммерциализацией реверс-процесса на территории Северной Америки по лицензии Института катализа фирме Monsanto. Впоследствии Matros Technologies стала известной консалтинговой фирмой в области химической технологии.

Работы Юрия Шаевича получили всемирное признание в научном сообществе. Он справедливо считается родоначальником научного направления, связанного с реверс-процессами и с нестационарными каталитическими процессами в целом.

Научная и практическая деятельность Ю.Ш. Матроса отражена более чем в 40 патентах, более 300 публикациях, семи сборниках научных трудов.

Юрий Шаевич умел организовывать сотрудников и заражать их своим энтузиазмом. Его ученики играют значительную роль в работе Института катализа СО РАН, успешно трудятся в научных организациях и передовых технологических компаниях в России и за рубежом.

Память о Юрии Шаевиче Матросе навсегда останется в сердцах его учеников и коллег.