14 октября исполнилось 55 лет директору Института катализа СО РАН, действительному члену Российской академии наук Валерию Ивановичу Бухтиярову.

В.И. Бухтияров – специалист в области физикохимии поверхности, гетерогенного катализа и функциональных наноматериалов, автор и соавтор более 220 научных работ и 13 патентов на изобретения.

Родился в Новосибирске. В 1983 г. с отличием окончил Новосибирский государственный университет по специальности «химик».

Вся трудовая деятельность Валерия Ивановича связана с Институтом катализа: с 1983 по 1985 г. он был стажером-исследователем, с 1985 по 1987 г. – аспирантом, с 1987 по 1990 г. – младшим научным сотрудником, с 1990 по 1993 г. – научным, а затем старшим научным сотрудником (1993-1995).

В 1989 г. защитил кандидатскую диссертацию, в 1999 г. – докторскую диссертацию по теме «От монокристаллов к наночастицам: молекулярный подход к изучению причин каталитического действия серебра в реакции эпоксидирования этилена». В 2003 г. утвержден в звании профессора.

С 1995 по 2000 г. В.И. Бухтияров был ученым секретарем Института, с 2000 года заведует лабораторией исследования поверхности, руководит Отделом физико-химических методов исследования. В 2003 г. стал лауреатом фонда имени М.А. Лаврентьева для молодых ученых в номинации «За выдающийся вклад в развитие Сибири и Дальнего Востока».

С 2002 по 2015 г. занимал должность заместителя директора Института по научной работе. В 2008 г. был избран членом-корреспондентом РАН.

С 2013 г. по настоящее время – Главный ученый секретарь Сибирского отделения РАН.

С 2015 г. В.И. Бухтияров занимает должность директора Института катализа СО РАН. В октябре 2016 г. избран действительным членом Российской академии наук. В 2016 г. стал лауреатом премии А.А. Баландина за серию работ «Наноструктурирование активного компонента – метод управления каталитическими свойствами нанесенных металлических катализаторов в реакциях гидрирования и окисления» (в составе авторского коллектива).

Основные области научных интересов – изучение элементарных химических процессов на поверхности твердых тел, в том числе с использованием современных физических методов in situ, установление взаимосвязи «структура – активность» в гетерогенных катализаторах, разработка способов управляемого синтеза функциональных наноматериалов для каталитических приложений. Цель исследований – установление структуры активных центров катализаторов, их трансформации в условиях протекания каталитической реакции и установление взаимосвязи между строением и составом поверхности гетерогенного катализатора и его каталитическими свойствами в промышленно важных реакциях. Для изучения структуры катализаторов (нанесенных металлов, массивных и нанесенных оксидов металлов, цеолитов), в частности, локального состава и структуры каталитически активных центров, В.И. Бухтияровым предложено использовать комплекс различных спектроскопических методов. В том числе методы рентгеновской дифракции, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, EXAFS и XANES спектроскопии, ЯМР, УФ-видимой области и др. Предложенные структуры активных центров во многих случаях подтверждаются квантово-химическими расчетами. Для выяснения последовательности стадий элементарных реакций, по которым реагенты превращаются в продукты, В.И. Бухтияров применяет спектроскопические методы in situ. Его работы по управляемому синтезу нанокомпозитных материалов позволяют усовершенствовать фундаментальный подход к разработке новых каталитических систем, заключающийся в том, что молекулярный дизайн гетерогенных катализаторов с улучшенными каталитическими свойствами (активность, селективность, стабильность) базируется на детальном исследовании механизма изучаемой реакции и структуры активных центров на атомарном уровне.

Примеры каталитических процессов, для которых был успешно использован данный подход, включают реакции эпоксидирования этилена на серебре, парциального окисления метанола в формальдегид на меди и смешанных V-Ti-O оксидах, низкотемпературного синтеза аммиака на рутении, промотированном щелочными металлами, полного окисления углеводородов и СО на благородных металлах (платина, палладий, золото), селективного окисления углеводов и электрохимического окисления водорода на золоте и палладии.

В.И. Бухтияров уделяет большое внимание международному сотрудничеству. Он является членом Экспертного совета Берлинского источника синхротронного излучения (BESSY) и Совета EFCATS (European Federation of Catalytic Societies), а также координирует российскую часть проекта «Развитие методов исследования in situ твердых поверхностей», выполняемого совместно с Институтом Фрица Габера (Общество Макса Планка, Берлин).

Важной составляющей деятельности В.И. Бухтиярова является подготовка научных кадров. С 2000 г. он руководит кафедрой катализа и адсорбции факультета естественных наук НГУ, среди его учеников 9 кандидатов наук.

В.И. Бухтияров – председатель Ученого совета Института катализа СО РАН, а также член диссертационных советов Д 003.012.01 при Институте катализа СО РАН и  Д 003.051.01 при Институте неорганической химии СО РАН. Заместитель главного редактора журнала «Кинетика и катализ» и член редколлегий «Журнала структурной химии» и “Journal of Energy Chemistry”.

Научный совет по катализу ОХНМ РАН и редакция Каталитического бюллетеня сердечно поздравляют Валерия Ивановича с юбилеем, желают ему новых творческих свершений и плодотворной работы на благо российской науки!

11 октября 2016 года на заседании Президиума Российской академии наук было принято решение о присуждении Премии имени А.А. Баландина академику Валерию Ивановичу Бухтиярову (Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН), доктору химических наук Игорю Валентиновичу Коптюгу (Международный томографический центр СО РАН) и доктору химических наук Александру Юрьевичу Стахееву (Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН) за серию работ «Наноструктурирование активного компонента – метод управления каталитическими свойствами нанесенных металлических катализаторов в реакциях гидрирования и окисления».

Поздравляем коллег с высокой наградой!

Премия имени А.А. Баландина присуждается Российской академией наук с 1993 года за выдающиеся работы в области катализа.

История присуждения премии:

2013	Лапидус А.Л. Усачев Н.Я. Третьяков В.Ф.	За серию работ “Теоретические основы создания каталитических процессов переработки ненефтяного сырья в углеводородные топлива и продукты для нефтехимии”
2010	Анаников В.П. Белецкая И.П.	За работу “Катализируемые переходными металлами реакции присоединения к ацетиленовым углеводородам”
2007	Садыков В.А.	За серию работ “Роль дефектности и микроструктуры катализаторов окисли­тель­но-восстановительных реакций”
2004	Лин Г.И. Розовский А.Я.	За цикл работ “Исследование механизма и кинетики каталитических превращений одноуглеродных молекул”
2001	Андрушкевич Т.В. Бондарева В.М. Попова Г.Я.	За серию работ “Гетерогенно-каталитическое окисление основных органических соединений в карбоновые кислоты: механизм, кинетика, дизайн катализаторов”
1998	Грязнов В.М.	За серию работ “Исследования механизма реакций с переносом атомов водорода на металлах, создание новых катализаторов и способов проведения этих реакций”
1995	Лунин В.В.	За цикл работ “Новые гетерогенные катализаторы на основе интерметаллических соединений и их гидридов”
1993	Миначев Х.М. Слинкин А.А. Шпиро Е.С.	За цикл работ “Структура поверхности и каталитические свойства высокодисперсных металлнанесенных систем”

IV Германо-Российский семинар
«Связь между модельным и реальным катализом»

5-8 сентября 2016 г., Бад-Штаффельштайн, Германия

С  5 по 8 сентября в германском городке Бад-Штаффельштайн, расположенном в живописной местности Верхней Франконии на берегу Майна, состоялся IV Германо-Российский Семинар «Связь между модельным и реальным катализом» (Bridging the Gap between Model and Real Catalysis), организованный Институтом имени Фрица Габера Общества Макса Планка (Германия) и Институтом катализа СО РАН (Россия). Первое мероприятие из этой серии прошло в 2007 году. С тех пор семинар стал традиционным и проводится раз в три года по очереди – в России и в Германии.

Заседания проходили в теплой дружественной обстановке в стенах бывшего Бенедиктинского монастыря, основанного около 1070 года Альберадой Швейнфуртской и используемого в настоящее время для образовательного центра. В работе семинара приняли участие более сорока специалистов из России, Германии, а также Швейцарии – в этом география семинара стала шире, что говорит о его растущей популярности.

Научная программа семинара включала шесть пленарных лекций и 36 устных докладов, посвященных трем основным темам:

• исследования механизмов каталитических реакций, в том числе в режиме in situ,
• (фото-) электрохимия,
• наночастицы и катализ.

В первый день семинара с пленарными лекциями выступили д.х.н. А.Ю. Стахеев из Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН (Россия) и доктор Марк Виллингер из Института имени Фрица Габера Общества Макса Планка (Германия). В своей лекции А.Ю. Стахеев представил результаты исследования размерного эффекта, наблюдаемого для нанесенных металлических катализаторов на основе Pt и Pd в реакциях окисления легких алканов и NO, и рассмотрел влияние структурных факторов и энергии адсорбции на скорость каталитических превращений.

Лекция М. Виллингера была посвящена новым достижениям в области использования электронной микроскопии в режиме in situ для наблюдения «жизни» нанесенных металлических частиц в условиях каталитической реакции. Марк Виллингер представил несколько «фильмов», демонстрирующих как металлические частицы двигаются по поверхности носителя, изменяют свою форму и размер, сливаются воедино или же, наоборот, разделяются на отдельные части под воздействием реакционных условий. Несомненно, лекция вызвала огромный интерес не только у экспериментаторов, увидевших возможность in situ исследований катализаторов новым методом, но и у теоретиков, которым стало очевидно, что в условиях реакции симметричная форма частиц, используемая в квантовохимических расчетах, не реализуется, более того, размер нанесенных металлических частиц также может изменяться в широких пределах.

Во второй день также состоялись две пленарные лекции. К.ф.-м.н. В.В. Каичев из Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН (Россия) рассказал об использовании in situ методов для изучения механизмов гетерогенных каталитических реакций. На примере исследований автоколебаний в реакциях окисления пропана и метана на поверхности никелевой фольги В.В. Каичев продемонстрировал возможности применения методов рентгеновской дифракции, XANES и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии в комбинации с методами масс-спектрометрии и газовой хроматографии для определения состояния активного компонента в реакциях окисления углеводородов. Представленные результаты исследования реакции селективного окисления этанола в ацетальдегид и уксусную кислоту показали возможность использования ИК спектроскопии как для идентификации адсорбционных комплексов, так и для анализа продуктов и реагентов в газовой фазе. Лекция профессора Т. Якоба из Университета города Ульм (Германия) была посвящена применению in situ методов для изучения электрокаталитических систем.

В третий день семинара с пленарными лекциями выступили профессор Ж. ван Бокховен из Швейцарской высшей технической школы города Цюрих и Института Пауля Шеррера (Швейцария) и доктор Д. Старр из Берлинского центра материалов и энергии имени Г. Гельмгольца (Германия). Профессор Ж. ван Бокховен представил новые данные по исследованию реакции окисления СО на платиновых катализаторах на основе оксида церия.

Лекция Д. Старра была посвящена особенностям использованию метода рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии в области мягкого и жесткого рентгеновского излучения для in situ исследований каталитических процессов получения водорода из воды.

Пленарные лекции вызвали огромный интерес и инициировали плодотворные дискуссии во время кофе-брейков, подтверждая высокий уровень представленных докладов. Не меньший интерес вызвали устные доклады участников.

Так, утренняя сессия 6 сентября была посвящена актуальным вопросам электро- и фотокатализа. Первый доклад был представлен сотрудником Московского государственного университета д.х.н. Л.В. Яшиной. В докладе была затронута тема изучения функционирования материалов в электрохимических процессах методами рентгеновской фотоэлектронной и колебательной спектроскопии operando.

Доктор С. Нойгебауэр (Институт химического преобразования энергии Общества Макса Планка) представил последние результаты по измерению электрокаталитической активности в реакции выделения кислорода методом вращающегося дискового электрода. Доктора Аксель Кноп-Герике и Сирьяк Массё из Института имени Фрица Габера Общества Макса Планка (Берлин, Германия) рассказали о новых электрокатализаторах реакции выделения кислорода на основе оксидов и гидроксидов иридия.

Доктор С. Нойгебауэр, Институт химического преобразования энергии Общества Макса Планка

Следующие доклады утренней сессии были посвящены фотокатализу на полупроводниках. К.х.н. Е.А. Козлова (Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН) представила результаты по новым методам синтеза нанотрубок на основе диоксида титана для фотокаталитического окисления органических веществ в газовой фазе. Особое внимание было уделено влиянию нестехиометрии диоксида титана на активность в целевых фотокаталитических процессах. Доклад д.х.н. Д.В. Козлова из Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН также был посвящен синтезу фотокатализаторов окисления на основе диоксида титана; в этом случае для сенсибилизации к излучению видимого диапазона использовалось допирование соединениями урана. Доктором С. Левченко из Института имени Фрица Габера Общества Макса Планка (Берлин, Германия) были рассмотрены теоретические аспекты моделирования структуры полупроводниковых фотокатализаторов, в том числе, были затронуты вопросы моделирования дефектных полупроводниковых структур и рекомбинации зарядов.

Доклады вечерней сессии 6 сентября были посвящены изучению наночастиц в катализе. В докладе доктора Л. Москалевой из Института прикладной и физической химии (Бремен, Германия) были представлены результаты по квантовому моделированию активации кислорода на нанопористых частицах золота. Доклад Т. Лункенбайн (Институт имени Фрица Габера Общества Макса Планка, Берлин, Германия) был посвящен изучению процесса трансформации наночастиц платины в процессе окисления СО методом просвечивающей электронной микроскопии in situ. Следует отметить, что применение in situ методов для изучения различных каталитических систем становится уже традиционным подходом.

К.х.н. О. Булавченко, ИК СО РАН

В подтверждение этого можно привести доклады доктора А. Клюшина из Института имени Фрица Габера Общества Макса Планка (Берлин, Германия), к.х.н. О. Булавченко и к.х.н. Ю. Чесалова из Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН. А. Клюшин представил новые результаты in situ РФЭС исследования механизма реакции окисления СО на поверхности нанесенных наночастиц золота. О. Булавченко рассказала об исследовании структуры и каталитических свойств MnO_x/Al₂O₃ в реакции окисления СО методом рентгеновской дифракции in situ. Ю. Чесалов представил результаты in situ ИКС исследования механизма окисления функциональных углеводородов в карбоновые кислоты на ванадий-титановых оксидных катализаторах.

В последний день работы семинара было представлено 16 устных докладов. Среди наиболее интересных следует выделить доклад доктора М. Хавекера из Института имени Фрица Габера Общества Макса Планка (Берлин, Германия), рассказавшего о запуске новой станции для in situ исследований в Международном центре синхротронного излучения BESSY-II (Берлин, Германия). К.х.н. Е. Шор из Института химии и химической технологии СО РАН (Красноярск, Россия) представила результаты квантовохимических расчетов структуры и активности кластеров Ag, нанесенных на поверхность оксида церия. Доктор Х. Ахи представила результаты in situ исследований Na-Mn-W оксидных катализаторов методом спектроскопии комбинационного рассеяния.

Д.х.н. В.А. Яковлев, ИК СО РАН

Большую практическую направленность продемонстрировали доклады немецких коллег – профессора М. Мюллера и доктора М. Бухтияровой. М. Мюллер из Рурского университета (Бохум, Германия) представил последние результаты изучения синтеза высших спиртов на кобальт-медных катализаторах. К.х.н. М. Бухтиярова из Института конверсии химической энергии имени Макса Планка (Мюльхаим, Германия) рассказала о последних достижениях в изучении процесса синтеза метанола.

При подведении итогов участники семинара отметили высокий уровень представленных докладов и плодотворность проведенных дискуссий. Следующий по счету, V Российско-Германский семинар «Связь между модельным и реальным катализом»  решено провести в 2019 году в России. В качестве места проведения сопредседатель семинара профессор Роберт Шлёгл из Института имени Фрица Габера Общества Макса Планка предложил Новосибирский Академгородок, в чем встретил полную поддержку не только российской, но и германской стороны. 

Материал подготовили
Е.А. Козлова, В.В. Каичев, А.М. Ершова (ИК СО РАН, Новосибирск)

Всероссийская научная молодежная школа-конференция
«Химия под знаком СИГМА: исследования, инновации, технологии»

15-20 мая 2016 г., Омск

С 15 по 20 мая 2016 г. на базе ИППУ СО РАН проходила очередная Всероссийская научная молодежная школа-конференция «Химия под знаком СИГМА: исследования, инновации, технологии».

В качестве организатора школы-конференции традиционно выступил Институт проблем переработки углеводородов СО РАН (ИППУ СО РАН, г. Омск). Соорганизаторами мероприятия в этом году являлись Федеральное агентство научных организаций, Омский научный центр СО РАН (г. Омск), Омский государственный технический университет (г. Омск).

С каждым годом растет круг партнеров школы-конференции. В этом году в этом качестве выступили журнал «Химия в интересах устойчивого развития» (г. Новосибирск), журнал «Известия Академии наук. Серия химическая» (г. Москва), журнал «Катализ в промышленности» (г. Москва), журнал «Кинетика и катализ»
(г. Москва). Организацию школы-конференции также поддержали компания «РИОС-инжиниринг» (г. Омск), ООО «Новомичуринский катализаторный завод» (г. Новомичуринск), фирма «Центр технологий Лантан» (г. Москва), АО «ГАЗПРОМНЕФТЬ-ОНПЗ» (г. Омск), АО «СКТБ «КАТАЛИЗАТОР» (г. Новосибирск), ООО «Омсктехуглерод» (г. Омск), АО «Группа компаний «Титан» (г. Омск).

Уже на протяжении 16 лет Институт проблем переработки углеводородов Сибирского отделения РАН занимается организацией и проведением научных молодежных мероприятий. Первая конференция была организована Омским филиалом Института катализа СО РАН (с 2004 г. – Институт проблем переработки углеводородов СО РАН) еще в далеком 2000 г. Она имела статус городской и была полностью посвящена проблемам химии. Большой интерес студентов, аспирантов, ученых к этой конференции способствовал принятию решения о ее регулярном проведении, а также расширении географии и научных направлений. И уже в 2001 г. состоялась первая Всероссийская конференция, при этом, участие в ней приняли уже не только химики, но и физики, математики, историки и экономисты. Мероприятие имело огромный успех и стало проводиться раз в два года в виде конференции “Под знаком СИГМА”, что символизировало комплексность научных исследований и объединение наук.

В работе проведенных конференций принимало участие большое число молодых ученых, аспирантов, студентов из различных регионов России и стран СНГ (Омск, Новосибирск, Красноярск, Томск, Владивосток, Алматы, Караганда и др.). Но наибольший интерес всегда представляла секция “Химия”, что и явилось основой для принятия решения о выделении этой секции в отдельную конференцию, в 2008 г. она впервые прошла как Всероссийская научная молодежная школа-конференция “Химия под знаком СИГМА: исследования, инновации, технологии”. Потом были неизменно пользовавшиеся большим вниманием среди научной молодежи конференции в 2010, 2012, 2014 годах.

В 2016 году по сравнению с первой конференцией “Химия под знаком СИГМА”, состоявшейся в 2008 г., заметно расширился состав участников мероприятия. В работе Школы “Химия под знаком СИГМА-2016” приняли участие 200 молодых ученых (176 очно и 24 заочно) из 9 городов России (Новосибирск, Омск, Москва, Санкт-Петербург, Красноярск, Бийск, Иркутск, Томск, Новоуральск). В рамках Школы-конференции были представлены приглашенные и пленарные лекции ведущих ученых-химиков, устные и стендовые доклады молодых ученых (в возрасте до 35 лет), специалистов и преподавателей по основным направлениям современных фундаментальных и прикладных исследований в области химии и химической технологии.

В день открытия конференции первым приглашенный доклад читал чл.-корр., д.х.н., проф. Владимир Павлович Анаников (Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского, г. Москва) о том, «как на самом деле проходят химические реакции», как современная наука позволяет нам все это изучить. Все участники конференции с большим интересом слушали и активно обсуждали лекцию.

Bторой приглашенный доклад представил проф., д.х.н. Георгий Васильевич Лисичкин (МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва) на тему «Защита среды обитания: мифы и реальность», где лектор представил глубокий анализ широко распространённых в СМИ заблуждений, касающихся охраны природы, подчеркнул невозможность организации полностью безотходных промышленных и сельскохозяйственных производств, акцентировал внимание на наиболее актуальных химических проблемах безуглекислотной энергетики и многом другом.

Не менее интересный приглашенный доклад «Высокоэнергетические материалы ради мира и мирной жизни» прочитал академик РАН, Герой Социалистического Труда Геннадий Викторович Сакович (Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН, г. Бийск). Геннадий Викторович рассказал о научно-методологических основах создания высокоэнергетических материалов, о том, какие фундаментальные и прикладные исследования проводились под его руководством по созданию и применению высокоэнергетических веществ в интересах обороны страны, какие методы тонкого органического синтеза в области специальной техники получили свое развитие и о многом другом. Каждый из присутствующих получил уникальную возможность узнать о закрытых исследованиях, которые проводились в нашей стране, задать интересующие вопросы лично автору представленных разработок.

С большим удовольствием участники конференции прослушали пленарные лекции ведущих ученых России. Так, д.х.н., проф. Борис Николаевич Кузнецов (Институт химии и химической технологии СО РАН, г. Красноярск) рассказал о перспективных направлениях в области каталитической переработки бурых и сапропелитовых углей, а также лигноцеллюлозных отходов в синтетические топлива и востребованные химические продукты. Борис Николаевич представил примеры разрабатываемых процессов комплексной переработки низкосортной древесины (береза, осина), преимущественно ориентированных на получение жидких биотоплив (биоэтанол, жидкие углеводороды) или востребованных химических продуктов (микрокристаллическая целлюлоза, аэрогели из лигнина, биологически активные вещества). Д.х.н. Сергеем Викторовичем Сысолятиным (ИПХЭТ СО РАН, г. Бийск) был представлен доклад «Методы синтеза полициклических аминов», в котором рассматривались методы синтеза и перефункционирования ряда наиболее ценных полициклических аминов. Интересный доклад «Проблемы достоверной идентификации органических соединений в природных и техногенных объектах» прочитал д.х.н., проф. Вячеслав Исаакович Вершинин (ОмГУ им. Ф.М. Достоевского, г. Омск). Доклад был посвящен применению различных вариантов спектральной и хроматографической идентификации индивидуальных органических соединений (как правило, микропримесей) с учетом их особенностей и свойств при использовании разных методов анализа и изучении состава объектов разного типа. Доклад, демонстрирующий возможности твердотельного ЯМР для определения характеристик пористых материалов (цеолиты, силикатные алюмофосфаты, металл-органические каркасы (МОК)), изучения динамики адсорбированных молекул, а также для установления механизмов химических реакций, катализируемых цеолитами, был сделан д.х.н. Александром Григорьевичем Степановым (Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, г. Новосибирск).

Д.х.н., профессор Александр Сергеевич Белый (ИППУ СО РАН, г. Омск) в своей пленарной лекции рассмотрел проблемы, связанные с существующими в настоящее время тенденциями увеличения эффективности современных процессов переработки бензиновых фракций (риформинг, изомеризация) при одновременном ужесточении требований к экологической безопасности топлив. Александр Сергеевич показал перспективность применения интегрированных процессов переработки бензиновых фракций при комбинации ранее известных процессов (риформинг, изомеризация) с новыми процессами (биформинг, экоформинг), в частности, включения в технологические схемы стадий изомеризации бензола в метилциклопентаны и селектокрекинга н-алканов. Д.х.н. Александр Петрович Немудрый (Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН, г. Новосибирск) представил доклад об исследовании нестехиометрических оксидов со смешанной кислород-электронной проводимостью (СКЭП), используемых в качестве электродных материалов. В своей лекции Александр Петрович рассказал о предложенном в их лаборатории “изостехиометрическом” подходе для получения и анализа кинетических данных для СКЭП. Лекцию «Синтез, свойства и применение новых органических полупроводников производных 1,3,4-оксадиазола, 1,3,4-тиадиазола и 1,2,4-триазола» прочитал д.х.н., проф. Александр Семенович Фисюк (ОмГУ им. Ф.М. Достоевского, г. Омск), а в докладе д.х.н. Александра Сергеевича Лисицына (Институт катализа СО РАН, Новосибирск) рассматривались хемосорбция и методы, использующие температурное программирование (ТПД, ТПВ, ТПО), которые позволяют получать ценную информацию о процессах, протекающих при формировании активного компонента катализатора, и о состоянии наночастиц металла в конечных образцах.

На конференции были также прочитаны ключевые, устные и стендовые доклады. Школа-конференция в 2016 году была представлена 4 секциями: «Кинетика и катализ», «Химическая технология», «Аналитическая химия и физико-химические методы исследования» и «Углеродные и неорганические материалы». Лучшие доклады были отмечены премиями Программного комитета, «СКТБ КАТАЛИЗАТОР», Новосибирского отделения Российского химического общества, а также дипломами. Так, в секции «Кинетика и катализ» лучшими стали доклады Е.Д. Федоровой (ИППУ СО РАН, г. Омск), Д.В. Глыздовой (ОмГУ им. Ф.М. Достоевского, г. Омск), Н.Л. Кайля (ИК СО РАН, г. Новосибирск), И.А. Четырина (ИК СО РАН, г. Новосибирск). В секции «Химическая технология» отмечены доклады Д.А. Назимова (ИК СО РАН, г. Новосибирск), Д.А. Кулагиной (ИПХЭТ СО РАН, г. Бийск), В.А. Шкуренок (ИППУ СО РАН, г. Омск). В секции «Углеродные и неорганические материалы» победителями стали С.Н. Несов (ОНЦ СО РАН), А.Н. Субоч (ИК СО РАН, г. Новосибирск), Е.С. Запевалова (ИППУ СО РАН, г. Омск), а в секции «Аналитическая химия и физико-химические методы исследования» – В.Л. Юрпалов (ИППУ СО РАН г. Омск) и Н.С. Бриленок (ОмГУ им. Ф.М. Достоевского, г. Омск). Также премиями и дипломами были награждены участники стендовой сессии: А.В. Русских (ИК СО РАН, г. Новосибирск), Д.Ю. Эберт (ТГУ, г. Томск) и Е.С. Чиканова (ОмГУим. Ф.М. Достоевского, г. Омск).

В рамках конференции “Химия под знаком СИГМА-2016” было проведено три круглых стола: «Особенности выполнения прикладных научных исследований по заказам предприятий реального сектора экономики и в рамках государственно-частного партнёрства», «Проблемы и перспективы создания высокоэффективных катализаторов нефтепереработки и нефтехимии», «Проблемы подготовки кадров для катализаторных производств», на которых присутствовали не только ведущие ученые, но и руководители крупных предприятий, которые смогли поделиться неоценимыми знаниями и опытом с участниками круглых столов, в частности, с молодыми учеными, аспирантами и магистрантами.

Молодые ученые приняли активное участие не только в научной программе, но и традиционно организуемых в рамках Конференции спортивных соревнованиях по футболу, волейболу, настольному теннису. Большой ажиотаж вызвала игра в пейнтбол. База отдыха им. И.И. Стрельникова также предоставила возможность участникам «Сигмы-2016» в свободное от научных дискуссий время искупаться в лечебных водах йодированного бассейна и расслабиться в кедровой фитобочке. Помимо всего прочего, оргкомитетом был организован массовый выезд участников конференции в веревочный парк и аквапарк. Все эти мероприятия позволили участникам конференции из разных уголков России познакомиться и пообщаться в неформальной обстановке, расширить и закрепить научные связи.

Участники конференции были единодушны в том, что конференция «Химия под знаком СИГМА-2016» прошла на высоком уровне. Молодым ученым представилась возможность получить знания о последних достижениях науки в различных областях современной химии, представить результаты своих исследований, а также обсудить их со своими коллегами.

Организаторы выражают свою благодарность гостям школы-конференции за активное участие в работе секций и круглых столов, а также спонсорам и партнерам за помощь в проведении данного мероприятия и приглашают принять участие в следующей конференции «Химия под знаком СИГМА», которую планируется провести в 2018 году.

Материал подготовили
М.С. Дроздецкая, Е.С. Запевалова
(ИППУ СОРАН, г. Омск)

High-temperature route to single-atom catalysts

Method offers simple way to maximize use of costly noble metals

Pt atoms (arrows) on the edges of this ceria nanorod remain isolated even after the material has catalyzed CO oxidation reactions.

In a feat that could be described as taking the bull by the horns, researchers have exploited a process that normally destroys supported metal catalysts to make stable ones consisting of isolated platinum atoms on a solid support (Science 2016, DOI: 10.1126/science.aaf88oo).

The counterintuitive strategy may offer a practical way to maximize the use of platinum and other expensive noble metals by producing stable single-atom catalysts.

Tiny particles of platinum can transform petrochemicals, clean up engine emissions, and catalyze other reactions. But when exposed to high temperatures and oxidizing conditions, the particles agglomerate, forming larger particles. Known as Ostwald ripening, the process reduces catalytic activity by burying the majority of the atoms in the growing particles' interiors, where they can't catalyze reactions.

Rather than avoiding those conditions, a team led by University of New Mexico chemical engineer Abhaya K. Datye exploited them, sacrificing an alumina-supported platinum nanoparticle catalyst to make a catalyst consisting of isolated platinum atoms on ceria. Datye described the work in China at a conference on single-atom catalysis at the Dalian Institute of Chemical Physics.

From earlier work, Datye and coworkers knew that hot oxidizing conditions turn platinum nanoparticle catalysts into larger, less active platinum clumps by converting the metal to PtO₂, which is volatile and desorbs from nanoparticle surfaces. Datye reasoned that this supply of mobile atoms could allow his team to produce single-atom catalysts. "The challenge is coming up with a way to trap those atoms individually," he said.

Datye and coworkers wondered if ceria might serve as this atom trap because other researchers had shown that small amounts of the oxide prevented nanoparticle sintering or fusing.

They mixed an alumina-supported platinum-lanthanum catalyst with various forms of ceria and heated the mixtures to 800 °C in air for a week. After the treatment, X-ray diffraction and other methods showed the complete absence of platinum nanoparticles. Electron microscopy revealed that platinum had migrated from the alumina and become trapped as isolated atoms on ceria nanorods and octahdera along lattice features known as step edges. In the absence of ceria, the harsh treatment formed large platinum crystals on alumina.

The team showed that the single-atom catalysts were effective at CO oxidation—a key reaction in engine-emissions cleanup—and that the platinum atoms remained isolated during the reaction.

"I'm very impressed with this work," said Northwestern University's Peter C. Stair, a catalysis specialist who attended the conference. Coming up with a way to stabilize isolated, catalytically active metal atoms on solid supports has practical relevance for industrial catalysis, he added. "It points to strategies for making catalysts that remain stable for years." Exactly how platinum is bound to the ceria surface remains an open question, Stair said. But that question applies equally well to most efforts to prepare single-atom catalysts.

 

Diatoms become silica scaffolds for growing molybdenum disulfide

Hybrid silica-MoS₂ material could be used in optoelectronics, catalysis, and sensing

Sheets of molybdenum disulfide just a few atoms thick show promise as semiconductors and light-emitting materials for electronic and optical devices. But there is no easy, cheap process to make the nanometers-thin sheets. Now, researchers report a one-step method that grows MoS₂nanosheets using the silica shells of marine diatoms as a scaffold (Chem. Mater. 2016, DOI: 10.1021/acs.chemmater.6b01738).

Scanning electron micrographs show a hybrid material in which nanosheets of molybdenum disulfide decorate the silica surface of a fossilized diatom.

 

A close-up of a molybdenum disulfide flake shows that it is made of several nanosheets, the edges of which are visible as bright lines.

The technique yields a hybrid material consisting of silica particles tens of micrometers wide speckled with MoS₂ flakes. The material’s blend of photonic and semiconducting properties and high surface area could make it useful for catalysis, sensing, energy storage, and optoelectronics, the researchers say.

MoS₂ nanosheets are typically made using mechanical exfoliation or chemical vapor deposition. Exfoliation, which involves peeling off ultrathin layers from bulk crystals, is slow and gives limited amounts of material, while chemical vapor deposition requires expensive materials and tools.

Paul O’Brien, Sarah J. Haigh, and David J. Lewis at the University of Manchester used porous diatom shells as a scaffold to grow MoS₂ nanosheets. The silica in the shells is a passive insulator material, making it an ideal scaffold for other functional materials. What’s more, the periodic arrangement of the pores helps the particles trap light and gives them a high surface area. Scientists have tried to recruit diatoms for nanotechnology, photonics, and drug delivery applications, and have coated them with materials like titanium and tin dioxide. “Nature has already preformed the shell as a nanoscaffold for us to use,” O’Brien says. “It’scheap as chips and dug out of the ground by the ton.”

To make the hybrid material, the team mixed a powder of fossilized diatom shells, known as diatomaceous earth, into a tetrahydrofuran solution containing an organometallic precursor to MoS₂, which coats the particles. After filtering out the solvent, the researchers dried the powder and heated it at 450 °C, converting the precursor into crystalline MoS₂ flakes that dot the silica surface. The flakes have an average diameter of about 132 nm and range in thickness from one to six atomic layers.

There are thousands of diatom species. Combining diatoms of particular architectures with other two-dimensional metal sulfides could give materials with precisely tailored properties, the researchers say. For now, they are using the method to make materials for supercapacitor electrodes.The counterintuitive strategy may offer a practical way to maximize the use of platinum and other expensive noble metals by producing stable single-atom catalysts.

 

Super cool catalysts oxidize carbon monoxide

Chemical processes often need to be coaxed into action with heat. Catalysts can reduce the amount of heat required to drive a reaction, enabling an ordinarily high-temperature reaction to run at lower temperatures.

At the American Chemical Society national meeting in Philadelphia on Monday, Francisco Zaera of the University of California, Riverside, described an extreme low-temperature example: a gold catalyst that drives carbon monoxide oxidation at 150 °C below zero.

The finding broadens basic understanding of low-temperature chemistry and may lead to applications in space exploration.

Catalytic reactions that run at cryogenic temperatures are quite rare. One example is the esoteric interconversion of spin isomers of dihydrogen.

Reactions involving gold catalysts used to be rare. But in recent years, researchers have discovered several reactions mediated by nanosized gold particles. Those reactions, including CO oxidation, tend to run close to room temperature.

 

These yolk-shell particles catalyze CO oxidation at -150 °C.

 

The UC Riverside group’s catalysts are also nanosized, but they do their job at a frigid 120 K. Speaking at a session sponsored by the Division of Catalysis Science & Technology, Zaera explained that his group prepares the catalysts by growing gold particles roughly 15 nm in diameter and encapsulating them in a 200-nm-wide silica sphere, which they in turn coat with a 20-nm thick titania shell. The team then etches away the silica, leaving a yolk-shell structure—so named because it resembles an egg without the egg white (Surf. Sci. 2016, DOI: 10.1016/j.susc.2015.10.008).

The porous titania shell allows gases to diffuse to and from the catalytic cores and protects the gold particles from fusing together, a common problem that deactivates nanoparticle catalysts.

The amorphous titania shell contains sodium titanate and silicon impurities that prove critical to the cryogenic activity. Removing the impurities kills the catalysis. Spectroscopy measurements indicate that the mechanism governing cryogenic CO oxidation differs from the one active at room temperature.

Jeffrey G. Weissman, manager of catalyst development at Precision Combustion in North Haven, Conn., remarked that catalysts working at cryogenic temperatures could find applications in space exploration. For example, in an extended manned mission to an asteroid or Mars, astronauts may need to collect ice and other materials found on location and convert them to oxygen, water, fuel, and possibly plant growth medium. Weissman’s team has conducted research in support of such a mission and has developed cabin-air cleaning devices for the International Space Station.

“One aspect I find intriguing,” Weissman said, “is that the yolk-shell morphology provides a means to exclude certain gas species from reaching the catalyst.” For example, larger hydrocarbons or sulfur contained in a gas mixture may be physically blocked from reaching the catalyst surface, thereby preventing catalyst deactivation. Such a capability could be important in devices that clean up exhaust gas or air in confined living spaces.

 

To create new cryogenic catalysts, chemists treated gold nanoparticles with tetraethyl orthosilicate (TEOS)
to form a sacrificial silicon dioxide shell, and then reacted that product with tetrabutyl titanate (TBOT).
Etching away the silicon dioxide yields a largely hollow particle with a titanium dioxide shell and tiny gold core.

 

14-year effort culminates in reaction that activates methylenes

Technique uses metal insertion to derivatize methylene C–H bonds catalytically and enantioselectively

The ability to activate specific C–H bonds in organic compounds so they can be converted into C–C bonds or other derivatives has been a longtime goal in synthetic organic chemistry.

Over the past few decades, chemists have learned to activate several types of C–H bonds by inserting metal atoms into them. But the ability to activate the most common class of C–H bonds, those in methylene (CH₂) groups, and to convert them into chiral centers has been a largely unsolved problem.

 

Yu and coworkers use a Pd catalyst and a ligand to activate one of two methylene
C–H bonds to form chiral aryl derivatives.

 

Jin-Quan Yu of Scripps Research Institute California and coworkers have now developed what could become a textbook reaction—the first that uses metal insertion to derivatize methylene C–H bonds catalytically and enantioselectively. It converts methylenes that are two carbon atoms away from amide and carboxyl groups into chiral centers (Science 2016, DOI: 10.1126/science.aaf4434).

Activating these so-called β-methylenes enantioselectively “was my first independent project, started in 2002, back in Cambridge University,” Yu says. “It took 14 years to finally achieve this goal.”

“Yu’s trailblazing group has managed to bring to reality what might have been considered seemingly impossible,” comments Erick Carreira, an expert on asymmetric synthesis at the Swiss Federal Institute of Technology (ETH), Zurich. “It represents a giant leap for the field that opens new vistas for the synthesis of optically active building blocks.”

Yu believes the approach can be extended to other classes of substrates besides those containing amides and carboxyls. A group at Bristol-Myers Squibb that he collaborates with is already using the new reaction to synthesize drug candidates.

Conjugate addition, a classical reaction that does not involve metal insertion, can also create chiral centers adjacent to carbonyl groups, but it requires that an alkene group be available or preinstalled at the β-position, and that is not always possible or easy to arrange.

In the new reaction, palladium and a simple bidentate ligand—one that coordinates with the substrate in two different ways—cause Pd to insert into one of the C–H bonds of a β-methylene. Chemists can then substitute aryl groups for the metal. The reactions have good yields and produce high ratios of products with specific chirality.

Although the ligand looks simple, engineering its structure so it worked just right took a considerable amount of effort and was key to developing the new reaction. Kendall N. Houk of the University of California, Los Angeles, and coworkers helped that effort by developing a computational model of ligand-substrate interactions.

 

One-step method determines reaction products’ yield, enantiomeric excess, and configuration

Technique accelerates evaluation of amine-containing chiral compounds

 

A complexation reaction forms a Schiff base with an amine, enabling measurement of yield,
enantiomeric excess, and absolute configuration in a single step.

 

A new technique makes it much easier and cheaper to determine key characteristics of amine-containing chiral compounds synthesized individually or in parallel. The technique, which measures product yield, enantiomeric excess (ee), and absolute configuration in one step, could find widespread use in organic chemistry laboratories, including in drug discovery.

Chemists typically determine product yield by isolating synthesized compounds and weighing them. They generally measure ee by analyzing reaction products with chiral high-performance liquid chromatography and absolute configuration by using nuclear magnetic resonance spectroscopy or X-ray crystallography. These techniques are time-consuming, use large amounts of solvents and reagents, and are impractical for analyzing thousands of samples synthesized in parallel.

Christian Wolf and grad student Zeus A. De los Santos at Georgetown University have now developed a complexation reaction that makes it possible to analyze the yield, ee, and absolute configuration of amine-containing chiral products in a single step, without having to isolate the compounds (J. Am. Chem. Soc. 2016, DOI: 10.1021/jacs.6b08892). In the reaction, a carbonyl-containing ligand, in the presence of palladium acetate, forms a Schiff base with amine groups in the compounds to be analyzed.

The researchers then use circular dichroism (CD) and ultraviolet (UV) spectroscopy to directly analyze as little as 1 mg of each complexation reaction mixture. The technique works because the complexes produce much stronger and higher-wavelength CD and UV signals than the original amine groups, making it possible to use CD to measure ee and absolute configuration and UV to assess product yield without substantial interference from signals associated with other molecules in the mixtures. The method can be automated for high-throughput operation, Wolf says.

“The direct analysis of crude asymmetric reaction mixtures is a long-sought goal in the synthetic community,” comments Vadim A. Soloshonok of the University of the Basque Country, whose group developed an earlier version of the complexation reaction. The new approach “has the potential to significantly speed up reaction development at reduced cost and waste production in thousands of industrial and academic laboratories,” he says. The assay has wide substrate scope because many important chiral compounds have amine groups.

Eric Anslyn of the University of Texas, Austin, an expert on ee determination and the editor who handled the Wolf group’s JACS paper, says the technique “is far easier, far more rapid, and involves less waste and effort than current methods.” It is broadly applicable and of great utility, Anslyn adds.

 

Formaldehyde protects lignin during biomass processing

Simple treatment keeps natural polymer from turning into sludge

During biomass processing, tens of millions of metric tons of lignin waste are produced each year. This wasteful sludge could be avoided by simply adding formaldehyde in the early stages of the processing, chemists report. The formaldehyde treatment chemically protects the natural polymer lignin so that it can be transformed into valuable chemical feedstocks.

 

When chemists add formaldehyde during lignin extraction (left),
they prevent the formation of a dark brown sludge seen without it (right).

 

Lignin accounts for as much as 30% of plants and trees and is made up of valuable aromatic subunits. “Lignin is one of the few natural sources of aromatics, and aromatics are absolutely essential in our chemical industry,” says Jeremy S. Luterbacher, a chemist at the Swiss Federal Institute of Technology, Lausanne (EPFL), who spearheaded the work.

Despite its rich molecular makeup, lignin becomes a waste product because the process that’s used to separate it from a plant’s cellulose and hemicellulose components—which are valuable biofuel feedstocks—causes irreversible C–C bonds to form within the lignin, creating a sludge. Luterbacher’s team found that formaldehyde could chemically prevent those C–C bonds from forming at two key positions (Science 2016, DOI: 10.1126/science.aaf7810).

Formaldehyde adds a hydroxy¬methyl group at a nucleophilic position on one of lignin’s aromatic components and creates a 1,3-dioxane at a position that can become an electrophile. These two blocking strategies prevent irreversible C–C bond formation between the nucleophile and electrophile in the lignin.

So far, Luterbacher and colleagues have scaled the reaction up to 1 L. They’ve also patented the process and are currently deciding whether to move forward by starting their own company or by partnering with an existing firm.

Chemical & Engineering News