XI Международный форум технологического развития «Технопром-2024» проходил в Новосибирске с 27 по 30 августа. Программа форума включала пленарные и панельные сессии, круглые столы, выставку инновационных технологий и множество других мероприятий. «Технопром» – эффективная площадка для обсуждения актуальных вопросов научно-технологического развития регионов страны. В Форуме по традиции участвуют представители научных организаций, ведущих технологических корпораций и компаний, органов государственной власти, а также иностранные делегации.

На «Технопроме-2024» обсудили, как России достичь технологической независимости в области катализаторов

На Форуме рассматривались проблемы России в области катализаторов. На мероприятии также был подписан меморандум о создании Ассоциации производителей катализаторов, призванной объединить научно-технический потенциал российских создателей этой продукции, чтобы обеспечить технологическую независимость и экономическую стабильность химического и топливно-химического комплекса.

По словам директора ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН» академика Валерия Ивановича Бухтиярова, одна из главных проблем создания отечественных катализаторов – это утрата масштабирующего звена.

В СССР существовал госзаказ и действовала линейка: академические научные институты и университеты занимались научными разработками новых технологий, множество отраслевых институтов переводили эти разработки с научного языка на промышленный, а также масштабировали их и осуществляли пилотные испытания, чтобы снять риски с производства. Однако после перестройки началась приватизация отдельных НИИ, в ходе которой большинство профильных институтов были утрачены. К тому же на рынок пришли за-рубежные поставщики, и они нередко выставляли специфические условия: продавали лучшие катализаторы по хорошей цене, но запрещали предприятиям использовать собственные. После санкций поставки иностранной продукции прекратились, а участок масштабирования технологий создания катализаторов так и остался невосполненным. Возникает вопрос, кто должен заниматься его воссозданием: наука, производство или, может быть, потребители катализаторов?

«Мы тесно работаем с компанией СИБУР и в рамках нашей дискуссии пришли к тому, что катализаторы от науки до внедрения должны пройти четыре стадии: концептуальные исследования, лабораторное пилотирование, масштабирование технологий и, наконец, промышленное испытание опытной продукции», – рассказал Валерий Бухтияров. Если за первую стадию отвечают научные лаборатории институтов и университетов, а за четвертую – предприятия, то с промежуточными возникают вопросы. «Наше общение с СИБУР показывает, что концептуальные исследования и лабораторное пилотирование – это, скорее, задача академических институтов, в третьем же направлении готовы быть активными некоторые предприятия. В отдельных институтах и университетах также есть инжиниринговые центры, способные осуществлять масштабирование».

По мнению Валерия Ивановича, эта проблема нуждается в помощи государства. «Если обеспечить госзаказ на производство высокотехнологичной продукции, страхование рисков для предприятий, кредитные деньги под низкий процент, это помогло бы сдвинуть дело с мертвой точки. Также мы считаем, что необходимо создавать центры масштабирования в академических институтах и университетах, для чего тоже нужно госзадание и проектное финансирование на разработку высокотехнологической продукции. В таком случае риски для бизнеса могут быть в большой степени сняты».

В настоящий момент ИК СО РАН совместно с Министерством промышленности и торговли РФ разрабатывает дорожную карту необходимых России катализаторов. Кроме того, чтобы объединить усилия в этом направлении, ученые, производители катализаторов и производители химической продукции объединяются в Ассоциацию производителей катализаторов.

На «Технопроме-2024» был подписан меморандум о со-здании Ассоциации производителей катализаторов с целью объединить научно-производственный потенциал отечественных разработчиков и производителей катализаторов и выработать совместные согласованные действия, которые будут направлены на обеспечение технологической независимости и экономической стабильности химического и топливно-экологического комплекса РФ. Документ подписали представители ИК СО РАН, Салаватского катализаторного завода, Научно-производственной компании «Синтез», Ред-кинского катализаторного завода, ЗАО «Нижегородские сорбенты», Института нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН, химического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.

«Задачи этой ассоциации более-менее понятны. Это анализ и определение общеотраслевых проблем, выработка путей их решения, взаимодействие с различными министерствами и другими государственными и производственными структурами, кроме того, консолидирование по вопросам совершенствования механизмов налогообложения и финансовая поддержка отечественных производителей и разработчиков катализаторов. Также необходимо подготовить согласованые аналитические материалы по производству критически необходимых катализаторов в России и участвовать в экспертных группах профильных министерств», – отметил Валерий Бухтияров.

На «Технопроме-2024» в рамках пленарного заседания обсуждали национальный проект «Новые материалы и химия», научно-технологическое, кадровое, информационное обеспечение

Докладчики отметили важность и значимость национального проекта «Новые материалы и химия» для экономического развития России. В настоящее время происходит активное формирование принципов, целей и задач проекта.

В национальный проект «Новые материалы и химия» входят пять федеральных проектов:

• Развитие производства химической продукции;
• Импортозамещение критической промышленной биотехнологической продукции;
• Развитие производства композиционных материалов;
• Развитие отрасли редких и редкоземельных металлов;
• Кадровое и научно-технологическое обеспечение.

На «Технопроме-2024» обсудили различные аспекты развития и применения ЦКП СКИФ

На XI Международном форуме технологического развития «Технопром-2024» в ходе мероприятий, посвященных ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов», шла речь о технология синхротронного излучения применительно к нефтегазовой отрасли. Создатели специализированных станций на ЦКП СКИФ и представители крупных российских добывающих компаний рассказали, какие проблемы нефтегазовой отрасли будут решать с помощью синхротрона. Кроме того, на полях «Технопрома-2024» было подписано соглашение об организации консорциума ЦКП СКИФ и ведущих вузов.

Заместитель директора по научной работе ЦКП СКИФ доктор физико-математических наук Ян Витаутасович Зубавичус рассказал о текущем статусе реализации проекта. По его словам, сейчас завершается строительство зданий и идет активная стадия изготовления технического оборудования. «К концу 2024 года основные строительные работы будут выполнены, скорее всего, получится запустить инжекционный комплекс. К концу 2025 года мы готовы полностью сдать объект и ввести его в полноценную научную эксплуатацию. Оборудование комплекса сейчас готово на 70-80%. Идет создание шести станций полной очереди, всего на синхротроне может быть до 30 станций, у нас есть программа их развития, но всё будет зависеть от механизма финансирования со стороны Министерства науки и высшего образования РФ».

Для обучения кадров, которые будут работать на синхротроне, создан межвузовский консорциум по взаимодействию с ЦПК СКИФ. Он будет решать задачи по подготовке научных сотрудников, специалистов по эксплуатации комплексных инженерных систем, проектировщиков.

«Эксплуатация такой установки требует от 300 до 350 высококвалифицированных инженеров, которые смогут обеспечить работу сетей и оборудования. Кроме того, потребуется большое количество научных сотрудников, отвечающих за саму станцию. Поэтому необходимо самим обучать эти кадры. Это обеспечит поток молодых специалистов в отрасль», – отметил директор ФИЦ «Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН» академик Валерий Иванович Бухтияров.

На предложение об участии в консорциуме уже откликнулись организации со всей страны: вузы, учреждения среднего специального образования, школы. «СКИФ может стать удобным образовательным инструментом для того, чтобы вовлекать в исследования студентов младших курсов и, возможно, школьников 10-11-х классов», – прокомментировал Ян Зубавичус.

Ректор Новосибирского государственного технического университета профессор, доктор технических наук Анатолий Андреевич Батаев сообщил, что уже многие государственные университеты Новосибирска ввели дисциплину «Синхротронное излучение». При этом открываются как новые образовательные программы, так и адаптируются уже существующие.

«Станция “Диагностика в высокоэнергетическом рентгеновском диапазоне” будет особенно интересна для участников консорциума. Уже в следующем году можно будет приступить к реализации их идей и наработок. Тематика исследований будет связана с созданием цифрового керна и использованием синхротронного излучения для повышения нефтеотдачи месторождений», – прокомментировал Ян Зубавичус.

Заместитель директора Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН и ведущий научный сотрудник Научно-образовательного центра «Газпромнефть-НГУ», кандидат физико-математических наук Антон Альбертович Дучков рассказал о совместных исследованиях НГУ, Научно-образовательного центра «Газпромнефть-НГУ» и Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН. Ученый отметил преимущества СКИФ по сравнению с рентгеновскими источниками.

«Чем хорош СКИФ – у него на порядки более яркий пучок, а значит, на порядки более быстрое сканирование, также он позволяет рассмотреть гораздо меньший размер образца. Это дает возможность фиксировать очень быстрые процессы и в реальном времени наблюдать за разрушением образца. Шаг между кадрами составляет 20 миллисекунд, и он отображается у оператора на экране во время сканирования. Мы сможем следить за протеканием жидкости в поле и даже за контрольными каплями. Кроме того, СКИФ позволяет осуществлять многомасштабное сканирование, то есть вы можете сделать скан большого образца, а затем тут же, не вынимая мишень, сменить фокус и увеличить разрешение», – сказал Антон Дучков.

Также ученый отметил, что высокие энергии пучка позволяют использовать так называемые фазоконтрастные методики обработки данных. Так, во время обычного сканирования кусочка угля не видно всех неровностей его структуры, однако они проявляются, если сделать фазовый контраст. Это важно для 3D-моделирования и создания цифровых двойников.

Руководитель Научно-технического центра «Газпром нефти» Владислав Вадимович Крутько рассказал о применении синхротронного излучения для исследования свойств залежей нефти и газа.

Сейчас компания работает над созданием цифрового керна, необходимого, чтобы проводить разработку пластов эффективнее и быстрее. На первом этапе этого процесса необходимо сканировать образец, что сейчас делается с помощью обычного рентгеновского электронного микроскопа высокого разрешения порядка 1,5 микрон.

«Этого разрешения недостаточно для того, чтобы визуализировать все особенности горных пород. Кроме того, время сканирования каждого образца исчисляется часами, что не позволяет нам в полной мере визуализировать динамические процессы. Работа со станцией СКИФ даст возможность увеличить разрешение нашей модели до 100 нанометров, а время сканирования будет исчисляться уже минутами и секундами», – сказал Владислав Крутько.

Начальник управления перспективных исследований Томского политехнического университета, где разрабатывается станция СКИФ «Микрофокус», кандидат физико-математических наук Алексей Сергеевич Гоголев прочитал доклад о расширении границ цифрового анализа на керне и рассказал, как в этом может помочь синхротронное излучение.

«Синхротрон позволяет напрямую наблюдать разные фазы (отдельно нефть в породе, отдельно воду, отдельно газ) в достаточно высоком разрешении, а также отдельные динамические процессы, например образование гидратов. Всё это хорошо визуализируется даже без применения фазоконтрастных методик. На нашей станции будут использоваться разные детекторы, в том числе спектральные, которые позволят на ходу определять минеральный состав образца. Характерные размеры, до которых можно спуститься, – 60 нанометров, скорости сканирования – до 20 миллисекунд и ниже, величина образцов может быть меньше миллиметра, синхротрон позволит их сканировать с высоким разрешением и контрастной чувствительностью», – прокомментировал Алексей Гоголев.

Главный менеджер управления разработки ПО для моделирования ООО «РН-БашНИПИнефть» кандидат физико-математических наук Юлия Айратовна Питюк также отметила возможности, которые предоставляет ЦКП СКИФ для создания цифрового керна. «Мы надеемся, что он позволит преодолеть ограничения существующих компьютерных томографов и сложность изучения динамических процессов, а также поможет с калибровкой цифровых моделей».

По материалам газеты «Наука в Сибири»

Scorching heat turns MOF into discerning hydrogenation catalyst

By selectively turning alkynes into alkenes, the porous material could pave the way for more efficient purification of polymer feedstocks

A catalyst that helps convert alkynes into alkenes could offer a more efficient and greener way to achieve the tricky industrial transformation (ACS Catal. 2024, DOI: 10.1021/acscatal.4c00310).

The alkenes used to manufacture polymers often contain troublesome traces of alkynes. To purify these feedstocks, chemists use semihydrogenation to turn carbon-carbon triple bonds into double bonds. This process requires a catalyst that preferentially binds and hydrogenates alkynes but shuns alkenes, sparing double-bonded carbons from further hydrogenation into unwanted alkanes.

One option is a palladium-based Lindlar catalyst, which contains additives such as lead that dial down palladium’s activity. But this type of catalyst sometimes suffers from poor stability and can cause overhydrogenation. And using toxic lead on an industrial scale is far from ideal.

A team led by Pascual Oña Burgos at the Institute of Chemical Technology (ITQ) in Valencia, Spain, has now created a semihydrogenation catalyst based on a metal-organic framework (MOF), a type of porous material containing a scaffold of metal-based nodes holding together organic molecular struts.

Researchers had already found that when MOFs are pyrolyzed at several hundred degrees Celsius, they can form metal nanoparticles embedded in porous carbon, potentially making stable and active catalysts. Oña Burgos’s team has now shown that chemical pretreatment of a MOF before pyrolysis can produce an even more effective catalyst.

The researchers reacted a palladium-indium MOF with aniline and then pyrolyzed the material at 800 °C. That caused the MOF’s metals to form palladium-indium nanoparticles and its organic molecules to degrade into porous carbon peppered with nitrogen atoms. Compared with pyrolyzed MOFs that didn’t get the pretreatment, the strategy produced smaller nanoparticles—and hence a higher density of catalytic sites. Indium improves palladium’s preference for binding alkynes, and nitrogen helps to activate incoming hydrogen molecules.

The catalyst semihydrogenates phenylacetylene to styrene with 96% selectivity, and with 96% conversion at ambient temperature and pressure. In contrast, a commercial palladium-on-carbon catalyst offers only 50% selectivity, generating loads of the unwanted alkane product.

Having proved that their catalyst works well with liquid alkynes, “the next step is to move to the gas phase for industrial applications like the semihydrogenation of acetylene to ethylene,” Oña Burgos says.

Natural minerals catalyze phosphorus cycling

New research shows that natural iron oxides actively catalyze organic phosphorus into its inorganic form

Phosphorus is a key element for all life on Earth. For decades, researchers thought that, in nature, only enzymes could transform organic phosphorus—phosphates within biomolecules—into its bioavailable, inorganic form, free phosphate ions. Minerals in sediment and soil were thought to only adsorb phosphorus, not participate in the dephosphorylation reaction. But now new research shows that naturally occurring iron oxide minerals also act as catalysts (Nat. Commun. 2024, DOI: 10.1038/s41467-024-47931-z).

The work began years ago, when lead researcher Ludmilla Aristilde, an environmental chemist at Northwestern University, designed an initial experiment to follow the dephosphorylation products that developed when aden-osine triphosphate was mixed with pure ferrihydrite, an iron oxide mineral commonly found in soil. Using high-resolution mass spectrometry, the team was able to search for more than just phosphorus, the only target in past experiments. This expertise paid off; the team found organic products—adenosine diphosphate, adenosine monophosphate, and adenosine—but no inorganic phosphate. “If you were only following phosphate,” Aristilde says, “you would say there is no catalysis,” and might incorrectly assume iron oxides are noncatalytic.

A serendipitous encounter with Sharon Bone, a former lab mate and now beamline scientist at SLAC National Accelerator Laboratory, helped Aristilde search for the missing phosphate. Bone agreed to collaborate and initiated an urgent request for beam time so the researchers could analyze the surface of the ferrihydrite with advanced X-ray scattering techniques. Not only did they find phosphate adsorbed to the pure mineral, Aristilde says they also found even more organic, dephosphorylated products. Their findings indicated that the pure minerals were clearly acting as catalysts.

But other researchers remained unconvinced after Aristilde published the work in 2019 (J. Colloid Interface Sci. 2019, DOI: 10.1016/j.jcis.2019.03.086). Fellow scientists asked her, What if real-world samples are too complex to behave in the same way? So Aristilde searched for more collaborators. Two field scientists sent her samples: sediment from the bottom of a lake and soil from a forest floor. Both contained a fraction of iron oxide minerals.

With those real-world samples, Aristilde and her team repeated their initial experiments. After they analyzed the mass spectra and X-ray data, the role of minerals was clear. “Iron oxide in a soil matrix and sediment matrix is also acting as a catalyst,” Aristilde says. And not only are the minerals cata-lyzing dephosphorylation, she says, but the rate of mineral catalysis is comparable to that of an enzyme.

Finding abiotic pathways of producing bioavailable phosphorus in the natural environment has important implications for how researchers understand the phosphorus cycle, says Elizabeth Herndon, an environmental geochemist at Oak Ridge National Laboratory. “With some of the quantitative information that they provide here,” she says, “there’s the potential to incor-porate mineral-catalyzed pathways into biogeochemical models.”

Herndon thinks there are plenty more ecosystems to investigate. “This study opens the door to looking at this catalysis across more environments,” she says, “Maybe it’ll be important in some places and less in other places.”

Chemists make the popular fragrance compound ambrox via asymmetric catalysis

Synthetic route uses an imidodiphosphorimidate catalyst and a fluorinated alcohol solvent

Chemists have made (–)-ambrox—a compound that’s popular in perfumes—starting from (3E,7E)-homofarnesol. A team led by the Max Planck Institute for Kohlenforschung’s Benjamin List developed the route, which achieves asymmetric cyclization of a polyene using a scant amount of a chiral imidodiphosphorimidate catalyst in a fluorinated alcohol solvent (Nature 2024, DOI: 10.1038/s41586-024-07757-7).

This type of asymmetric polyene cyclization has long eluded synthetic chemists, who have been looking for alternatives to gathering (–)-ambrox from ambergris, a waxy substance vomited by sperm whales. List calls the reaction “a provocation by nature to us chemists” because nature can guide the polyene to fold itself in a way that it easily makes the desired isomer, but synthetic chemists struggle to achieve the same selectivity. Previous attempts have used stoichiometric amounts of chiral acids and were not as successful as the new route.

David Sarlah, a synthetic chemist at Rice University who was not involved in the work, calls the synthesis a significant leap forward. “It exemplifies the best case of achieving catalytic and highly selective classical polyene cyclization that mimics nature,” he says in an email. “Although they reported a limited substrate scope, this work can pave the way for translating biomimetic polyene cyclizations toward asymmetric synthesis of many important molecules.”

In recent years, fragrance scientists have developed enzymes that can make (–)-ambrox, and List says his group’s route might be competitive with that biocatalytic synthesis. The team demonstrates that its synthesis works on a multigram scale. The synthesis uses a chiral imidodiphosphorimidate catalyst, which possesses an enzyme-like microenvironment. This catalyst coaxes (3E,7E)-homofarnesol into the perfect position to become (–)-ambrox upon protonation. List says using a fluorinated alcohol solvent was key to the reaction’s success because it helped boost the ionizability of the reactants. The use of fluorinated solvents raises environmental concerns, but Mathias Turberg, a graduate student in List’s lab, says it was easy to recover and recycle the solvent.

The chemists say the approach might also be used on the polyene cycliza-tion of squalene, which is an important step in sterol synthesis. “We’ve barely scratched the surface of this exciting type of transformation,” Turberg says. “It holds great promise for efficiently producing natural products” that are currently made only by enzymes.

Chemical & Engineering News