Наука о катализе

Катализ — одна из самых наукоемких и перспективных фундаментальных областей, которая развивается на стыке химии, физики, биологии и математики. Решение многих научных, технологических, экологических проблем – от многотоннажного производства органических веществ до управления жизненно важными биохимическими процессами в живой клетке – непосредственно связано с катализом.

С химической точки зрения катализ — явление, при котором вещества, называемые катализаторами, вступая в цикл промежуточных взаимодействий, ускоряют протекание химических реакций, однако сами при этом не расходуются. Как следствие, очень малые количества катализаторов могут обеспечить конверсию значительно бoльших количеств химических веществ (в некоторых случаях в миллионы раз). Поэтому вклад катализа в экономическое развитие невозможно переоценить.

Масштабы каталитических процессов в промышленности увеличиваются с каждым годом. Катализаторы и каталитические технологии используются в 90 % всех производств химической промышленности. Катализаторы являются необходимым расходным материалом для более чем 95 % промышленных технологий нефтепереработки и нефтехимии. Катализаторы и технологии на основе каталитических процессов применяются в следующих областях:

• нефтепереработка и нефтехимия;
• использование нетрадиционного сырья (включая природный газ, уголь и возобновляемое органическое сырье) для синтеза химических продуктов, жидких моторных топлив и иных химических энергоносителей;
• производство полупродуктов и мономеров для основного и тонкого органического синтеза; синтез полимерных материалов;
• получение крупнотоннажных химических продуктов и удобрений;
• фармацевтическая промышленность: получение лекарств, витаминов, средств защиты растений и других биологически активных веществ;
• природоохранная деятельность, включающая очистку выбросов промышленных предприятий и транспорта;
• новейшие технологии, связанные с экологически чистыми и автономными энергосистемами и освоением нетрадиционных и возобновляемых энергоресурсов.

В настоящее время ФИЦ «Институт катализа имени Г.К. Борескова СО РАН» – одна из наиболее мощных структур в России, которая работает в области как фундаментального, так и практического катализа. Основными направлениями деятельности ИК СО РАН на протяжении многих лет являются:

• разработка научных основ катализа и создание высокоэффективных, селективных катализаторов и каталитических систем;
• исследование природы каталитического действия и его предвидение;
• разработка научных основ приготовления катализаторов;
• исследования в области кинетики каталитических процессов, разработка теоретических основ химической технологии;
• разработка катализаторов и каталитических процессов для новых областей применения, в том числе для решения проблем охраны окружающей среды;
• разработка основ технологий направленного синтеза сложных органических и неорганических соединений;
• осуществление исследований и отработки каталитических технологий в промышленных условиях.

Основу для развития каталитических технологий создают фундаментальные исследования. Приоритетным направлением фундаментальных исследований в области катализа является исследование механизма и закономерностей протекания каталитических реакций на атомно-молекулярном уровне. Понимание этих механизмов способствует расширению области практического применения промышленных катализаторов и разработке технологий, характеризующихся отличными технико–экономическими показателями, экологической безопасностью, высоким выходом и качеством целевых продуктов.

Успех работ в этой области обеспечивается во многом развитием современных физико-химических методов исследования катализаторов и функциональных материалов на атомно-молекулярном уровне, в том числе, непосредственно в режиме протекания реакции in-situ.

Важным направлением в области фундаментальной науки о катализе является развитие научных основ приготовления катализаторов. В последнее время достаточно большое внимание уделяется прогнозированию свойств катализаторов при их синтезе и подборе, что позволило создать теоретическую и математическую основу недавно появившегося направления – комбинаторного катализа.

Появление новых классов катализаторов открывает принципиально новые области применения каталитических технологий для синтеза новых материалов и веществ.

Актуальной проблемой в настоящее время является охрана окружающей среды, что делает экологическую направленность катализа также одним из приоритетных пунктов.

В настоящее время стало очевидным, что необходима разработка альтернативных и возобновляемых источников энергии различного происхождения: геотермальной, гидроэнергии, энергии ветра, приливов, солнечной энергии, энергии биомассы и т.д. Пристальное внимание уделяется проблемам развития водородной энергетики – поиску новых источников водорода; его использованию, хранению и транспортировке; а также экономическим аспектам водородной энергетики.

Стремление к миниатюризации привело к созданию микрореакторов – реакторов субмиллиметровых размеров. Для них характерны экстремально большое соотношение поверхность/объем и исключительно высокие скорости массо- и теплопереноса. Благодаря этим свойствам в микрореакторах могут безопасно протекать каталитические процессы с участием токсичных и взрывоопасных веществ, становится реальным контроль за высокоэкзотермичными и высокоэндотермическими процессами. 

Продвижение разработки от исходной идеи и фундаментальных исследований к внедрению – сложный, многостадийный процесс, который иногда затягивается на несколько лет. Тем не менее, за последние годы, в том числе с участием Института катализа СО РАН, созданы и внедрены в промышленность новые высокоэффективные катализаторы и технологии, отвечающие требованиям времени и пользующиеся спросом не только на российском рынке.