Специалисты ФИЦ «Институт катализа СО РАН» и Центра компетенций НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики» на его основе разрабатывают каталитические системы для переработки углекислого газа в метан и монооксид углерода. Преимущество таких катализаторов в том, что процесс происходит при комнатной температуре, атмосферном давлении и под солнечным светом, рассказала в ходе V Российского конгресса «Роскатализ» научный сотрудник ИК СО РАН Анна Куренкова.
Промышленные предприятия в условиях декарбонизации производств ищут способы снижать выбросы углекислого газа, но это непростая задача. При традиционной конверсии СО2 задействуются высокие температуры и давления, а это в итоге по энергетической цепочке увеличивает эмиссию парниковых газов.
Ученые Института катализа СО РАН исследуют возможность действительно экологичной конверсии углекислого газа для получения ценных химических продуктов. Они синтезировали катализаторы, позволяющие получать метан и монооксид углерода (прим.: угарный газ) при атмосферном давлении, комнатной температуре и под видимым или солнечным светом. Системы используют энергию света, за счет чего происходит восстановление углекислого газа.
«Мы разрабатываем фотокатализаторы, которые активны под действием видимого или солнечного света. Это системы на основе диоксида титана, модифицированные графитоподобным нитридом углерода, медью и ее оксидами. Данные катализаторы показали высокую активность в восстановлении СО2, и мы считаем, что они перспективны не только для получения метана и монооксида углерода, но и других ценных продуктов», — рассказала научный сотрудник Отдела гетерогенного катализа ИК СО РАН и ЦК НТИ к.х.н. Анна Куренкова.
По ее словам, исследователи недавно предложили новый способ синтеза графитоподобного нитрида углерода с функциональными кислородсодержащими группами, который обладает значительной активностью не только в реакции восстановления СО2, но и в выделении H2 под действием солнечного света.
 

Специалисты ФИЦ «Институт катализа СО РАН» и Центра компетенций НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики» показали перспективность выделения чистого водорода из продуктов паровой конверсии спиртов и эфиров электрохимическим способом. Они запатентовали установку, которая обеспечивает выше 90 % извлечения водорода с чистотой 99,96 об. %. Об этом сообщил в ходе V Российского конгресса «Роскатализ» ведущий научный сотрудник института Сухэ Бадмаев.  
Получение водорода из углеводородов и оксигенатов (прим.: спиртов и простых эфиров) обычно сопровождается образованием оксидов углерода. Чтобы очистить водород, ученые ИК СО РАН решили использовать электрохимический способ. Они разработали бифункциональные катализаторы для паровой конверсии оксигенатов и запатентовали устройство, которое состоит из водородного насоса (прим.: электрохимической ячейки) с мембраной на основе полибензимидазола, комбинированного с каталитическим реактором. В этом реакторе получают водородсодержащую смесь с минимальным содержанием монооксида углерода (прим.: СО), которая затем подается в водородный насос для извлечения чистого водорода.
«Разработанные нами бифункциональные катализаторы благодаря наличию поверхностных кислотных и медьсодержащих центров обеспечивают полное превращение диметилового эфира, диметоксиметана и метанола в водородсодержащий газ с концентрацией СО менее 1 об. %. Это очень важно, потому что концентрация монооксида углерода напрямую влияет на эффективность работы водородного насоса», — рассказывает ведущий научный сотрудник Отдела гетерогенного катализа к.х.н. Сухэ Бадмаев.
По его словам, чем больше СО в реформате, тем больше поляризуется электрод за счет отравления электрокатализатора, соответственно, увеличивается расход электроэнергии на выделение чистого водорода.
В итоге ученым удается извлекать 90 % водорода с чистотой 99,96 % при энергетической эффективности более 75 %. Примечательно, что данная установка может работать как топливный элемент: если не нужно получать водород, она может генерировать электроэнергию.
Следующий этап — разработать технико-экономическое обоснование создания таких установок.

Четверо специалистов ФИЦ «Институт катализа СО РАН» победили в конкурсе на назначение стипендии Президента РФ для аспирантов и адъюнктов. Всего были отобраны 500 стипендиатов. 
Победителями стали:
Младший научный сотрудник Отдела материаловедения и функциональных материалов, аспирант ИК СО РАН третьего года обучения Софья Афонникова;
Младший научный сотрудник Отдела нетрадиционных каталитических процессов, аспирант ИК СО РАН первого года обучения Тимур Фазлиев;
Младший научный сотрудник Отдела гетерогенного катализа, аспирант НГУ третьего года обучения Александр Нашивочников;
Младший научный сотрудник Отдела гетерогенного катализа, аспирант НГУ третьего года обучения Артём Урлуков.
Исследования соискателей стипендии должны были соответствовать приоритетам Стратегии научно-технологического развития РФ.
«Президентская стипендия назначается талантливым молодым исследователям, которым предстоит решать масштабные задачи. Речь о том, чтобы создавать технологии и продукты, которые превзойдут зарубежные аналоги, обеспечат технологическое лидерство нашей страны в ключевых, перспективных областях. Для этого у наших стипендиатов есть главное – талант, знания, дерзновение, а также поддержка наставников и государства», — сказал глава Минобрнауки Валерий Фальков.
Наши стипендиаты рассказали немного о своих работах и престижности стипендии для них:
Софья Афонникова: «Я получила стипендию на реализацию своей аспирантской работы «Синтез и исследование сплавных никелевых катализаторов в разложении углеводородов С2-С4 с получением углеродных наноматериалов». Работа направлена на разработку комплексного подхода к переработке легких углеводородов, входящих в состав попутного нефтяного газа. Я рада, что выиграла в конкурсе. Думаю, что это чувство можно сравнить с получением гранта. И, мне кажется, что такая поддержка может стать трамплином в научной карьере. Благодаря стипендии можно спокойно подумать о дальнейшем развитии своей работы после защиты кандидатской диссертации».
Артём Урлуков: «Эта стипендия присуждается аспирантам, проводящим научные исследования в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития нашей страны. Моя работа посвящена разработке катализаторов на основе платиновых металлов для процессов конверсии углеводородов в водородсодержащий газ. Это важно для повышения эффективности переработки углеводородного сырья и, следовательно, усиления научно-технологического развития РФ. Я очень рад, что в этом году удалось выиграть в конкурсе и получить эту стипендию, ведь это наиболее важная и престижная стипендия для аспирантов. Мне приятно, что мою работу так высоко оценили, это добавляет мотивации продолжать заниматься наукой и развиваться дальше в области катализа».
Александр Нашивочников: «Моя работа посвящена лазерному синтезу наноматериалов на основе диоксида циркония, их дизайну для конкретных областей применения: для люминесцентных приложений и для дегидрирования легких алканов, то есть каталитических приложений. Конечно, приятно выиграть, войдя в условный топ аспирантов на данный момент. Особенно приятно, что тематика моей диссертационной работы была признана экспертами актуальной и востребованной — достаточно важно получить такое признание, когда до защиты кандидатской остается не так много времени».
Тимур Фазлиев: «Тема моей аспирантской работы связана с синтезом и исследованием материалов на основе ванадата висмута для фотокаталитического получения пероксида водорода. Эта тема важна с точки зрения создания новых экологически чистых способов получения высокочистых растворов пероксида водорода, в том числе с целью конверсии и запасания энергии солнца. Я очень рад победе, поскольку это подчеркивает актуальность и значимость тематики работы для страны и общества. Очень благодарен своему руководителю и коллегам из НТК Фото- и электрокатализ за помощь и всестороннюю поддержку».

Специалисты ФИЦ «Институт катализа СО РАН» разрабатывают и улучшают материалы для адсорбции СО2, которые состоят из силикагеля и ионной жидкости на основе соли глицина — глицината. В частности, они определили оптимальные условия синтеза материала с высокой скоростью поглощения и 100-процентной конверсией.
Ионные жидкости — это органические соли с низкой температурой плавления: они становятся жидкими при 100 °C и ниже. Благодаря таким свойствам их используют в различных отраслях: от биологии до ракетостроения в качестве растворителей, электролитов или катализаторов. В Институте катализа СО РАН ионные жидкости исследуют в системах сорбции углекислого газа. 
«Мы применяем ионные жидкости с аминокислотным анионом, аминогруппа в составе которого — активный центр сорбции СО2, и она напрямую взаимодействует с углекислым газом. Но эти жидкости имеют очень высокую вязкость, из-за чего скорость сорбции в массивном состоянии низкая. Чтобы ускорить процесс, нужно увеличить дисперсность активного компонента — для этого его наносят на носители с развитой пористой структурой, в нашем случае, на силикагели. Благодаря этому процесс заметно ускоряется», — рассказывает один из авторов исследования, младший научный сотрудник Отдела нетрадиционных каталитических процессов ИК СО РАН Андрей Шешковас.
Активные центры, на которых проходит реакция, — это глицинат-ионы (анионы аминокислоты глицина). Реакция идет в две стадии. Сначала углекислый газ взаимодействует с аминогруппой, в результате чего получается карбаминовая кислота, после чего происходит обмен протона со следующим анионом ионной жидкости, и образуется карбамат. Эти вещества нетоксичны и сами по себе существуют в природе. 
Ученые ИК СО РАН улучшают свойства этих систем. В частности, они исследовали параметр микровязкости — он в числе других может отвечать за скорость поглощения СО2. Для этого они применили передовой метод дейтериевого ядерного магнитного резонанса. Это один из немногих методов, который позволяет изучать динамику движения и взаимодействия молекул напрямую в порах носителя. Специалисты установили, что внесение ионных жидкостей помогает снизить энергетический барьер вращения молекул. Они локально переориентируются в порах носителя, и такое положение снижает микровязкость ионных жидкостей, благодаря чему повышается скорость поглощения углекислого газа — за короткий срок конверсия достигает 100 %.
По словам исследователя, скорость поглощения СО2 одним и тем же материалом без пористого носителя и вместе с ним может отличаться в тысячу раз, если нанести его на пористую матрицу. Также он отмечает, что у разрабатываемых материалов затраты энергии на регенерацию в полтора раза ниже, чем у традиционных водно-аминовых растворов, которые сейчас используют в промышленности.
В планах ученых — продолжать изучать свойства материалов и варьировать их параметры, чтобы добиться более высокой сорбционной емкости углекислого газа. 

Специалисты ФИЦ «Институт катализа СО РАН» разрабатывают новые катализаторы для переработки фурфурола — ценного химического продукта, который получают из отходов деревообрабатывающей и сельскохозяйственной промышленности. Разработка важна как в плане экологичности синтеза фурановых соединений, так и в целом для развития химической отрасли страны и импортозамещения.
Фурфурол — гетероциклическое фурановое соединение, которое производят с помощью минеральных кислот из побочных продуктов сельского хозяйства и деревообрабатывающей промышленности. Его используют как растворитель, компонент твердых смол, полимеров и бактерицидных препаратов. Из фурфурола получают целый спектр ценных химических соединений, в частности, фурфуриловый спирт и 2-метилфуран, которые широко применяют в химической промышленности, в том числе в создании лекарств и средств защиты растений.
Фурфурольная промышленность в России развита слабо — действует лишь один завод, хотя продукт востребован. По словам инженера Инжинирингового центра ФИЦ «Институт катализа СО РАН» Анастасии Суминой, для развития этого направления в стране есть обширная сырьевая база.
«В мире производят более 400 тысяч тонн фурфурола в год, а в России работает всего один завод мощностью две тысячи тонн в год. Объем производства этого соединения и его производных не покрывает потребности промышленности, и фурфурол закупается за рубежом, в основном в Китае. При этом у нас развита деревообрабатывающая отрасль, и было бы экономически эффективно перерабатывать ее отходы в ценные продукты».
Специалисты ФИЦ «Институт катализа СО РАН» в рамках деятельности Лаборатории катализаторов и материалов малотоннажных химических процессов ИК СО РАН (молодежная лаборатория в составе Инжинирингового центра, открыта в 2024 г. – прим.) создали новые экологичные и доступные катализаторы для получения фурфурилового спирта и 2-метилфурана. Сплавные каталитические системы содержат переходные металлы, такие как медь, никель, кобальт, железо, алюминий, и используются в парофазной и жидкофазной гидроконверсии фурфурола. Помимо разработки катализаторов, ученые также проводят исследования в рамках сотрудничества с промышленностью. 
«В ходе выполнения государственного задания мы создаем оригинальные каталитические системы, часть из которых уже запатентованы, другие находятся на стадии регистрации прав. В присутствии одной из таких систем при варьировании условий можно достичь высокой селективности как по фурфуриловому спирту (до 100 %), так и по 2-метилфурану (до 80 %)», — рассказывает к.х.н. Светлана Селищева, научный сотрудник Лаборатории катализаторов и материалов малотоннажных химических процессов ИК СО РАН.
Важный аспект работы лаборатории — исследования, направленные на поиск более экологичной и безопасной альтернативы традиционным катализаторам получения фурфурола на основе соединений хрома. 
«Промышленные катализаторы для превращения фурфурола в фурфуриловый спирт — это достаточно токсичные системы. Содержание хрома в них может достигать 30 %, и они не подвергаются регенерации, то есть утилизируются после отработки. В наших планах — исследовать регенерацию разрабатываемых систем», — отмечает Анастасия Сумина.
Специалисты также работают над масштабированием разработок — в ближайшее время создаваемые катализаторы будут исследоваться на опытной установке, а также будут протестированы их прочностные характеристики.

Российский научный фонд подвел итоги грантового конкурса для поддержки исследований, которые ведут малые научные группы. Гранты выиграли четыре проекта специалистов ФИЦ «Институт катализа СО РАН». Тематика работ касается разработки катализаторов полного окисления, повышения эффективности биметаллических катализаторов, создания каталитических систем для переработки природного газа, а также переработки отработанных растительных масел.
Российский научный фонд в рамках конкурса проектов фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами в этом году рассмотрел около 5 тысяч заявок, из которых поддержку получили 1154 проекта. Гранты направлены на развитие новых научных тематик и формирование исследовательских команд.
Коллектив старшего научного сотрудника Отдела исследования катализаторов Института катализа СО РАН, к.х.н. Ольги Булавченко занимается изучением закономерностей формирования катализаторов полного окисления на основе высокоэнтропийных оксидов со структурой флюорита.
«Высокоэнтропийные оксиды представляют собой новый класс материалов, содержащих пять и более катионов в подрешетке, в которых единая структура стабилизируется за счет изменения конфигурационной энтропии. Наличие нескольких разнородных элементов в одной матрице способствует перераспределению заряда и образованию дефектов — и это привлекает внимание в плане разработки потенциальных катализаторов. Мы планируем использовать свойства высокоэнтропийных оксидов для создания катализаторов полного окисления СО и углеводородов», — рассказывает она.
Заместитель директора ЦКП «СКИФ» по научной работе, д.х.н. Андрей Бухтияров руководит проектом, направленным на разработку подходов повышения эффективности биметаллических катализаторов за счет их постсинтетической обработки для ряда важных каталитических процессов, в том числе реакции окисления CO и селективного гидрирования CO2.
«Идея заключается в том, чтобы установить возможности использования эффектов адсорбционно-индуцированной сегрегации, возникающих в биметаллических системах под воздействием газовых или реакционных сред, для "тонкой" настройки поверхности модельных Cu-In и Cu-Co катализаторов для управления их каталитическими свойствами. Актуальность таких исследований связана с тем, что закономерности управления поверхностной структурой биметаллических наночастиц и природой активных центров за счет использования постсинтетической обработки катализаторов в газовых средах, изученные в рамках проекта, могут быть распространены на реальные каталитические системы для улучшения их характеристик в промышленно-значимых каталитических реакциях. Этот подход имеет большой потенциал для практического применения. Полученные результаты позволят сформулировать рекомендации для разработки методов целенаправленного управления структурой активных центров в таких биметаллических катализаторах», — поясняет ученый.
Младший научный сотрудник Отдела исследования катализаторов ИК СО РАН Александр Горкуша вместе с коллегами исследует создание каталитических систем для переработки природного газа. Сейчас газ в основном сжигается как топливо, хотя по сути является перспективной альтернативой нефти для органического синтеза. Один из возможных способов прямой конверсии метана — процесс окислительной конденсации для получения этилена без сложных многостадийных процессов, но в промышленности такой процесс пока не реализуется из-за того, что нет эффективных катализаторов.
«Мы планируем подробно исследовать микроструктуру оксидов, используя разработанные ранее оригинальные авторские рентгенографические методики для оценки содержания планарных дефектов в структурах A2BO4, электронную микроскопию, рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию, Н2-термопрограммированое восстановление, адсорбцию. Это позволит получить более глубокие представления о природе дефектов, влияющих на активность данных оксидов и разработать общие подходы к получению высокоэффективных, термостабильных катализаторов. Разработанные общие подходы позволят создать задел для внедрения новых каталитических материалов на основе Sr2TiO4 и Sr2SnO4 для получения этилена в процессе окислительной конденсации метана», — говорит Александр.
Проект заведующего Лабораторией катализаторов и материалов малотоннажных химических процессов, к.х.н. Романа Кукушкина нацелен на разработку научных основ приготовления Ni-Mo катализаторов на основе формованных цеолитсодержащих носителей для одностадийной гидропереработки отработанных растительных масел. 
«Мы занимаемся созданием отечественных катализаторов переработки отработанных пищевых масел в компоненты моторных топлив. Актуальность темы связана с необходимостью переработки этих отходов, которые утилизируют предприятия общественного питания. Отработанные масла — ценное сырье для получения жирных спиртов и кислот, а также компонентов топлив. В рамках проекта мы исследуем подходы к приготовлению катализаторов на основе цеолитсодержащих формованных носителей и неблагородных металлов Ni и Mo и определение их каталитической активности в процессе гидрообработки отработанных пищевых масел», — объясняет он.

Специалисты ФИЦ «Институт катализа СО РАН» систематически исследуют проблемы глубокой очистки фракций тяжелых нефтей от серы. Они установили одну из ранее неизвестных причин, затрудняющих удаление соединений серы при переработке тяжелых нефтей — наличие ванадилпорфириновых комплексов, которые вступают в реакцию с сероорганическими соединениями. В перспективе новые знания помогут улучшить эффективность переработки нефтяного сырья и повысить степень его очистки.
Обессеривание — обязательный этап очистки как исходной высокосернистой нефти, так и высокооктановых топлив, полученных из нее. Принятые экологические стандарты топлива требуют почти полного отсутствия загрязнителя: по стандарту Евро-5 — не выше 10 мг/кг серы.
В тяжелой нефти всегда присутствуют ванадилпорфирины — металлические комплексы сложных макроциклических молекул, указывающих на источник происхождения нефти. Их применяют в медицине, биохимических сенсорах, солнечных энергетических элементах, катализе, квантовой информатике.
Неокислительные и невосстановительные реакции между ванадилпорфириновыми комплексами и сероорганикой исследованы мало, и их роль в процессах обессеривания не известна. Ученые ФИЦ «Институт катализа СО РАН» взялись за эту проблему и с помощью высокотемпературной спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) in situ впервые установили, что ванадилпорфирины способны обратимо улавливать химически активные формы серы в термических условиях, аналогичных процессам традиционной нефтепереработки. Метод ЭПР позволил в режиме реального времени наблюдать за химическими превращениями этих соединений при температурах до 425 °C. 
«Мы впервые доказали, что при температурах выше 260 °C в тяжелой нефти, без каких-либо добавок, протекает обратимая реакция, в которой ванадилпорфирины превращаются в тиованадилпорфирины за счет замещения атома кислорода на восстановленную серу. Эта реакция подавляется в присутствии воды и воздуха, а при насыщении нефти газообразным сероводородом, наоборот, конверсия ванадилпорфиринов растет. При охлаждении термически обработанной нефти тиованадилпорфирины полностью превращаются в исходные ванадилпорфирины. Такой неизвестный цикл оборота серы в нефтепереработке является скрытым фактором, который препятствует глубокому обессериванию: в ходе термической обработки нефти образуется некий "серный буфер", который удерживает серу, увеличивая время оборота сернистых соединений и препятствуя их полному удалению», — рассказывает старший научный сотрудник Отдела физико-химических исследований на атомно-молекулярном уровне ИК СО РАН, доцент, к.х.н. Андрей Чибиряев.
По словам ученого, реакцию необходимо учитывать при разработке полных кинетических моделей гидроочистки и гидродеметаллизации тяжелых нефтяных остатков. Здесь ванадилпорфириновые комплексы прекрасно справляются с ролью естественных внутренних «датчиков» восстановительных химических превращений сероорганики в режиме реального времени.
Полученные результаты раскрыли ранее неизвестный путь трансформации серы в сложных многокомпонентных нефтяных системах, и это продемонстрировало эффективность метода ЭПР in situ. В ближайших планах ученых — выяснить химическую природу серосодержащих предшественников, способных термически превращаться в реакционноспособную сероорганику.