Фундаментальные исследования в области катализа и гетерогенных химических реакций и перспективы их использования

1. Введение

2. Структура грантов, поддерживаемых РФФИ в области катализа

3. Анализ результатов выполнения грантов РФФИ с точки зрения прикладных задач

3.1. Исследования механизма каталитических реакций

3.2. Развитие методов исследования каталитических реакций

3.3. Новые катализаторы и методы осуществления каталитических реакций

3.4. Протекание каталитических реакций под воздействием физико-химических факторов

3.5. Полимерные и углеродные материалы

3.6. Энергонасыщенные материалы и энергонапряженные процессы

4. Современное состояние и перспективные области развития фундаментальных исследований для решения проблем

3. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ГРАНТОВ РФФИ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ

В данном разделе мы приводим очень краткое описание результатов, полученных в ходе выполнения некоторых из отобранных проектов (в соответствии с аннотациями авторов проектов) и обозначаем некоторые возможные области их практического использования.

3.1. ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЗМА КАТАЛИТИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ В проекте 97-03-32028 авторы решают проблему превращения диоксида углерода в органические соединения. Результаты исследований по данному проекту представляют интерес в связи с двумя обстоятельствами. Первое заключается в использовании в качестве катализаторов водород-аккумулирующих интерметаллидов, способных накапливать значительные количества водорода в своей структуре и затем высвобождать этот водород в активной форме. Таким образом, дальнейшее развитие этих исследований интересно для создания водородных источников топлива (водородных аккумуляторов) для транспорта и автономно движущихся средств. Другое направление возможной прикладной реализации проекта - это новый метод извлечения СО2 и его трансформации в жидкие углеводороды. Одновременно с очисткой атмосферы от СО2 будет происходить накопление топливных ресурсов.

3.2. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ КАТАЛИТИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Проект 99-03-32314 посвящен исследованию процессов массопереноса в пористых средах методом ЯМР-томографии. Получены количественные параметры массопереноса жидкой фазы внутри пористой матрицы в процессе сушки. Продемонстрирована принципиальная возможность применения метода ЯМР-томографии для исследования процесса сушки засыпки из гранул пористого материала. Развитый в проекте подход может найти применение для исследования процессов сушки термолабильных материалов, а также для изучения процессов фильтрации газовых и жидких реагентов в пористых средах.

3.3. НОВЫЕ КАТАЛИЗАТОРЫ И МЕТОДЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ КАТАЛИТИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Среди проектов данной группы отметим серию проектов: 99-03-32341, 97-03-32544, 95-03-08183, 96-03-34148, 96-03-33873, посвященных методам получения, исследования и использования ультра- и нанодисперсных структур.

В проекте 99-03-32341 методом осаждения получены стабильные и хорошо воспроизводимые наногетерогенные палладиевые структуры, демонстрирующие аномально высокую сорбционную способность, вплоть до образования гидридов (т.е. аккумуляторов водорода). Последнее может представлять интерес, в частности, для создания транспортных средств нового поколения.

Проект 97-03-32544 посвящен изучению атомной структуры ультрадисперсных порошков металлов, приготовленных методом электрического взрыва металлических проволок в атмосфере инертных газов. Ультрадисперсные металлы, приготовленные методом электрического взрыва, стали испытывать в различных каталитических реакциях сравнительно недавно. Впервые детально охарактеризована структура ультрадисперсных порошков различных металлов, выявлены типы дефектов, а также показано, что атомы инертного газа, в котором происходит взрыв, могут связываться с металлом. При этом эти атомы находятся не на поверхности частиц металла, а локализованы в объеме твердого тела. Впервые показано, что химически чистые металлические системы Ag(Ar) и Ag(Xe) могут эпоксидировать этилен молекулярным кислородом с селективностью, близкой к 100%. Этот факт является удивительным для газофазного процесса получения этиленоксида на твердых катализаторах, поскольку столь высокие значения селективности наблюдались ранее лишь в жидкофазных процессах эпоксидирования олефинов гидропероксидами.

В проекте 95-03-08183 впервые разработаны методики фотохимического получения высокодисперсных, устойчивых (свыше 1 года) оптически прозрачных компактных пленок коллоидной меди, серебра и золота на поверхности гладкого кварца и в объеме матриц различной жесткости (поливиниловый спирт, полиэтиленгликоль, пористое стекло). Новизна и значимость результатов исследований по данному проекту определяются тем, что коллоиды металлической меди, полученные фотохимическим методом, обладают ярко выраженными каталитическими свойствами. Это позволяет использовать такие коллоиды в качестве катализаторов, например, в процессах безэлектродной металлизации диэлектриков, и в частности, волокон синтетических и натуральных тканей. Это представляет интерес для создания новых материалов, используемых для защиты от теплового и иных видов излучений.

Большая серия проектов посвящена различным типам новых катализаторов (в основном для реакций в жидких средах) и их применению: 98-03-32410, 98-03-32015, 98-03-32560, 98-03-32900, 99-03-32381. Среди этих проектов отметим проект 98-03-32410, посвященный гидроксидам железа, которые оказались активным катализатором окисления токсичных соединений в водных средах. В проекте исследованы каталитические свойства гидроксисоединений железа в реакции разложения H2O2 и окисления органических токсикантов в водных растворах. Возможные области прикладного использования - уничтожение различных типов токсичных жидких отходов.

В проекте 97-03-32162 кремнеземные стекловолокнистые тканые материалы (КСВК), активированные путем имплантации ионов металла в стекловолокна, использованы для создания нового типа каталитических систем для глубокого окисления и некоторых других реакций. При условии равной активности в реакциях каталитического окисления катализаторы на основе КСВК содержат на порядок меньше Pt и Pd, чем катализаторы на традиционных носителях. Разработанный метод приготовления катализаторов на основе КСВК, легированных малыми количествами металлов, не имеют аналогов в мировой исследовательской и производственной практике. В силу высокой активности данных катализаторов они могут применяться для очистки воздуха от токсичных примесей, при окислении водорода, очистке выхлопных газов автотранспорта и т.п.

Среди проектов рассматриваемой группы следует также выделить проект 97-03-33533, посвященный исследованию суперконцентрированных растворов электролитов в пористых телах. В ходе выполнения проекта разработаны методы синтеза суперконцентрированных растворов хлорида кальция и бромида лития в пористой матрице. Показано, что в мезопорах возможно образование твердых низших кристаллогидратов хлорида кальция (бромида лития) и существует область совместного существования жидкой и твердой фаз. Результаты выполнения проекта могут найти применение для разработки активной тепловой защиты оборудования от высокоэнергетических воздействий за счет большой теплоемкости разработанного материала, а также создания аккумуляторов воды для использования в засушливых местностях.

3.4. ПРОТЕКАНИЕ КАТАЛИТИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

Проекты этой группы можно разделить на две подгруппы. К первой относятся исследования, связанные с формированием катализаторов или собственно протекания каталитических (химических) процессов в условиях интенсивных физико-химических воздействий (проекты 98-03-33211, 94-03-09350, 99-03-32135, 94-03-09542, 94-03-08029,99-03-32465). Вторую подгруппу представляют исследования свойств катализаторов, полученных при интенсивном внешнем воздействии (проекты 98-03-32130, 98-03-32843, 99-03-32164, 96-03-32189).

В проекте 94-03-08029 экспериментально показано, что при низкотемпературном радиолизе молекулярных кристаллов в образцах накапливается значительное количество потенциальной энергии в виде неравновесных метастабильных состояний. Энергия, накопленная в метастабильном состоянии, превышает энергию, накопленную в стабилизированных радикалах и ионах. Результаты работы по этому проекту могут представить интерес для получения новых специфически активных катализаторов-инициаторов химических реакций.

В проекте 99-03-32469 экспериментально исследован механизм горения гетерогенных систем в магнитном поле. Обнаружено явление объемной термо-ЭДС, возникающей после сгорания гетерогенных систем. Основным источником объемной термо-ЭДС является термоэлектронная эмиссия с поверхности контактирующих частиц гетерогенной системы. Выявлено влияние магнитного поля на структуру и фазовый состав продуктов, что открывает возможность управления протеканием гетерогенных реакций.

В определенном смысле к рассмотренному проекту примыкает проект 99-03-32164, в котором с помощью физических методов изучен состав поверхности сложных многокомпонентных катализаторов на различных стадиях формирования. Установлен характер перераспределения компонентов на поверхности железа, промотированного оксидами алюминия и калия в окисленном, пассивированном и восстановленном состояниях. Показано, что составы поверхности и объема кардинально отличаются друг от друга: поверхность обогащена промоторами и примесями за счет уменьшения доли железа в приповерхностном слое.

3.5. ПОЛИМЕРНЫЕ И УГЛЕРОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

3. 5.1. Полимерные материалы

Проекты, отнесенные к данной группе, можно разделить на две подгруппы: а) направленные на создание катализаторов для получения полимеров и б) ориентированные на получение полимеров с новыми свойствами. К первой подгруппе относятся проекты 99-03-33444, 99-03-32948, 98-03-33372, 95-03-08193. В проектах 99-03-33444 и 99-03-32948 получены начальные результаты, связанные с синтезом металлоценовых катализаторов полимеризации и сополимеризации олефинов. В целом, работы по данному направлению в России развиты крайне слабо и поэтому требуется их всемерная поддержка. О достижении результатов, представляющих практический интерес, здесь говорить пока рано.

Проблеме получения электропроводящих полимеров посвящен проект 96-03-33964. В проекте впервые предложен и разработан метод каталитического электрохимического синтеза полианилина и полиацетилена. Такой метод необходим для электросинтеза полианилина на электродах из неблагородных металлов, которые в естественных условиях покрыты изолирующей защитной пленкой. Использование катализаторов ускоряет протекание первой (лимитирующей) стадии окисления мономера, соответственно, ускоряет начало процесса и снижает электродный потенциал, необходимый для электросинтеза. По существу, сделан новый шаг в создании электроактивных материалов на основе полиацетилена (полианилина). Результаты проекта могут оказаться полезными для применения в областях, где требуется защита электроактивных металлических поверхностей с помощью полимерных электропроводящих пленок.

Особо следует отметить проект 95-03-09416, где разработаны основы синтеза новых фторсодержащих негорючих эластомеров и пластиков с высокой термо-, морозо- и хемостойкостью. Разработанные блок-сополимеры содержат фрагменты ароматических и перфторированных эфиров. Полученные полимеры представляют собой прозрачные стеклообразные материалы светло-желтого цвета. В интервале температур 350-450оС полимер сначала теряет около 40% массы, а затем скорость деструкции уменьшается, что указывает на образование вторичных, более термостабильных полимерных структур. Областью применения новых полимеров может являться, прежде всего, техника (авиация, транспорт и др.), где требуются материалы, устойчивые к низким и высоким температурам.

3.5.2. Углеродные материалы и катализ

Значительно меньшее количество проектов связано с углеродной тематикой (проекты 97-03-32497, 95-03-08902, 98-03-32097, 99-03-32420).

В проекте 99-03-32420 показано, что существенное влияние на рост углеродных нитей оказывают природа углеводородов, температура реакции, а также фазовый состав активных каталитических частиц. При температуре 4000С происходит образование тонких углеродных нитей с диаметрами 20-30 нм. При температурах 500-6000 С на частицах металла растут симметричные нити с диаметром 50-70 нм. При температурах 700-7500С на частицах металла с размером 3-5 нм происходит образование ультратонких нанотрубок с диаметром 10-20 нм и графитовыми слоями, параллельными оси нанотрубки.

В целом развитие работ по углеродным материалам в рамках РФФИ представляется явно недостаточным, тем более в области каталитической химии углерода. Углеродные материалы широко применяются и, безусловно, будут применяться и в дальнейшем в атомной промышленности, авиации и др. Разработка методов управления процессами формирования структуры углеродных материалов (а значит и их свойствами) представляет крайне важную научную задачу.

3.6. ЭНЕРГОНАСЫЩЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ЭНЕРГОНАПРЯЖЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Проекты данной группы касаются не только катализа, но и смежных областей физической химии, включая горение. Однако с точки зрения значимости для практического использования эти проекты полезно рассматривать совместно.

Разделим проекты на три группы:

1. методы синтеза и свойства специальных углеводородных материалов (проекты 97-03-33102, 97-03-33021, 97-03-32365, 94-03-09845, 99-03-32080);

2. горение жидких энергонасыщенных материалов (проекты 98-03-32309, 96-03-33775, 95-03-09162);

3. исследование процессов гетерогенного разложения и горения энергонасыщенных материалов (проекты 97-03-32318, 98-03-32158, 97-03-32185, 98-03-33446, 98-03-32004, 97-03-32448, 97-03-32051, 99-03-32737, 96-03-33574, 96-03-32620, 97-03-32322, 98-03-32147, 95-03-08207, 95-03-09113, 94-03-08120).

В первой группе проект 97-03-33021 посвящен каталитическим методам синтеза напряженных полициклических соединений. В плане создания общих подходов к функционализации полициклических углеводородов разработан новый метод получения 1-алкилзамещенных адамантантов реакцией 1-хлорадамантана с алифатическими спиртами в присутствии комплексов палладия (выход 1-алкиладамантана ~ 80%).

В проекте 99-03-32080 изучены превращения н-алканов С5-С8 в условиях проточного изотермического реактора в присутствии смесевого катализатора, содержащего углеродный материал и разбавитель - кварц. Фуллереновая чернь, в отличие от других углеродных материалов и кварца, катализирует реакцию дегидроциклизации и крекинга без активного коксоотложения. Этот результат представляется крайне важным для разработки катализаторов, не дезактивирующихся за счет коксоотложения.

В результате теоретических исследований, проведенных в ходе выполнения проекта 94-03-09845, найдены новые молекулярные системы, относящиеся к классу высокоэнергетических молекулярных соединений. В частности, показана возможность существования (по крайней мере при низких температурах) метастабильных молекул СО4 и СО2N2. Согласно теоретическим расчетам распад этих молекул должен сопровождаться выделением соответственно 80 и 190 ккал/моль тепловой энергии. Полученные результаты позволяют надеяться, что данные соединения могут представлять интерес как перспективные энергоносители (а СО4 - еще и как возможный генератор активной среды для кислород-йодных лазеров).

В проекте 96-03-33775 создана методика для экспериментального исследования влияния гравитации на воспламенение и горение частиц энергоемких веществ. Изучено влияние условий тепло-массообмена на процесс воспламенения и последующего горения жидких веществ. Установлено, что при воспламенении и последующем горении основная часть конденсированной фазы может испаряться при температуре капли существенно меньшей, чем температура ее кипения, что представляет значительный интерес для процессов химической технологии.

Количество проектов в третьей группе является одним из самых многочисленных, что определяется, в том числе, сложностью решаемых задач.

Проект 98-03-32158 посвящен теоретическим вопросам гетерогенного горения на поверхности металла, обтекаемого окислителем. Экспериментально исследовано окисление циркония и его сплавов в парах воды. Установлено, что скорость окисления носит колебательный характер.

Проект 97-03-32185 посвящен изучению механизма гетерогенных каталитических реакций, стимулируемых нетрадиционными методами - путем высокоэнергетических воздействий на катализаторы при их радиационно-термической, механохимической или интенсивной механической обработке (ультразвуком, ударными волнами, совместным действием высокого давления со сдвигом). На основе экспериментальных данных предложено объяснение высокой скорости гетерогенных каталитических реакций, стимулированных высокоэнергетическими воздействиями, согласно которому эти реакции инициируются лабильными активными центрами. Эти центры возникают в ходе высокоэнергетических воздействий на катализатор. Развитый подход позволяет, в частности, определять оптимальные температуры для топохимических реакций.

В проекте 96-03-32620 исследовано разложение азидов свинца и серебра в бесконтактных постоянном и переменном электрических полях. Бесконтактное электрическое поле действует как разлагающий фактор примерно в 1000 раз эффективнее, чем контактное. Экспериментально установлено явление разложения в слабых бесконтактных переменном и постоянном электрических полях, а также способ управления скоростью твердофазных гетерогенных химических реакций с помощью электрического и магнитного полей.

Проект 95-03-09113 посвящен изучению воздействия горения гетерогенных составов вблизи поверхности тел, движущихся со сверхзвуковыми скоростями, на их аэродинамическое сопротивление. Завершен цикл экспериментальных исследований влияния горения пиротехнических смесей на снижение сопротивления движущихся тел. Результаты этого проекта имеют существенное значение для решения проблем аэродинамики.

Международная энергетическая премия "Глобальная энергия" - новая научная награда за выдающиеся теоретические, экспериментальные и прикладные исследования, разработки, изобретения и открытия в области энергии и энергетики.

Учрежденная в 2002 году Премия "Глобальная энергия" вручается ежегодно, начиная с 2003 года.

Идея создания Международной энергетической премии выдвинута группой известных российских ученых и поддержана научным сообществом, а также крупнейшими российскими энергетическими компаниями. Инициатива получила одобрение и поддержку Президента России.

Премия «Глобальная энергия» призвана содействовать:

• международному сотрудничеству в развитии фундаментальных и прикладных научных исследований в области энергетики;

• привлечению ведущих научных специалистов мира к решению наиболее значимых проблем современности в области энергетики;

• международному общественному признанию открытий и изобретений ученых и научных коллективов.

Премия "Глобальная энергия" – уникальная международная научная награда. Это первая премия в мировой фундаментальной и прикладной науке, которая присуждается за эпохальные открытия и выдающиеся разработки в сфере энергии и энергетики.

По замыслу инициаторов, в орбиту внимания Международной энергетической премии попадают все научные направления, связанные с существующими и только разрабатываемыми видами энергии и энергоносителей.

Премия присуждается за научные достижения в области энергии и энергетики по следующим основным направлениям:

• фундаментальные исследования, открытия и изобретения, обеспечивающие новые возможности в развитии энергетики;

• теоретические разработки, открытия и изобретения, открывающие новые источники энергии и возможности их использования;

• прикладные изобретения, разработки и технические усовершенствования, обеспечивающие существенное повышение эффективности использования энергии;

• исследования, открытия и изобретения, приведшие к использованию новых методов преобразования энергии и вносящие значительный вклад в решение проблем экологии и охраны окружающей среды;

• исследования, открытия и изобретения, приведшие к прорывному решению проблем энергосбережения и передачи энергии.

Ежегодный призовой фонд Премии составляет 750 000 долларов США. В 2006 году призовой фонд составил 1 100 000 долларов США. 

Формирование призового фонда и покрытие организационных расходов Премии осуществляется ведущими российскими компаниями – ОАО «Газпром», РАО «ЕЭС России» и ОАО «Сургутнефтегаз». Эти крупнейшие энергетические корпорации, выступающие учредителями Международной энергетической премии "Глобальная энергия", взяли на себя обязательства финансировать Премию на постоянной основе. Учредители никоим образом не влияют на определение лауреатов Премии.

Для осуществления деятельности, связанной с учреждением и ежегодной организационной подготовкой, проведением научного конкурса и определением лауреатов Премии, а также для обеспечения финансирования проекта учредители формируют ряд уполномоченных органов: Попечительский Совет Премии, Международный комитет по присуждению Премии, Некоммерческий Фонд "Глобальная энергия".

Попечительским Советом Премии осуществляется надзор за деятельностью Фонда и другими уполномоченными органами Премии. В его состав входят представители органов государственной власти Российской Федерации, общественных, частных организаций и фондов, Российской академии наук.

Для обеспечения высокого научного уровня и объективности конкурса, определения лауреатов сформирован Международный комитет по присуждению Премии. В нем представлены всемирно известные ученые, лауреаты Нобелевской премии, руководители ведущих научных центров.

Патронат Президента России, торжественная церемония вручения Премии с участием высших государственных деятелей Российской Федерации и величина призового фонда позволяют рассчитывать на то, что Международная энергетическая премия "Глобальная энергия" будет стоять в одном ряду с наиболее авторитетными международными научными наградами.

Международная энергетическая премия "Глобальная энергия" не только внесет существенный вклад в мировой научно-технический прогресс, но и будет активно способствовать формированию нового имиджа России, отвечающего ее прогрессивной роли в развитии науки, экономики, сохранении окружающей среды.

 

учёный - физическое лицо (гражданин Украины, иностранец, или ли­цо без гражданства), которое проводит фундаментальные и (или) прикладные научные исследования и получает научные и (или) научно-технические результаты;

научный работник - учёный, который по основному месту работы и соответственно с трудовым договором (контрактом) профессио­нально занимается научной, научно-технической или научно-пе­дагогической деятельностью и имеет соответствующую квали­фикацию, подтвержденную результатами аттестации;

научно-исследовательская (научно-техническая) организация (далее -научная организация) - юридическое лицо независимо от формы собственности, которая создана в установленном законодательст­вом порядке, для которой научная или научно-техническая дея­тельность является основной и составляет около 70 процентов общего годового объема сделанных работ:

научная работа - исследование с целью получения научного результата.

 

Помимо этих «нормативных» терминов и определений в практике со­искателя встречается ещё ряд понятий, вытекающих из деления научной деятельности на научно-исследовательскую, организаторскую и обеспечи­вающую. Приведём эти термины и определения так, как они даны в [2].

Исследовательская (научно-исследовательская) деятельность сво­дится к проведению научных исследований и разработок.

Научное исследование — процесс выработки новых научных знаний, один из видов познавательной деятельности.

Научная разработка — это целенаправленный процесс выполнения ра­бот по решению научной задачи {проблемы) выбора {с обоснова­нием) и применения целесообразного метода получения резуль­тата, соответствующего поставленной цели, и сам полученный научный результат, выраженный в конкретной форме, — в виде теоретических положений либо в виде полезного практического решения {технического, экономического, технологического или иного).

Лиц, основным видом деятельности которых являются научные иссле­дования и разработки, именуют научными работниками. Наиболее умелых и опытных научных работников называют учёными, а квалифицирован­ными учёными официально признаются научные работники, которым при­суждены учёные степени (кандидата или доктора наук) или присвоены учё­ные звания (старшего научного сотрудника, доцента, профессора).

Организаторская деятельность в науке направлена на создание рацио­нальной структуры научной деятельности, определяющей, кто чем занимается, в какие сроки и в какой последовательности. У лица, занимающегося в науке только организаторской деятель­ностью, в основном проявляются знания учёного и качества ад­министратора. Администратор (от латинского administratio — управление, руководство) —это лицо, выполняющее функции руководителя, распорядителя, устроителя чего-либо.

Обеспечивающая деятельность в науке направлена на создание мате­риально-технической базы научной деятельности. У лица, зани­мающегося в науке только обеспечивающей деятельностью, проявляются главным образом качества инженерно-технического работника и хозяйственника.

Любая наука как система знаний образует теорию соответствующей предметной области. Понятие "теория" в данном случае применяется в самом широком смысле как научные основы предметной области. Эти основы включают:

• эмпирические основы науки;

• методические основы науки;

• методологические основы науки.