Новый фоторепортаж проекта «Моя лаборатория», который проводит программа «Мастерские инноваций» ФИОП РОСНАНО совместно с МГУ им. Ломоносова, открывает двери в новосибирский Институт катализа.
Еще в 8 классе Александр Худорожков знал, что, как и его дедушка, будет работать в новосибирском Институте катализа. Сейчас Александр - младший научный сотрудник лаборатории исследования поверхности, его группа занимается созданием новых катализаторов и изучением их свойств.
По классическому определению катализатор — вещество, которое вводится в химическую реакцию и ускоряет ее протекание, при этом не изменяется равновесие реакции, а катализатор по окончанию каждого каталитического цикла не изменяет своих свойств и количества. В некоторых случаях, когда реакция, разрешенная с точки зрения термодинамики, не может протекать по каким-то другим причинам, катализаторы могут выступать инициаторами процесса. Получаемые при этом вещества зачастую обладают уникальными свойствами. По разным оценкам, доля каталитических процессов в промышленном производстве составляет от 70 до 95%, и практически все, что окружает человека в XXI веке — продукт химической промышленности. За примерами далеко ходить не нужно: производство пластика или бензина немыслимо без катализа.
В автомобильной промышленности используется большое количество так называемых нейтрализаторов – сложных систем, которые позволяют снизить объем вредных веществ в выхлопе, в том числе парниковых газов, и тем самым уменьшитьвредное влияние на окружающую среду . Александр занимается созданием таких катализаторов для двигателей, работающих на природном газе. Эти двигатели предпочтительны с точки зрения энергоэффективности и доступности ресурса, но основной компонент природного газа — метан — один из самых вредных парниковых газов. Катализаторы, над которыми работает Александр, окисляют метан до менее опасного углекислого газа. Помещение лаборатории небольшое, но потолок в нем такой высоты, что приходится ставить стремянку, чтобы достать гранулы оксида алюминия с верхней полки.
Оксид алюминия, как и оксиды некоторых других металлов (титана, кремния, циркония), наиболее часто используется при изготовлении нанесенных катализаторов в качестве носителя. Носитель - это порошок либо гранулы с развитой поверхностью, на которую наносится активный компонент. Пористая поверхность позволяет многократно увеличить полезную площадь и тем самым повысить содержание активного компонента на грамм катализатора. В 90% случаев в качестве катализаторов используют благородные металлы — платину, палладий, родий. Правда, массовая доля активного компонента в готовом катализаторе, как правило, составляет 1% или меньше, при этом конечный размер частиц активного компонента часто получается от 1 до 10-20 нанометров.
Нанесенные катализаторы высокоактивны и ускоряют процесс протекания реакции не в два-три, а в тысячи и миллионы раз.
Гранулы носителя помещают в колбу, заливают раствором-предшественником, содержащим активный компонент, и прикручивают к ротационному испарителю, главному прибору для получения катализаторов методом пропитки. Для того, чтобы носитель пропитался равномерно, колба вращается.
После пропитки встроенный насос откачивает воздух, создавая вакуум, за счет чего происходит испарение жидкости. Пар конденсируется в отделе, называемом «холодильник», и стекает в колбу-приемник. Таким образом через некоторое время получается сухой носитель с активным компонентом на нем и отогнанный раствор.
После сушки полученный предшественник конечного катализатора помещают во второй прибор — муфельную печь. Печи - новая, без единой царапинки на корпусе, и старая советская, с видом, свидетельствующим не об одном десятилетии на поприще обжига, - стоят напротив друг друга. В старой печи теперь работают исключительно с летучими компонентами, которые могут повредить внутренность печи.
После сушки, как правило, получаются оксиды, нанесенные на носитель. Далее, в зависимости от того, где катализатор будет использоваться, их оставляют либо в том виде, когда активный компонент находится в оксидном, окисленном, состоянии (как при производстве нейтрализаторов для двигателей), либо, например, для использования в процессах гидрирования или процессах селективного каталитического восстановления, катализатор может быть восстановлен из оксида до металла, обычно это делается в водороде при нагревании.
Прежде чем полученный катализатор будет отдан на исследование каталитической активности, его исследуют различными физико-химическими методами. Все самые ценные установки Института катализа находятся в подвале главного корпуса. Такое месторасположение позволяет избавиться от вибраций. С одной из этих установок работает Анна Нартова, научный сотрудник института, доцент НГУ и просто очаровательная девушка.
Анна работает с комбайном для исследования поверхности твердых тел, который занимает половину комнаты, и режиссер любой космической саги позеленел бы от зависти, увидев это чудо инженерной мысли. Хотя на комбайне работают с 2008 года, блестит он так, будто его достали из коробки буквально час назад.
Установка объединяет в себе рентгеновский фотоэлектронный спектрометр и сканирующий туннельный микроскоп. Также здесь есть все необходимое для подготовки поверхности, образец можно нагреть, провести ионную чистку, есть система подачи газа, позволяющая моделировать каталитическую реакцию.
Когда Анна рассказывает о работе, она выглядит самым счастливым человеком, как минимум, Новосибирска: «Работа, которой мы занимаемся, очень интересна. Главное - не оторваться от реальности и не углубиться в изучение чего-то, заинтересовавшего лично тебя, не забыть про пользу. Перед проведением эксперимента мы закладываем в него определенную идею, но бывает, что эксперимент открывает для нас что-то новое, и работать приходится в экстремальных условиях, когда у тебя есть только один шанс. Если ты ошибешься, то «убьешь» образец, и придется начинать все сначала. Любой, кто у нас работает, имел шанс уйти в «лучшее место», уехать за границу. То, ради чего мы остались здесь, - это эксперимент».
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
Напоминаем Вам, что в рамках Олимпиады проходит творческий конкурс "Моя лаборатория". Участвовать в конкурсе могут студенты, аспиранты, молодые ученые, специалисты и журналисты.
На конкурс принимаются научно-популярные статьи, посвященные работе научной лаборатории, научному обмену или любым другим аспектам научной деятельности. Текст должен быть понятен и интересен самой широкой аудитории и в первую очередь школьникам старших классов.
Более подробно о конкурсе
