Катализаторы — вещества, которые широко применяются в промышленности. Почти 95 % химических процессов в различных отраслях проходят с их использованием. Благодаря катализаторам люди получают бензин и дизельное топливо, полиэтилен и пластики, лекарства и продукты. В СССР был налажен выпуск катализаторов, но после перехода на рыночную экономику большую часть катализаторов и их компонентов стали закупать за рубежом — предприятиям так было проще и выгоднее. Сегодня, когда Россия столкнулась с геополитическими вызовами и стремится к технологическому суверенитету, создание собственных технологий производства катализаторов является стратегической задачей.
С 2023 года Фонд поддерживает опытно-конструкторские и технологические исследования и разработки, которые требуются отечественным компаниям. На средства гранта научная группа Института катализа СО РАН под руководством доктора химических наук Татьяны Микенас создает катализаторы нового поколения. Они позволят выпускать полимеры высокого качества, необходимые для производства труб, пленок упаковки, предметов гигиены и медицинских изделий.
// Вы разрабатываете новые катализаторы. Расскажите, пожалуйста, почему эти вещества необходимы экономике и обществу.
Давайте я сначала познакомлю вас с катализаторами. Это вещества, которые ускоряют химические процессы и делают их более эффективными. Они участвуют в реакции, но не входят в состав конечного продукта. Благодаря катализаторам из того же объема сырья можно получить больше продукции и сделать это быстрее, чем если бы процессы шли сами по себе. Катализаторы — сердце химической промышленности. Без них львиная доля производств была бы нерентабельна или невозможна. Эти вещества помогают снизить выбросы вредных веществ в атмосферу, очищая отходы и улучшая производственные процессы. Например, автомобильные катализаторы уменьшают токсичность выхлопных газов.
А еще это ключевой элемент производства полиолефинов: полиэтилена и полипропилена. Именно от катализаторов зависят качество и разнообразие полимеров. Сегодня в мире выпускают более 210 миллионов тонн полиолефинов. И с каждым годом этот показатель растет. Коммунальщикам, военным и энергетикам нужны современные материалы, способные выдерживать экстремальные условия. Ученые постоянно исследуют и совершенствуют эти полимеры, стремясь создавать новые марки и повышать их качество.
// С чего начался ваш путь в науку и почему выбрали именно каталитическую химию? Чем вы занимаетесь сейчас?
Я пришла в Институт катализа, будучи четверокурсницей Новосибирского государственного университета. Моим наставником стал Владимир Александрович Захаров, заведующий лабораторией каталитической полимеризации. Мне поручили интересную задачу по разработке нового типа неизвестного ванадий-магниевого катализатора. И это направление, где сочетается органическая и неорганическая химия, увлекло меня с первых дней. Понравилось и то, что я могу создавать реальные катализаторы для получения реальных полимерных продуктов.
В результате долгие годы я посвятила изучению каталитической полимеризации α-олефинов на нанесенных катализаторах Циглера-Натта. И такая работа не может наскучить, потому что исследовать эти вещества очень сложно и при этом чрезвычайно интересно. Не зря химики часто сравнивают активные центры катализаторов с черным ящиком.
Катализаторы полимеризации — это высокочувствительные соединения, которые разлагаются при взаимодействии с кислородом и влагой, и это затрудняет их исследование. Полимеризация проходит в инертной среде: мы вводим катализатор и получаем на выходе конечный продукт, то есть фактически анализировать характеристики катализатора можно только через свойства полученного полимера. Это работа на грани науки и искусства. Здесь нельзя создать что-то новое, руководствуясь только фундаментальными знаниями. Единственный способ — идти в лабораторию и делать.
Сегодня я руковожу научной группой, которая разрабатывает и исследует катализаторы полимеризации этилена и сополимеризации этилена с α-олефинами. Хотя эти катализаторы известны более 60 лет, они по-прежнему недостаточно глубоко исследованы на молекулярном уровне. Вместе с коллегами мы ищем методы регулирования их состава, а также создаем новые технологии получения и разрабатываем методы регулирования свойств получаемых полимеров.
// Что побудило вас участвовать в конкурсе Фонда по поддержке опытно-конструкторских работ?
Вся полимерная промышленность держится на катализаторах. К сожалению, в России любое производство полиолефинов базируется на импортных катализаторах и технологиях. Если поставки по тем или иным причинам прекратятся, заводы просто встанут. Поэтому иметь свой катализатор очень важно: по сути, это вопрос технологической безопасности страны. Мы исходили из того, что нужно снизить эту зависимость, предложив собственные разработки для производства катализаторов и полимеров. Большой опыт в этой сфере и прошлые наработки придавали нам уверенность, что все получится. Мы не сомневались, что группа создаст новую технологию, однако без дополнительной финансовой поддержки сделать это было сложно, поэтому и решили участвовать в конкурсе Фонда.
// Расскажите подробнее о научном заделе, который лаборатория сформировала к моменту подачи заявки.
В сфере катализаторов полимеризации этилена мы добились многого. Наша лаборатория в тандеме с компанией ООО «Тинол»* нашла универсальный подход для приготовления нанесенных титан-магниевых катализаторов различного состава и с различной морфологией частиц. Эти лабораторные образцы ни в чем не уступают импортным и успешно прошли испытания в исследовательских центрах российских компаний. Наши катализаторы позволяют получать по различным технологиям полиэтилен и сополимеры этилена с α-олефинами.
Используя различные физические методы**, мы получили данные о молекулярной структуре этих полимеров. Для анализа молекулярно-массового распределения полиэтилена и для расчета кинетических параметров реакции переноса цепи успешно применили метод высокотемпературной гельпроникающей хроматографии.
Мы получили также данные о составе и структуре ряда катализаторов и морфологии полиэтилена, который образуется на катализаторах. Благодаря совместному анализу этих данных сегодня мы располагаем более полной и точной информацией о структуре частиц пористого катализатора, их фрагментации в ходе полимеризации, о взаимосвязи структуры частиц со структурой исходного катализатора. Этот подход к установлению взаимосвязи между структурой частиц катализатора и кинетикой полимеризации, а также морфологией полимерных частиц мы будем использовать в нашем проекте.
// Что теперь предстоит сделать вашему научному коллективу?
Нас ждет большая работа. На первом этапе мы предложим рецептуры и методы приготовления новых, более эффективных модификаций катализаторов для промышленных газофазных и суспензионных процессов производства полиэтилена. Далее мы на уровне лабораторных экспериментов исследуем полученные катализаторы на работоспособность и эффективность.
Следующая задача — масштабирование лабораторных данных и наработка более крупных партий катализаторов. Этот этап мы проведем вместе с будущими производителем и потребителем этих катализаторов. Полученные результаты будут использованы при проектировании их производства.
// В чем заключается сложность масштабирования? Есть ли у вас подобный опыт?
Главная проблема здесь в том, что в реакторах большого объема изменяются гидродинамические условия протекания всех процессов, и в первую очередь — процессов теплопереноса и массопереноса. Это необходимо учитывать при получении катализаторов с требуемым различным размером частиц и пористой структурой. Еще одна сложность заключается в том, что при формировании катализатора в больших объемах нужно заниматься регенерацией сырья и утилизацией отходов.
Ранее масштабированием мы уже занимались. Первый опыт наша лаборатория получила еще в 1980–1990-е годы, когда работала над созданием промышленного производства катализатора Циглера-Натта для выпуска полипропилена.
А в 2018 году мы успешно выпустили и испытали опытно-промышленную партию одной из модификаций титан-магниевого катализатора для производства полиэтилена в России.
// Чтобы произошел трансфер технологий, нужно наладить коммуникацию между наукой и бизнесом. Расскажите, как происходит такое общение на примере вашего проекта и в чем специфика этого сотрудничества.
Трансфер произойдет, когда производители полиолефинов заинтересуются созданием и внедрением отечественных катализаторов, закупят опытные и опытно-промышленные установки для работы с ними. Чтобы это случилось, российские катализаторы должны соответствовать уровню мировых образцов или превосходить их. Такой прорыв требует создания условий — финансовых, инфраструктурных и организационных.
Прежде для выполнения НИОКР разработчики катализаторов заключали краткосрочные договоры с производителями олефинов. К сожалению, эта форма сотрудничества оказалась неэффективной при создании отечественной технологии. Думаю, мы сможем более успешно реализовать НИОКР в рамках долгосрочных проектов с РНФ. Они уже согласованы и поддержаны заказчиком.
Очень правильно, что РНФ объявил конкурс на решение прикладных задач, основанных на результатах научных исследований. Это подтолкнет бизнес к разработке инновационной продукции и обеспечит Россию технологическим суверенитетом в промышленном катализе. Важно, что Фонд оказывает стабильную финансовую поддержку ученым и помогает молодым сотрудникам оставаться в науке: все-таки материальная сторона в нашем деле играет большую роль.
// Поделитесь, пожалуйста, своей научной мечтой. Чего бы вам хотелось достичь в ближайшее десятилетие?
Я всю жизнь посвятила катализаторам полимеризации олефинов, их разработке и исследованию и мечтаю увидеть, как их начнут использовать в отечественном производстве полимеров. Верю, что это произойдет в ближайшие годы. Сочетание фундаментальных исследований с прикладными может и должно приносить пользу. Приятно осознавать, что твоя научная работа дает плоды и помогает людям!
