Ученые-химики из Университета ИТМО под руководством профессора Евгения Пидько совместно с зарубежными коллегами провели передовое исследование, раскрывающее новые аспекты процесса превращения природного газа, преимущественно метана, в спирты с использованием катализаторов на основе цеолитов. Эта работа создаёт перспективы для разработки экономически выгодных и экологичных методов утилизации отходов нефтяной и деревообрабатывающей промышленности, а также для более рационального использования попутного газа, который часто просто сжигается на месторождениях.
Важность катализаторов для преобразования метана
Природный газ, обильно содержащий метан, является одним из самых распространённых и дешевых ресурсов планеты. Однако при добыче нефти он зачастую утилизируется путём сжигания, что наносит ущерб окружающей среде и не приносит экономической выгоды. Команда учёных под руководством Евгения Пидько убеждена, что можно значительно повысить эффективность использования этого ресурса. Для этого необходимо разрабатывать новые катализаторы, способные экономично и быстро превращать метан в ценные органические соединения, сперва — в спирты, например метанол.
Ключ к успешной реализации такой технологии лежит в глубоком понимании работы катализаторов на молекулярном уровне. Именно над раскрытием этих фундаментальных вопросов и трудятся специалисты Университета ИТМО.
Новые открытия в динамике катализа
В ходе сложных вычислений и моделирования химики обнаружили, что важнейшую роль играют так называемые динамические параметры катализаторов. Ранее большинство исследований учитывало лишь статические свойства катализаторов — постоянные характеристики, которые не изменяются во время реакции. Однако коллектив Евгения Пидько показал, что виведение катализаторов на основе железа и цеолитовых матриц раскрывает неожиданные возможности при детальном анализе динамики — то есть изменений структуры рабочих центров в процессе химических реакций.
Оказалось, что не только изначальная структура катализатора или его способность связываться с водородом определяют эффективность процесса. Динамические преобразования, происходящие непосредственно в ходе реакции, приводят к существенным изменениям в активности катализатора. Это означает, что прогнозировать и конструировать эффективные катализаторы нужно учитывая не только их начальное состояние, но и пути, по которым они могут эволюционировать во время работы.
Квантовые расчёты: шаг к идеальному катализатору
Для решения этой глобальной задачи учёные из России, Нидерландов и Саудовской Аравии объединили усилия и прибегли к современным методам квантовой химии. С использованием передовых суперкомпьютеров они проследили, как железосодержащие цеолиты меняют свою структуру и функцию при взаимодействии с молекулами метана. Особое внимание уделялось исследованию реакционного центра — области катализатора, где непосредственно проходит превращение метана в спирт.
Результаты исследований продемонстрировали, что даже небольшие изменения в положении или форме активного центра влияют на весь ход каталитического процесса. Были выявлены различные промежуточные соединения, ранее не описанные в научной литературе, которые играют роль “мостиков” между исходным метаном и целевым спиртом. Включение этих новых данных в расчётные модели существенно повысило точность предсказаний эффективности катализаторов.
Перспективы для промышленности и экологии
Понимание тонких механизмов метанолсинтеза на цеолитах позволит перейти к созданию действительно эффективных промышленных технологий. Это приведёт к уменьшению выбросов парниковых газов, отходов и сжигаемого попутного газа при добыче нефти, а компании получат выгодную технологию получения востребованных продуктов — спиртов, например метанола. Последний, в свою очередь, служит сырьём для синтеза большого числа промышленных и потребительских товаров.
Команда Университета ИТМО уверена, что эти открытия ускорят внедрение новых катализаторов и методов переработки природного газа не только в крупных промышленных масштабах, но и на локальных предприятиях, существенно повысив экологическую эффективность и экономический эффект.
Будущее каталитических технологий в руках учёных и инженеров
Исследования Евгения Пидько и международного коллектива закладывают фундамент для быстрого перехода к “умным” катализаторам нового поколения. Недавние открытия активно внедряются в разработку усовершенствованных компьютерных моделей. Это позволит ускорить поиск перспективных кандидатов среди разнообразных химических соединений и достичь оптимального баланса между эффективностью, стоимостью и долговечностью катализаторов для преобразования метана в ценные спирты на основе цеолитов.
Позитивные результаты подтверждают огромный потенциал дальнейших разработок и сотрудничества между ведущими мировыми научными центрами. Благодаря этому, уже в обозримом будущем наш мир сможет значительно экологичнее и выгоднее распоряжаться теми ресурсами, которые раньше считались проблемными отходами.
