Что лежит в основе органической химии, какой будет нефтеперерабатывающая промышленность будущего, как взрывы не разрушают, а создают, почему представители промышленности, связанной с производством РЗМ, сегодня особенно нуждаются в государственной поддержке, и какова роль национальных химических обществ — темы, которые стали предметом для разговора специалистов химической науки, образования и промышленности на четвёртом дне XXII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, который проходит на федеральной территории «Сириус».
Пленарное заседание открылось лекцией лауреата премии ЮНЕСКО им. Д.И. Менделеева в области фундаментальных наук, заслуженного профессора Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова академика РАН Ирины Белецкой.
Доклад она посвятила главному направлению своей научной жизни — органической химии и истории её становления.
«Органическая химия сформировалась только в конце XIX века из-за предрассудка, что органическое вещество невозможно без Божьего Промысла, поэтому у органиков не было желания что-то синтезировать. Они добывали всё от природы <…> Но потом случилось чудо — реакция Вёлера [впервые синтезировано органическое вещество из неорганического]. И тот всплеск и невероятный энтузиазм, с которым органики бросились синтезировать, не имея ни методов, ни приборов, ни умения — это поразительно. Теперь, когда мы расшифровываем, как они это делали, остаётся только удивляться», — отметила академик.
Ирина Белецкая рассказала о трудах исследователей, работы которых вошли в историю органической химии и сформировали её — Юстус фон Либих, Виктор Гриньяр, Роберт Вудворд, Альберт Эшенмозер, Поль Сабатье, Владимир Ипатьев, Уильям Ноулз, Ноёри Рёдзи и другие великие химики. «Наше большое упущение, что мы перестали правильно учить своих студентов истории химии», — заметила докладчик.
Рассказывая о том, как обстоят дела в современной органической химии, Ирина Белецкая упомянула, что сотрудник Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН Ашот Арзуманян нашёл способ, как проводить гидросилилирование с очень малым количеством платины. «Платина — недорогой катализатор, просто соль. А лигандом является саморастворитель — этиленгликоль или глицерин. Легко выделяется из соединения. И, главное, удаётся сделать бесчисленное количество циклов», — отметила химик.
О разработке бифункциональных и биметаллических катализаторов, например, участвующих в процессе получения водорода для топливных элементов, рассказал директор Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН академик РАН Валерий Бухтияров.
Институт катализа СО РАН разработал и запатентовал технологию приготовления структурированных композитных катализаторов, после чего в сотрудничестве с компанией «Топаз» был создан электрохимический генератор с твёрдооксидным топливным элементом (ТОТЭ), предназначенным для прямого преобразования химического топлива в электричество, поделился учёный. Установки особо полезны в удалённых регионах, которые нуждаются в выработке электричества из природного газа или пропан бутановых смесей.
«Переход от монофункциональных к бифункциональным катализаторам позволяет существенным образом улучшить каталитические свойства (активность, селективность, стабильность) для большого числа технологических процессов», — заключил учёный.
Какой будет нефтеперерабатывающая промышленность в ближайшие 30 лет предположил директор Института нефтехимического синтеза РАН им. А.В. Топчиева, профессор МГУ им. М.В. Ломоносова член-корреспондент РАН Антон Максимов.
«Сегодня нефть — главный энергоноситель и источник нашей мобильности», — начал учёный. Во всём мире переработка нефти оценивается в 4600 млн тонн в год, химическое сырьё — 420 млн тонн.
«В нефтепереработке и нефтехимии начинает меняться картина — всё больше вовлекается биомасса, последние годы речь идёт о пластике, пластиковых отходах, использовании низкоуглеродного водорода и отказе от коксования, о комплексе процессов выделения и использования диоксида углеродов, [переработке] энергии во что-то ещё — в водород, тепло, химию, синтетическое топливо, авиационный керосин и так далее», — сказал Антон Максимов.
Так, например, активно развивается химия синтез-газа, в том числе биотехнологии для превращения синтез-газа в химическую среднетоннажную продукцию. «Через двадцать лет, возможно, мы сможем услышать доклад по биохимии и генетике для получения нефтехимии из синтез-газа и метана», — предположил химик.
Ещё одно перспективное направление — электрохимическая конверсия метана до метанола. «Как правило, это высокотемпературные электролизёры с кислородопроводящей мембраной, превращение метана в этилен, <…> а также использование электрохимии для дегидрирования. Пока основная часть работ связана с высокотемпературными электрохимическими устройствами, но, мне кажется, нежданно может случиться прорыв», — добавил докладчик.
Кроме того, научным коллективом из Института нефтехимического синтеза РАН им. А.В. Топчиева и Института проблем химической физики РАН [ФИЦ ПХФ и МХ РАН] ведутся работы в области плазмохимии. «Похоже, что нам удаётся сделать процесс, который позволяет получать и синтез-газ, и СО с помощью плазмохимии, используя специальный катализатор <…> Плазмохимия как возможность использования электроэнергии в химии становится чрезвычайно интересной», — заметил учёный.
«Взрыв, помимо разрушений, может носить сугубо созидательный характер», — начал свой доклад о создании новых материалов с помощью энергии взрыва научный руководитель Волгоградского государственного технического университета академик РАН Владимир Лысак.
Мирное использование энергии взрыва сегодня достаточно обширно: штамповка, сварка, резка, прессование порошков, нанесение покрытий, активация полимеров, обработка семян и так далее.
Одно из первых успешных применений созидательной энергии взрыва — упрочнение металлов. «[есть] две схемы: одна — так называемая «плоская», когда взрывчатка с плоской ударной волной, перпендикулярно направленной сверху вниз, распространяется, и металл упрочняется. Второй вариант — когда инициируется заряд, «скользящая» волна прокатывается по материалу, и происходит упрочнение», — пояснил учёный.
Так появилась возможность упрочнять сложные детали: зубья экскаваторов, крестовины железнодорожных рельс. При этом их износ сокращается на 40-50 %, а срок службы повышается на 40 %, отметил академик.
В 1968 году учёные впервые попробовали использовать взрывы для сварки материалов. «В ряде случаев это является единственно возможным инструментом получения высококачественных слоистых композиционных материалов», — подчеркнул Владимир Лысак.
Он описал этот процесс так: на пластинах располагается взрывчатое вещество, происходит взрыв, и детонационная волна прокатывается по заготовке, соединяя пластины. Получаемые сварные соединения отличаются высокой прочностью, которой невозможно добиться в обычных условиях.
«По производительности процесс не имеет аналогов в мире: соединение площадью 20 м² осуществляется за одну микросекунду <…> Соударение сопровождается эффектом волнообразования, когда металл ведёт себя как жидкость. Если в обычных условиях медь становится пластичной на 40-70 % относительно удлинения, здесь материал испытывает деформацию в 1000 %. За счёт этого происходит эффективное схватывание», — пояснил учёный.
Кроме того, взрыв — удобный генератор высоких давлений, поэтому идея получения с его помощью алмаза из графита тоже показалась учёным многообещающей. «В Институте химической физики им. Н.Н. Семёнова РАН был разработан способ получения детонационного алмаза: графит смешивали с порошкообразным взрывчатым веществом, что значительно удешевляло технологию, и получались частицы микронного размера», — сказал Владимир Лысак.
Область применения наноматериала обширна — от биомедицины до структурных композитов. Однако есть проблема, которую пока не удаётся решить, — обратное превращение из алмаза в углерод. Это серьёзно снижает эффективность детонационных алмазов, заметил докладчик.
Кроме того, на съезде прошёл круглый стол «Технологии редких металлов как основа развития зелёной энергетики». Научный руководитель химического факультета Московского государственного университета М.В. Ломоносова, вице-президент РАН академик Степан Калмыков отметил, что развитие производства редкоземельных металлов (РЗМ) может существовать в одной из двух парадигм — рыночной или плановой. И если говорить о рыночных механизмах, то в текущей ситуации с блокировкой мировых рынков производство будет экономически невыгодным. А плановой экономике необходима государственная поддержка для создания стратегически важного сырья, пусть и с плановым убытком предприятий.
Изменение ситуации возможно, отметили участники круглого стола. Но чтобы разомкнуть замкнутый цикл «отсутствие сырья — отсутствие производства», необходима поддержка производителей на уровне государственных программ. Эту мысль поддержали и участники — представители промышленности, напрямую связанной с производством РЗМ. В ходе дискуссии удалось также проработать несколько конкретных технологических и научно-организационных вопросов.
В программу четвёртого дня форума вошло первое заседание Научного совета химических обществ Международной ассоциации академий наук в формате «круглого стола» представителей национальных химических обществ из Республики Беларусь, России, Узбекистана, Казахстана. Решение о его создании было принято на 35-ом заседании Совета Международной ассоциации академий наук (МААН) 27 сентября 2022 года в Москве. Его сопредседателями единогласно были утверждены Владимир Агабеков (Беларусь) и Аслан Цивадзе (Россия).
В совет входят Армения, Беларусь, Вьетнам, Казахстан, Кыргызстан, Молдова, Россия, Таджикистан и Узбекистан.
Круглый стол подтвердил важность координации взаимодействия совместной деятельности национальных химических обществ и национальных профессиональных объединений и необходимость восстановления отношений с профессиональными объединениями в области химии дружественных стран и информировании друг друга о мероприятиях в своих странах.
Также обсуждались вопросы о возможных формах и перспективах взаимодействия научных и общественных организаций, химических обществ в области химии и наук о материалах и о возможности участия национальных химических обществ в работе Менделеевского общества. В частности, президент РХО им. Д.И. Менделеева академик РАН Аслан Цивадзе пригласил коллег принять участие в масштабных проектах по популяризации наследия Дмитрия Менделеева ЮНЕСКО-России им. Д.И. Менделеева, а также в масштабном проекте «Год Менделеева», в рамках которого команда молодых учёных, опытных исследователей и преподавателей, а также известных популяризаторов науки представляет серию мероприятий, направленных на вовлечение самой широкой аудитории в научно-исследовательскую деятельность через знакомство с учёными ведущих научных школ в области химии, наук о материалах, биологии и физики, их научными исследованиями и проектами.
Менделеевские съезды — научные форумы с международным участием в области фундаментальной и прикладной химии. Они проводятся с интервалом в 4–5 лет и охватывают основные направления развития химической науки, технологии и промышленности.
В этом году форум приурочен к 300-летию Российской академии наук и 190-летию Дмитрия Ивановича Менделеева. В нём принимают участие почти четыре тысячи специалистов химической науки и образования, в том числе около 200 международных участников из 38 стран мира.
