Сегодня около 90% объема современного химического производства основано на каталитических процессах. Катализаторы ускоряют процессы получения новых материалов и широко используются при переработке нефти, производстве полимеров, а также позволяют превратить низкосортное сырье в высокоценные продукты. Кроме того, с их помощью разрабатывают безотходные и малоотходные химические технологии, что довольно рентабельно и экологично.

Исследователям Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ совместно с зарубежными коллегами удалось разработать новые подходы к исследованию важных каталитических процессов для получения перспективных химических продуктов, в том числе на основе использования новых катализаторов. В работе они применили технологии искусственного интеллекта для анализа больших данных, возникающих при диагностике материалов и химических процессов на установках мега-сайенс.

«Нами был проведен рациональный дизайн новых катализаторов для широкого спектра важных каталитических реакций фармацевтической и химической промышленности, которые нацелены на производство перспективных соединений посредством технологий, имеющих, с одной стороны, высокую экономичность, а с другой – минимальное негативное воздействие на окружающую среду. Важным результатом также стала разработка нанокатализаторов, которые позволяют в больших объемах и с высокой селективностью превращать многоатомные спирты в практически важные химические вещества – олефины», – рассказал руководитель проекта, профессор МИИ ИМ ЮФУ Александр Солдатов.

Международный коллектив исследователей разработал ряд новых катализаторов на основе палладия и рутения, обладающих высокой активностью и селективностью. Эти катализаторы были детально исследованы широким спектром лабораторных и синхротронных методик. Так, в ходе проекта проведено более 10 экспериментов на ведущих международных центрах синхротронного излучения: ESRF (Гренобль, Франция), ALBA (Барселона, Испания), Soleil (Париж, Франция), SLS (Швейцария). Были также разработаны новые подходы на основе машинного обучения и суперкомпьютерного моделирования, которые позволяют существенно улучшить качество структурной информации, извлекаемой из спектральных данных.

Среди полученных катализаторов один из наиболее перспективных и эффективных – гетерогенный катализатор на основе палладия в цеолите. Несмотря на то, что палладий, как и большая часть металлов для катализаторов, является довольно дорогим материалом, ученые смогли применять его экономно и эффективно. Это удалось благодаря использованию одногоатомного нанокатализатора, заключенного внутри поры цеолита. Таким образом, себестоимость палладия минимальная, а сама технология позволяет использовать вещество катализатора полностью. Кроме того, палладий внутри цеолита позволяет контролировать избирательность реакции в ходе активации ароматических углеводородов. Таким образом, в результате выполнения проекта был успешно впервые исследован ряд промышленно значимых каталитических систем (одноатомных нанокластеров металлов в матрице из цеолита) при реалистичных условиях и установлен механизм преобразования электронной структуры катализатора в ходе процесса.

«Помимо того, что такое исследование делается впервые, мы получили глобально важные и фундаментальные результаты. Это принципиально новые и важные знания о каталитических реакциях при реальных технологических условиях», – подытожил Александр Солдатов.  

Эти результаты были опубликованы в 10 статьях в высокорейтинговых изданиях, индексируемых в Scopus и Web of Science с суммарным импакт-фактором более 120 (средний импакт-фактор на публикацию более 12).

Работа над проектом велась в рамках выполнения международного проекта, поддержанного грантом РНФ (№ 20-43-01015). Последние результаты изложены в журнале «Chemical Science».

Сотрудники МИИ ИМ ЮФУ развивают современное высокотехнологичное в том числе цифровое материаловедение, которое решает задачи коренной модернизации подходов к разработке новых перспективных материалов с уникальными характеристиками, существенно повышая экономичность затрачиваемых ресурсов и решая задачи импортозамещения. Исследования в этом направлении в том числе реализуются в рамках проекта «Технологии полного цикла для экспресс-разработки функциональных материалов под управлением искусственного интеллекта» федеральной программы «Приоритет-2030» (Нацпроект «Наука и университеты»).

Текст: Юлия Сопрунова