На единой неделе профориентации в ЗГУ встретились школьники, студенты и преподаватели, чтобы послушать экспертов из Института катализа имени Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН. Встречи прошли в рамках проекта «Развитие человеческого капитала в Арктическом университете», поддержанного Фондом целевого капитала «Наш Норильск».
За время визита в Норильск учёные прочли две научно-популярные лекции: они были посвящены последним достижениям в области водородных технологий, а также важности редкоземельных элементов для современного производства. Обе темы оказались тесно связаны в контексте поиска эффективных и экологичных энергетических решений.
«Мы работаем в Федеральном исследовательском центре, где занимаемся изучением катализаторов. Метод фотолюминесцентной спектроскопии развивался именно для этих целей. Мы предлагаем наше решение там, где другие не могут дать ответ. С Алексеем Викторовичем Жужговым работаем в коллаборации: он синтезирует катализаторы, мы изучаем их, определяем активные центры и помогаем улучшать свойства. У нас также много других смежных направлений, например, лазерный метод синтеза: можем с помощью лазера получать вещества с определенными характеристиками, которые затем используются в катализе», – отметил ведущий научный сотрудник Института катализа и кандидат физико-математических наук Антон Костюков.
Лекция «Синтез сложных Ni- и Co-алюминиевых соединений на основе термоактивированного гидроксида алюминия: физико-химические свойства и применения в водородной энергетике»
Водород сегодня – это фундамент новой энергетической парадигмы. О том, как устроена цепочка производства, транспортировки и хранения ценного ресурса в мире и в России, а также какую роль в ней играют современные катализаторы на основе никель-алюминия, кобальт-алюминия и медь-алюминия рассказал старший научный сотрудник Института катализа, кандидат химических наук Алексей Жужгов.
Глобальная картина: производство и потребление водорода
Сегодня основным потребителем водорода является крупнотоннажная химическая промышленность. Речь идёт о производстве аммиака, метанола, высокооктанового бензина, гидрированных жиров, синтетических топлив. В этих сферах получение водорода является стадией производства, что упрощает его транспортировку и хранение.
Трудности возникают при работе с децентрализованными потребителями водорода – мобильными и автономными энергогенерирующими устройствами и транспортными средствами – его необходимо доставить и обеспечить хранение.
При этом основным методом получения водорода остаётся конверсия метана, а электролиз воды пока занимает скромную нишу. Выбор метода всегда зависит от локальных задач и территории: то, что выгодно в Австралии, может быть неэффективно в Сибири.
«Вся работа в этом направлении ведётся с целью перехода на экологически чистое топливо, чтобы сократить производство твёрдых и жидких углеводородов. Например, использование метана более экологично, но на выходе всё равно появляются СО2 и вода. А водород – это только вода. За этим будущее», – рассказал старший научный сотрудник Института катализа, кандидат химических наук Алексей Жужгов.
Технические сложности: зачем «чистить» водород
Когда водород получают методом электролиза, он содержит микропримеси кислорода и азота, которые диффундируют через ячейки электролизера. На первый взгляд это кажется незначительным, но при сжижении водорода (до температур около -253°C) эти примеси превращаются в твердые частицы. Они вымерзают и закупоривают капилляры криогенного оборудования. Поэтому очистка от кислорода и азота – критически важный этап перед ожижением.
В этом контексте отдельного внимания заслуживает полученный в феврале 2026 года патент на синтез алюмоникелевого катализатора – разработку, предназначенную для очистки водорода от примесей кислорода.
Синтез катализаторов: от идеи до патента
Для очистки водорода и управления его изомерным составом необходимы специальные катализаторы. В лабораториях разрабатываются системы на основе никеля, кобальта и алюминия. Классический метод их получения – осаждение, но он многостадиен, требует «отмывки» от примесей и оставляет отходы.
Альтернативой являются современные механохимические методы и методы быстрого термического нагрева – термоактивации. Принцип прост: быстрый подвод энергии переводит инертное кристаллическое вещество (например, гидроксид алюминия) в химически активное состояние. При контакте такого порошка с водным раствором соли никеля или кобальта при комнатной температуре формируется готовый каталитический материал.
Такой подход – это мягкий синтез (до 100–150°C). Его главные преимущества:
1. Малоотходность: Меньше сточных вод, так как не используется огромное количество азотнокислых солей.
2. Меньше стадий: Формование катализатора идет сразу, без длительных процессов осаждения и старения.
Разработка медных катализаторов по такой технологии вошла в топ-10 перспективных разработок за 2023 год по версии Роспатента.
От лаборатории до реактора
Готовый катализатор – это не просто порошок, а гранулы, таблетки или кольца (например, формы ИК-5-1 или ИК-5-4). Чтобы он начал реакцию, его нужно активировать. Например, никелевый катализатор восстанавливают водородом при высоких температурах (300–400°C), а затем пассивируют, чтобы он не сгорел на воздухе.
Молодым исследователям, увлечённым химией, Алексей Жужгов посоветовал углубляться в темы своих научных интересов: «Самое главное – терпение, желание и стремление. Я самостоятельно многое изучал, затем проверял на практике. Прочесть интересные статьи по теме сегодняшней лекции можно с помощью библиотеки в системе SciAct и на портале e-library».
Лекция «Редкоземельные элементы в неорганических материалах»
История изучения холодного свечения насчитывает не одно столетие. Кандидат физико-математических наук Антон Костюков рассказал слушателям о ключевых вехах: от первого задокументированного наблюдения люминесценции кристалла и закона Стокса в 1852 году до создания научной школы Сергея Ивановича Вавилова в СССР – именно он ввёл научное определение люминесценции как «избытка над температурным излучением, обладающего конечной длительностью», отделив это явление от простого свечения нагретых тел, таких как лампочка накаливания.
Что заставляет вещества светиться?
Главный секрет люминесценции кроется в поведении электронов. В упрощённом виде процесс выглядит так: под воздействием внешнего источника энергии (света, химической реакции и т.д.) электроны в атоме переходят на более высокий энергетический уровень, а возвращаясь обратно, испускают избыток энергии в виде фотонов – света.
В зависимости от способа возбуждения различают несколько видов люминесценции:
- Фотолюминесценция (возбуждение светом) – благодаря чему светятся краски, игрушки и защитные знаки на банкнотах.
- Радиолюминесценция (под действием радиации) – используется в медицинских экранах и даже для дозиметрии сотрудников АЭС.
- Электролюминесценция – основа работы светодиодов.
- Хемилюминесценция – свечение в результате химической реакции (знакомые всем «палочки-браслеты»).
- Биолюминесценция – свет светлячков и глубоководных рыб. Интересно, что ученым удалось «пересадить» гены светящихся животных растениям, создав уникальные природные ночники.
Редкоземельные элементы: ключ к идеальному свету
Отдельное внимание уделили обсуждению роли редкоземельных элементов. Именно 12 из них светятся и обладают уникальными свойствами благодаря наличию f-орбитали. Это позволяет им излучать свет в узком спектральном диапазоне – от ультрафиолетового до инфракрасного.
Однако у редкоземельных ионов есть недостаток – они слабо поглощают энергию. Чтобы создать эффективный люминофор, учёные помещают их в специальную матрицу с «сенсибилизатором», которая, как антенна, собирает энергию и передаёт её «активатору» (редкоземельному иону).
От лаборатории до повседневной жизни
В завершение встречи участники лекции узнали о создании современных источников света. Прорывом стало изобретение синего светодиода (Нобелевская премия 2014 года), который затем научились покрывать люминофорами.
Эволюция создания белого света:
1. Смешение трех отдельных лампочек (синей, зеленой, красной) – неудобно и даёт неравномерный оттенок.
2. Покрытие синего светодиода желтым люминофором – дает белый свет, но он «холодный» и некомфортный для глаз.
3. Идеальное решение – синий светодиод с желтым люминофором, покрытый дополнительно смесью из красного и зеленого люминофоров. Это позволяет получить теплый и уютный для глаз свет, максимально приближенный к солнечному спектру.
Сегодня на освещение уходит более 20% всей производимой в мире электроэнергии. Создание высокоэффективных люминофоров на основе редкоземельных элементов – это не только вопрос комфорта, но и способ сохранить ресурсы планеты. Как отметил лектор, несмотря на то, что на создание современной светодиодной технологии ушло 30 лет, развитие этой области науки продолжается, и искусственный интеллект уже помогает учёным находить оптимальные составы новых материалов.
«Наука – это не только работа. Это хобби, творчество и большая часть жизни. Чтобы преуспеть, необходимо поддерживать свой интерес – если человек к этому готов, то, мне кажется, он добьётся достаточно больших успехов. Второй важный момент – чтобы ускорить своё развитие в науке, нужно найти сильную команду, с которой начнёте развиваться в разы быстрее. Ну а дальше – терпение и труд. Если вы будете упорно заниматься, всегда всё получится. Все задачи решаемы!», – сказал в напутствие студентам Антон Костюков.