Сегодня - 17.01.2019

Люди и установки Катализа

19 марта 2014

«Я работаю в Катализе», «добрось до Катализа». Так в обиходной речи называют Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН. У журналистов в ходу термины «институт-завод» и «городок в городке», с оглядкой на прикладные разработки и размеры этого исследовательского центра. Поскольку нельзя объять необъятное, наш корреспондент посетил здесь четыре экспериментальные установки и узнал, для чего они используются.



Комплекс за миллион долларов

Старший научный сотрудник лаборатории исследования поверхности кандидат химических наук Игорь Петрович Просвирин показывает рентгеновский фотоэлектронный спектрометр: «Он нужен для исследования поверхности гетерогенных катализаторов и позволяет изучать химическое состояние активного компонента, который в большинстве случаев представляет собой мелкодисперсный металл, нанесенный на пористый носитель (оксид алюминия, оксид кремния и другие). С помощью этой установки можно определить атомную концентрацию вещества на подложке, его химическое и зарядовое состояние. Мы можем точно посчитать на каждой стадии эксперимента, сколько активного вещества находится на поверхности». Игорь Просвирин показывает путь изучаемого образца по установке: сначала он помещается в камеру загрузки, затем переносится в камеру подготовки, где с помощью манипуляторов устанавливается на специальный держатель. Здесь его можно нагревать, проводить травление поверхности ионной пушкой, напылять активный компонент. «Наша задача, — говорит Игорь Петрович, — нанести на подложку наночастицы металла: мы работаем с золотом, серебром, платиной и другими элементами». После напыления образец переносится в камеру анализатора, где записывается фотоэлектронный спектр, получаемый с помощью рентгеновского излучения. Оно выбивает с поверхности фотоэлектроны, которые регистрируются, распределяются по  кинетической энергии и записываются на компьютер в виде спектра. Такой комплекс — единственный на весь Академгородок, в котором есть и монохроматор, и сразу две рентгеновские пушки с различными анодами.



Вся эта могучая система произведена немецкой фирмой SPECS. Установка прибыла в институт в конце 2007 года, затем приехал наладчик, и тестовая работа началась с середины 2008 года. Стоимость установки свыше 1 млн. долларов, поэтому она  входит в систему центров коллективного пользования (ЦКП) СО РАН, на ней работают исследователи из Института неорганической химии им. А. В. Николаева, Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова. «Поскольку в нашем институте есть квалифицированные специалисты и мощная лаборатория исследования поверхности под руководством член-корреспондента Валерия Ивановича Бухтиярова, было принято решение, что территориально этот спектрометр будет находиться у нас», — объяснил Игорь Просвирин. У других коллаборантов, как это принято, есть фиксированные квоты времени для проведения своих экспериментов. Неполные 6 лет работы дали «выход готовой продукции» в виде около ста статей в высокорейтинговых российских и международных журналах. Под руководством старших коллег здесь работают студенты и аспиранты. «Это мощный интегрированный комплекс, который позволяет решать многие задачи науки о поверхности», — резюмировал Просвирин.
 
Старый и незаменимый

Игорь Петрович ведет меня в следующую комнату. «А этот спектрометр считается старым: он у нас с начала 80-х годов прошлого столетия. Но мы провели большую работу по его модернизации, что позволило проводить достаточно интересные эксперименты. Прибор произведен британской фирмой Vacuum Generators. Несмотря на солидный возраст спектрометра, мы стараемся поддерживать его в хорошем состоянии». Учёный подчеркнул ценность установки:  на ней можно вести исследования в режиме in situ, то есть проводить измерения спектров непосредственно в ходе протекания каталитической реакции. Прибор оснащен специальной ячейкой высокого давления, через которую проходит реакционная смесь, и фотоэлектронный спектр образца измеряется прямо в потоке газа.



«Второй важный момент, — дополняет Игорь Петрович, —  наличие масс-спектрометра, с помощью которого мы можем наблюдать, как меняется соотношение между компонентами газовой реакционной смеси и следить за выходом продуктов реакции, это позволяет нам получать информацию о каталитических свойствах изучаемого образца». Вижу, что снаружи к установке прикреплен маленький самодельный вентилятор: как выяснилось, это дополнительное охлаждение рентгеновской пушки, необходимое для ее работы в нестандартных режимах во время проведения экспериментов in situ. «Сейчас идет обработка в водороде наночастиц родия, нанесенных на оксид титана — прокомментировал Игорь Петрович. —  Температура образца около 300 градусов Цельсия. На мониторах видны параметры и источника излучения, и состояния образца (температура, скорость потока газа и фотоэлектронный спектр). Считаю, что в России такого оборудования больше нигде нет».

Сборная модель

Метод сканирующей туннельной микроскопии, объединенный в одной установке с РФЭС- спектрометром, представляет кандидат химических наук Анна Владимировна Нартова, научный сотрудник той же лаборатории: «Этот прибор оборудован всем необходимым для анализа химического состава и морфологии поверхностей. Здесь исследуются и монокристаллы, и традиционные для нас наночастицы, нанесенные на модельные планарные и пористые подложки». Главная особенность установки — возможность ставить эксперименты при повышенных температурах, до 300 градусов Цельсия. Внимание привлекло окошечко с подсветкой изнутри. Оказалось, оно нужно для наблюдения за «поведением» образца и манипуляций с ним.



Установка, на которой работает Анна Нартова, являет собой что-то вроде конструктора. Её блоки произведены в разное время различными германскими и британскими фирмами, а также американской компанией RHK из города Трой под Детройтом. С 2007 года  система собиралась и запускалась по частям до начала 2013-го. К исходной конфигурации добавлялись новые и новые модули, расширявшие возможности устройства. Сколько же оно стоит, по этой причине мои собеседники не смогли сказать.



Для газовой «Газели»

В следующей лаборатории вопрос о цене отпал сам собой: всё выглядит весьма скромно. Нас встретил младший научный сотрудник Александр Константинович Худорожков, он готовится к защите кандидатской  диссертации. «На этой установке мы испытываем различные образцы каталитических нейтрализаторов для очистки газов. Моя персональная задача — найти оптимальное решение для выхлопа автомобильных двигателей». Да, но ведь таких катализаторов на рынке полным-полно, автор этих строк приехал в Катализ как раз на машине с таким устройством… В чём же новизна?
 
Оказалось,  в том, чтобы найти катализаторы для двигателей на природном газе. «Газели» с баллонами под кузовом — чисто российская специфика. Природного газа в стране много, использовать его в качестве автомобильного топлива достаточно просто и экономично. Одна беда: такие двигатели обычно не вписываются в экологические стандарты. «Наша задача, — рассказывает Александр Худорожков, — научиться  дожигать метан, самый вредный компонент выхлопа, который  в 20 раз опаснее углекислого газа. И, в результате,  довести отечественные двигатели  до стандартов Евро-4 и Евро-5».



«Вот этот блок из трех приборов служит для подготовки газовой смеси из углеводорода, кислорода и газа-носителя (обычно инертного), — рассказывает Александр. —  Здесь мы моделируем состав, выходящий в атмосферу из реального двигателя, с содержанием метана около одного процента. Решаем, добавлять или не добавлять водяной пар. Зимой и во влажную погоду, как правило, он присутствует в выхлопе и добавляет нам проблем. Дело в том, что вода — мощный ингибитор, который «отравляет» катализатор, снижает его эффективность». В следующем, реакторном блоке происходит  нагрев смеси до 400-500 градусов, то есть до температуры прогретого мотора, а затем «искусственный выхлоп» поступает в хроматограф. «Мы смотрим на исходный состав смеси и на то, что получилось после её пропуска через тот или иной катализатор, в результате сравниваем активность и другие параметры разных образцов», — объяснил исследователь суть своей работы. — «Задача, в том, чтобы получить такой катализатор, который  был бы и активным, и стойким, и долговечным. Немаловажно и другое: экономическая  целесообразность  и сравнительная лёгкость в производстве».


Подготовил: Андрей Соболевский

Фото автора

Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (6 votes)
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus