Что мотивирует молодого ученого из Китая изучать в России сложные химические процессы? Цзюньдао У, аспирант Казанского (Приволжского) федерального университета, посвятил свою работу каталитическому преобразованию кислого природного газа в ценные химические продукты. Его исследования не только открывают инновационные методы переработки ресурсов, но и вносят вклад в устойчивое развитие энергетики будущего. Привлечение иностранных студентов и ученых в Россию осуществляется, в том числе, благодаря национальному проекту «Молодежь и дети». В интервью Наука.рф ученый рассказал о своих исследованиях, профессиональном пути и перспективах сотрудничества России и Китая в области химических технологий.
— Что вдохновило вас выбрать такую научную специальность и работать с сероводородом?
— В пятом классе я понял, что мои любимые предметы — естествознание и математика — это основа технических наук. И решил стать инженером. В университете я выбрал специальность «Физическая химия», объединяющую молекулярные механизмы и масштабные промышленные технологии. Свои исследования я посвятил изучению реакций конверсии метана, так называемые реакции риформинга метана — сухой и сероводородный. К этому меня побудил научный руководитель, доцент Юго-Западного нефтяного университета Цеай Хуанг около четырех лет назад. Эти направления были дополнены научными идеями доцента Химического института им. А. М. Бутлерова КФУ Рустэма Заирова, что легло в основу международного сотрудничества и, собственно, привело меня к поступлению в аспирантуру КФУ. Однажды в дискуссиях, посвященных общим для России и Китая проблемам ограниченности ресурсов природного газа и высоких запасов кислого (как правило, содержащего примеси H₂S и/или CO₂) природного газа, нам сказали: «Если рассматривать сероводород не в качестве „ядовитого газа“, от которого нужно избавиться в ходе подготовки природного газа, а в „золото“ исходного химического реагента, мы сможем пробудить эти спящие ресурсы и сделать их переработку экономически эффективной». Я осознал, что такие исследования могут привести не только к технологическим прорывам, но и развитию социальной ответственности за устойчивое использование ресурсов.
— Какие перспективные применения есть у продуктов, полученных в результате ваших исследований?
— Результаты работы нашей команды обладают значительным потенциалом в нескольких направлениях. Во-первых, мы можем сделать разработку высокосернистых месторождений более эффективной. Проблема в том, что 30% мировых ресурсов природного газа остаются недоступными из-за высокого содержания серы. Наша технология с использованием катализаторов на основе сульфидов металлов позволяет преобразовывать сероводород и метан за один этап в сероуглерод (CS₂), который можно использовать в качестве прекурсора для фармацевтической промышленности, агрохимикатов, в резиновой промышленности, а также в «зеленый» водород (H₂), являющийся непревзойденным носителем энергии. К тому же такой способ позволит снизить стоимость получения водорода на 40%.
Во-вторых, наши исследования могут помочь модернизировать химическую промышленность. Традиционный процесс Клауса при переработке 1 тонны сероводорода приводит к выделению 1,8 тонны углекислого газа. Наша технология сокращает углеродный след на 60%, одновременно повышая рыночную стоимость продуктов (сероуглерода и водорода) в 5 раз. Это формирует новую цепочку стоимости: «природный газ → химикаты → материалы для новой энергетики».
В-третьих, эти технологии, на мой взгляд, вносят важный вклад в развитие энергетической взаимодополняемости Китая и России. Месторождения Западной Сибири с концентрацией сероводорода до 25% и месторождения северо-восточной Сычуани сталкиваются с проблемой утилизации серы. Для компании ПАО «Газпром» мы разрабатываем катализаторы сероводородметанового риформинга, создавая технологический эталон комплексного использования высокосернистых ресурсов для обеих стран.
Эти решения сочетают экономическую эффективность с экологичностью, что соответствует целям устойчивого развития и технологического суверенитета России в условиях глобального энергоперехода.
— Какие сложности возникают при работе с сероводородсодержащим природным газом? Как вы их преодолеваете?
— Наша команда сталкивается с тремя основными вызовами. Один из них — короткий срок службы катализаторов. Традиционные материалы могут деактивироваться из-за «отравления» серой в агрессивной среде. Мы разработали самовосстанавливающийся нанокатализатор, который формирует динамический защитный слой за счет самой серы. Это не только защищает материал от деградации, но и усиливает преобразование метана и сероводорода. Лабораторные испытания показали, что срок службы катализатора увеличился с 5 до 500+ часов.
Другая трудность связана с тем, что в природном газе состав сероводорода может меняться. Это влияет на чистоту продукции. Решить задачу можно в рамках интеллектуальной системы адаптивного управления. Этот подход разрабатывается на платформе китайско-российской лаборатории.
— Какие методы исследования наиболее эффективны для изучения халькогенидов — соединений металлов и халькогенов (кислород, сера, селен, теллур)?
— Мы используем стратегию «трехэтапного подхода». Первый этап: конструирование. Сначала мы «выращиваем» материалы, применяя метод высокотемпературного гидротермального синтеза: нагреваем соли металлов и серосодержащие исходные компоненты в автоклавах с точным контролем температуры и времени. Так мы синтезируем пористые сульфиды с наноархитектурой. Например, дисульфид молибдена (MoS₂) с ячеистой структурой, напоминающей пчелиные соты. Это увеличивает активную поверхность катализатора в 15 раз.
Второй этап: наблюдение за атомными превращениями. С помощью синхротронного излучения мы отслеживаем структурные изменения катализаторов в реальном времени. Комбинация с in situ ИК-спектроскопией работает как «высокоскоростная камера» для химических процессов. Так нам удалось, в частности, зафиксировать ключевой интермедиат распада молекул метана и сероводорода на каталитической поверхности.
Третий этап: ускорение экспериментов. Что подобрать оптимальный состав катализаторов, мы используем алгоритмы машинного обучения. Например, прогнозируя свойства сульфидов переходных металлов, сократили срок разработки новых материалов.
— Как российский рынок химической промышленности принимает новые технологии?
— Российская химическая промышленность демонстрирует прагматичный и открытый подход к инновационным технологиям. Стимулирование инноваций и развитие модели сотрудничества «наука — производство — образование» создают идеальные условия для внедрения новых разработок. Мы уже начали сотрудничать с рядом предприятий. Это значит, что наши решения востребованы с точки зрения технологической модернизации ТЭК России.
— Какие отличия вы отмечаете в научной деятельности в России и Китае?
— Российская сторона отличается глубокой теоретической проработкой и хардкорными технологическими компетенциями. Китайские специалисты сильны в интеграции сложных систем и оперативном внедрении решений в промышленные сценарии.
— В чем заключаются перспективные направления развития вашей научной области в ближайшие годы?
— С какими российскими научными институтами или компаниями вы сотрудничаете? Какие совместные проекты ведете?
— С Институтом органической и физической химии имени А. Е. Арбузова РАН мы выиграли совместный российско-китайский грант Комитета по естественным наукам КНР (NSFC) и Российского научного фонда (РНФ) по теме «Дизайн высокоэффективных материалов для каталитического сухого риформинга природного газа с использованием концентрированной солнечной энергии». Вместе с профильным институтом газа Газпром-ВНИИГАЗ работаем над совершенствованием процессов переработки сернистого природного газа. Это позволяет сочетать российский опыт в фундаментальных исследованиях с китайской экспертизой в масштабировании инноваций.
— Как меняется химическая промышленность в России и Китае под влиянием международных научных исследований и экологических требований?
— Спрос на технологии зеленой химии, низкоуглеродные процессы и циркулярную экономику заставляет обе страны увеличивать инвестиции в разработку материалов. Экологическая политика вынуждает традиционные производства модернизировать оборудование и оптимизировать энергетическую структуру, что временно повышает затраты, но ускоряет вывод устаревших мощностей.
— Какие новые материалы или методы вы планируете внедрять в свою работу?
— Наша команда планирует разработать эффективные катализаторы на основе переходных металлов для технологий прямого преобразования серосодержащего природного газа. В этом нам помогут специальные структурные решения (такие как формирование гетеропереходов или активных центров для повышения эффективности реакций). Вместе с тем мы исследуем новый метод синергетического воздействия световых и тепловых полей, что позволит сократить энергопотребление и увеличить срок службы оборудования.
Кроме того, мы будем применять машинное обучение для быстрого скрининга оптимальных комбинаций материалов, а также передовые методы in situ характеризации для мониторинга процессов в реальном времени.
— Какие ключевые достижения вам особенно запомнились за время научной карьеры?
— Самым значимым достижением стало раскрытие «скрытого кода» в конверсии серосодержащего природного газа. Наша команда впервые обнаружила, что метан (основной компонент природного газа) и токсичный сероводород под действием специфического катализатора образуют ключевой интермедиат, метантиол (CH₃SH), через который происходит «кооперация», сочетание молекул. Благодаря этому их можно эффективно преобразовывать в чистый водород и ценный химический продукт — сероуглерод (CS₂).
Это открытие позволило проводить реакции в мягких условиях, для которых раньше были необходимы высокие температуры и давление. Мы решили проблему дезактивации катализатора примесями: наш молибденовый катализатор сохраняет стабильность 500 часов, тогда как традиционные аналоги деградируют за 30 минут. Кроме того, в будущем это поможет нам создавать «зеленые» энергетические технологии с нулевыми выбросами CO₂.
Такие результаты открывают новые возможности для трансформации газовых месторождений: «попутные газы» превращаются в экономически ценные продукты, сочетая экологическую безопасность с коммерческой эффективностью.
— Как работа в Казани влияет на развитие вашей научной деятельности?
Но самое важное — это создание коллаборативной сети. В нашу международную команду входят российские химики и китайские материаловеды.
— Какие возможности для обмена опытом между российскими и китайскими учеными вы бы выделили?
— Китайские и российские ученые могут углубить сотрудничество, в частности, с помощью совместной организации научных конференций, создания лабораторий с общим доступом к крупногабаритному оборудованию и данным, специальным обменным фондам для поддержки молодых ученых, стажировок и реализации совместных программ аспирантуры. Помочь ускорить коммерциализацию результатов исследований могли бы технологические демонстрационные платформы с участием промышленных гигантов. Еще возможно подать заявки на стратегические проекты в рамках научно-технических программ БРИКС, двусторонних грантов (NSFC-РНФ) и межправительственных проектов, особенно в области энергоперехода.
— Какие схожести и различия вы видите между китайской и российской научной молодежью?
— Ключевое различие заключается в академическом мышлении и моделях сотрудничества: российские ученые делают акцент на критическом анализе и теоретической оригинальности, тогда как китайские коллеги фокусируются на эффективном внедрении технологий и системном планировании. Однако обе стороны активно следят за технологическими трендами и прагматично подходят к междисциплинарному сотрудничеству. Такое сочетание «глубокого исследования» и «точной реализации» становится главной движущей силой совместных инноваций.
— Что можете порекомендовать другим иностранцам, желающим вести научную деятельность в России?
— Для академического общения и бытовой адаптации необходимо овладеть базовым русским. Следует активно участвовать в коллективных мероприятиях лаборатории — это кратчайший путь к установлению успешного и плодотворного взаимодействия. Важно использовать общие экспериментальные платформы российских вузов и академий наук. При общении с научным руководителем стоит четко формулировать этапные цели. Это эффективнее частых дискуссий.
— Как вам удается находить баланс между профессиональной деятельностью и личной жизнью в нашей стране?
— Я придерживаюсь принципа «полная концентрация на работе плюс полноценный отдых»: в будни эффективно провожу эксперименты и пишу статьи, а в выходные изучаю город, например, посещаю Казанский Кремль или учусь готовить татарские эчпочмаки. Восстановить силы помогают встречи с коллегами и друзьями в выходные дни.
— На мой взгляд, молодым ученым нужно направить силы и внимание на укрепление теоретической базы: изучать профильную литературу, осваивать технические принципы и передовые направления в области исследований. В научной работе важно сочетать упорство и энтузиазм, быть готовым к исследованиям в новых направлениях. И не забывать, что неудачи — это часть процесса. Если постоянно работать над улучшением подходов, то у вас все обязательно получится.
