Необычное свойство фотокатализаторов обнаружили исследователи из Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН. Эксперименты с фенотиазином показали, что под действием света он превращается в «коктейль» из разнообразных компонентов с повышенной каталитической активностью. Открытие поможет создавать более универсальные и энергоэффективные фотокаталитические системы. Достижение вошло в число выдающихся работ российских ученых за 2025 г., представленных на общем собрании членов РАН в мае 2026 г.
Фотокатализаторы — соединения, инициирующие или ускоряющие химические реакции под действием света: чаще всего в ближнем ультрафиолетовом или видимом диапазоне (редко — в ближнем инфракрасном). Предполагалось, что во время реакции молекулы фотокатализатора не меняют структуру и только участвуют в переносе электронов. Но новые наблюдения показали, что этот процесс гораздо сложнее — по крайней мере, для некоторых веществ.
Работу провели исследователи из лаборатории металлокомплексных и наноразмерных катализаторов ИОХ РАН при участии старшего научного сотрудника Юлии Владимировны Бурыкиной, аспиранта Яны Игоревны Суржиковой и их коллег. Об исследовании корреспонденту «Научной России» рассказал один из его авторов, заведующий лабораторией академик Валентин Павлович Анаников.
«Классические фотокаталитические реакции основаны на использовании специальных веществ, поглощающих излучение с определенной длиной волны. Ранее считалось, что каталитический центр (структура, непосредственно участвующая в катализе. — Примеч. корр.) практически полностью повторяет или очень похож на исходную молекулу, используемую в качестве предшественника фотокатализатора. Но мы обнаружили чрезвычайно интересное явление, заключающееся в том, что в процессе реакции фотокатализатор претерпевает димеризацию и тримеризацию, — объяснил В.П. Анаников. — Молекулы фотокатализатора переходят в возбужденное состояние, происходит генерирование свободных радикалов, и в результате две молекулы фотокатализатора реагируют между собой с образованием димера. Далее этот процесс продолжается до формирования тримеров и олигомеров (димер, тример, олигомер — молекулы-“цепочки” из двух, трех и более /до нескольких десятков/ “звеньев” соответственно. — Примеч. корр.)».
Открытие получило название концепции динамической реконфигурации под действием света (англ. ReAct-Light — Reconfigurable Active Species under Light). Благодаря повышенной каталитической активности «ингредиентов» образующийся «коктейль» позволяет доводить долю целевого вещества среди продуктов реакции до 99%. При этом активные частицы в его составе за счет особенностей структуры «включаются» светом в более широком диапазоне по сравнению с исходным веществом.
«Поскольку цепочка сопряжения внутри молекул возрастает, у активных частиц меняется длина волны поглощаемого света, — пояснил В.П. Анаников. — И фотокатализатор, изначально реагирующий на излучение в ультрафиолетовом диапазоне, начинает поглощать свет в зеленом и, что самое интересное, красном диапазонах спектра. Таким образом, катализатор реконфигурируется, меняется, “настраивается” на новую реакцию».
Важнейшее преимущество получаемого в таких реакциях «коктейля» катализаторов — универсальность.
«Исходный катализатор в виде одиночных молекул может катализировать только один процесс или один тип процесса. В то же время, когда из него формируются несколько (вплоть до десятков) различных каталитически активных компонентов, возникает “коктейль” из катализаторов, и подобная многокомпонентная система может успешно катализировать большое количество реакций, — отметил В.П. Анаников. — То есть “коктейли” катализаторов — это универсальные системы, в которых одно исходное вещество может обеспечить синтез большого количества других химически значимых систем. Достижение универсальности — одна из желаемых характеристик для любой каталитической системы».
Пока ценная способность обнаружилась у трех разных фотокатализаторов. Умеют ли так превращаться другие каталитические системы? Исследователям еще предстоит ответить на этот вопрос.
«Первая система, на примере которой был обнаружен новый эффект, — катализатор на основе фенотиазина, который под действием ультрафиолетового света димеризуется и тримеризуется, переходя в другие формы. Затем этот эффект был обнаружен на двух других каталитических системах, — рассказал В.П. Анаников. — С фундаментальной точки зрения, генерация возбужденных состояний молекул и появление свободно-радикальных частиц — это ключевые моменты фотокатализа, характерные для всех фотокатализаторов. Мировое сообщество уже обратило внимание на наше открытие, и в будущем мы, безусловно, проведем исследование, которое поможет выяснить, насколько универсально это явление. Очень интересно понять, будет ли оно проявляться во всех каталитических системах или, по крайней мере, в существенной их части. Фундаментальные предпосылки для этого есть».
Новая концепция открывает возможности для получения более универсальных, при этом более энергоэффективных и доступных фотокатализаторов. Статья об исследовании была опубликована в журнале Journal of the American Chemical Society. В конце 2025 г. проект вошел в топ-10 отечественных научных открытий по версии Российского научного фонда.
«Первая стадия исследования — фундаментальное открытие. Работа была выполнена, концепция доказана. Мы успешно выделили и охарактеризовали димерные и тримерные формы катализатора, а также показали, как изменилась их каталитическая активность. Это открывает новые горизонты в получении органических молекул, различных приложениях тонкого органического синтеза, — заключил В.П. Анаников. — Сейчас мы находимся на практической стадии. Мы выясняем, как продлить время жизни фотокатализатора, уменьшить его количество и перевести разработку в экономически значимую область, где синтезы на основе фотокаталитических превращений будут представлять промышленный интерес. Мы ведем фундаментальные исследования и видим большие перспективы их практического приложения. Это интересный случай, когда научное открытие сразу находит отражение в проектах, востребованных на практике».
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Валентин Павлович Анаников / Юлия Владимировна Бурыкина / Яна Игоревна Суржикова
Источники
Доклад президента РАН Г.Я. Красникова на общем собрании членов РАН 26 мая 2026 г.
Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН. Исследование ИОХ РАН вошло в число десяти ключевых научных достижений 2025 г. по версии РНФ
Фото на превью: Станислав Любаускас / предоставлено пресс-службой ИОХ РАН
Фото на странице: Станислав Любаускас / предоставлено пресс-службой ИОХ РАН, Ольга Мерзлякова / «Научная Россия».
Корреспондент Анастасия Жукова
Оператор Павел Прощенко
Фотограф Ольга Мерзлякова
Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/)