Уже в Новороссийске Зелинский активно занялся научными 
изысканиями. Например, в результате обследования вод Черного моря ученый доказал, что содержащийся в его воде сероводород имеет бактериологическое происхождение.
В Москве химик вплотную занялся изучением нефти и нефтепродуктов. Николай Дмитриевич считал, и позднее сумел доказать, что нефть имеет органическое происхождение. С 1895-го года по 1907-й он синтезировал циклогексановые и циклопентановые углеводороды, которые стали эталонами для исследования состава нефти и ее фракций. Дальнейшие исследования ароматических углеводородов послужили основой для создания технологий промышленной переработки нефти и производства на ее основе полимеров, красителей, лекарств, ядохимикатов и т.п.
Известие о начавшейся Мировой войне застало ученого в Петербурге. Ему удалось усовершенствовать и упростить методы добычи ароматических углеводородов из нефтепродуктов. Используя его рекомендации, российские военные заводы смогли существенно увеличить выход толуола, нужный для изготовления взрывчатки.
После первой же химической атаки немцев против французской армии у реки Ипр, ученый занялся поисками средств защиты. Он сразу же решил искать универсальное средство для поглощения ядовитых газов, так как считал, что не имеет смысла создавать защиту от какого-либо конкретного химиката, ведь против другого соединения такая защита может не сработать. Результатом его трудов по адсорбции разных веществ стал первый в мире противогаз на основе созданного им же активированного древесного угля.
 |
 |
| Уголь БАУ | Полнолицевая маска «ЗМ» серии 6000 |
В 1915-м году противогазов в современном понятии этого слова не существовало. Военные использовали тканевые маски, пропитанные определенным составом. Против хлора они не помогли, поэтому потери французов у Ипра были колоссальными. Зелинский предложил использовать для поглощения химических отравляющих веществ древесный уголь. Он разработал технологию получения активированного угля, который во много раз лучше поглощал вещества и очищал воздух. Первые испытания ученый провел на себе. Он несколько минут без вреда для себя дышал воздухом с распыленными фосгеном и хлором. В сотрудничестве с питерским инженером Куммантом Николай Дмитриевич создал первый противогаз, совместив резиновую полнолицевую маску со вставленными стеклами для глаз с вкладышем, в котором был порошок березового угля. Уже через полгода противогаз поступил в русскую армию и почти сразу же, по просьбе союзников, был передан странам Антанты. Зелинский принципиально отказался патентовать свое изобретение, заявив, что не считает для себя возможным наживаться на спасении жизней.
После революции Зелинский разработал новый способ получения бензина из нефти и солярки методом крекинга на катализаторах. Способ отлично подошел для промышленного использования и помог обеспечить страну бензином. Позднее на основе этих разработок была создана современная технология получения высокооктановых бензинов и других углеводородов из нефтепродуктов. Большое значение имели работы по переработке в присутствии катализаторов парафиновых и олефиновых нефтяных фракций. Николай Дмитриевич и его ученики были первооткрывателями многих реакций химического синтеза углеводородов.
За свой вклад в теорию и практику нефтехимии ученый получил звание Героя Соц. труда, трижды становился Лауреатом Сталинской премии; заслужил звание деятеля науки РСФСР, был избран в академики Академии наук СССР.