Вернувшись в Казань, Николай Зинин защитил докторскую диссертацию «О соединениях бензоила и об открытых новых телах, относящихся к бензоиловому ряду». Он впервые получил бензоин конденсацией бензальдегида в присутствии цианида калия и дибензила (дифенилдикетона) – окислением бензоина азотной кислотой. В своей диссертации Зинин близко подошел к современным представлениям о катализе, описал участие катализатора в промежуточных стадиях реакции, четко разграничил два явления, которые теперь получили название гомогенного и гетерогенного катализа. В 1841 Зинин был утвержден экстраординарным профессором по кафедре химической технологии Казанского университета. Вместе с Александром Абрамовичем Воскресенским он основал в Казани большую школу русских химиков. Многие из учеников Николая Зинина впоследствии стали известными химиками и внесли огромный вклад в развитие отечественной науки: Александр Михайлович Бутлеров, Николай Николаевич Бекетов, Александр Порфирьевич Бородин, Александр Николаевич Энгельгардт и др.