ЕЛЕКТРОХІМІЯ: МИНУЛЕ, СУЧАСНЕ, МАЙБУТНЄ.
В період з 21 по 25 січня 2013 р. на базі ДВНЗ «Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника» в резиденції «Синьогора» на Івано-Франківщині відбулась виїзна сесія наукової ради НАН України з проблеми «Електрохімія», на якій провідні фахівці України з електрохімії обговорювали перспективні напрямки розвитку фундаментальних та прикладних досліджень в області електрохімії, аналізували сучасний стан досліджень та здобутки електрохімічної науки. Сесія була приурочена 150-річчю від дня народження академіка В.І. Вернадського та 95-річниці Національної академії наук України.
Відкрив сесію академік НАН України С.В. Волков, який у своїй промові відзначив не лише роль та значення електрохімії для сучасної науки та техніки, але й проілюстрував їх конкретними прикладами науко-технічних розробок, створених в Інституті загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України та спрямованих на реалізацію концепцій академіка В.І. Вернадського про біосферу та ноосферу, раціональне використання природних ресурсів, забезпечення необхідних умов існування людини на планеті. Академік С.В. Волков зокрема відзначив, що, незважаючи на створені розробки у галузі технічної електрохімії, фундаментальним дослідженням в Україні приділяється недостатня увага, а також подальшого розвитку вимагають дослідження з екологічної електрохімії, електрохімічного матеріалознавства, альтернативного енергозабезпечення.
Аналізу стану та перспектив досліджень з електрохімії твердих електролітів в Україні був присвячений виступ голови наукової ради НАН України з проблем «Електрохімії», члена кореспондента НАН України А.О. Омельчука (ІЗНХ ім. В.І. Вернадського НАН України). В своєму виступі він відзначив, що, незважаючи на привабливість та перспективи широкого практичного використання в найрізноманітніших областях сучасної науки та техніки, зокрема таких, як електрохімічна та воднева енергетика, моніторинг довкілля, мембранні технології, даний науковий напрямок не отримав належного розвитку в Україні. У повідомленні було відмічено, що привабливим науковим напрямком в електрохімії твердих електролітів та електродних матеріалів є дослідження механізму та природи провідності низькотемпературних твердих протон та фторпровідних фаз.
В доповіді «Зелена» електрохімія – можливості і перспектива» авторського колективу проф. Я.Ю. Тевтуля (ЧНУ імені Юрія Федьковича), С. Гутт, Г. Гутт (Сучавський Штефан чел Мааре університет, Румунія) наведено приклади обсягів твердих відходів гальванічних виробництв в Україні і деяких країнах світу, акцентовано увагу на токсикології і екотоксикології хімічних сполук важких металів. Зроблено короткий огляд електрохімічних методів очищення стоків гальванічних виробництв, утилізації цінних компонентів, регенерації технологічних розчинів. Приведено ряд робіт, виконаних в Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича та Сучавському «Штефан чел Маре» університеті (Румунія), що спрямовані на регенерацію розчинів травлення міді, вилучення іонів нікелю з відпрацьованих розчинів хімічного нікелювання, хромування з розчинів на основі солей хрому(ІІІ), зменшення скидів розчинів травлення сталей, удосконалення методів моніторингу забруднення водних об’єктів і атмосферного повітря промислових зон, створення автоматизованих постів контролю якості поверхневих вод прикордонних регіонів України та Румунії.
Про стан досліджень та перспективи застосування фотоелектрохімічних систем для відновлювальної енергетики розповів проф. Колбасов Г.Я. (ІЗНХ ім. В.І. Вернадського НАН України). В наш час відновлювальну енергію отримують з природних ресурсів – таких як сонячне світло, вітер, гідроенергія, припливи, геотермальна теплота, енергія біомаси. Сонячні електростанції використовують енергію Сонця як напряму (фотоелектрохімічні електростанції, що працюють на явищі внутрішнього фотоефекту), так і не безпосередньо – використовуючи кінетичну енергію нагрітого носія – рідини або пару. В доповіді розглянуто електрохімічні сонячні елементи, що представляють альтернативу кремнієвим елементам за рахунок суттєво меншої їх собівартості. До них відносяться сонячні елементи, фотосенсибілізовані барвниками (комірки Гретцеля) та елементи для отримання «сонячного» водню. Коефіцієнт корисної дії комірки Гретцеля складає 10-11% і суттєво залежить від застосованого барвника – чим ширше спектр його поглинання, тим вища її ефективність. Наведено приклади використання в таких комірках оксидів металів і барвників різних типів. Серед фотоелектрохімічних елементів для отримання «сонячного» водню перспективними є елементи з розділеними іонообмінною мембраною анодним і катодним простором за рахунок можливості застосування напівпровідників, що добре поглинають видиме світло внаслідок заміни анодної реакції виділення кисню реакцією окислення деяких іонів (S2-, SO2-, Se2- та інших), перебіг якої відбувається при менших анодних потенціалах, ніж реакція виділення кисню.
В повідомленні проф. Калугіна В.Д. (НДІ хімії Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна, Національний університет цивільного захисту України) йшлося про перспективу використання хімічного осадження металів на діелектричну основу в умовах вимушеної конвекції розчинів. Було відмічено, що, керуючи гідродинамічним режимом осадження, можна отримувати осади металів заданої морфології та адгезії до основи.
«Синтез, будова та електрохімічні властивості наночасток оксидів титану, магнію і їх гідратованих форм» - тема доповіді проф. Миронюка І.Ф.(ДНВЗ «Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника»). В повідомленні були приведені виявлені закономірності утворення кристалічних фаз при рідинно-фазовому синтезі оксидних, гідроксидних матеріалів за участю базових прекурсорів – [Ti(OH2)6]4+MgCl2·6H2O. Показана перспектива використання катодів із синтезованих нанокристалів рутилу, анатазу та Mg(OH)2 в літієвих джерелах струму.
Від колективу авторів Сахненко М.Д., Ведь М.В.(Національний технічний університет «ХПІ», Никифоров К., Лунарська Е., (ІФХ АН Польщі), Байрачна Т. (Північно-східний університет, США) представлено доповідь, в якій йшлось про концептуальні рішення наукової групи НТУ «ХПІ» з електрохімічного дизайну новітніх матеріалів і покриттів. Розглянуто історичний аспект проблеми, проаналізовано внесок представників наукової школи Ф.К. Андрющенко та В.В. Орехової у формування наукового підґрунтя гальванохімічних процесів за участю полілігандних систем, досвід спільних наукових досліджень з представниками Інституту фізичної хімії АН Польщі проф. Е. Лунарською та к.т.н. К.Никифоровим. Віддзеркаленням сучасного стану наукових розробок стали роботи зі створення покриттів з прогнозованим рівнем функціональних властивостей на підставі запропонованих авторами теоретичних уявлень про механізм формування синергетичних матеріалів (електрокаталітичних, протикорозійних, магнітних, з високою мікротвердістю і опором абразивному зношуванню тощо). Наведено приклади створення таких матеріалів – наноламінатів, шаруватих мультифероїків, покриттів складними і змішаними оксидами та досвід їх застосування в різних галузях промисловості. Також було оприлюднено результати досліджень з електрохімічного синтезу золотих нанодротів для виготовлення композитних матеріалів.
Сучасний стан робіт в галузі низькотемпературних паливних елементів був представлений д.х.н. Пірським Ю.К. (ІЗНХ ім. В.І. Вернадського НАН України). Відзначено проблеми, що виникають при розробці паливних елементів з електрокаталізаторами, протонпровідними мембранами, газодифузійними шарами, біполярними пластинами, мембранно-електродними блоками і способами їх приготування. Розглянуто переваги і недоліки існуючих паливних елементів, що використовують різноманітні види палива (водень, метанол, етанол), та шляхи вирішення існуючих проблем при їх виготовленні та експлуатації. Показана й науково обґрунтована перспективність проведення науково-дослідних робіт для отримання нових електрокаталітичних, електродних та електролітних матеріалів для електрохімічної енергетики.
У доповіді проф. Фреїка Д.М., Межиловської Л.Й. .(ДНВЗ «Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника») «Технологічні аспекти наноструктур і проблеми термоелектрики» представлено дві стратегії для підвищення термоелектричної ефективності в області низькорозмірної термоелектрики:
- використання квантово-розмірних явищ для підвищення коефіцієнту Зеєбека S та для контролю в деякій мірі незалежного S і електропровідності ?;
- введення численних границь, що розсіюють фонони більш ефективно ніж електрони, а також розсіюють переважно ті фонони, які мають найбільший вклад у термопровідність.
У виступі проф. Панова Е.В. (ІЗНХ ім. В.І. Вернадського НАН України) проаналізовано результати досліджень з синтезу в сольових розплавах нанокристалічних фаз напівпровідникового Sn1-хSbxO2 і допування їх деякими перехідними і платиновими металами. Такі заходи дозволяють отримати нанокомпозити Sn1-хSbxO2 з необхідним фазовим, хімічним складом, структурою та дефектністю поверхні. Цілеспрямовано змінюючи при синтезі зазначені вище фактори можна отримувати високоякісний електродний матеріал із бажаними адсорбційними та каталітичними центрами під задану реакцію. Наведені приклади матеріалів для плівкових електродів: іоністорів, індикаторного аноду типу DSA, а також формування на поверхні плівки Sn1-хSbxO2 узгоджених центрів поширення каталізу для окислення простих спиртів і кетонів.
Про термодинамічну оцінку розчинності сполук у сольових розплавах доповів проф. Зінченко В.Ф. (Фізико-хімічний інститут ім. О.В.Богатського НАН України). Розглянуто загальні принципи розчинення оксидів, фторидів, сульфідів, металів у сольових розплавах, виходячи з уявлень про кислотність й основність розчинника й речовини, яку розчинюють. Проведено принципи прогнозування розчинності зазначених сполук в залежності від їх кислотно-основних властивостей. Виходячи з принципу оборотності процесу, проведено термодинамічний розрахунок (зміни енергії Гіббса) розчинення ряду сполук. Показана задовільна відповідність розрахованих й експериментальних даних, визначена низка об’єктів, для яких можна використовувати запропоновану концепцію термодинамічної оцінки розчинності.
Проблема прогнозування електрохімічних, термодинамічних та транспортних властивостей рідких іон-молекулярних систем на прикладі такої властивості як електропровідність «об’ємного електроліту» електрохімічних систем була висвітлена у доповіді к.х.н. проф. Калугіна О.М. (ХНУ ім. В.Н. Каразіна). Детально розглянуто електроліти для сучасних і майбутніх літій-іонних акумуляторів, а також перспективи практичного використання систем на основі іонних рідин та апротонних молекулярних розчинників в електрохімічних пристроях. Представлено детальний аналіз існуючих статистико-механічних теорій електропровідності, починаючи з найпростіших моделей в рамках концепції Дебая- Хюккеля- Онзагера та закінчуючи іон-молекулярними квазігратковими теоріями. Запропоновано альтернативний метод теоретичного опису властивостей іон-молекулярних систем – метод молекулярно-динамічного моделювання. На прикладі авторських досліджень проілюстровано можливості та перспективи використання запропонованого підходу.
Доктор хімічних наук Каздобін К.О. (ІЗНХ ім. В.І. Вернадського НАН України) зробив презентацію учбового посібника «Спектроскопія електрохімічного імпедансу електролітних матеріалів» (автори К.Д. Першина та К.О. Каздобін), в якому розкрито принципи аналізу спектрів імпедансу для досліджуваних об'єктів. посібник призначений для студентів хімічних, хіміко-технологічних, медико- біологічних спеціальностей, а також для фахівців, що займаються дослідженнями в області матеріалознавства, медицини та екології.
За матеріалами докторської дисертації к.х.н. Першиної К.Д. (Таврійський національний університет ім.. В.І. Вернадського) було зроблено цікаве повідомлення про закономірності міжфазних Red/Ox процесів в природних системах вода/повітря/мінерал. Робота визнана актуальною, рекомендована до подальшого розвитку та узагальнення отриманих результатів.
У загальній дискусії учасники відзначили актуальність тематики сесії, високий рівень представлених доповідей, висловили щиру подяку співробітникам Прикарпатського національного університету імені Василя Стефаника за прекрасну організацію роботи сесії.
Секретар наукової ради НАН України з проблеми «Електрохімія» к.х.н. Т. Глущак