Об институте

1В 2015 году Институту физической химии Российской академии наук, имеющему теперь название Учреждение Российской академии наук Институт физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН, исполнилось 70 лет.

Сегодня институт является одним из ведущих химических институтов Российской академии наук. Он насчитывает более 800 сотрудников, среди которых 7 академиков, 9 членов-корреспондентов РАН, более чем 100 профессоров и 260 кандидатов наук.

Проводимые в Институте фундаментальные и прикладные исследования характеризуются многопрофильностью и включают следующие основные научные направления: поверхностные явления в коллоидно-дисперсных системах, адсорбция, физико-химическая механика; супрамолекулярные и наноразмерные системы для использования в современных высоких технологиях; химическое сопротивление материалов, защита металлов и других материалов от коррозии и окисления; химия и технология радиоактивных элементов, радиоэкология и радиационная химия; электрохимия.

Успехи сегодняшних исследований опираются на уникальную экспериментальную базу, позволяющую решать практически любую задачу физико-химического исследования вещества или свойств его поверхности разнообразными современными методами. В их числе: электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ, рентгеноструктурный анализ, рентгеновское малоугловое рассеяние, атомно-адсорбционный анализ, эллипсометрия, аннигиляция позитронов, хромато-масс-спектрометрия, инфракрасная, рамановская, фотоэлектронная, электронная спектроскопия, ядерный магнитный резонанс.

Кроме того, институт располагает комплексом установок ионизирующих излучений, установками для проведения ускоренных коррозионных испытаний, собственными коррозионными станциями для натурных климатических испытаний в Москве, Звенигороде, Мурманске, Владивостоке.

Институт играет заметную роль в координации фундаментальных и прикладных исследований в области своих основных научных направлений.

Сегодня в Институте базируются: Научный совет по физической химии Российской академии наук; редколлегии издаваемых Академией наук журналов: «Коллоидный журнал», «Электрохимия», «Физикохимия поверхности и защита металлов».

2Институт является головным в Академии наук по исследованию проблем коррозионного разрушения металлов и сплавов и противокоррозионной защиты.

Также на основе низкотемпературной газофазной кристаллизации разрабатываются жаропрочные, защитные и дугоэрозионностойкие покрытия на основе вольфрама и его сплавов для повышения работоспособности, повышения температурного предела, длительности, цикличности эксплуатации конкретных конструкций из углерод-углеродных композиционных материалов для ракетнокосмической техники.

Другой пример работы института в интересах ракетно-космической отрасли. Выяснен механизм образования и накопления осадков продуктов неполного сгорания топлива на поверхности международной космической станции. Объяснены причины образование осадков в «зарубашечном» пространстве жидкостных ракетных двигателей и отслоения жаростойких покрытий, вызывающие прогар двигателей. Предложен метод консервации топливных баков ракетоносителей, используемых для гражданских целей после снятия с боевого дежурства.

Принципиально новые решения защиты материалов возникают на стыке разных направлений исследования, развиваемых в институте. Классические работы института в области изучения поверхностных явлений, выполняемые в современных условиях на уровне нанохимии дают возможность разрабатывать принципиально новые материалы и технологии.

Примером этому могут служить разработанные в институте противокоррозионные нанокомпозитные супергидрофобные покрытия для конструкционных материалов из низкоуглеродистой стали. Эти покрытия предназначены для эффективного снижения скорости коррозионных процессов при эксплуатации металлических конструкций и сооружений на основе низкоуглеродистой стали в различных эксплуатационных условиях, в том числе в жидких электролитических средах.

3
Область применения супергидрофобных покрытий постоянно расширяется. Разработаны такие покрытия для полимерных электрических изоляторов высоковольтных линий электропередач. Противообледенительные покрытия для алюминия и его сплавов предназначены для снижения адгезии воды, снега и льда к поверхности алюминия и его сплавов и могут быть использованы для защиты проводов ЛЭП от накопления снега и льда в зимний период эксплуатации.

Совершенно в иной практической области нашла применение другая разработка нанохимии. В институте создан новый фильтрующий полимерный наноматериал для сорбции остаточной воды и механических примесей в углеводородных топливах (керосинах, бензинах, моторных маслах). При фильтрации и поглощении воды из очищаемых сред, гидрофильный материал фильтра из пористого поливинилформаля (ППВФ) может работать в процессе адсорбции, коагуляции и коалесценции. Основной отличительной особенностью материалов и фильтроэлементов из ППВФ является их многократная регенерация (после отмывки в воде и сушки в потоке теплого воздуха).

Росатом и ИФХЭ РАН создали промышленный метод “обезвреживания” радиоактивных отходов (РАО) – технологию выделения из отработанного ядерного топлива (ОЯТ) практически в чистом виде радиоактивного элемента америция, который затем планируется “сжигать” в ядерных реакторах на быстрых нейтронах.

В работающем в реакторе ядерном топливе накапливаются так называемые минорные актиниды — долгоживущие элементы америций, кюрий, нептуний. Они вносят главный вклад в высокую радиоактивность отходов переработки ОЯТ, поэтому надо создавать промышленные технологии их “обезвреживания”. Эффективно утилизировать минорные актиниды можно в реакторах на быстрых нейтронах. “Эксперимент проведен в рамках работ над проектом реакторов на быстрых нейтронах с целью дожигания америция в составе топливной композиции в реакторе.

В результате было выделено 14 г кюрия-244 и 65 г америция-241,243 высокой степени чистоты. Отмечается, что таким образом подтверждена возможность применения этой технологии в промышленности, а установка для отделения америция от кюрия легко масштабируется. Возможность “выжигания” америция в составе ядерного топлива, а также получение калифорния из кюрия, будет проверяться в реакторе БОР-60, работающем в Научно-исследовательском институте атомных реакторов (Димитровград).

Работы в области радиационной химии привели к разработке оригинального, не имеющий аналогов в мире, метода безотходной электронно-лучевой конверсии природного и попутного нефтяного газа. Получаемые продукты можно использовать как высококачественное жидкое топливо; как высококачественные антидетонационные добавки к бензинам; как корректирующие компоненты нефти: (для снижения вязкости, повышения объема, увеличения бензиновой фракции, повышения качества и количества прямогонного бензина). Метод пригоден для реализации в виде мобильных модулей непосредственно на месте добычи газа, а также на стационарных технологических площадках.

В ИФХЭ РАН разработаны литий-ионные аккумуляторы нового поколения с использованием тонкоплёночных кремниевых электродов. Такие аккумуляторы обладают существенно более высокой удельной энергоёмкостью, чем коммерческие изделия. В качестве альтернативы были разработаны литий-ионные аккумуляторы системы «феррофосфат-титанат лития», способные развивать рекордные мощности, близкие к мощности суперконденсаторов. Такие аккумуляторы предназначены для импульсных (стартовых) нагрузок, например, для использования в интеллектуальных электросетях (smart grids) и в комбинированных системах возобновляемой энергетики. Они способны выдерживать более 5000 циклов заряда-разряда.

4

Ведутся работы по созданию топливных элементов разной мощности для использования в полевых и стационарных условиях. Центральной частью любого топливного элемента является мембранно-электродный блок (МЭБ). В настоящее время Институт является единственной организацией, которая разработала МЭБ температурой 160 – 180 0С. Отличительной особенностью этого типа топливного элемента является то, что даже при высоких содержаниях СО в водородном топливе характеристики элемента снижаются незначительно.

Другая разработка электрохимиков нашла применение в медицине. Это электрохимически управляемый гемосорбер. Метод гемосорбции основан на поглощении сорбентами токсических веществ, находящихся в крови. Техническая простота исполнения гемосорбции способствует применению ее на догоспитальном этапе при отравлениях наиболее токсичными ядами – хлорированными углеводородами, фосфорорганическими соединениями или сразу несколькими токсикантами. Использование активированных углей в качестве сорбентов для гемосорбции приводит к нежелательным явлениям (уменьшению количества тромбоцитов в крови, гемолизу, потере значительных количеств белка и т.д.). Электрополимеризация пиррола на поверхности дешевых и доступных промышленных сортов активированных углей, придает им гемосовместимые свойства. Изготовлены специальные устройства для электрохимически управляемой гемосорбции.

Другой подход к малой энергетике демонстрирует разработанный в институте органический преобразователь солнечной энергии, по своим характеристикам не только не уступающий аналогичным зарубежным образцам, но и превосходящий их по отдельным параметрам. Он базируется на основе разработанной в Институте новой композиции.

Разработана концепция высокоэнергетических адсорбционных систем для аккумулирования технически важных газов – природного газа метана и водорода. Синтезированы новые микропористые адсорбенты высокой плотности и повышенной прочности, на основе металлорганических каркасных структур, активных углей, супрамолекулярных адсорбционных структур на основе модифицированных углеродных нанотрубок и графеновых слоистых структур «пучковой» самосборки. На основе этих материалов разработаны новые адсорбционные системы аккумулирования природного газа в целях хранения, транспортировки и применения в энергетических системах питания двигателей автомобилей с удельным объемом до 220-300 м3(нтд)/м3. Разработаны новые адсорбционные системы аккумулирования водорода с удельной плотностью до 6.2 % при давлениях до 22МПа.

Одним из новых направлений исследований института является разработка супрамолекулярных и наноразмерных систем для использования в современных высоких технологиях, электронике, сенсорике, медицине и т.д. Так, например, путем управляемой самоорганизации на твердой подложке специально синтезированных полифункциональных комплексов (молекул) создан принципиально новый тип молекулярных машин – «молекулярный мускул». Работа этих быстродействующих наноустройств основана на электрохимически инициируемом (редокс-управляемом) изменении линейного размера одномерных элементов за счет изменения размера металлоцентра в образующих их молекулах. Разработан уникальный молекулярный оптический переключатель «молекулярный хамелеон», обратимое переключение которого может быть осуществлено с помощью варьирования кислотности среды или катион-индуцированной супрамолекулярной сборки. Оптическое поглощение молекулярного хамелеона находится на границе видимой и ближней ИК-областей (680 – 1030 нм), диапазона света наиболее перспективного для создания новых телекоммуникационных устройств, фотопреобразователей и медицинских фотосенсибилизаторов.

Приведенные выше примеры...

Приведенные выше примеры лишь часть большого спектра разрабатываемых в институте материалов и технологий нового поколения, полученных на основе фундаментальных исследований в области физической химии. Успехи Института отмечены государственными и правительственными наградами и премиями, медалями и дипломами международных выставок.