ИФХЭ РАН

Основные результаты исследований

• Сформулированы основные представления о структуре двойного электрического слоя на границе раздела твердое тело – раствор, твердое тело – газ.

• Изучены образование и свойства оксидных слоев на металлах.

• Установлены основные закономерности процессов адсорбции и превращения органических веществ на металлах платиновой группы.

• Описана кинетика электрохимических превращений органических веществ в адсорбционных слоях на ртутном и амальгамном электродах.

• Развита квантово-механическая теория фотоэлектронной эмиссии на межфазной границе металл–раствор.

• Определены основные характеристики плотной и диффузной частей двойного электрического слоя и потенциалы нулевого заряда различных металлов.

• Разработана серия экспериментальных комплексов, позволяющих применять одновременно несколько физико-химических методов: радиоизотопные и электрохимические, электрохимические и спектральные, импедансные и фотоэлектрохимические.

• Сформулированы общие закономерности функционирования систем металлический электрод/электроактивный полимер/раствор.

• Показано, что определяющую роль играет распределение скачков потенциала на межфазных границах таких систем.

• Предложена модель для заторможенных процессов, протекающих при редокс-превращениях электронпроводящих полимеров. Экспериментально установлено существование в них двух видов заторможенного заряда и определены особенности извлечения этого заряда из композиций на основе электронпроводящих полимеров.

• Изучены методы модификации электронпроводящих полимеров (введение заместителей в молекулу прекурсора, сополимеризация, получение полислойных композиций, образование композиций электронпроводящий полимер — ионпроводящий полимер), позволяющих получать электроактивные полимерные системы с широким набором физико-химических свойств. При комплексном использовании радиоизотопных, электрохимических и спектральных методов установлен механизм образования композитных полимерных материалов на основе полианилина в нанометровых каналах ионообменных мембран на поверхности электрода и в свободном состоянии.

• Разработана и изучена серия новых атомно- гладких электродов, позволяющих получать прецизионную информацию о структуре двойного электрического слоя. На основании полученных данных разработан подход, позволяющий оценивать вклады в специфику взаимодействия различных металлов с растворителем, обусловленные как донорно-акцепторным взаимодействием, так и неодинаковым выходом электронной плотности металлов за пределы ионных остовов.

• Предложены новые критерии лиофильности металлов. Введено уточнение в современную формулировку решения «проблемы Вольта».

• Методом спектроскопии электрохимического импеданса обнаружены неизвестные ранее нелинейные и размерные эффекты в диффузионной кинетике. Они проявляются в условиях естественной конвекции, когда толщина диффузионного слоя зависит от перенапряжения и геометрических размеров электрода. Нелинейные эффекты приводят к изменению структуры частотного спектра диффузионного импеданса, что нашло экспериментальное подтверждение и теоретическое обоснование.

• Мембранно-электродные блоки для низкотемпературного (до 80 оС) водородо-воздушного топливного элемента с использованием наноразмерных катодных катализаторов PtM1/C и Pt1M2/C (M = Cо, Ni, Cr).

• Водородно-воздушный топливный элемент на основе катализаторов, не содержащих платину.

• Мембранно-электродные блоки для щелочных этанольно-воздушных топливных элементов.

Публикации

Фрумкин А.Н. Потенциалы нулевого заряда. М: Наука, 1979. 260с.

Двойной слой и электродная кинетика / Отв. Ред. В.Е.Казаринов. М.: Наука, 1981. 376с.

Kazarinov V.E., Andreev V.N. Tracer methods in electrochemical studies // Comprehensive treatise of electrochemistry / Ed. J.O'M. Bockris et al. N.Y.: L.: Plenum press, 1984. Vol.9. P. 393-443.

Подловченко Б.И., Андреев В.Н. Электрокатализ на модифицированных электродах // Успехи Химии. 2002. Т. 71. С. 950.

Ninel М. Alpatova, Lev L Krishtalik, Yuri V. Pleskov // Electrochemistry of Solvated Electrons. Topics in Current Chemistry. Vol. 138. Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg, 1987, P. l49-219.

Казаринов В.Е., Писаревская Е.Ю., Овсянникова Е.В., Леви М.Д., Алпатова Н.М. Влияние природы и степени допирования электроактивного полимерного электрода на кинетику электрохимических реакций на границе полимер/раствор // Электрохимия, 1995. Т.31. С. 953-961.

N.M. Alpatova, E.V. Ovsiannikova, M.Yu. Grosheva, V.V. Topolev, S. Kirchmeyer, F. Jonas, V.M. Bazhenov, V.A, Nikanorov // Electrochemical synthesis of polylayer compositions from precursors of the thiophene series. // Synth. Met. 2003. Vol. 138. P. 507-512.

Алпатова Н.М., Ротенберг 3.A., Овсянникова Е.В., Тополев В.В., Грошева М.Ю., Кирхмайер С., Ионас Ф. // Исследование гетерогенности поли(3,4-этилендиокситиофена) методом дифференциальной циклической волътабсорптометрии. // Электрохимия. 2004. Т. 40. С. 1059-1065.

Yu.Ya. Gurevich, Yu.V. Pleskov, Z.A. Rotenberg. Photoelectrochemistry 1980, Plenum Publishing Corporation, New York.

Emets V.V., Damaskin B.B. The structure of the electrical double layer on a liquid Pb-Ga alloy in aqueous, propylene carbonate and formamide solutions of electrolytes. //J. Electroanal. Chem. V.528. 2002. P.57.

За последние 5 лет сотрудниками лаборатории опубликовано более 100 работ.

Сотрудничество

Лаборатория активно поддерживает научное сотрудничество с другими организациями в России и за рубежом: Кубанский ГУ, г. Краснодар; фирма «Пластполимер», г. Санкт-Петербург – по теме «Электрохимия и физическая химия электроактивных полимеров»; Германия, фирмы Байер и Штарк – по теме «Электрохимия электронпроводящего полимера - поли(3,4-этилендиокситиофена)».

Сотрудники лаборатории принимают активное участие в различных международных конференциях, пропагандируют результаты своих исследований; за последние 5 лет ими сделано более 60 докладов на конференциях, в том числе:

• VII Международный Фрумкинский симпозиум «Фундаментальная электрохимия и электрохимическая технология», Москва, 2000 г.

• Международная конференция «Спектроэлектрохимия проводящих полимеров», Москва, 2002 г.

• Международная конференция «Электрокатализ в электрохимической энергетике» (памяти академика В.Е. Казаринова), 2003 г., Москва,

• 53-е совещание МЭО, 2002 г., Германия, Дюссельдорф.

• 55-е совещание МЭО 2004 г., Греция, Салоники.

• 3-я Балтийская конференция - 2003 г., Польша, Гданьск.

Премии

Сотрудники регулярно выигрывают гранты РФФИ и INTAS.
Ими получены награды и премии:

• Главная премия МАИК НАУКА за лучшую серию публикаций в области химии, 1998 г. Емец В. В., Багоцкая И.А., Казаринов В.Е., Дамаскин Б.Б.

• 1-ая премия за лучшую фундаментальную работу в Институте электрохимии, 2001 г. Емец В.В., Багоцкая И.А., Дамаскин Б.Б.

В лаборатории работал специалист в области фотоэлектрохимии и импедансной спектроскопии, заслуженным деятель науки РФ – доктор химических наук, профессор Ротенберг З.А.

Историческая справка 

Лаборатория была основана в 1958 году по личной инициативе академика А.Н. Фрумкина, который и руководил ею с 1958 года по 1976 год. С 1976 по 1999 год заведующим лабораторией являлся академик В.Е. Казаринов. С 1999 года заведующим лабораторией является доктор химических наук В.Н. Андреев.

Позднее в состав лаборатории электрокатализа вошла лаборатория физической электрохимии, которой руководил  д-р хим. наук, профессор Давыдов Алексей Дмитриевич (http://www.alex-davydov.ru/, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript., тел. +7(495) 952-31-22; +7(495) 954-72-16).

История лаборатории физической адсорбции берет своё начало в 1946 г., когда в Коллоидо-электрохимическом институте, реорганизованном в Институт физической химии АН СССР был создан Отдел электрохимии в составе двух лабораторий: Лаборатории электрохимической кинетики (этой лабораторией, как и всем Отделом электрохимии, заведовал академик А.Н. Фрумкин) и Лаборатории электродных процессов в химических источниках тока (зав. д.х.н. Б.Н. Кабанов).

В лаборатории Б.Н. Кабанова проводились работы по электрохимической кинетике, электрохимическим источникам тока, коррозии и защите металлов, теории пассивности металлов. Важные результаты были получены в работах по свинцовому аккумулятору. Срок службы ответственных типов аккумуляторов был увеличен в два раза. В работах по анодному растворению и пассивности железа экспериментально доказана возможность адсорбционной пассивности железа, выдвинуто положение о стадийности процессов растворения металлов и двойственной роли гидроксила. Выявлена важная роль анионов электролита в анодном растворении металлов. Получены новые результаты по механизмам пассивации и активации легких металлов – алюминия и магния.

В 1950-е годы в лаборатории в тесном содружестве с отраслевыми институтами проведен ряд работ по теории и усовершенствованию источников тока. В результате работ по цинк-серебряному аккумулятору саморазряд цинкового электрода был уменьшен в несколько раз.

В 1958 г. по инициативе академика А.Н. Фрумкина на базе Отдела электрохимии ИФХ АН СССР был создан Институт электрохимии АН СССР.

Лаборатория Б.Н. Кабанова получила в новом институте название «Лаборатория электрохимии металлов», а с 1971 г. - «Лаборатория электрохимии металлов и полупроводников». К прежним работам прибавились новые исследования.

Результатами исследования электрохимии полупроводников стало создание общей картины строения двойного электрического слоя на германиевом электроде и изучение кинетики электрохимических реакций на германии (Ю.В. Плесков). Эти работы впоследствии естественным образом переросли в исследования фотоэлектрохимического преобразования солнечной энергии в ячейках с полупроводниковыми электродами. Были созданы лабораторные установки для преобразования солнечной энергии в химическую энергию водорода, создана теория оптимизации установок “фотоэлектрический преобразователь + электролизер”. Другое направление работ Лаборатории - фотоэмиссия электронов из металлических и полупроводниковых электродов в растворы электролитов. В ходе этих исследований было получено надежное экспериментальное подтверждение фундаментального закона фотоэмиссии - “Закона пяти вторых”, определена энергия делокализованного электрона в ряде неводных растворителей, разработаны фотоэмиссионные подходы к исследованию электрохимической кинетики и адсорбционных слоев на электродах.

В 1950-е годы были начаты работы по изучению двойного слоя на твердых электродах и катодного внедрения щелочных металлов в твердые электроды с образованием твердых растворов и интерметаллических соединений с металлом катода. Открытие катодного внедрения щелочных металлов Б.Н. Кабановым с сотрудниками имело фундаментальное значение для электрохимии.

В 1960-1980-х годах осуществлен комплекс экспериментальных исследований высокоскоростного электрохимического растворения различных металлов и сплавов. Найденные закономерности позволили выявить механизмы и разработать методы повышения степени локализации растворения металлов. Вместе с развитием теории электрохимического формообразования эти работы были среди тех, которые обеспечили высокий уровень состояния электрохимической размерной обработки в СССР. Работы по этой тематике проводились по постановлениям Правительства, распоряжениям Президиума академии наук СССР и союзных министерств. В этих работах лаборатория тесно сотрудничала с вузами и отраслевыми институтами.

В 1988 г. после смерти Б.Н. Кабанова лабораторию возглавил его ученик А.Д. Давыдов.

Достижением Лаборатории этих лет является основание новой области электрохимического материаловедения - электрохимии синтетического алмаза. толчком к созданию этого направления послужила пионерская статья Ю.В. Плескова и сотр., опубликованная в 1987 г. Основная его идея - сочетать в электродном материале присущую алмазу исключительную химическую стабильность и коррозионную стойкость с хорошей проводимостью, необходимой для пропускания тока, которую алмазу придает легирование небольшими добавками акцепторной примеси (бора). Сейчас эту тематику разрабатывают в десятках лабораторий во многих странах.

Существенный прогресс был достигнут в развитии теории ионного переноса в сложных электрохимических системах (А.Д. Давыдов, В.М. Волгин). В 1980--2000-е годы  решен ряд задач ионного переноса, проведен теоретический анализ многих электрохимических систем с учетом диффузии, миграции, конвекции,  в том числе в многокомпонентных растворах, содержащих ионы с различными зарядностями и коэффициентами диффузии, с учетом концентрационных зависимостей транспортных свойств растворов в стационарных и нестационарных электрических режимах. Создана современная теория естественно-конвективной неустойчивости электрохимических систем. Проведены исследования влияния центробежных и магнитных полей на массоперенос в электрохимических системах.

В 2004 году к лаборатории электрохимии металлов и полупроводников присоединились несколько лабораторий Института электрохимии, и лаборатория обогатилась новыми направлениями исследований, в состав лаборатории вошли такие известные электрохимики как Л.И. Кришталик, А.М. Кузнецов, Б.М. Графов. Лаборатория получила название: «Лаборатория физической электрохимии».

Продолжаются работы по электрохимии синтетического алмаза и алмазоподобных материалов, электрохимической кинетики. Развиваются работы по математическому моделированию процессов массопереноса и электрохимической обработке металлов.

В рамках теории переноса заряда обосновано представление о белках, как сильно полярных низкодиэлектрических средах, катализирующих реакции переноса заряда благодаря низкой энергии реорганизации белка и внутрибелковому электрическому полю. Выяснена особенность электростатики белков – разные диэлектрические проницаемости, определяющие энергию диэлектрического отклика и величину внутрибелкового электрического поля.

Активно развивается квантово-механическая теория туннелирования электронов в мостиковых электрохимических наноконтактах (А.М. Кузнецов, И.Г. Медведев). Предложена теория туннелирования электронов через редокс-группу в приближениях как полностью адиабатического, так и полностью неадиабатического электронного переноса на границах редокс-группа – электроды.

Развиваются работы по теоретическому анализу энергетики переноса заряда в ряде конкретных биологических объектов, в частности систем фотосинтеза (Л.И. Кришталик). Продолжаются исследования сольватации ионов, в частности впервые на основе экспериментальных данных дана оценка внутрифазного потенциала в воде и других растворителях.

Активно развиваются работы по измерениям, анализу электрохимических шумов и применению этого метода для поиска полезных ископаемых, мониторинга  процессов электрохимической и другой природы, состояния разнообразных электрохимических устройств, в том числе источников тока (Б.М. Графов).

Результаты исследований публикуются в престижных российских и международных изданиях: журналах, монографиях, энциклопедических изданиях, систематически представляются на крупных международных конференциях за рубежом.

Сотрудники лаборатории являются членами редколлегий российских и международных научных журналов.

Л.И. Кришталик и Ю.В. Плесков удостоены самой престижной награды Международного электрохимического общества – Медали А.Н. Фрумкина за выдающиеся достижения в области фундаментальной электрохимии.

Многие сотрудники лаборатории преподают в вузах.

Давыдов А.Д. член экспертного совета ВАК по неорганической химии и председатель ГЭК в РХТУ им. Д.И. Менделеева.