Основные направления современного этапа развития электрохимии и электрохимических технологий

И электрохимическая наука и электрохимические технологии находятся в постоянном развитии. В учебном пособии представлены только их основы, созданные за более чем двухсотлетнюю историю существования электрохимии как науки, а также некоторые технологии. И как любая наука электрохимия имеет свои «точки роста», интенсивно развивающиеся направления исследований. Наличие их объясняется с одной стороны большим количеством еще нерешенных проблем, а с другой – определяется запросами практики от создания эффективных источников энергии до проблем охраны окружающей среды.

Вот некоторые из них: Квантово-химические методы описания переноса заряда через границу раздела. Несмотря на то, что это направление исследований активно развивается уже более полувека, оно продолжает находиться в центре внимания исследователей по той причине, что окончательного решения проблемы теоретического описания элементарного акта переноса заряда во всем его многообразии и различных условиях нет. А следовательно, электрохимия по-прежнему остается наукой экспериментальной, и в этом отношении все большую роль играет совершенствование аналитических методов исследования поверхностных процессов с привлечением современных физических и физико-хими­чес­ких методов (исследование процессов in situ, т.е. непосредственно в процессе электрохимического превращения) и на этой основе развитие электрохимического приборостроения.

Электрохимию можно рассматривать как один из разделов материаловедения (получение новых материалов и электрохимические методы исследования их свойств), а, следовательно, развитие методов электрохимического материаловедения является одним из важнейших направлений исследований.

Являясь наукой о поверхностных процессах, электрохимия всегда находилась в центре решения проблем катализа, а именно гетерогенного катализа. Поэтому дальней­шее развитие и описание процессов электрокатализа постоянно находилось и будет находиться в центре внимания электрохимиков.

С интенсификацией любого технологического процесса связана одна из основных задач технологии – создание аппаратов и станков высокой единичной мощности. В связи с этим детальное описание электрохимических процессов при значительном удалении от состояния термодинамического равновесия, исследование новых, нетрадиционных электрохимических процессов должно играть важную роль в развитии современной электрохимии. Это направление исследований тесно связано с проблемами самоорганизации в электрохимических системах, поскольку в открытых системах, в которых имеет место перенос массы и энергии при значительном удалении от состояния термодинамического равновесия должны возникать временные, а также пространственные диссипативные структуры. Описание и исследование процессов самоорганизации в электрохимических системах уже сейчас находится в центре внимания как технологов (получение наноструктур), так и специалистов в области биоэлектрохимии.

Биоэлектрохимия как часть науки о жизни – также является одним из основных направлений современной электрохимии.

Развитие этих разделов электрохимической науки тесно связано с развитием электрохимических технологий и в значительной степени определяется тенденциями их совершенствования и создания принципиально новых.

Это, прежде всего создание и промышленное освоение новых, экологически чистых химических источников электрической энергии (электрохимических генераторов, топливных элементов). Для этих целей необходима разработка методов получения топлива, наиболее эффективным из них является водород. Совершенствование и создание новых, в том числе электрохимических методов получения водорода является одной из основных задач современной технологической науки, также как и разработка новых материалов и катализаторов электрохимических процессов. Тесно связана с этой задачей проблема фотоэлектрохимического разложения воды, в том числе и с использованием принципиально новых материалов.

Развитие электрохимических технологий в значительной степени определяется тем, на каком уровне удается управлять скоростями электрохимических реакций. И одна из основных тенденций – это переход от макро- к микро- и нанотехнологиям, т.е. управления на уровне ансамбля молекул или даже нескольких молекул. Развитие электрохимических нанотехнологий применительно к процессам обработки, получения новых материалов, процессам электрокатализа и борьбы с коррозией – важнейшая тенденция настоящего периода.

Основные недостатки существующих технологий – это их негативное влияние на окружающую среду и высокая энергоемкость. Проблема взаимодействия электрохимии и экологии является двоякой: с одной стороны – это разработка методов, снижающих нагрузку электрохимических технологий на окружающую среду, а с другой – разработка электрохимических методов защиты окружающей среды. Зачастую в настоящих условиях «заказчиком» разработки новых технологий является законодательство, запрещающее проведение тех или иных технологических процессов, как, например, в случае технологии электрохимического хромирования из соединений Cr(VI). Поэтому совершенствование существующих электрохимических технологий в плане снижения нагрузки на окружающую среду – одно из основных направлений их развития.

Энергообеспечение различных производств постоянно растет, добыча энергоносителей удорожается, разведанные их запасы уменьшаются. Следствием этого является удорожание электрической энергии, что в свою очередь приводит к такому положению дел, при котором энергоемкость производства становится определяющим фактором. Снижение энергоемкости различных электрохимических технологий от получения алюминия из расплавов до методов борьбы с коррозией – одна из важнейших технологических задач.

Вместе с тем широчайшие возможности электрохимических технологий, повышенное «число степеней свободы» управления процессом по сравнению с химическими процессами (посредством изменения не только состава раствора и температуры, но также плотности тока или потенциала) должны приводить (и приводят) к постоянному расширению сферы применения электрохимических технологий от их использования в электронике и микроэлектронике до технологии машиностроения.

Тесная взаимосвязь электрохимических, электронных и микроэлектронных технологий – существенная особенность современной техники.

Колоссальные возможности повышения эффективности электрохимических технологий в импульсных методах управления ими. Кроме того, возможности управления током или потенциалом создают широкое поле для автоматизации процессов.

Развитие электрохимии и электрохимических технологий, конечно же, не исчерпывается вышеприведенным перечнем, поскольку как показывает история электрохимии, да и науки вообще, как правило, не оправдываются даже самые смелые прогнозы. Реальная жизнь существенно многообразнее самых неожиданных и оптимистичных из них.

Литература

Агладзе Р.И. и др. Прикладная электрохимия. М., Л. 1975.

Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. М., Л. 1974.

Багоцкий В.С. Основы электрохимии. М. Химия. 1986.

Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. М. Энергоиздат. 1981.

Гальванические покрытия в машиностроении. Справочник / ред. М.А.Шлугер. М. Машиностроение. 1985.

Гамбург Ю.Д. Электрохимическая кристаллизация металлов и сплавов. М., Янус-К. 1997.

Грилихес С.Я. Электрохимическое и химическое полирование. Л., Машиностроение. 1987.

Грилихес С.Я., Тихонов К.И. Электролитические и химические покрытия. М. Химия. 1990.

Грилихес С.Я. Обезжиривание травления и полирование металлов. М. 1994.

Давыдов А.Д., Козак Е. Высокоскоростное электрохимическое формообразование. М. Наука. 1990.

Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Электрохимия. Учебное пособие для Вузов. М. Высшая школа. 1987.

Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Введение в электрохимическую кинетику. М. Высшая школа. 1975.

Дикусар А.И. и др. Электродные процессы и процессы переноса при электрохимической размерной обработке металлов. Кишинев. Штиинца. 1983.

Измайлов Н.А. Электрохимия растворов. М., Л. Химия. 1966.

Ильин В.А. Химические и электрохимические процессы в производстве печатных плат. М. 1994.

Кублановский В.С. и др. Концентрационные изменения в приэлектродных слоях. К. Наукова думка. 1978.

Кудрявцев Н.Т. Электролитические покрытия металлами. М. Металлургия. 1979.

Ньюмен Дж. Электрохимические системы. М. Мир. 1977.

Ротинян А.Л., Тихонов К.И., Шонина И.А. Теоретическая электрохимия. Л. Химия. 1981.

Справочник по электрохимии / ред. А.М. Сухотин. Л. Химия. 1981.

Феттер К. Электрохимическая кинетика. ИЛ. Химия. 1967.

Физико-химические методы обработки в производстве газотурбинных двигателей / ред. Б.П. Саушкин. М. Дрофа. 2002.

[*]Осмос – это одностороння диффузия растворителя через полупроницаемую перегородку, разделяющую раствор и чистый растворитель