Развитие электрохимии

Ученые полагают, что дальнейшее развитие электрохимии будет связано главным образом с менделеевским направлением - с более полным раскрытием роли химических стадий в электрохимических процессах. При исследовании проводников и полупроводников будут открываться особенности структуры границы раздела раствора с электродом, обнаружатся новые особенности кинетики и механизма процессов, протекающих на таких границах, будут изучаться пути направленного регулирования скорости и селективности электродных реакций. В исследованиях примут участие компьютеры всех рангов и типов. Они должны помочь человеку найти оптимальные пути реализации основных идей - получения электричества за счет химических реакций и проведения химических реакций при помощи электричества.

Среди наиболее перспективных областей в исследованиях следует отметить фотоэлектрохимию, квантовую электрохимию, твердые электролиты и суперионные проводники с аномально высокой ионной проводимостью, биоэлектрохимию, создание электрохимических преобразователей информации, усовершенствование электролиза, в том числе разработку новых его видов, например магнетолиза, вызываемого наложением мощных магнитных полей на ячейку.

В ближайшие десятилетия первичными источниками энергии останется ископаемое топливо и расщепляющиеся материалы. Но запасать энергию, возможно, удастся с помощью электрохимических процессов. Имеется в виду электролитическое получение водорода, а затем по мере необходимости его использование в топливных элементах или в двигателях внутреннего сгорания, а также создание и использование новых аккумуляторов на основе необычных электрохимических систем.

Хранить и передавать энергию вполне могут такие элементы, как хлор, цинк, алюминий, обладающие высоким химическим потенциалом. И хотя при создании первичных источников энергии до сих пор использовался один цинк, известно, что алюминий годится для этой цели гораздо больше. Сегодня он служит только конструкционным материалом, но в будущем наверняка найдут способы извлекать из него двойную пользу и включать в гальванические элементы. Ведь если сделать его анодом гальванического элемента, можно будет создать батарею с удельной мощностью 220 ватт-часов на килограмм массы. Это перекроет все известные возможности гальванических батарей и даже тепловых двигателей, удельная мощность которых не превышает 175 ватт-часов на килограмм. Эксплуатационная стоимость такой системы питания электромобиля будет вполне сравнима со стоимостью бензина.

В качестве электродов в аккумуляторах, возможно, будут использовать не металлы, а электропроводные полимеры, такие, как полипиррол, способные запасать электроэнергию, преобразуя ее в энергию химических реакций - синтез новых химических соединений. Такие аккумуляторы откроют новый путь к созданию «чистого автомобиля» - электромобиля.

Сегодня общеизвестно, что во многих случаях экономически и экологически целесообразно ископаемые углеводородные топлива не сразу сжигать в топках электростанций, а вначале удалять из них нежелательные компоненты (свинец, мышьяк, цинк, ртуть, кадмий, никель, селен, серу) и только потом превращать их в смесь окиси углерода и водорода, которую можно транспортировать по трубам, хранить и использовать в топливных элементах. В перспективе стоимость энергии, получаемой в мощных топливных элементах, будет соизмерима со стоимостью электроэнергии, получаемой на тепловых электростанциях.

В последнее время начал развиваться новый комплекс технологических процессов, среди которых электродные методы занимают важное место. При производстве алюминия предполагается использовать более низкоплавкие электролиты, а титан получать с помощью электролиза из расплавленных фторидов. Методом электролиза можно будет извлекать из отходов ценные металлы - серебро, медь, цинк, ртуть.

Размерная электрохимическая обработка металлов станет широко распространенным методом. Очень выгодно во всех отношениях полировать изделия и снимать шероховатости, особенно с деталей сложной формы или миниатюрного размера, именно электрохимическим способом. Точно так же будет все шире и шире развиваться органический электросинтез, позволяющий не только получать чистые продукты но и снизить число ступеней реакции.

Очень важно, что электрохимическая технология во всех ее разновидностях - одна из самых чистых и безопасных для среды (во всяком случае по сравнению с термической технологией). Кроме того, электрохимические процессы способны поддерживать экологическое равновесие. Ведь, например, кислород, получаемый как побочный продукт при электролизе, можно использовать для аэрации воды в реках и озерах и улучшать там биологические условия. Многие опасные вещества можно обезвредить электрохимическим воздействием, причем действовать избирательно, только на самые опасные токсические компоненты, не расходуя электроэнергию на окисление других составляющих. Благодаря этому обезвреживание становится особенно экономически выгодным. Очистка вод электродиализом, электроосмотические методы сушки материалов и другие методы тоже будут способствовать охране среды.

Сейчас электрохимия служит медицине в основном только для измерений. В будущем это изменится. Может быть, удастся осуществить электродиализное удаление мочевины прямо из почечной системы, то есть перейти от аппарата «искусственная почка» к искусственной почке в буквальном смысле слова. Может быть, также будут созданы имплантируемые топливные элементы, где топливом будет служить ультрафильтрат крови; тогда проблема питания электростимуляторов сердца будет наконец решена оптимальным образом.

Успехи биоэлектрохимии, быть может, приблизят науку к выяснению всех загадок фотосинтеза - процесса образования органических веществ из углекислого газа, воздуха и воды, сопровождающегося выделением кислорода, и помогут модернизировать процесс разложения воды на кислород и водород. Ученые из Института электрохимии имени А. Н. Фрумкина АН обнаружили, что при освещении видимым светом системы, состоящей из зеленого пигмента - хлорофилла, помещенного на границе двух несмешивающихся жидкостей - воды и октана (органического вещества, содержащегося в бензиновых фракциях нефти), происходит выделение кислорода. Это значит, что хлорофилл на границе воды и октана работает как живая система зеленого листа и выделяет кислород из воды.

Еще одно интересное открытие сделали сотрудники того же Института электрохимии и Московского университета. Они доказали возможность ускорения электродных реакций с помощью биологических катализаторов и ферментов. Оказалось, что фермент способен обмениваться с проводником электронами и осуществлять биоэлектрические реакции, сохраняя свою уникальную способность во сто крат увеличивать скорость реакций по сравнению даже с такими катализаторами, как платина. Это явление, названное биоэлектрокатализом, безусловно, явится основой будущих интенсивных технологий и обеспечит рентабельное производство многих соединений, в том числе и физиологически активных.

Миллиарды батареек

Мечта об электромобиле

Топливные элементы

Окисление и восстановление

Электросинтез, электродиалез, электрофорез

Крылатый металл

Электрохимия повсюду

Квадрига Большого театра

Эйфелева башня и индийская колонна

Молекулярная электроника

Новые методы анализа, основанные на законах электролиза

Электрохимия клетки