Теоретические и технологические основы импульсного электролиза для получения электро- и каталитически активных материалов

Разработаны теоретические представления о механизмах формирования дисперсных платино-, палладий-, олово- и графен-содержащих структур в условиях импульсного электролиза. На основе анализа термодинамических свойств, электронной структуры металлов и экспериментальных исследований установлены кинетические закономерности процессов диспергирования/окисления-диспергирования металлов. Доказано влияние импульсных режимов электролиза на структуру и степень дефектности графенсодержащих материалов. Обосновано применение переменного импульсного тока, выявлена необходимость периодической смены полярности для разупорядочения поверхностного слоя электрода, наличия импульсов/пауз тока для создания концентрационных и температурных полей, обеспечивающих массоперенос за счет большого градиента концентраций и интенсификации конвективных потов в квазистационарном граничном слое. Доказана ключевая роль газовыделения в процессе диспергирования поверхностного слоя электрода вне зависимости от его природы. Предложенная концептуальная модель процесса может быть положена в основу создания математической и численной моделей процессов получения дисперсных материалов различной природы в условиях импульсного электролиза для оптимизации технологии электрохимического производства функциональных материалов. Полученные теоретические результаты вносят существенный вклад в развитие научных представлений о кинетике и механизмах электрохимических процессов в нестационарных условиях. С применением разработанных технологических подходов получены материалы, характеризующиеся преимуществами по сравнению коммерческими аналогами и материалами, полученными другими методами: Pt/C (на основе углеродная сажи, углеродных нанотрубок, графена) катализаторы для твердополимерных топливных элементов, обладающие повышенной стабильностью к деградации; Pd-PdO/C катализаторы, в зависимости от содержания оксидной фазы проявляющие повышенную активность в реакциях окисления муравьиной кислоты или этанола; оловосодержащие материалы, которые в зависимости от фазового состава и микроструктуры могут быть использованы как в качестве электроактивных материалов в накопителях энергии, так и в качестве носителей для Pt катализаторов с повышенной стабильностью к окислению/отравлению в твердополимерных топливных элементах или в технологиях фотодеградации органических загрязнителей воды. С применением методов математической логики и теории множеств разработана формальная модель технологического процесса «Получение электро- и каталитически активных материалов в условиях импульсного электролиза», описывающая взаимодействия пяти основных подсистем: «характер тока», «электрод», «электролит», «электролизер», «температура» и множеств входящих в них факторов, характеризующих технологический процесс, которая является основой для разработки Программного управления технологическим процессам и оборудованием. Определены технико-экономические показатели процесса электро- и каталитически активных материалов в условиях импульсного электролиза. Эффективность разработанных технологических решений получения материалов на основе металлов платиновой группы подтверждена ООО «Прометей РД». Эффективность применения полученных материалов подтверждена ООО «Инэнерджи» (Pt/C для ТПТЭ) и ООО «Экофес» (SnO2-SnO для фотодеградации органических загрязнителей воды).