Хімія та енергетика: нові рішення

Як у майбутньому забезпечити енергетичні потреби людства? Чи можна сподіватись на водневу енергетику? Як знайти розумний баланс між зростаючими потребами та збереженням здорової екології? Про це – наша розмова з Андрієм Борисовичем Ярославцевим, членом-кореспондентом РАН, завідувачем лабораторії функціональних матеріалів Інституту загальної та неорганічної хімії та завідувачем лабораторії каталізу на мембранах в Інституті нафтохімічного синтезу, фахівцем у галузі хімії твердого тіла та мембранних технологій. головним редактором журналу «Мембрани та мембранні технології».

– Андрію Борисовичу, розкажіть, будь ласка, чим займається ваша лабораторія в ІОНХ?

– Лабораторія займається одразу кількома напрямками. Насамперед, це матеріали для енергетики та для екологічних технологій. Одна з основних тематик пов'язана з іонообмінними мембранами. Мембрани дуже широко застосовуються не тільки в енергетиці, але і для очищення води, для процесів поділу, для мембранного каталізу і так далі.

Мембрани роблять лише кілька фірм. У Росії її довго нічого нового не з'являлося, і всі технології розроблялися на тих мембранах, які існували в промисловому виробництві. У Росії існувало дві основні технології виробництва іонообмінних мембран – гетерогенних та гомогенних перфторованих. Наразі ми розробили кілька нових підходів до синтезу іонообмінних мембранних матеріалів.Наші мембранні матеріали щодо співвідношення провідності та селективності знаходяться на рівні лідерів – перфторованих мембран, які є вкрай дорогими і тому використовуються тільки для паливних елементів.

- Це один напрям, яким ви займаєтеся, а ще які?

– Другий напрямок – це літій-іоніка. Зараз у кожної людини у кишені лежить мобільний телефон, є фотоапарати, ноутбуки тощо. В усіх них є літій-іонний акумулятор. Місткість літій-іонних акумуляторів визначається електродними матеріалами, катодними та анодними, розробка яких і є другим напрямком нашої лабораторії.

Наприклад – якщо ви згадаєте, скільки вам доводиться заряджати мобільний телефон, бездротовий інструмент – це зазвичай займає кілька годин. Ми розробили такі матеріали, катодні та анодні, які за п'ять хвилин дозволяють набрати та звільнити половину своєї ємності при збереженні всіх інших параметрів. Це ті енергоємні технології, які потрібні зараз, наприклад, для бездротових дрилів, для транспорту. Фактично вони повинні виконувати роль джерел енергії тоді, коли цієї енергії не вистачає, тоді коли потрібно завести машину, розігнати її і так далі.

Між катодом та анодом в акумуляторі є прошарок електроліту. Це - та сама мембрана, але зараз вони являють собою гель, в якому знаходяться органічний розчинник і сіль літію з об'ємним аніоном. Проблема цих електролітів у тому, що через них можуть проростати літієві дендрити, які можуть призвести до короткого замикання. Якщо ми бажаємо швидко зарядити або розрядити акумулятор, він неминуче нагріється і може спалахнути.Раніше таких випадків було дуже багато, в інтернеті вистачає фотографій ноутбуків, що згоріли через загоряння акумулятора.

– А вам удалося створити акумулятори, які не вибухають, не горять і при цьому є енергоємними?

– Так, сучасні пристрої практично унеможливлюють таку небезпеку. Я розповідав про електродні матеріали. Енергоємність акумуляторів визначають катодні та анодні матеріали. Електроліт – це прошарок, що визначає кулонівські втрати та безпеку акумулятора.

Ще одна дуже велика проблема з літій-іонними акумуляторами - вони дуже швидко сідають на холоді. Але приходиш додому, і за кілька хвилин у нього вже практично повний заряд. Це відбувається з однієї причини - електроліт замерзає, і провідність у нього різко знижується, в першу чергу за рахунок фазового переходу.

– А на спеку немає такого ефекту?

– На спеку є інші ефекти. Стають можливішими загоряння, розгерметизація акумулятора. Якщо з нього почне летіти органіка, це вкрай неприємно.

Ми розробляємо зараз такі електроліти, які мають високу провідність і в них відсутні фазові переходи. Лауреат Нобелівської премії Дж. Гуденаф вважає: якщо ми перейдемо на такі електроліти, то за кілька найближчих років потужність літій-іонних акумуляторів зросте у 2-3 рази.

– Чим ці електроліти відрізняються від традиційних?

– Є два основні типи електролітів. Перший - полімерні електроліти, наприклад, коли ми беремо іонообмінну мембрану, переводимо її в літієву форму і наповнюємо сумішшю розчинників, яка не замерзає за порівняно низьких температур.Оскільки все це ще відбувається за рахунок набухання мембрани, розчинник входить у нанопори, розмір яких складає всього чотири-п'ять нанометрів, температура його замерзання знижується.

Н.С. Лєсков свого часу писав про Левшу, який підкував блоху. Ми у своїй науковій роботі найчастіше займаємося приблизно тим самим. У нанопорах мембрани, розмір яких чотири-п'ять нанометрів, ми синтезуємо ще менші наночастинки неорганічних речовин для того, щоб перенесення в цих мембранах ставало швидшим, селективнішим.

– Це перший тип електроліту, а другий?

– Другий тип – це повністю тверді електроліти, які засновані насамперед на фосфатах. Ми робимо тверді електроліти, які проводять за іонами літію. Зв'язки в твердих тілах зазвичай міцніші, і їх провідність при зміні температури змінюється тільки відповідно до рівняння Арреніуса. В найближчих інтервалах температури це порівняно невелике падіння. Головне, отримати електроліт, що проводить струм за кімнатної температури.

– У чому унікальність вашої роботи? Чи є таке, що в інших лабораторіях світу не роблять?

– Усі матеріали, які ми розробляємо нові. Але я не можу сказати, що те, чим ми займаємося, є цілком унікальним. Цим займаються багато лабораторій у світі. Та сама лабораторія Гуденафа, безліч моїх колег із Європи, Китаю. Тим не менш, ми зробили такі щеплені мембрани, які за співвідношенням провідність-селективність по-своєму унікальні.

- Щеплені? Це слово у мене асоціюється із вакцинацією. Що це означає – «щеплені мембрани»?

– Це означає, що ми беремо промислову плівку, наприклад, з поліетилену, активуємо її, а потім на ній синтезуємо органічний полімер, який потім сульфуємо. За рахунок цього у нас виходить іонопровідна мембрана.

В іонообмінних мембранах пори створюються з допомогою процесів самоорганізації. Я не дуже люблю, коли говорять про самоорганізацію, оскільки на цьому часто у нас спекулюють. Мені це нагадує російську народну казку про Івана-дурника, який на печі сидів, говорив: «Я хочу того, хочу цього», – і в нього все одразу з'являлося.

- Саме організувалося.

– Не буває такого у науці. У науці треба працювати для того, щоби чогось досягти. Але тут невеликий виняток, коли ми можемо отримати матеріал, щоб він міг сам організовуватись.

Чим хороші ті самі гомогенні іонообмінні мембрани? Система досить проста - є полімерні ланцюжки, або вуглеводневі, або перфторовані. Але всі вони є гідрофобними. І є сульфогрупи. Ви, мабуть, бачили такі експерименти, коли сірчану кислоту капають на якесь дерев'яне покриття і воно починає обвугливатись. Воно обвуглюється не за рахунок того, що сірчана кислота – сильний окисник. Вона не окислювач, вона просто має дуже високу здатність забирати звідки б це не було воду, навіть з дерева. Тому що дерево - це вуглевод, і воно складається фактично з вугілля та води. Тільки там кисень і водень з'єднані з тим самим вуглецем.

Сірчана кислота може витягувати воду з чого завгодно. Коли ми сульфуємо мембрани, ми в них отримуємо такі ж фрагменти сірчаної кислоти, які за рахунок того, що гідрофільні, об'єднуються в кластери. А ці кластери насмоктують воду з усього навколишнього простору.І за рахунок цього у мембрані утворюються пори. За рахунок того, що ці пори пов'язані каналами, у них забезпечується наскрізна провідність у водному розчині, що містить протони кислотних залишків.

Перфторовані мембрани хороші тим, що вони вся матриця абсолютно рівномірна. Але ці мембрани дуже дорогі, і тому для всіх технологій, крім паливних елементів, використовуються інші гетерогенні мембрани, які виходять набагато більш простим і придатним для промисловості способом. Це фактично пресування крупинок іонообмінного полімеру та поліетилену, який виконує роль сполучного, щоб така мембрана не розпадалася. Такі мембрани набагато дешевші. Але між цими частинками іонообмінного матеріалу та поліетилену виникають пори. Вони теж невеликі, але вони набагато більші за ті часи, які притаманні самій мембрані, і визначають її протонну провідність.

У порах позитивно заряджені частинки (протони) вишиковуються у негативно заряджених аніонів, що з матрицею. Інші негативно заряджені частинки майже повністю з мембрани витісняються за рахунок закону Кулона. Але у великих порах, розташованих між частинками, великі відстані ці закономірності не працюють, і аніони в них входять і переміщаються так само, як і протони. Фактично селективність гетерогенних мембран, дешевші, виходить набагато нижчою.

– Андрію Борисовичу, скажіть, а вам вдається десь запровадити свої розробки?

– Напевно, усі вчені намагаються запровадити свої розробки. Перший мій досвід впровадження був на заводі світлової реклами, де робили люмінофорні лампи, які аж ніяк не пов'язані з тим, про що я зараз говорю.Нам вдалося розробити таку технологію, за допомогою якої на трубки люмінесцентних ламп можна було б наносити люмінофорне покриття без органічного розчинника. Ми домовилися з керівництвом заводу і навіть об'єднали з ним свої зусилля, щоб наше відкриття «не затиснули», і розробили спосіб, коли можна з водного розчину наносити ті самі покриття.

Нам сказали, що ми зробили велику справу, нам навіть виплатили шалені на той час гроші, які за рахунок Павлівської реформи буквально за кілька тижнів згоріли повністю. Але на цьому заводі нам сказали, що ми не можемо впровадити це у виробництво, бо для цього маємо виробництво як мінімум на чотири місяці зупинити. Але нам це ніхто не дасть зробити – треба виконувати план. А жінки, які працювали в цьому цеху і у 30 років йшли на пенсію, нас мало не побили за те, що ми можемо позбавити їх цієї можливості.

– А чи був у вас більш успішний досвід застосування розробок?

– Так. Потім таких спроб було чимало. Ми з нашими колегами з Кубанського університету та фірмою «Мембранні технології», якою керує професор Заболоцький, робимо електромембранні апарати для опріснення води.

З колегами з Воронезького держуніверситету ми використовуємо гібридні мембрани із впровадженими наночастинками неорганічних речовин для отримання мультисенсорних систем, це так званий штучний ніс чи мова. Збільшуючи за рахунок цього селективність, ми зробили такі мультисенсорні системи, які дозволяють досить швидко та надійно аналізувати, наприклад склад стічних вод, лікарські препарати або наркотичні речовини.

Наші колеги зробили на основі цих мембран сенсори, які дають змогу визначати, наскільки свіжими є такі різні продукти, як пиво чи молоко.

Досить щільно займаємося паливними елементами. У нас у Росії нещодавно ухвалили програму розвитку водневої енергетики. Ми у цьому сенсі не перші. Такі програми прийнято у багатьох розвинених країнах. І наші мембрани добре працюють у таких паливних елементах.

Все це важливо у світлі Паризької угоди, яка вестиме мир до безвуглецевої економіки. У Росії її основні доходи забезпечуються нафтою, газом і, мабуть, металургійними процесами, у яких так само вугілля теж нікуди. Тому боюся, що якщо ми не впроваджуватимемо нові технології, то на нас чекають досить складні часи. Інша річ, що треба заздалегідь думати про те, що і як ми маємо зробити. Навряд чи ми можемо ґрунтуватися лише на тому, що ми отримуватимемо водень і продаватимемо його за кордон. Це насамперед закладено у концепцію розвитку водневої енергетики у Росії, на відміну всіх західних країн. Якщо цей водень вироблятиме з природного газу, то навряд чи його купуватимуть.

Весь світ зараз ставить на відновлювану енергетику, яка ґрунтується на сонячних акумуляторах, на вітрогенераторах. А з ними в парі мають стояти накопичувачі енергії, наприклад акумулятори. Але повірити, що це будуть літій-іонні акумулятори, неможливо, тому що запаси літію на Землі невеликі. А для великої енергетики кількості потрібні величезні. Для великої енергетики його майже повністю замінить натрій.

У години, наприклад, коли в нас багато сонечка, накопичуємо енергію в літій-іонних або натрій-іонних акумуляторах.Ми можемо отримувати водень за допомогою електролізу, а потім, коли нам це буде потрібно, з цього водню або літій-іонних акумуляторів отримувати необхідну нам енергію. Якщо говорити про цикл день – ніч, то це акумулятори. А для циклу літо – зима – водень.

Автомобілів та автобусів на водні у світі вже дуже багато. До цього ми йдемо. Російські залізниці поставили собі за мету зробити поїзд на водні.

– Ми йдемо до економії ресурсів, використання їх таким чином, щоб ніщо не пропадало дарма?

– Це з одного боку. А друге – ми колись говорили про Паризьку угоду, ми говорили про глобальні викиди CO.₂. Але насправді є не лише викиди CO₂. Якщо ми замислимося, звідки в атмосфері беруться шкідливі речовини – більша частина від викидів автотранспорту. Це продукти неповного окислення бензину, оксиди азоту. Начебто звідки їм взятися? А насправді окислення відбувається повітрям, і тому, можливо, не такою значною мірою, проте азот повітря при цьому з'єднується з киснем. У паливах як присадки або домішки є з'єднання сірки, а це означає, що викиди оксидів сірки теж відбуваються.

Але ми живемо в мегаполісі, у величезному місті, де є безліч машин і різних підприємств. Якщо хоча б у місті зробити транспорт на водневій енергетиці, ми можемо різко підвищити рівень екології. При цьому десь у будь-якому випадку стоятимуть заводи, на яких виробляється водень, і це виробництво буде не дуже чистим. Але ми можемо це рознести у просторі так, щоб мінімально шкодити людству. Турбота про мегаполіси також є дуже важливою складовою всіх цих технологій.Можливо, про це набагато менше говорять, але це не менш важливо, оскільки це реальна турбота про людей. Насправді поки виробництво енергії за допомогою водню досить дорого, але наука не стоїть на місці, технології вдосконалюються, а прагнення боротися. за екологію надає їм додаткового імпульсу.

Предмет та завдання хімії, значення та історія розвитку науки

У статті коротко представлено коло питань, що вивчаються хімією, дається уявлення про завдання, які розв'язує ця наука.

Навколишній нас матеріальний світ - об'єкт вивчення системи природничих наук. Хімія - одна з її найважливіших галузей. людської цивілізації в цілому, і на наше повсякденне життя.

Предмет та завдання хімії

Хімія як частина природознавства вивчає матерію, а предмет хімії включає склад речовини, її будову та зумовлені ними властивості. Також хімія досліджує зміни цих характеристик у процесах перетворення речовин – хімічних реакціях – та встановлює закономірності таких змін.

Рівень, на якому зберігаються хімічні властивості – це молекули та атоми. Цими структурними одиницями хімія оперує при описі процесів у речовині.Можна згрупувати ці завдання з кількох напрямів:

• одержання речовин із заданими властивостями;
• підвищення якості продукції та ефективності різних виробництв;
• розробка технологій, що знижують кількість шкідливих відходів;
• одержання затребуваних технікою матеріалів із заданими властивостями (термостійких, надпровідних та інших);
• оптимізація методів використання хімічної енергії, одержуваної під час спалювання природного палива.

Але перш ніж дійти до постановки таких високотехнологічних завдань, наука про речовини пройшла великий історичний шлях.

Історія розвитку хімії

Накопичувати відомості про різні речовини та їх перетворення людина почав ще на зорі своєї історії. Він займався обробкою шкур, використовував вогонь і, спостерігаючи зміни, що відбуваються, наївно систематизував їх.

Знаходження способів видобутку вогню, винахід випалу глиняного посуду та інші досягнення сприяли появі перших хіміко-практичних знань. Але їхнє зростання, пов'язане із загальними темпами розвитку суспільства, йшло вкрай повільно.

Стародавність: ремісники та натурфілософи

Люди дізналися про хімічні процеси набагато більше з появою та розвитком металургії. Людина відкрила золото, мідь, самородне метеоритне залізо, а також свинець, олово, срібло та ртуть. Вже у найдавніших державах процвітала як обробка металів, а й інші ремесла, пов'язані з перетворенням речовин.

Особливо славився виробництвом скла, фарб, косметики, парфумерії, ліків Єгипту.

Сама назва «хімія» походить від єгипетського слова khemi, що означало «чорнозем» і служило найменуванням країни.Термін khemeia увійшов у грецьку мову при знайомстві греків з культурою Єгипту і став означати знання руд та різних мінералів.

У спробах узагальнити розрізнені знання та включити їх у уявлення про пристрій світобудови античні натурфілософи виробили дві умоглядні концепції:

• Вчення про стихії-першоначальники, або елементи, засноване на ідеї про безперервність матерії. Його творці (Емпедокл, Платон, Аристотель) вважали, що різноманіття речовин виникає з комбінацій та перетворень чотирьох початків – вогню, повітря, води та землі.
• Атомістичне вченняЛевкіппа та Демокріта, згідно з яким матерія має дискретну будову. Атомісти пояснювали утворення речовини зіткненнями і зчепленням твердих, вічних і неподільних частинок - атомів, що рухаються в порожнечі.

Атомізм не отримав широкого визнання, на відміну від вчення про стихії, що надовго укорінився в умах завдяки авторитету Аристотеля в середні віки.

Час алхіміків

"Єгипетське мистецтво" або "єгипетське знання" - khemeia, хімія - вважалося магічним, священним. Мислителі епохи еллінізму підвели під нього теоретичну основу – стихії Аристотеля і числову містику піфагорійців. Так народилася дисципліна, яка після завоювання Єгипту арабами у VII столітті стала відома як алхімія.

Як на арабському Сході, так і в Європі XIII-XVII століть своїм головним завданням алхімія ставила трансмутацію - перетворення одного металу на інший, бажано на золото. Забезпечити її мав «еліксир» або «філософський камінь» – особлива субстанція, здатна також виліковувати всі недуги та дарувати безсмертя.

У марних пошуках еліксиру алхіміки створили та вдосконалили лабораторне обладнання – ваги, хімічний посуд, – та здійснили низку відкриттів. Вони отримали фосфор, миш'як та інші речовини, вивчили багато сполук. Головним же досягненням алхімії було використання емпіричного – експериментального – способу вивчення речовини.

Від натурфілософії до науки

У XVI столітті алхімія зазнала ідейного поділу. Частина алхіміків продовжувала пошуки еліксиру. Але ця течія, пронизана містицизмом, ставала все більш закритою і привела в глухий кут. Інші дослідники ставили в основу рішення практичних завдань. Найважливішими в раціональній алхімії стали два напрями:

• Технічна хімія, яка вважала головною метою підтримки технологій – металургії, скляного та керамічного виробництва. Одним із її основоположників був німецький алхімік, знавець гірничої справи Георгій Агрікола.
• Ятрохімія, початок якої започаткував знаменитий швейцарський лікар Парацельс. Представники цього напряму стверджували, що завдання алхімії полягає не у добуванні золота, а у створенні ліків.

Діяльність цих алхіміків підвела риску під натурфілософським підходом до вивчення хімічних явищ і стимулювала розвиток хімії як науки, що базується на осмисленні досвідчених даних.

Виникнення та прогрес наукової хімії

Друга половина XVII століття Європі відзначена революцією в природознавстві. Відроджується атомізм, з'являються засоби вимірювань, створюються об'єднуючі дослідників природи наукові товариства. У руслі цього процесу розвивається історія хімії, яка чітко поділяється на кілька етапів.

1. Становлення нової науки тривало остаточно XVIII століття пов'язані з іменами видатних учених Р. Бойля та А.Лавуазьє. Їхніми працями хімія стала на міцний раціональний фундамент. До предмету хімії увійшли нові речовини – гази.
2. Перетворення хімії на точну науку – заслуга вчених у першій половині ХІХ століття – Дж. Дальтона, А. Авогадро, Й. Берцеліуса та інших. Вони виявили кількісні правила, що визначають склад та перетворення речовин, що дозволило розраховувати реакції та формули сполук та створити атомну теорію.
3. Бурхливий прогрес характерний хімії другої половини ХІХ століття. Найважливішим досягненням її стало відкриття Д. І. Менделєєвим в 1869 періодичного закону, який не тільки пов'язав в систему атомні маси і властивості елементів, але і мав передбачувальну силу. Хімія почала розгалужуватися на розділи, що перетворилися на самостійні науки. Водночас у ній залишалися питання, на які класична наука не могла відповісти.

Сучасність: хімія у співдружності наук

Епоха сучасної хімії розпочалася разом із XX століттям. За допомогою квантової теорії вдалося пояснити хімічний зв'язок та зрозуміти причину періодичної повторюваності властивостей елементів.

Дослідження з хімії у світі не можна уявити без потужних аналітичних методів, створених розвитком фізики. На стику хімії з іншими галузями природознавства народилися нові науки: геохімія, радіохімія, біохімія. З іншого боку, продовжується виділення самостійних дисциплін. Ці тенденції особливо помітні у ХХІ столітті.

Значення хімії у житті людини

Наука про перетворення речовин займається як фундаментальними проблемами. Більшість лікарських препаратів, засобів гігієни та косметики, матеріалів, що оточують нас у побуті, – твори прикладної хімії.

Але, не забуваючи про користь, не можна не відзначити негативного значення хімії.Воно проявляється у негативному впливі токсичних хімічних продуктів та відходів на здоров'я людини та в екологічних проблемах.

Повинна в цих бідах не наука, а безвідповідальність самої людини, причому не тільки виробника товарів і матеріалів, а й споживача.

Роль хімії в сучасному житті без перебільшення величезна, і вона зростатиме. І лише від людини залежить, якою вона стане переважно – негативною чи позитивною.