khimie.ru

Главная трудность электрокатализа в том, что пока еще не создана его полная теория, теория на квантово-механическом уровне, с расчетом взаимодействия компонентов реакции между собой и с поверхностью катализатора. Такой теории нет, как, впрочем, нет и теории (есть лишь подступы к ней) химического катализа, нет теории жидкости, теории растворов произвольных, а не малых концентраций, и многого другого, что было бы очень полезно для построения законченной теории электрокатализа. Поэтому задача предвидения электрокаталитических свойств различных веществ еще очень далека от практической реализации.

Пока подбор катализаторов для различных электрохимических реакций проводится, как правило, путем широких и довольно трудоемких эмпирических поисков. Однако ситуация в электрокатализе не является столь мрачной, как может показаться на первый взгляд. Ведь уже накоплен огромный экспериментальный материал, охватывающий разные классы катализаторов, способы воздействия на их объемные (проводимость) и поверхностные (адсорбция) свойства. Изучено большое количество типов всевозможных электрохимических реакций.

Это богатство экспериментального, опытного материала позволяет электрохимикам довольно уверенно чувствовать себя в вопросах электрокатализа, сводить сложные явления к более простым, известным, строить упрощенные модели для теоретических расчетов.

Этот так называемый феноменологический путь является весьма плодотворным и уже дал важные и для теории, и для практики результаты.

Прежде всего, электрохимики разгадали загадку платины.

Этот металл, оказавшийся лучшим электрокатализатором для топливных элементов, побывал вместе с ними в космосе, он же позволил добиться низкотемпературного окисления углеводородов. Если бы не его дороговизна, с платиной можно было бы добиться многого. Но, спра­шивается, отчего платина и другие благородные металлы платиновой группы (палладий, родий, иридий, рутений, осьмий), отчего эта семейка так резко выделяется своими электрокаталитическими свойствами? Отчего оказались они в столь привилегированном положении?

Ответ на сегодня таков. Платина и ее сородичи обладают совокупностью противоречивых свойств. С одной стороны, они не образуют прочных химических связей с реагентами и продуктами химических реакций, ведут себя по отношению к ним инертно, индифферентно, сами не изменяются в химических превращениях и в то же время ускоряют эти превращения. А с другой − платина хорошо адсорбирует, удерживает на своей поверхности всевозможные химические вещества, что облегчает сближение вступающих в химическую реакцию компонент. Таким образом, платина и все члены ее семейства одновременно и активны, и пассивны.

Кроме этих свойств, платина не боится ни кислот, ни щелочей, не растворяется в любом электролите. Обладает она и ярко выраженными металлическими свойствами: легко подводит и отводит электроны к поверхности электрод − раствор, где протекает реакция.

Вот вся эта гамма свойств и обусловила уникальное положение платины среди электрокатализаторов.

Но, спрашивается, неужели нельзя найти платине заменителей? Подобрать эрзацы, которые были бы дешевы и в то же время обладали бы ее свойствами? Что ж, займемся поисками. Прежде всего, переберем металлы − у них хорошая, как правило, проводимость. И здесь нас ждет разочарование. Две трети их придется забраковать, так как они термодинамически нестойки: растворяются в воде, быстро корродируют. Оставшаяся треть также не радует: плохо или совсем не адсорбирует нужные нам вещества.

Теперь, обойдя совсем изоляторы, обратимся к полупроводникам. Веществ, подлежащих перебору, много, еще больше их разнообразных комбинаций — согни тысяч, пожалуй! Что выбрать?

Можно сразу сказать, 99 процентов из них нам не подойдет по электропроводности. Остается процент (тысячи веществ), из которых надо искать замену платине, искать ей ее электрохимических «двойников».

Этим и занимаются специалисты по электрокатализу.