МОТИВАЦИЯ РОСТА

— Исследования протонпроводящих электролитов активно развиваются во всем мире, и мы работаем в русле этой тенденции. Один из основоположников этого направления в России — ведущий научный сотрудник ИВТЭ УрО РАН Валерий Павлович Горелов, ученики которого входят в число исполнителей нашего проекта.

Чем же привлекательны протонпроводящие электролиты? При контакте с водородсодержащей газовой фазой, например, с атмосферным воздухом, они растворяют водород (и/или воду), и в результате в них появляется протонная проводимость. Происходит это при температурах заметно более низких по сравнению с теми, которые необходимы для появления кислород-ионной проводимости, благодаря чему можно добиться более длительного ресурса работы. Ион водорода — очень маленькая, легкая и подвижная частица, поэтому водородный ионный транспорт оказывается более эффективным, чем кислородный. Еще один плюс протонпроводящих электролитов — их использование позволяет не только преобразовывать энергию сгорания топлива в электрическую, но и получать ценный продукт — высокочистый водород.

Однако есть и проблемы. До сих пор нет устоявшейся точки зрения о процессах дефектообразования при внедрении водорода в решетку оксида, о механизмах его переноса, о влиянии протонов на электронную и фононную структуру оксидных материалов. Если методология изучения протонного переноса в электролитах более или менее разработана, то о том, как происходят эти процессы в электродных материалах, информации совсем мало.

  Объекты нашего исследования — два перспективных класса оксидных протонпроводящих материалов на основе скандата и цирконата лантана со структурой перовскита и пирохлора соответственно. Мы изучаем их как электрохимическими, так и физическими методами (методами изотопного обмена и ядерного магнитного резонанса). Такое сочетание позволяет комплексно описать свойства протонпроводящих материалов и процессы, происходящие с ними в результате работы электрохимических устройств.

— Мы впервые экспериментально показали и теоретически описали кинетику изотопного обмена в протонпроводящих оксидах с учетом изотопных эффектов. Изотопы водорода существенно различаются по массе, поэтому пренебрегать такими эффектами нельзя. В моей докторской диссертации разработан математический аппарат, который позволяет описать любую систему с любым количеством изотопных элементов. Также помимо представленного в литературе механизма растворения водорода в протонпроводящих электролитах мы впервые обнаружили и описали еще один. Сейчас на основе фундаментальных исследований направленно модифицируем базовые составы для получения новых высокоэффективных протонпроводящих материалов. Новый материал для электролитов уже синтезирован, и мы готовимся его запатентовать.

Наименее проработаны с фундаментальной и прикладной точек зрения оксиды с тройной проводимостью — дырочной, кислород-ионной и протонной, которые выступают в качестве материалов для кислородного электрода электрохимических устройств на оксидных протонных электролитах. Исследованию этих материалов посвящен второй год проекта.

На заключительном этапе будут созданы единичные топливные элементы, чтобы оценить возможности применения наших разработок в конкретных электрохимических устройствах. В перспективе создание топливного элемента на протонпроводящих электролитах позволит закрепить приоритет России в этой области.

— Если коротко — за цикл публикаций по кинетике изотопного обмена. Это тематика многих моих работ, от бакалаврской до докторской. Методика изотопного обмена очень сложна с точки зрения как теории, так и культуры эксперимента. В нашей стране механизмы взаимодействия кислорода и водорода в газовой фазе с оксидными электрохимическими материалами на основе кинетики изотопного перемешивания начали изучать В.С. Музыкантов и Г.К. Боресков (Институт катализа Сибирского отделения РАН). Уральская школа, основанная доктором химических наук Э.Х. Курумчиным, моим научным руководителем в аспирантуре, продолжает эти исследования и сейчас. В работах ученых из Чехословакии, идеи которых затем подхватили коллеги из Нидерландов и США, развивался несколько иной подход к описанию тех же явлений. Концепции российской и западных школ различались, однако не противоречат друг другу, более того, мне удалось разработать статистическую модель, которая их объединяет. Мы предложили также статистический параметр, который несет дополнительную информацию о взаимодействии газовой фазы с твердооксидными материалами как с протонной, так и с кислород-ионной и смешанной проводимостью. Впервые показана роль процессов сегрегации примесей на поверхности оксида в кинетике процесса обмена с кислородом газовой фазы.

Сейчас у нас, пожалуй, наиболее емкие методики изотопного обмена, в частности, мы реализуем его под потенциалом — этого in situ пока не делает никто. А используется этот метод, как уже говорилось, для решения очень многих электрохимических задач: ионного транспорта в твердооксидных электролитах и материалах со смешанной проводимостью, для изучения кинетики электродных процессов, а в конечном счете — для усовершенствования существующих электрохимических устройств и проектирования новых.

— Думаю, во многом благодаря тому, что во времена моей учебы в школе и в университете еще сохранялись позитивные элементы советской системы образования. Первой способствовала появлению у меня интереса к нашей науке Наталья Валентиновна Марукова, учитель химии нижнетагильской гимназии, где я учился. Затем я занимался заочно в Московской многопредметной школе при МГУ: нам высылали почтой методички, потом мы выполняли контрольные задания. В библиотеках Нижнего Тагила специальной литературы было немного, Интернет еще не развился, в общем, тогда мне это очень помогло. Конечно, я участвовал в олимпиадах, в десятом классе занял 2-е место на областной, а студентом 5-го курса — 1-е на всероссийской. В те времена нас специально не натаскивали на решение олимпиадных задач, скорее, давали систематическое образование. Сейчас, как все мы знаем, школа учит не столько мыслить, сколько решать типовые задачи и запоминать правильные ответы на известные вопросы. Такой подход необходимо менять! Это не значит, что следует полностью вернуться к советской образовательной системе, у которой тоже были свои недостатки: она была нацелена на углубленное изучение математики и физики, гуманитарным же предметам внимания уделялось недостаточно. Да и вообще никакая, даже самая лучшая, образовательная система не заменит самообразования. При наличии мотивации человек всегда найдет источники информации.

Велика и роль наставников в науке, ведь собственных интересов у начинающего практически нет. Еще первокурсником химфака Уральского госуниверситета я начал заниматься протонпроводящими оксидами под руководством Ирины Евгеньевны Анимицы. А на кафедре физической химии моим наставником был тогдашний декан химфака Владимир Александрович Черепанов. Тогда же я стал бывать в академических институтах, участвовал в зимних школах по химии твердого тела, где сейчас выступаю с научными докладами. Несколько лет был секретарем секции термодинамики и структуры неорганических систем всероссийской конференции по проблемам теоретической и экспериментальной химии, которая ежегодно проводится на химфаке УрФУ (теперь департамент ИЕНиМ УрФУ), участвовал в российско-австрийском проекте по термодинамике дефектообразования в оксидах. В 2006 году в соавторстве с австрийцами вышла моя первая серьезная научная публикация. Нынешние научные интересы — кинетика взаимодействия газовой фазы с оксидными материалами — сформировались в ИВТЭ УрО РАН во время студенческой практики под влиянием моего наставника Эдхема Хурьядбековича Курумчина. Вот такая краткая научная биография.

— Да, наш коллектив исключительно молодежный и включает сотрудников двух лабораторий: твердооксидных топливных элементов, которой заведую я, и химического материаловедения, которую возглавляет кандидат химических наук Антон Кузьмин. Такие относительно крупные проекты позволяют выстраивать эффективные отношения между институтскими подразделениями, объединять активно работающих специалистов, достойно оплачивать работу не только основных участников, но и тех, кто проводит измерения, занимается рутинной обработкой экспериментальных данных, что также требует высокой квалификации. Опыт научного менеджмента очень многое дает молодому ученому, и прежде всего умение грамотно поставить задачу — этому ни в каком университете не научат. Мы благодарны старшему поколению нашего института, которое дает возможность такой опыт приобретать и всячески это приветствует. Такова общая политика в ИВТЭ, которую заложил и проводит бывший директор, ныне научный руководитель института, профессор, доктор химических наук Юрий Павлович Зайков.

— Тревогу вызывает не сама по себе реформа — очевидно, что в Академии многое нужно менять. Проблема в том, что декларируется одно, а делается совершенно другое — я имею в виду пресловутый бумажный вал, захлестнувший нас со стороны ФАНО. В этом плане Российский научный фонд подает отличный пример того, как можно избавить научного сотрудника от бюрократии. Наверное, не способствует прорывным исследованиям и сильный уклон нынешних программ в прикладную сторону.

Если говорить о проблемах вузовского образования, то вызывают вопросы  чрезмерно жесткие требования к научной деятельности преподавателей. Тот, кто ведет основные курсы, не имеет возможности посвящать много времени науке. А вот те, кто преимущественно занят исследовательской работой, могли бы читать специальные курсы. Унификация в этом вопросе крайне вредна. Совершенно непонятны инициативы, связанные с изменением системы присуждения ученых степеней. Пытаясь поставить барьеры для не вполне честных диссертантов, создают излишние сложности достойным соискателям.

Справедливости ради, надо сказать, что появляются и позитивные инициативы. Например, Министерство образования и науки поддерживает создание исследовательских консорциумов, объединяющих академические институты, образовательные учреждения и производственников, которые совместно создают и внедряют наукоемкие технологии.

Конечно, работать в науке сейчас нелегко, но по большому счету все зависит от нас самих, от нашей мотивации и наших усилий.