Наукові засади корозії мікро- і нано-структурованих матеріалів в електрохімічних системах сенсорів і суперконденсаторів

Створено наукові засади корозії мікро- і наноструктурованих матеріалів в електрохімічних системах сенсорів і суперконденсаторів, що базуються на новій класифікації корозійних процесів. Наукова новизна створених засад полягає у експериментальному виявленні і теоретичному обґрунтуванні вирішальної ролі корозійних процесів на кінетику електродних процесів при граничних режимах експлуатації названих систем. Показано, що існуюча десятибальна шкала швидкості корозії, за якою наразі розглядається лише корозія швидше 0.001 мм/рік, не придатна для класифікації корозійних процесів в електрохімічних системах сенсорів і суперконденсаторів. Доведено науково-технічну доцільність врахування корозії мікро- і наноструктурованих електродних матеріалів повільніше 0,001 мм/рік, оскільки вона визначає формування як фонових (шумових) сигналів і саморозряду, так і аналітичних та силових струмів цільової експлуатації електрохімічних систем.
Введено нове поняття – “надповільна корозія”, – комплекс процесів на основі окислення електродного матеріалу з умовним глибинним показником швидкості менше 0,001 мм/рік, з урахуванням якого проведена класифікація подібних та відмінних особливостей названих систем та розроблено оригінальні методики досліджень. Теоретично доведено і підтверджено експериментально, що підтримання кінетичних параметрів електродних процесів у відкритій електрохімічній комірці на стабільному рівні забезпечується перебігом надповільної корозії в умовах, за яких вирішується протиріччя між ростом гідрофілізації електродів та зростанням контактного та інших опорів при нагромадженні продуктів окиснення та деструкції електродного матеріалу. Вперше виявлено надповільні (з періодом більше тижня) зміни параметрів електрохімічних систем, при тому, що до сьогодні за цими параметрами визнавали лише дрейф з постійним трендом та частоти стохастичних теплових коливань більше кількох кГц (для електрохімічних шумів), а повільні коливання лишали поза увагою, безпідставно списуючи їх на природні циклічні зміни умов ведення експериментів та експлуатації.

Встановлено механізм формування основних кінетичних характеристик процесів у відкритих електрохімічних системах (коефіцієнт перетворення, фоновий струм), які відповідають стаціонарним умовам за визначенням, але у значній мірі базуються на нестаціонарних та стохастичних явищах. Вперше одержано пояснення природи формування величини тривалості перехідного процесу при встановленні достовірного сигналу електрохімічної системи амперометричного сенсора.

Визначення нестаціонарної сутності надповільних корозійних процесів на матеріалах з мікро- і наноструктурованою поверхнею дозволило виявити вплив старіння продуктів корозії на механізм і кінетику електродних процесів. Вперше виявлено коливальні процеси корозійної природи, що відповідають за підтримання кінетичних характеристик процесів на електродах електрохімічних систем. Базуючись на понятті про надповільну корозію розроблено методи штучного усунення небажаного дрейфу кінетичних параметрів електродних процесів. Враховуючи напівпровідникову природу продуктів корозії використано явище фотоефекту для досягнення локального перерозподілу швидкостей півреакцій надповільної корозії в умовах темплатних процесів формування мікро- і наноструктури поверхні. При цьому вперше застосовано темплат (стабілізований поліфункціональним олігомером нанодисперсний золь основної солі важкого металу), який одночасно транспортує у зону росту один з компонентів (іони важкого металу) утворюваної напівпровідникової структури з нанорозмірною точністю. Нестаціонарні коливальні надповільні корозійні процеси підтримують одержані структури до 6 місяців і дозволили вперше розрізнити визначення двох окисників (озону та діоксиду азоту) на одному електроді без зміни потенціалу і застосування попередніх хімічних фільтрів.