Научные основы коррозии микро- и наноструктурированых материалов в электрохимических системах сенсоров и суперконденсаторов

Созданы научные основы коррозии микро- и наноструктурированных материалов в электрохимических системах сенсоров и суперконденсаторов, которые базируются на новой классификации коррозийных процессов. Научная новизна созданных основ состоит в экспериментальном выявлении и теоретическом обосновании решающей роли коррозийных процессов на кинетику электродных процессов при предельных режимах эксплуатации названных систем. Показано, что существующая десятибалльная шкала скорости коррозии, согласно которой до настоящего времени учитывалась только коррозия быстрее 0.001 мм/год, не пригодная для классификации коррозийных процессов в электрохимических системах сенсоров и суперконденсаторов. Доказана научно-техническая целесообразность учета коррозии микро- и наноструктурованных электродных материалов медленнее 0,001 мм/год, поскольку она определяет формирование как фоновых (шумовых) сигналов и саморазряда, так и аналитических и силовых токов целевой эксплуатации электрохимических систем.

Введено новое понятие – “сверхмедленная коррозия”, – комплекс процессов на основе окисления электродного материала с условным глубинным показателем скорости меньшее 0,001 мм/год, с учетом которого проведенная классификация подобных и отличных особенностей названных систем и разработаны оригинальные методики исследований. Теоретически доказано и подтверждено экспериментально, что поддержание кинетических параметров электродных процессов в открытой электрохимической системе на стабильном уровне обеспечивается ходом сверхмедленной коррозии в условиях, которые разрешают противоречие между ростом гидрофилизации электродов и возрастанием контактного и других сопротивлений при накоплении продуктов окисления и деструкции электродного материала. Впервые выявлены сверхмедленные (с периодом большее нескольких дней) изменения параметров электрохимических систем, притом, что до настоящего времени за этими параметрами признавали лишь дрейф с постоянным трендом, а колебательными считали лишь те изменения, которые происходили с частотой более нескольких кГц (для электрохимических шумов). При этом медленные колебания оставляли без внимания, безосновательно списывая их на естественные циклические изменения условий ведения экспериментов и эксплуатации.

Установлен механизм формирования основных кинетических характеристик процессов в открытых электрохимических системах (коэффициент преобразование, фоновый ток), которые отвечают стационарным условиям по определению, но в значительной степени базируются на нестационарных и стохастических явлениях. Впервые получены объяснения природы формирование величины длительности переходного процесса при установлении достоверного сигнала электрохимической системы амперометрического сенсора.
Определение нестационарной сущности сверхмедленной коррозии материалов с микро- и наноструктурованной поверхностью позволило дать объяснение старению каталитически активных материалов. Впервые выявлены колебательные процессы коррозийной природы, которые отвечают за поддержание кинетических характеристик процессов на электродах электрохимических систем. Базируясь на понятии о сверхмедленной коррозии разработаны методы искусственного устранения нежелательного дрейфа кинетических параметров электродных процессов. Учитывая полупроводниковую природу продуктов коррозии использовано явление фотоэффекту для достижения локального перераспределения скоростей полуреакций сверхмедленной коррозии в условиях темплатных процессов формирования микро- и наноструктуры поверхности. При этом впервые применен темплат из стабилизированного полифункциональным олигомером нанодисперсного золя основной соли тяжелого металла, который одновременно транспортирует в зону роста один из компонентов (ионы трудного металла) наращиваемой полупроводниковой структуры с нанорозмерной точностью. Нестационарные колебательные сверхмедленные коррозионные процессы поддерживают полученные структуры до 6 месяцев и позволили впервые различить определение двух окислителей (озона и диоксида азота) на одном электроде без изменения потенциала и применение предшествующих химических фильтров.