В Украине действует целевая комплексная программа фундаментальных исследований «Наноструктурные системы, наноматериалы, нанотехнологии» Национальной Академии наук и Министерства образования и науки. Ее приоритетные направления — процессы самоорганизации, диагностики и моделирования наносистем, гетерогенного катализа, наноэлектрохимии, соединения и сварки элементов конструкций, создания материалов электронной техники, полупроводниковых структур, гибридных нанокомпозитов, получения наночастиц в растворах и биосовместимых керамик…
Именно по этим «дорожным картам» работают ученые Украинского государственного химико-технологического университета (УГХТУ). О своих исследованиях «УТГ» рассказывают профессор кафедры физической химии доктор химических наук Александр Величенко и доцент той же кафедры кандидат химических наук Татьяна Лукьяненко.
«Картина маслом»
— Александр Борисович, что нового в украинской химической науке «про нано»?
Александр Величенко и Татьяна Лукьяненко
— Новшества диктует сама реальность. К примеру, вы знаете, что воду из Славутича (даже дважды очищенную!) пить нельзя? В ней запредельны концентрации токсинов, вирусов и даже трупных ядов! При этом представители Днепропетровского водоканала заявляют, что качество питьевой воды отвечает нормам действующего ГОСТа 2874-82. Но уже ни для кого не секрет колоссальные количества промышленных и химических отходов (особенно радиоактивных) в Приднепровском регионе. Воду из колодцев в Таромском и Сухачевке (на границе с Днепродзержинском) использовать тоже крайне опасно, особенно весной: остатки ураново-плутониевых отходов Приднепровского химического завода активно проникают туда даже сквозь природные земляные и искусственные фильтры.
Недавно начальник водоканала Павел Корженко озвучил совсем уж уникальные данные: через 2 года (аккурат под Евро-2012) одному из фильтров предприятия исполнится 100 лет! А вообще, по его словам, вода Славутича—Борисфена очищается фильтрами выпуска 1912—1968 годов. Кроме того, 70% всех водопроводных труб полностью изношены.
Добавим к этому стоки многочисленных медицинских учреждений. Эти отходы, напичканные трупными ядами, вирусами и микробами, никоим образом не обрабатываются, а вреднейшие компоненты не подвергаются деструкции.
Такая вот водичка после самой примитивной хлорной дезинфекции течет прямиком в наши реки, ручьи и родники. Старые методы очистки медицинских стоков и утилизации отходов врачевания совершенно неэффективны. Вирусы гепатита, стафилококка, туберкулеза и туляремии отлично приспособились к самым мощным антибиотикам и сульфаниламидам. А уж к хлорке — и подавно.
Добавим к этому десятки тысяч тонн старых удобрений, средств защиты растений и гербицидов, лежащих под открытым небом или в примитивных полуразрушенных хранилищах.
Такая вот «картина маслом». Использование разработанных нами металлооксидных и недорогих нанокатализаторов абсолютно необходимо при строительстве новых систем очистки воды и утилизации промышленных ядовитых отходов, особенно фенолов и пестицидов.
Так что всеми силами пытаемся создать оборонное «нано-оружие» в виде новейших технологий и изделий. Этим занимается моя ученица, молодой доцент Татьяна Лукьяненко.
Фильтруем, разрушаем, очищаем…
— Татьяна Викторовна, расскажите, пожалуйста, подробнее о ваших электрохимических и нанотехнологических инновациях.
Наноструктура нового фильтра
— Прежде всего отмечу, что наши научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы проводятся в рамках целевых научно-технических программ НАНУ и МОН. Потому и проблемы мы решаем комплексные: создание новейших нанокомпозиционных керамических электрокатализаторов для использования в различных электрохимических техпроцессах (насыщение воды кислородом, синтез разнообразных органических и неорганических соединений). И, разумеется, создаем новые технологии по очистке воды, воздуха и почвы, разрушению тех токсических веществ, коими наша окружающая среда насыщена сверх меры. Старые методы здесь не действуют: те же пестициды с гербицидами, отходы медицины и химической промышленности они «не берут».
— Подобные разработки активно ведутся в США, Китае, Японии… В чем особенность украинских исследований?
— Создание методов направленного синтеза новых материалов с заданными свойствами — одно из приоритетных направлений современной науки. При этом все большее внимание уделяется различным электрохимическим методам — они проще в реализации, требуют меньше средств на аппаратурное оформление, позволяют управлять составом и свойствами материалов путем вариации и мониторинга режимов электролиза и состава электролита. Очень интересны методы электрохимического получения оксидных композитов различного предназначения.
Изюминка наших разработок в том, что без высоких температур, а только электрохимическими методами мы можем управлять изменением размеров наночастиц в процессе получения катализатора их металлооксидов. К примеру, при формировании коллоидного раствора получаем частицы двуокиси титана размером в 2—3 нм.
Путем введения электрода в раствор мы заставили новые нанокатализаторы работать в видимом свете (раньше такого не было, они функционировали только в ультрафиолете).
— Сегодня в качестве катализаторов очень популярны нанокомпозиты из платины (особенно в новых автомоторах для снижения выбросов по стандартам «Евро-4» и «Евро-5»). Но стоимость этого металла «зашкаливает». Именно по этой причине вы выбрали распространенные оксиды, которые стоят дешевле?
— Конечно, цена исходного сырья очень важна. Но у него есть и много других плюсов. Двуокиси свинца и марганца из-за простоты их электрохимического получения, высокой коррозионной стойкости, низкой стоимости и высокой каталитической активности широко применяются в современных электрохимических процессах (особенно в водородных источниках тока и накопителях энергии, технологиях разрушения токсических веществ в сточных водах). Кроме того, очень интересны для исследований композиты с добавками поверхностно-активных веществ (ПАВ) и полиэлектролитов (ПЭ). При сохранении базовых свойств PbО2, MnO2 их состав, физико-химические особенности и электрокаталитическая активность могут варьироваться в широких пределах.
Будем накапливать!
— Александр Борисович, можно ли сказать, что украинские ученые — в лидерах по разработке нового нанооружия против ядов и токсинов?
— Результаты, ожидаемые от внедрения наших наноразработок, уверен, станут прорывными не только для нашей страны, но и для всей Европы. Они отвечают мировому уровню развития современной электрохимии, имеют значительную теоретическую ценность и обязательно должны стать научной основой для создания новейших экологически безопасных технологий и материалов.
Мы все время движемся вперед. К примеру, существует серьезная проблема, касающаяся экологии автотранспорта. Она связана с утилизацией добавки к топливу — метатетрабутилэфира. МТБЭ хорошо справляется с повышением октанового числа бензина и КПД двигателя внутреннего сгорания. Но у нее есть и серьезные недостатки — очень токсична, дурно пахнет и не подвержена биологической деструкции. Где происходит ее разлив, там образуется мертвая и «благоухающая» зона. Мы уже провели опыты по разложению этого эфира при помощи наших нанокатализаторов и получили успешные результаты. Теперь занимаемся патентованием ноу-хау и техпроцесса.
И еще пару слов о нашем научном лидерстве. Сегодня, когда активно развиваются технологии водородного топлива и широко используются электромобили, очень актуальна проблема создания резервных накопителей энергии. Это абсолютно новый проект в духе нового века! Пока им занимаются только две научных группы в мире: в нашем УГХТУ и британском университете Саутгемптона. Мы с англичанами и сотрудничаем, и конкурируем. Но главное — совместно создаем новое направление в технике и науке третьего тысячелетия.
