Путь к диссертации: сквозь тернии к звездам

В Институте высокотемпературной электрохимии УрО РАН появился еще один кандидат химических наук. 22 сентября диссертационный совет присудил эту ученую степень научному сотруднику лаборатории сквозных технологий в распределенной энергетике «ИнЭнерджи» Дмитрию Михайловичу Захарову за работу «Изотопный обмен водорода между метаном газовой фазы и оксидными материалами на основе скандата лантана» по специальности 1.4.4. Физическая химия. Дмитрий ответил на несколько вопросов о подготовке диссертации и поделился планами на будущее.   

— Чему посвящена диссертация? Почему вас заинтересовала эта тематика? Каково ее место в контексте развития вашей области науки в России и в мире?

— Моя работа (научный руководитель доктор химических наук М.В. Ананьев) посвящена изучению механизма взаимодействия метана с протонпроводящими материалами на основе скандата лантана: каковы элементарные стадии этого взаимодействия, какие активные центры на поверхности материала могут быть вовлечены в этот процесс, какие устойчивые частицы в нем участвуют. Эти исследования необходимы для создания новых технологий переработки метана для генерации экологически чистой электроэнергии, водорода и других продуктов с высокой добавочной стоимостью, что актуально для России как крупнейшей газодобывающей страны в мире. Разработка электрохимических устройств (протонно-керамических топливных элементов, электролизеров и мембранных реакторов) невозможна без глубокого и всестороннего понимания того, как взаимодействуют сложные компоненты газовой фазы с поверхностью и объемом компонентов электродов этих устройств. Надеюсь, моя работа позволила пролить свет хотя бы на некоторые из фундаментальных процессов, сопровождающих такое взаимодействие.

Когда я впервые пришел в ИВТЭ, мы обсуждали возможность развития в институте тематики электролиза различных углеводородов в пространстве топливного электрода протонно-керамических электрохимических устройств. Эта тематика сразу заинтересовала меня, поскольку ее реализация требует решения множества комплексных задач. Так, для начала нужно понять, как протекает взаимодействие метана с материалом в отсутствие наложения разности потенциалов.

Одной из основных задач стала разработка полностью новой теории изотопного обмена, а также методики изотопного обмена водорода между метаном и протонпроводящими материалами. Именно возможность поработать с таким уникальным методом, как изотопный обмен и была одной из главных причин, побудивших меня перейти из УрФУ в ИВТЭ и взяться за дело. Научных групп, занимающихся изотопным обменом, в мире очень мало, по сути, их можно пересчитать по пальцам. Между тем, уникальность этого метода заключается в том, что он позволяет на фундаментальном уровне, в режиме реального времени изучать механизмы взаимодействия газовой фазы и твердого тела, наблюдать, как происходит разрыв химических связей в молекулах, и определять атомный состав устойчивых частиц, образующихся на поверхности твердого тела. В нашем институте метод изотопного обмена кислорода развивал сначала Эдхем Хурьятбекович Курумчин, затем Максим Ананьев и Андрей Фарленков разрабатывали этот метод для случая изотопного обмена между водородом и протонпроводящими оксидами. Считаю, что мне очень повезло, и я благодарен своему научному руководителю за возможность поучаствовать в очередном этапе разработки метода и теории изотопного обмена, но уже для случая многоатомных молекул.

Отмечу также объекты исследования, с которыми мне удалось поработать при подготовке диссертации. Еще до утверждения дорожной карты развития водородной энергетики в Российской Федерации Максим Васильевич задумывался о перспективах научного направления, связанного с разработкой протонно-керамических электрохимических устройств. Вместе с Андреем Фарленковым и Антоном Кузьминым они смогли определить один из наиболее актуальных материалов для таких устройств — скандат лантана, допированный стронцием. Отличаясь уникальной термической и химической устойчивостью по сравнению с другими протонпроводящими оксидами, скандат лантана обладает также рядом интересных фундаментальных особенностей, например, увеличением симметрии с ростом кислородного дефицита при допировании стронцием. Благодаря этому он наиболее перспективен для изучения механизма взаимодействия газовой фазы с твердым телом в системе «метан — протонпроводящий оксид». В дальнейшем был инициирован совместный проект с группой компаний «ИнЭнерджи», в рамках которого удалось впервые получить пористые цилиндрические керметы Ni-скандат лантана, допированного стронцием. Уникальная микроструктура и состав кермета позволили мне в ходе диссертационного исследования обнаружить доказательства существования адсорбционных форм метана на поверхности кермета и экспериментально показать возможность их димеризации в неравновесных условиях.

— Какие трудности вы испытали при подготовке к защите? Что можете посоветовать будущим диссертантам?

— Трудности, с которыми я сталкивался, пожалуй, можно назвать классическими. Это прежде всего необходимость выделить самое главное из массива полученных экспериментальных данных, поскольку научный руководитель обозначил предел объема текста в 200 страниц. Сложным оказалось подготовить литературный обзор. Обычно в диссертациях и квалификационных работах он целиком и полностью посвящен объектам исследования. Однако в моей работе была большая методическая составляющая, поэтому в обзоре надо было отразить все этапы развития метода изотопного обмена с начала 20 века и систематизировать информацию за большой временной промежуток, включая различные классы объектов, с которыми я ранее не был знаком. Наконец, последней трудностью стал выбор читателя, на которого была ориентирована работа. Сначала мы с Максимом Васильевичем нацелились на более широкую аудиторию, нежели специалисты по тематике исследования, затем решили сузить круг читателей, что, конечно же, привело к серьезной редактуре текста работы и большим затратам времени.

Советы будущим диссертантам будут, наверное, банальными: планируйте структуру своей работы до ее написания, это значительно упростит вашу жизнь при подготовке текста. Глубоко продумайте основную идею и вокруг нее выстраивайте текст, тогда вам и читателю будет проще отбрасывать ненужное и выбирать суть. Сформируйте четкое представление о том, на кого ориентирована ваша работа. Это поможет сократить сроки ее написания и выработать единообразный стиль.

— Каковы ваши планы на будущее? Собираетесь ли заниматься этой темой в дальнейшем?

— Метод изотопного обмена очень многообразен, он позволяет изучать сложные физико-химические процессы с участием самых разнообразных компонентов газовой фазы. Поэтому и в дальнейшем мне бы, конечно, хотелось заниматься изотопной тематикой, в частности обратиться к другим интересным оксидным, и не только, объектам исследования, проводить эксперименты в новых условиях — высоких давлений, наложения разности потенциалов, работы вдали от химического равновесия. Кроме того, большую фундаментальную и практическую значимость имеет изучение взаимодействия других индивидуальных компонентов газовой фазы (аммиака, этилена, этана, метанола и др., а также их смесей) с перспективными электрохимическими каталитическими материалами. Таким образом, пространство для роста и развития изотопного направления еще велико, и я надеюсь участвовать в этом в дальнейшем.

Среди опубликованных работ по теме диссертации особенно хочется выделить следующие статьи:

•  Ananyev, M. V. H/D isotopic exchange between methane and a proton-conducting oxide: theory and experiment / M. V. Ananyev, M. Zakharov // Catal. Sci. Technol. – 2020. – V. 10.– P. 3561–3571.  10.1039/C9CY02566A
• Zakharov, D. M. Catalytic methane activation over La_1−xSr_xScO_3−α proton-conducting oxide surface: A comprehensive study / M. Zakharov, N. A. Zhuravlev, T. A. Denisova, A. S. Belozerov, A. Y. Stroeva, E. G. Vovkotrub, A. S. Farlenkov, M. V. Ananyev // J. Catal. – 2021, – V. 394, – P. 67–82. 10.1016/j.jcat.2020.12.011
• Zakharov, D. M. H/D isotopic exchange and electrochemical kinetics of hydrogen oxidation on Ni-cermets with oxygen-ionic and protonic electrolytes / M. Zakharov, E. S. Tropin, D. A. Osinkin, A. S. Farlenkov, N. M. Porotnikova, M. V. Ananyev // J. Power Sources. – 2022.– V. 517. – P. 230708. 10.1016/j.jpowsour.2021.230708
• Zakharov, D. M. Methane dissociation mechanism on Ni-La_1−xSr_xScO_3−α cermet for proton ceramic electrochemical devices / M. Zakharov, M. V. Ananyev // Int. J. Hydrogen Energ.– 2022. – V. 47. – P. 16824–16839.   10.1016/j.ijhydene.2022.03.171

От всей души поздравляем кандидата и желаем успехов в научном труде!