Захистив докторську дисертацію («Исследования над явлениями вытеснения одних металлов другими», 1865), де виклав свою теорію витіснення металів, встановив ряд активності металів, дав формулювання (дуже близьке до сучасного) закону діючих мас, описав відкритий ним метод відновлення металів (алюмінотермія). У тому ж році вперше почав читати фізичну хімію як самостійну дисципліну. Під час «харківського періоду» опублікував понад 80 наукових праць, започаткував харківську фізико-хімічну школу.