موضوع مقاله: کربن مشتق‌شده از کاربید | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # کربن مشتق‌شده از کاربید | مقدمه: برخلاف روش‌های سنتی تولید کربن فعال که بر پایه مواد گیاهی (مانند پوست نارگیل) استوار است و منجر به ایجاد ساختاری نامنظم می‌شود، فرآیند تولید CDC امکان کنترل دقیق تخلخل در مقیاس اتمی را فراهم می‌کند. | ## بخش 1: کربن مشتق‌شده از کاربید | این ویژگی باعث شده است که CDCها به عنوان مدل‌های استاندارد برای مطالعه پدیده جذب در نانحفرات و همچنین کاندیدای اصلی برای نسل جدید ابرخازن‌ها، سیستم‌های ذخیره‌سازی گاز طبیعی و هیدروژن، و فیلترهای فوق دقیق زیستی شناخته شوند. تاریخچه و توسعه پدیده تشکیل کربن از واکنش کاربیدهای فلزی با گازهای هالوژن برای نخستین بار در اوایل قرن بیستم (۱۹۱۸) توسط «اشمیت» (Schmidt) مشاهده شد. او گزارش داد که واکنش کلسیم کاربید با کلر منجر به باقی‌ماندن اسکلت کربنی می‌شود. با این حال، تا چندین دهه، این پدیده صرفاً به عنوان یک واکنش شیمیایی پایه یا روشی برای تولید کلریدهای فلزی در نظر گرفته می‌شد و کربن حاصله اغلب به عنوان ضایعات دور ریخته می‌شد. در دهه‌های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ میلادی، دانشمندان در شوری سابق تحقیقاتی را بر روی خواص فیزیکی این کربن‌ها انجام دادند، اما نقطه عطف واقعی در اواسط دهه ۱۹۹۰ و اوایل ۲۰۰۰ رخ داد. آن‌ها نشان دادند که با تغییر دمای کلرزنی و نوع کاربید اولیه، می‌توان ساختار کربن را مهندسی کرد. اصول سنتز و ترمودینامیک تولید CDC عمدتاً بر پایه واکنش‌های جایگزینی و استخراج شیمیایی استوار است. واکنش شیمیایی فرآیند کلی را می‌توان با معادله زیر توصیف کرد: که در آن: پیش‌ساز کاربید فلزی است. نیروی محرکه این واکنش، منفی بودن انرژی آزاد گیبس برای تشکیل کلریدهای فلزی نسبت به کاربید اولیه است. از آنجایی که پیوند کربن-کلر در دماهای بالای ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد ناپایدار است، کربن با کلر واکنش نداده و به صورت جامد باقی می‌ماند، در حالی که فلز به صورت گاز خارج می‌شود. اگر پیش‌ساز اولیه یک فیبر نوری، یک فیلم نازک روی ویفر سیلیکونی، یا یک ذره پودر کروی باشد، محصول نهایی کربنی همان شکل هندسی را حفظ می‌کند، اما حجم آن کاهش می‌یابد (یا تخلخل ایجاد می‌شود). این پدیده امکان تولید پوشش‌های کربنی دقیق بر روی قطعات پیچیده صنعتی را فراهم می‌کند. | ## بخش 2: کربن مشتق‌شده از کاربید | ساختار و مورفولوژی ساختار CDC مستقیماً تحت تأثیر دو عامل کلیدی است: **ساختار بلوری کاربید اولیه:** موقعیت اتم‌های کربن در شبکه کاربید، الگوی اولیه تخلخل را تعیین می‌کند. تأثیر دما بر ساختار **دماهای پایین (۲۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد):** اتم‌های کربن پس از حذف فلز تحرک کمی دارند و نمی‌توانند ساختار منظمی تشکیل دهند. نتیجه، یک کربن کاملاً **آمورف** با حفرات بسیار ریز (میکروپروس) و حجم تخلخل بالا است. **دماهای میانی (۶۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد):** اتم‌های کربن شروع به تشکیل خوشه‌های کوچک منظم می‌کنند. قابلیت انقباض ساختار منجر به تشکیل "روبان‌های گرافیتی" یا حتی نانولوله‌های کربنی چند دیواره می‌شود. + ویژگی‌های CDC حاصل از پیش‌سازهای مختلف پیش‌ساز کاربید فرمول ویژگی‌های بارز CDC حاصله کاربید تیتانیوم رایج‌ترین پیش‌ساز، توزیع حفره بسیار باریک (حدود ۰٫۶ تا ۰٫۸ نانومتر)، ایده‌آل برای ابرخازن‌های آلی. کاربید سیلیسیم ساختار بسیار پایدار، کنترل عالی بر روی ضخامت لایه کربنی، کاربرد در میکرواکچواتورها و اصطکاک. کاربید بور تولید کربن با بالاترین سطح ویژه (بیش از ۲۵۰۰ )، مناسب برای ذخیره هیدروژن. کاربید زیرکونیوم تولید کربن با حفرات کمی بزرگتر، مناسب برای الکترولیت‌های مایع یونی بزرگ. فازهای مکس کاربیدهای لایه‌ای که می‌توانند منجر به تولید ساختارهای شبه‌گرافن یا "نانوساندویچ‌های" کربنی شوند. ذخیره‌سازی انرژی الکتروشیمیایی (ابرخازن‌ها) ابرخازن‌ها ابزارهایی هستند که انرژی را به صورت الکترواستاتیک در فصل مشترک الکترود و الکترولیت ذخیره می‌کنند. **اثر غربال‌گری یونی (Ion Sieving):** با تنظیم اندازه حفره CDC دقیقاً برابر با اندازه یون لخت (بدون پوسته حلال)، یون‌ها مجبور می‌شوند پوسته حلال خود را هنگام ورود به حفره از دست بدهند. | ## بخش 3: کربن مشتق‌شده از کاربید | این عمل باعث کاهش فاصله بین بارها در معادله خازن تخت شده و ظرفیت خازنی را تا ۵۰٪ افزایش می‌دهد. **ظرفیت حجمی:** برخلاف نانولوله‌های کربنی که بسیار حجیم هستند (چگالی کم)، CDCها چگالی بالاتری دارند که منجر به ظرفیت حجمی (F/cm³) بسیار عالی می‌شود، پارامتری که برای گجت‌های پوشیدنی حیاتی است. ذخیره‌سازی گازها **هیدروژن:** وزارت انرژی آمریکا (DOE) اهداف سخت‌گیرانه‌ای برای ذخیره هیدروژن در خودروها دارد. CDCها به دلیل داشتن حفرات اولترامیکرو (زیر ۰٫۷ نانومتر) می‌توانند مولکول‌های هیدروژن را با نیروی واندروالس قوی‌تری جذب کنند. تریبولوژی (روانکاری) پوشش‌های نازک CDC روی قطعات سرامیکی (مانند سیل‌های مکانیکی پمپ‌ها) می‌توانند ضریب اصطکاک را به زیر ۰٫۱ برسانند. در محیط‌های خلأ یا خشک که روغن‌های روان‌کار کارایی ندارند، لایه کربنی CDC به عنوان یک روان‌کار جامد عمل کرده و از سایش قطعات جلوگیری می‌کند. اندازه حفرات مزو در این کاربرد طوری تنظیم می‌شود که پروتئین‌های بزرگ مانند آلبومین دفع نشوند، اما سموم متوسط جذب شوند. مقایسه با سایر آلوتروپ‌های نانوکربن در حالی که کربن فعال ارزان‌ترین گزینه برای کاربردهای عمومی است، CDC برای کاربردهای پیشرفته که نیاز به دقت بالا دارند توسعه یافته است. + مقایسه فنی مواد کربنی پیشرفته ویژگی CDC کربن فعال نانولوله کربنی (CNT) گرافن روش سنتز حذف شیمیایی انتخابی کربونیزاسیون و فعال‌سازی رسوب‌دهی بخار (CVD) لایه‌برداری یا CVD توزیع حفرات تک‌توزیع (Monodisperse) و دقیق چندتوزیع و نامنظم وابسته به قطر داخلی بدون حفره (سطح خارجی) دقت تنظیم < ۰٫۱ نانومتر > ۱ نانومتر متوسط - هزینه نسبی متوسط/بالا بسیار پایین بالا بسیار بالا مساحت سطح ۱۰۰۰ تا ۳۰۰۰ ۵۰۰ تا ۱۵۰۰ ۲۰۰ تا ۱۰۰۰ تا ۲۶۳۰ (تئوری) مقیاس‌پذیری تن (Tons) هزاران تن کیلوگرم/تن گرم/کیلوگرم چالش‌ها و چشم‌انداز آینده با وجود مزایای فراوان، تولید صنعتی CDC با چالش‌هایی روبروست: **هزینه:** کاربیدهای فلزی به عنوان پیش‌ساز گران‌تر از زغال‌سنگ یا پوست نارگیل هستند. **مدیریت گاز کلر:** فرآیند کلرزنی نیازمند تجهیزات مقاوم در برابر خوردگی و سیستم‌های تصفیه گاز دقیق برای جلوگیری از نشت کلر سمی است. | ## جمع‌بندی | **بازیافت فلز:** برای اقتصادی شدن فرآیند، کلرید فلزی تولید شده (مانند ) باید بازیافت شده و فروخته شود.