کربن مشتق‌شده از کاربید

**کربن مشتق‌شده از کاربید** (به انگلیسی: Carbide-Derived Carbon) که با کوته‌نوشت **CDC** شناخته می‌شود، خانواده‌ای از مواد کربنی سنتزی است که از طریق حذف انتخابی اتم‌های غیرکربنی (معمولاً فلزات یا شبه‌فلزات) از پیش‌سازهای کاربیدی به دست می‌آید. 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.

ویژگی متمایز CDCها، **توزیع اندازه حفرات بسیار باریک** (Narrow Pore Size Distribution) و قابلیت تنظیم آن با دقت کمتر از ۰٫۱ نانومتر (۱ آنگستروم) است. 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. گروه تحقیقاتی **یوری گوگوتسی** (Yury Gogotsi) در دانشگاه درکسل (Drexel University) ایالات متحده، پتانسیل عظیم این مواد را کشف کردند. آن‌ها نشان دادند که با تغییر دمای کلرزنی و نوع کاربید اولیه، می‌توان ساختار کربن را مهندسی کرد.

در سال ۲۰۰۶، کشف پدیده‌ای موسوم به **افزایش غیرعادی ظرفیت خازنی** (Anomalous capacitance increase) در حفرات زیر ۱ نانومتر با استفاده از الکترودهای CDC، انقلابی در درک مکانیسم ذخیره انرژی در ابرخازن‌ها ایجاد کرد و منجر به بازتعریف تئوری‌های کلاسیک الکتروشیمی شد.

## اصول سنتز و ترمودینامیک
تولید CDC عمدتاً بر پایه واکنش‌های جایگزینی و استخراج شیمیایی استوار است. رایج‌ترین روش، **کلرزنی خشک** (Dry Chlorination) است، زیرا کلر واکنش‌پذیری بالایی با اکثر فلزات دارد و کلریدهای حاصله معمولاً در دماهای بالا فرار هستند.

### واکنش شیمیایی
فرآیند کلی را می‌توان با معادله زیر توصیف کرد:
:MC_x (s) + \frac{y}{2} Cl_2 (g) \longrightarrow MCl_y (g) + x C (s)

که در آن:
* MC_x پیش‌ساز کاربید فلزی است.
* MCl_y کلرید فلزی فرار است.
* C کربن متخلخل نهایی است.

نیروی محرکه این واکنش، منفی بودن انرژی آزاد گیبس (\Delta G) برای تشکیل کلریدهای فلزی نسبت به کاربید اولیه است. از آنجایی که پیوند کربن-کلر (CCl_4) 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.

### تبدیل هم‌شکل (Conformal Transformation)
یکی از جذاب‌ترین جنبه‌های سنتز CDC، توانایی حفظ شکل ماکروسکوپی است. 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.

## 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.
# **دمای سنتز:** تعیین‌کننده میزان نظم‌پذیری اتم‌های کربن پس از حذف فلز است.

### 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. این ساختار بیشترین مساحت سطح ویژه را دارد.
* **دماهای میانی (۶۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد):** اتم‌های کربن شروع به تشکیل خوشه‌های کوچک منظم می‌کنند. ساختار توربوستراتیک (Turbostratic) شکل می‌گیرد که شبیه به صفحات گرافنی به هم ریخته است.
* **دماهای بالا (بالای ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد):** فرآیند گرافیتی‌شدن (Graphitization) آغاز می‌شود. حفرات ریز به هم پیوسته و مزوحفرات (Mesopores) را تشکیل می‌دهند. هدایت الکتریکی به شدت افزایش می‌یابد اما سطح ویژه کاهش پیدا می‌کند. قابلیت انقباض ساختار منجر به تشکیل "روبان‌های گرافیتی" یا حتی نانولوله‌های کربنی چند دیواره می‌شود.

## انواع پیش‌سازها
تقریباً تمام کاربیدهای دوتایی و سه‌تایی می‌توانند به CDC تبدیل شوند. انتخاب پیش‌ساز ابزار اصلی مهندسان برای تنظیم دقیق اندازه حفره است.

## کاربردها

### ۱. ذخیره‌سازی انرژی الکتروشیمیایی (ابرخازن‌ها)
ابرخازن‌ها ابزارهایی هستند که انرژی را به صورت الکترواستاتیک در فصل مشترک الکترود و الکترولیت ذخیره می‌کنند. CDCها به دلیل تطبیق‌پذیری بالا، انقلابی در این صنعت ایجاد کرده‌اند.
* **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. این عمل باعث کاهش فاصله بین بارها (d) در معادله خازن تخت (C = \varepsilon A / d) 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.

### ۲. 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. چگالی ذخیره‌سازی وزنی تا ۳-۴ درصد وزنی در ۷۷ درجه کلوین با CDC گزارش شده است.
* **متان:** برای خودروهای گازسوز (CNG)، استفاده از جاذب‌های CDC می‌تواند فشار مخزن را کاهش داده و ایمنی را افزایش دهد (تکنولوژی ANG یا Adsorbed Natural Gas).
* **کربن دی‌اکسید:** به عنوان جاذب برای جداسازی CO_2 از جریان گاز دودکش نیروگاه‌ها (Post-combustion capture) مورد مطالعه قرار گرفته است.

### ۳. 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.

### ۴. کاربردهای زیست‌پزشکی
ساختار خالص و زیست‌سازگار CDC امکان استفاده از آن را در پزشکی فراهم کرده است:
* **درمان سپسیس (Sepsis):** CDCهای مشتق شده از پلیمرها یا کاربیدهای خاص می‌توانند سایتوکاین‌های التهابی (مانند TNF-alpha و IL-6) را از خون جذب کنند. 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.

## 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.
* **بازیافت فلز:** برای اقتصادی شدن فرآیند، کلرید فلزی تولید شده (مانند TiCl_4) باید بازیافت شده و فروخته شود. خوشبختانه TiCl_4 خود ماده‌ای ارزشمند در صنعت رنگ (تولید دی‌اکسید تیتانیوم) است.

تحقیقات فعلی بر روی کاهش هزینه تولید CDC از طریق استفاده از بیو-کاربیدها (کاربیدهای تولید شده از منابع زیستی) و یا بازیافت کلر مصرفی متمرکز است. همچنین، توسعه **CDCهای سلسله‌مراتبی** (Hierarchical CDC) که دارای ترکیبی از میکرو، مزو و ماکرو حفرات باشند تا سرعت انتقال یون را در ابرخازن‌ها افزایش دهند، یکی از حوزه‌های داغ پژوهشی است.

## جستارهای وابسته
* علم مواد
* نانوتکنولوژی
* ابرخازن
* کربن فعال
* یوری گوگوتسی
* MXene (مکسین)

## منابع

رده:دگرشکل‌های کربن
رده:خازن‌ها
رده:نانومواد