碳化物衍生碳

碳化物衍生碳是以碳化物為前驅體，設法去除晶格中的金屬原子或非金屬原子，剩下骨架碳結構，從而得到的一種新型碳材料。碳化物作為前驅體，其中的金屬原子被逐層去除，可以通過調控反應過程中的溫度、氣氛成分、反應時間等參數，實現納米尺度的調控，得到具有不同結構的CDC塗層、塊體或粉末。

基本介紹

• 中文名：碳化物衍生碳
• 外文名：Carbide-derived carbon (CDC)

合成方法

CDC的合成主要是設法去除碳化物中的非碳原子，使剩餘碳原子弛豫形成一種納米骨架碳複合材料。具體的合成方法主要有以下幾種方法：

鹵素蝕刻法

鹵素蝕刻法是將碳化物置於鹵素或一些鹵素化合物氣氛中，在一定溫度下（通常為200 ℃以上，根據不同的碳化物前驅物選擇不同的溫度），碳化物中的金屬原子以鹵化物的形式被逐層去除，根據反映時間和深度的不同，最終得到純淨的碳化物衍生碳或者塗層。以氯氣和作為刻蝕劑為例，碳化物衍生碳的合成反應如式：

碳化物前軀體可以為：B₄C、TiC、ZrC、Ti₃SiC₂、FeC₃、Ti₂AlC、SiC、Mo₂C等二十多種。該方法所需壓力、溫度適中，設備簡單，且可通過調控溫度和刻蝕劑濃度控制反應速率，所得產物純淨，無需後續處理。所使用的鹵素氣體刻蝕劑為劇毒氣體，尾氣需用NaOH溶液吸收處理。

熱解法

碳化矽以及其它的一些碳化物能夠在高溫下分解。在真空或者惰性氣體環境下，高溫使碳化物發生熱解，由於高溫下碳的蒸汽壓低於一般金屬，金屬原子以蒸汽形式分離，從而只剩下碳原子。

超臨界水法

超臨界水法又稱水熱法或熱液法，所謂超臨界水，是指當氣壓和溫度達到一定值時，因高溫而膨脹的水的密度和因高壓而被壓縮的水蒸氣的密度正好相同時的水。此時，水的液體和氣體便沒有區別，完全交融在一起，成為一種新的呈現高壓高溫狀態的液體，具有極強的氧化能力，將需要處理的物質放入超臨界水中，充入氧和過氧化氫，該物質將被氧化和水解。

碳化鈣無機鹽反應法

碳化鈣可以與一些金屬鹽發生交換反應，產物為鈣鹽和不穩定的類鹽碳化物，類鹽碳化物最終分解為碳和游離態的金屬，常用的金屬鹽有MgCl和NaCl。

結構特徵

碳化物衍生碳多為多孔無定形碳和多孔網狀石墨帶結構，並具有高的比表面(>2000 m g)，其孔徑大小和分布可通過改變反應參數（溫度、氣氛、時間等）和碳化物種類進行調控，除此之外，在CDC中發現其結構中幾乎包括所有碳結構：無定型碳、石墨、碳納米洋蔥、納米金剛石、碳納米管、石墨烯等。

套用

CDC高的比表面，可調控的孔徑及分布，以及多樣的結構特徵，使其具有廣闊的套用前景。

氫氣儲存

氫能源產業未來的發展與成功主要依附於廉價、高儲氫容量的高新儲氫材料的發展。氫在材料中的存儲主要為以下三種方式：a. 物理吸附，例如多孔碳材料和沸石；b. 化學吸附，例如金屬氫化物；c. 化學反應。這要求儲氫材料具有多孔性質，使得氫氣能夠與材料接觸，充分利用材料的表面，從而氫氣能夠在材料表面快速的吸脫附，以達到高效儲氫的目的。有望或已經用於儲氫的材料有：納米儲氫材料、合金儲氫材料、液態有機儲氫材料。碳材料由於其輕量、低成本、環保等優勢而得到更多的關注。與其他多孔碳材料相比，通過改變合成參數（碳化物類型、合成溫度、反應時間等）可以調控碳化物衍生碳的孔形狀、孔徑大小和分布、表面狀態以及碳結構，這使得碳化物衍生碳在儲氫方面有跟大的優勢。

甲烷存儲

甲烷存儲：與汽油相比，使用天氣燃氣作為汽車動力燃料具有低排放、低維護、低消耗等優勢，且全世界的天然氣儲量遠遠大於石油儲量，這使得天然氣有望徹底取代石油燃料為汽車提供動力。高效、高容量的天然氣存儲設備能夠使汽車單次補充燃料行駛更遠的距離。天然氣主要以高壓壓縮的形式存儲，其中高壓壓縮設備占有較大部分使用成本，而廉價的碳吸附材料能夠在接近常壓下存儲氣體。

摩擦塗層

碳化物由於具有抗腐蝕性和耐磨性，被套用於機械摩擦領域，但由於高的摩擦係數，使其套用有所限制。

催化劑載體

Pt/C催化劑被廣泛套用於氫化和氧化反應，其中碳材料的承載起到至關重要的作用。Pt/C催化劑常見製備方法為浸漬法：將多孔碳材料加入到含鉑化合物（氯化鉑等）溶液中，材料表面和孔中吸附大量的鉑化合物，經還原活化、乾燥後得到Pt/C催化劑。對於孔徑大小和分布可調的碳化物衍生碳同樣適用此方法。

超級電容器

超級電容器是一種介於蓄電池和傳統電容器之間電能存儲設備。

超級電容器

與傳統電池相比較，具有循環壽命長（>100000次），

存儲效率高（>90%），可大電流充放電等優勢。碳化物衍生

碳的大比表面和孔徑大小分布可調等特性，使碳化物衍生碳

極適合作為超級電容器的電極材料