معرفی انواع صورت‌های کربن

1-1- کربن آمورف (Amorphous Carbon)

کربن آمورف اشاره به شبکه بسیار نامنظم اتم‌های کربن دارد که به‌طور قابل توجهی دارای پیوندهای sp² و 10% پیوندهای sp³ هستند. تقریباً هیچ پیوند sp در این ساختار وجود ندارد [1]. اگرچه کربن آمورف در محدوده وسیع نظمی ندارد ولی برخی نظم‌ها در محدوده کوچک دیده می‌شود.

از آن‌جا که ماهیت این نظم‌های کوچک به‌طور معین با توجه به روش تهیه تغییر می‌کند، خصوصیات فیلم‌های کربن آمورف وابسته به روش‌های تهیه آن‌ها می‌باشد [1].

دو پارامتر پیوند کربنی (نسبت پیوندهای sp²/sp³ ) و میزان هیدروژن، برای شناسایی نظم‌ها در محدوده کوچک که ممکن است در مقیاس Å ١٠ وجود داشته باشد، پارامترهای بسیار مهمی هستند [1].

2-1- کربن شیشه‌ای (Glassy Carbon)

کربن شیشه‌ای یک نوع کربن دیگر است که به‎طور تجاری با تخریب کنترل‌شده پلیمرهای مشخص در دماهای 900-1000 درجه سانتیگراد تهیه می‌شود [1،2]. بنابرین نام کربن شیشه‎ای به یک خانواده از مواد کربنی بی‎نظم که شبیه شیشه هستند، گفته می‎شود که به‌راحتی قابل پرداخت هستند و ظاهری سیاه و براق دارند. به‌دلیل اینکه این دسته از کربن‎ها در شرایط مختلفی تهیه می‌شوند، خصوصیات متنوع نیز دارند و خصوصیات آنها به نوع پیش‌ماده پلیمری و به‎طور ویژه به شرایط تهیه آنها بستگی دارد. کربن‎های شیشه‎ای ساختار دانه‌ای دارند، نسبتاً سخت هستند، هادی حرارتی هستند، نفوذناپذیرند، با ترکیبات زیستی سازگاری دارند و در دماهای بالا پایدارند. چگالی ظاهری کربن شیشه‌ای صرف‎نظر از دمای اعمال شده، در گستره‌ای بین 1.50-1.46 گرم بر سانتی‌متر مکعب است که نشان‌دهنده حضور یک سری حفرات در زمینه آن است. مطابق با یک مدل ارائه شده، میکروساختار کربن شیشه‎ای از یک سری نوارها یا میکروفیبرهای شبیه گرافیت درهم پیچیده با طول ۱۰۰ و ۳۰ در برش عرضی تشکیل شده است و مشابه ساختار زنجیره پلیمری است که کربن شیشه‌ای از آن تهیه شده است. به‌خاطر میکروساختار نواری درهم پیچیده (شکل 1) Jenkins و Kawamura استدلال کردند که کربن شیشه‎ای حتی در دماهای بالای 3000 درجه سانتیگراد به‌طور کامل گرافیتی نیست [2]. مطالعات پراش پرتو ایکس (X-ray Diffraction, XRD) نشان می‌دهد که مابین نوارهای گرافیت شکل، اتم‌های کربن در یک ساختار لانه زنبوری از لایه‎های گرافن منظم شده‎اند. مطالعه دقیق و جزئی ساختاری نشان داده است که کربن شیشه‎ای یک شبکه از ساختارهای حفره‌دار به هم چسبیده دارد. شکل 2 وابستگی دمای هدایت الکتریکی کربن شیشه‌ای را در دماهای مختلف نشان می‎دهد. رفتار کلی در بسیاری از کربن‎های بی‎نظم دیده می‌شود [3].

شکل 1- مدل Jenkins-Kawamura کربن شیشه‌ای. L_a و L_b طول‌های ابعاد افقی و عمودی گرافیتی نسبت به محور c گرافیت [1].

شکل 2- وابستگی دمایی هدایت الکتریکی نمونه‎های کربن شیشه‎ای گرما دیده در دماهای مختلف [5].

3-1- کربن سیاه (Carbon black)

کربن سیاه شکل آمورف کربن است که به‌صورت تجاری از تجزیه حرارتی یا اکسایشی هیدروکربن‌ها حاصل می‌شود. از کربن سیاه در صنعت به‌عنوان ماده پرکننده (Filler) برای اصلاح خصوصیات الکتریکی و نوری موادی که در آن‌ها پراکنده شده‎اند (ماده زمینه)، به‎طور وسیعی استفاده می‎شود (شکل 3)[1].

انواع مختلفی از کربن‎های سیاه صنعتی، با توجه به فرایند ساخت‌شان نامگذاری می‎شوند. به‎عنوان مثال کربن‌های سیاه حراراتی (Thermal Black) توسط تخریب حرارتی گاز طبیعی، Channel Blacks توسط احتراق جزئی گاز طبیعی و Acetylene Blacks توسط تخریب گرمازای اتیلن، به‎دست می‏‎آیند. انواع دیگر کربن سیاه با روش‌های ویژه‎ای شامل فرساب لیزر گرافیت، پیرولیز استیلن و اتیلن با لیزر CO₂ که توسط مقادیر جزئی Fe(CO)₅ کاتالیز می‏‎شود و روش آماده‎سازی حرارتی زغال به‎دست می‎آیند. با این روش‌های سنتز، انواع مختلفی از کربن با خصوصیات فیزیکی و شیمیایی مختلف تولید می‎شوند [1]. ساختار میکروبلوری چندین نوع از کربن‎های سیاه (در اندازه‎های 1000Å و بالاتر) به فرم‌های محصول تازه سنتز شده و هم بعد از اعمال حرارت (بالاتر از 3000 درجه سانتیگراد)، توسط تکنیک‎های پراش پرتو XRD) X)، میکروسکوپ الکترونی عبوری با قدرات تفکیک بالا (HRTEM) و پراکندگی رامان، اثبات شده است. مطالعات XRD بر روی کربن‌های سیاه نشان می‎دهد که کربن‎های سیاه سنتز شده، از لایه‎های شبه گرافیت تشکیل شده است که در آن اتم‌های کربن، موقعیت‌های نسبتاً یکسانی با آنچه در گرافیت مشاهده می‎شوند، دارند [1].

شکل 3- عکس و تصویر میکروسکوپ نوری از کربن سیاه

4-1- کربن‎های متخلخل (Porous Carbons)

کربن‎های متخلخل یک دسته از ساختارهای کربن‎ها هستند که تخلخل زیاد دارند. مساحت سطح آنها بالاست و دارای حفراتی با ابعاد نانومتری مشابه با ابعاد فولرن هستند [1]. این دسته شامل کربن‌های فعال (Activated Carbon)، گرافیت ورقه ورقه شده (Exfoliated Graphite) و ایروژل‎های کربن (Carbon Aerogels) می‎باشند. نانوحفرات ممکن است به شکل‎های قفسه‎ای یا تونلی باشند. در تهیه کربن متخلخل Isotropic Pitch و فنول به‎عنوان پیش‎ماده استفاده می‎شوند. گرافیت ورقه ورقه شده فرم دیگری از کربن با مساحت سطح بالاست که با حرارت دادن ترکیب بین لایه‎ای (Intercalated Compound) تهیه می‎شود.

کربن ایروژل یک فرم نامنظم از کربن پیوند شده sp² با دانسیته بالکی پایین است و به‎وسیله فرآیند فوق سرمایش (Supercooling) تهیه می‏‎شود [5،4]. این مواد مثال‌هایی از مواد با چگالی کم و ساختار خوشه‎مانند هستند که از ذرات کربنی متصل شده به هم با قطر نزدیک به 12nm  تشکیل شده‎اند. بین هر ذره یک نانوساختار مشابه کربن شیشه‎ای شامل یک شبکه از نوارهای گرافیتی با عرض  2.5nm مشاهده می‌شود (شکل 4). مساحت سطح این ساختار  بین 600 تا 800m²g^-1 است.

شکل 4- شماتیک دیاگرام میکروساختار ایروژل کربن. هر دایره حاشور خورده نشان‎دهنده یک ذره کربن آمورف است. میکروساختار نشان داده شده برای فرم‌های A) دانسیته  کم (حدود 0.1 گرم بر سانتیمتر مکعب) و B) زیاد (g/cm³ ~0/6) میکروساختار نشان می‌دهد و a) حالت mesopores  که در فاصله مابین زنجیره‎های ذرات وصل شده، پل زده‌اند، و b) حالت micropores ساندویچ شده بین ذرات، c) ذرات جدا (قطر حدود 12 نانومتر) و d) حالت  micropores درون ذرات و e) حالت micropores مابین ذرات همجوار [2].

5-1- کربن فعال شده (Activated carbon)

کربن فعال شده به‎صورت جامد آمورف دارای ساختاری با مساحت سطح داخلی بالا می‌باشد که می‌تواند مولکول‌های مختلف را از فاز مایع یا گاز جذب کند [6]. این ترکیب از تعدادی مواد ناخالص شامل چوب، پوست نارگیل، و زغال سنگ تولید می‎شود. فرایندهای ویژه‎ای برای تهیه کربن‌های فعال به فرم‎های پودری، گرانول و کروی تاکنون گسترش یافته است.

1-5-1- روش‌های تهیه

تولید کربن فعال بر پایه ماده اولیه و کاربرد مد نظر، به دو دسته طبقه‎بندی می‎شود: فعال‎سازی حرارتی و فعال‎سازی شیمیایی. به‎طور کلی، فعال‌سازی حرارتی شامل حرارت دادن و تبدیل کردن کربن به گاز در دماهای بالا می‌باشد، در حالی‎که فعال‌سازی شیمیایی به‌وسیله آب‌گیری شیمیایی از ماده خام اولیه در دماهای بسیار پایین‌تر صورت می‌گیرد.

1-1-5-1- فرایند فعال‌سازی حرارتی

فعال‌سازی حرارتی در دو مرحله صورت می‌گیرد: تخریب حرارتی یا زغالی کردن (carbonization) پیش‌ماده و تبدیل به گاز کردن یا فعال‌سازی ماده زغالی شده. در مرحله زغالی شدن، هیدروژن و اکسیژن از پیش‌ماده خارج می‌شوند تا ساختار متخلخل اولیه کربنی تشکیل شود. در طول فعال‌سازی، برای افزایش حجم خلل‌ وفرج و مساحت سطح ذره از طریق حذف محصولات فرار و تخلیه کربن (Carbon burn-off)‌، اتمسفر اکسیدکننده‌ای مانند بخار آب استفاده می‌شود.

فعال‌سازی حرارتی اغلب در کوره‌هایی با دماهای بالا تر از 1000 درجه سانتیگراد انجام می‌شود. یک فرایند فعال‌سازی حرارتی برای تولید کربن فعال شده از زغال در شکل 5 نشان داده شده است.

شکل 5- فرایند فعال‌سازی حرارتی برای تولید کربن فعال شده

2-1-5-1- فرایند فعال‌سازی شیمیایی

در فرایند فعال‌سازی شیمیایی، ابتدا پیش‌ماده با یک عامل فعال شیمیایی که اغلب فسفریک اسید است، آماده‌سازی می‌شود و سپس تا دمای 700-450  درجه سانتیگراد حرارت داده می‌شود. سپس زغال حاصل با آب شسته می‌شود تا اسید از کربن خارج شود و خشک می‎شود. شکل 6 نمودار شماتیک فرایند فعال‌سازی شیمیایی چوب را نشان می‌دهد.

6-1- کربن مایع (Liquid carbon)کربن مایع به فاز مایع از کربن اشاره دارد که نتیجه ذوب کربن خالص در فاز جامد (گرافیت، الماس، ...) است [1]. کربن مایع در فشار اتمسفر تنها در دماهای بسیار بالا پایدار است ( نقطه ذوب گرافیت 4450 درجه کلوین). از آنجا که کربن دارای بالاترین نقطه ذوب نسبت به هر جامد فلزی دیگری است، برای جلوگیری از آلوده شدن مذاب، جنس بوته استفاده شده برای تهیه کربن مذاب نیز باید از کربن باشد. کربن مایع به‌طور آزمایشگاهی با روش ذوب گرافیت توسط لیزر تهیه شده است. نکته جالب این است که با وجود تفاوت دماهای ذوب الماس و گرافیت، اعتقاد بر این است که کربن مایع یکسانی از این دو ماده تولید می‌شود.

در فیلم زیر در رابطه با نوع ساختار کربنی تولید شده با توجه به نوع پیش‌ماده استفاده شده توضیحاتی ارائه شده است.