碳化物衍生碳的制備及其應用研究進展

摘" " " 要：碳化物衍生碳（CDC）由碳化物作為一個特立獨行的物體組成，它從間隔中提取金屬元素，從而產(chǎn)生一種新的碳物質(zhì)。綜述了CDC的常見命名及結(jié)構(gòu)、衍生碳的特點，介紹了CDC的制備方法，論述了其在摩擦涂層、氣體吸附、催化劑載體和電極材料等領域具有的科學研究和應用潛力。最后總結(jié)了CDC的結(jié)構(gòu)與組成在實際應用中的優(yōu)勢，展望了其在將來完成商業(yè)化的可能性。

關" 鍵" 詞：碳化物衍生碳；制備方法；應用進展；展望

中圖分類號：TQ127.11" " "文獻標識碼： A" " " "文章編號： 1004-0935（2023）05-0714-03

碳化物衍生碳（CDC）使用碳化物作為一種變換，試圖找到一種方法來擺脫晶體管中的所有金屬原子，只留下碳骨架結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生新的碳[1-2]。碳化物作為前驅(qū)體，將金屬離子從外層隔離到內(nèi)層。要想實現(xiàn)納米尺度的調(diào)控，可以調(diào)節(jié)前體、溫度、大氣成分、反應時間等[3]參數(shù)，在反應過程中會得到涂層、塊或粉末，其結(jié)構(gòu)各不相同[4]。

1" 碳化物衍生碳的特點

碳化物衍生碳是一種經(jīng)過多重改造并加工所獲得的碳材料，因此其具有比表面積大、介孔含量高的特點[5-6]。對于衍生碳的研究而言，可將其分為兩個階段：首先第一階段便是找到天然的且富含介孔的一些生物質(zhì)材料，找到材料后，便通過一系列化學反應將其他的無關雜質(zhì)去除，最后便可得到衍生碳；第二個階段則是通過反應制備出含有較多碳的材料，接著便可通過一些工藝步驟將其他無關元素刻蝕掉，最后便可獲得純凈的衍生碳[7-8]。相比較而言，第二個階段對于碳源的孔徑大小要求被極大降低，因此可供用于制備碳化物衍生碳的碳源材料的選擇明顯多于第一階段，同時也更利于孔徑生長的統(tǒng)一調(diào)控。

2" 碳化物衍生碳的制備方法

2.1" 鹵素刻蝕法

鹵素變形是將碳化物引入鹵素或一些鹵素化合物的大氣中，這樣在一定溫度下，碳化物中的鹵素就會將其中所含的金屬原子移除。氯蝕刻法的優(yōu)點有：反應速度快且參與率高，想要對碳的微觀形貌、孔結(jié)構(gòu)以及表面積進行管控的話，則可以通過改動碳的前驅(qū)體、氣體類型、氣體體積分數(shù)、反應溫度以及反應時間[9]，這樣做能夠擴展應用碳化物體系的優(yōu)勢，現(xiàn)如今已經(jīng)成為目前制備CDC最普及的方法之一。該方法溫度、壓力適中，設備簡單，效率高。如果想要控制反應速率的話，則可以通過調(diào)節(jié)刻蝕劑濃度的高低以及溫度的高低來進行，并且通過該方法所獲得的產(chǎn)品比較純，不需要后期進行任何處理。由于其具有許多優(yōu)點，這個方法已經(jīng)成為制備CDC中最常用的方法。目前，用于切割碳化物的物質(zhì)主要有氯氣、氯化氫、氟氣、二氟化氙等[10]。

2.2" 高溫熱解法

高溫熱分解方法雖具有一些優(yōu)點，但是其主要缺點在于，如果想要合成CDC的話，其對反應的要求較高，合成條件比較復雜，而且對硬質(zhì)合金基礎材料的要求比較高。不僅如此，對于它所需要發(fā)生的反應條件也有一定的要求，并且對于系統(tǒng)而言，要求系統(tǒng)同時提供一定的壓力、保持真空以及高溫環(huán)境。

2.3" 超臨界水法

超臨界水法有幾個其他不同的名稱，如水加熱法或熱液法。超臨界水具有較強大的氧化能力，因此它可以在水中添加處理過程中留下的物質(zhì)，并向其中投入氧氣和過氧化物，這種物質(zhì)將會被氧化和水解。而金屬碳化物一旦遇到超臨界水后，便會與之反應從而得到產(chǎn)物金屬氧化物、CDC、一氧化碳和氫在其表面。該方法的缺陷在于其反應速度慢，不僅如此，它還需要系統(tǒng)保持一定的高溫高壓條件，才能保證實驗的正常進行。反應條件相對其他的反應較為苛刻，該方法只能在表面生成一層細薄的碳，很難能夠得到較高含量的產(chǎn)物。

2.4" 碳化鈣無機鹽反應法

由碳化鈣所具有的化學性質(zhì)可知，其可以對某些金屬鹽做出反應，而這些鹽反過來也是鈣鹽和一些碳酸鹽的產(chǎn)物，但是，這些鹽類碳化物通常是不穩(wěn)定的材料，隨后得到的鹽類碳化物被分解，最終的產(chǎn)物是元素碳和一些游離金屬材料。在進行實驗中，所經(jīng)常使用的金屬鹽有氯化鎂和氯化鈉。碳化鈣無機鹽反應法的缺陷在于它雖然在反應中生成了所需要的CDC，與此同時，它還生成了其他的金屬雜質(zhì)，因此，不能得到純碳，必須進行后期處理，以獲得需要的純凈碳[7，10]。

2.5" 酸刻蝕法

酸刻蝕法其原理是利用碳化物前體的性質(zhì)，將其用HF或者NaOH溶液長時間去浸泡，之后碳化物中的金屬原子等雜質(zhì)會與HF或NaOH溶液反應使得雜質(zhì)被去除，進而便能獲得所需要的CDC。酸刻蝕法的優(yōu)點是成本低廉、操作過程較簡單且反應要求較低。但與此同時，該方法也存在著一定的不足。在進行刻蝕的過程中，其所需要的時間周期較長，不僅如此，經(jīng)過該方法所取得的產(chǎn)物還需要進行比較繁瑣的后期處理過程，如進行超聲、離心等過程。除此之外，經(jīng)過酸刻蝕法所取得的碳化物其應用領域很窄，其產(chǎn)物容易遭到溶液分子動力學的重大影響，因此在反應過程中很難對其進行管制。這也成為該方法的一大缺陷。

3" 碳化物衍生碳的應用

3.1" 摩擦涂層

碳化物具有很多不同的物理性質(zhì)，如抗腐性以及耐磨性，因為其擁有這些性質(zhì)，被應用于摩擦涂層領域。對于不同結(jié)構(gòu)涂層的摩擦性能，不同的研究者們也進行了一些相關的探索。CARROLL[11]等研究了濕度對CDC摩擦效率的影響，研究結(jié)果顯示，在干氮的條件下，CDC的摩擦系數(shù)比較小，而在環(huán)境濕度為11%的空氣當中，其摩擦系數(shù)較大一些。具體表現(xiàn)為，在干氮的環(huán)境下，其摩擦系數(shù)僅為0.05，在石墨中，具有相同的摩擦條件時，石墨工作得很好。ERDEMIR[12]等通過研究表明，CDC的低摩擦力的出現(xiàn)大部分原因是由于CDC納米孔及富勒烯的存在，除此之外，通過氫后處理還減少了表面懸浮結(jié)合，為進一步減少摩擦力提供了一定的幫助。

3.2" 氣體吸附

氫氣是一種較為環(huán)保的理想清潔能源氣體，且具有燃燒比熱大的優(yōu)點。碳材料也具有較好的物理性質(zhì)，例如，其質(zhì)量較輕、價格較低廉且具有環(huán)保的優(yōu)勢，因此其在儲氫領域中一直受到重要關注。CDC由于其結(jié)構(gòu)具有孔徑分布窄并且精確可以調(diào)控的特點，GOGOTSI[13]等利用不同孔徑的CDCs對H2吸附進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，碳材料的孔徑大小能夠巨大地影響其對于H2的吸附率，表現(xiàn)為：隨著反應中的孔變得越來越小，則單位比表面的吸附量則越來越高。由于CDC具有一些特殊性質(zhì)，因此CDC還可利用其特殊性質(zhì)對不同吸附對象的吸附進行系統(tǒng)性研究。這對于對氣體吸附領域具有重要意義[13-14]。

3.3" 催化劑載體

碳材料不僅具有良好的物理性能，而且還具有良好的化學性能。它的化學成分穩(wěn)定，例如比表面較高，因為它有許多良好的化學性能以及其他特性，它常常被當成催化劑的載體。由于CDC具有較多的結(jié)構(gòu)特點，如其孔徑分布多樣性即結(jié)構(gòu)多樣性的特點，基于這些特點，不同的研究者們選定CDC作為催化劑載體，進行了很多與之相關的實驗。因此CDC對于催化劑載體具有極其重要的作用。

3.4" 超級電容器的電極材料

GAO[15]等將TiC纖維氈作為基本材料，通過氯化刻蝕的方法從而制備了超級電容器的電極材料，且這種電極材料具備一定的柔性。CHMIOLA[16]等通過研究表明，如果將塊狀CDC膜作為超級電容器的話，那么在電極時，它將會有一個非常高的容量比電容，所以CDC自然在許多領域都有重要的應用，如微型化微電子設備。因此CDC對于作為超級電容器的電極材料也具有極其重要的作用。

4" 結(jié)論與展望

本文通過對碳化物衍生碳作為主要研究對象，描述了CDC的特征、結(jié)構(gòu)以及制備方法，并且概述了CDC在摩擦涂層、吸附氣體、催化劑載體以及超級電容器等方面的重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，碳化物衍生碳具有質(zhì)量較輕、孔隙較多等優(yōu)勢，因此可以用于很多領域，如很多儲能電池（包括超級電容器、鋰離子電池、燃料電池等）、摩擦涂層領域、吸附領域和催化劑領域中，可推動我國在這些領域的快速發(fā)展。在基礎化學中具有穩(wěn)定性、孔徑可以進行調(diào)控等的優(yōu)勢下，CDC的商業(yè)化可能性都很大。因為如果CDC被用作電極材料的話，它在提高電池性能方面將發(fā)揮著重要作用，所以為了能夠呼應我國的碳中和、碳達峰的政策，國家對于扶持新能源汽車的發(fā)展做出了很多舉措，因此對于碳化物衍生碳的研究與應用進展的了解具有極其重要的現(xiàn)實意義。

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Abstract：" Carbide-derived carbon is a new kind of carbon material which is formed by extracting metal elements from the lattice of carbides as the precursor. In this paper， the common nomenclature and structure of CDC， the preparation method of CDC were reviewed， and the potential scientific research and application value of CDC in friction coating， gas adsorption， catalyst carrier and electrode material of supercapacitor were discussed. Finally， the advantages of the structure and composition of CDC in practical application were summarized， and the possibility of its commercialization in the future was forecasted.

Key words： Carbide-derived carbon; Preparation method; Application progress; Expectation