碳化物衍生碳

碳化物衍生碳(CDC)，也称为可调纳米多孔碳，是源自碳化物前体的碳材料的常用术语，例如二元（例如SiC、TiC）或三元碳化物，也称为MAX相（例如Ti2AlC,Ti3SiC2)。CDC还衍生自聚合物衍生的陶瓷，例如Si-OC或Ti-C，以及碳氮化物，例如Si-NC。CDC可以以各种结构出现，从无定形碳到结晶碳，从sp2键到sp3键，从高度多孔到完全致密。其中，以下碳结构已衍生自碳化物前体：微孔和中孔碳、无定形碳、碳纳米管、洋葱状碳、纳米晶金刚石、石墨烯和石墨。在碳材料中，微孔CDC表现出一些报道的最高比表面积（高达3000m2/g以上）。通过改变前体的类型和CDC合成条件，可以产生具有可控平均孔径和孔径分布的微孔和中孔结构。根据前体和合成条件，平均孔径控制可以在亚埃精度下应用。这种精确调节孔隙大小和形状的能力使得CDCs对液体和气体（例如氢气、甲烷、二氧化碳）的选择性吸附和储存具有吸引力，并且高电导率和电化学稳定性允许这些结构在电能中有效实施储存和电容式海水淡化。可以产生具有可控平均孔径和孔径分布的微孔和中孔结构。根据前体和合成条件，平均孔径控制可以在亚埃精度下应用。这种精确调节孔隙大小和形状的能力使得CDCs对液体和气体（例如氢气、甲烷、二氧化碳）的选择性吸附和储存具有吸引力，并且高电导率和电化学稳定性允许这些结构在电能中有效实施储存和电容式海水淡化。可以产生具有可控平均孔径和孔径分布的微孔和中孔结构。根据前体和合成条件，平均孔径控制可以在亚埃精度下应用。这种精确调节孔隙大小和形状的能力使得CDCs对液体和气体（例如氢气、甲烷、二氧化碳）的选择性吸附和储存具有吸引力，并且高电导率和电化学稳定性允许这些结构在电能中有效实施储存和电容式海水淡化。

通过氯气与碳化硅的高温反应生产SiCl4最早于1918年由OtisHutchins获得专利，该工艺在1956年进一步优化以提高产量。固体多孔碳产品最初被视为废物副产品，直到其性质和WalterMohun在1959年对潜在应用进行了更详细的研究。1960-1980年代主要由俄罗斯科学家进行了关于通过卤素处理合成CDC的研究，而在1990年代探索了水热处理作为衍生CDC的替代途径。最近，研究活动集中在优化的CDC合成和纳米工程CDC前体上。

历史上，CDC使用了各种术语，例如矿物碳或纳米多孔碳。后来，采用了由YuryGogotsi引入的更适当的命名法，清楚地表示了前身。例如，源自碳化硅的CDC被称为SiC-CDC、Si-CDC或SiCDC。最近，建议遵守统一的前体-CDC命名法以反映前体的化学成分（例如，B4C-CDC、Ti3SiC2-CDC、W2C-CDC）。

CDC已经使用几种化学和物理合成方法合成。最常见的是，干氯处理用于从碳化物前体晶格中选择性地蚀刻金属或准金属原子。由于氯化产物金属氯化物是废弃的副产物，而碳本身大部分未反应，因此术语氯处理优于氯化处理。该方法由Skeleton在爱沙尼亚和Carbon-Ukraine实施用于CDC的商业生产。水热蚀刻也被用于合成SiC-CDC，这为多孔碳膜和纳米金刚石的合成提供了一条途径。

碳化物衍生的碳的一种应用是作为双电层电容器的电极中的活性材料，双电层电容器通常被称为超级电容器或超级电容器。这是由于其良好的导电性与高表面积、大微孔体积和孔径控制相结合，使多孔碳电极的孔隙率指标与某种电解质相匹配。特别是，当孔径接近电解质中（去溶剂化的）离子的大小时，电容会显着增加。导电碳材料xxx限度地减少了超级电容器设备中的电阻损失，并增强了电荷筛选和限制，xxx限度地提高了微孔CDC电极的填充密度和随后的电荷存储容量。CDC电极已显示在水性电解质中产生高达190F/g的重量电容，在有机电解质中产生高达180F/g的重量电容。对于匹配的离子/孔系统，观察到最高的电容值，这允许离子在超离子状态的孔中高密度堆积。然而，小孔，特别是当与整体大粒径相结合时，会对充电/放电循环期间的离子迁移率施加额外的扩散限制。CDC结构中普遍存在的中孔允许更多离子在充电和放电期间相互移动，从而实现更快的扫描速率和更高的速率处理能力。相反，通过实施纳米颗粒碳化物前体，更短的孔通道允许更高的电解质流动性，

CDC起源于工业金属氯化物合成的副产品，当然具有以适中成本进行大规模生产的潜力。目前，只有小公司从事碳化物衍生碳的生产及其在商业产品中的实施。例如，位于爱沙尼亚塔尔图的Skeleton和位于乌克兰基辅的Carbon-Ukraine拥有多样化的多孔碳产品线，用于超级电容器、气体存储和过滤应用。此外，全球众多教育和研究机构都在从事CDC结构、合成或（间接）应用于各种高端应用的基础研究。