碳化物衍生碳的制备及其应用研究进展

摘" " " 要：碳化物衍生碳（CDC）由碳化物作为一个特立独行的物体组成，它从间隔中提取金属元素，从而产生一种新的碳物质。综述了CDC的常见命名及结构、衍生碳的特点，介绍了CDC的制备方法，论述了其在摩擦涂层、气体吸附、催化剂载体和电极材料等领域具有的科学研究和应用潜力。最后总结了CDC的结构与组成在实际应用中的优势，展望了其在将来完成商业化的可能性。

关" 键" 词：碳化物衍生碳；制备方法；应用进展；展望

中图分类号：TQ127.11" " "文献标识码： A" " " "文章编号： 1004-0935（2023）05-0714-03

碳化物衍生碳（CDC）使用碳化物作为一种变换，试图找到一种方法来摆脱晶体管中的所有金属原子，只留下碳骨架结构，从而产生新的碳[1-2]。碳化物作为前驱体，将金属离子从外层隔离到内层。要想实现纳米尺度的调控，可以调节前体、温度、大气成分、反应时间等[3]参数，在反应过程中会得到涂层、块或粉末，其结构各不相同[4]。

1" 碳化物衍生碳的特点

碳化物衍生碳是一种经过多重改造并加工所获得的碳材料，因此其具有比表面积大、介孔含量高的特点[5-6]。对于衍生碳的研究而言，可将其分为两个阶段：首先第一阶段便是找到天然的且富含介孔的一些生物质材料，找到材料后，便通过一系列化学反应将其他的无关杂质去除，最后便可得到衍生碳；第二个阶段则是通过反应制备出含有较多碳的材料，接着便可通过一些工艺步骤将其他无关元素刻蚀掉，最后便可获得纯净的衍生碳[7-8]。相比较而言，第二个阶段对于碳源的孔径大小要求被极大降低，因此可供用于制备碳化物衍生碳的碳源材料的选择明显多于第一阶段，同时也更利于孔径生长的统一调控。

2" 碳化物衍生碳的制备方法

2.1" 卤素刻蚀法

卤素变形是将碳化物引入卤素或一些卤素化合物的大气中，这样在一定温度下，碳化物中的卤素就会将其中所含的金属原子移除。氯蚀刻法的优点有：反应速度快且参与率高，想要对碳的微观形貌、孔结构以及表面积进行管控的话，则可以通过改动碳的前驱体、气体类型、气体体积分数、反应温度以及反应时间[9]，这样做能够扩展应用碳化物体系的优势，现如今已经成为目前制备CDC最普及的方法之一。该方法温度、压力适中，设备简单，效率高。如果想要控制反应速率的话，则可以通过调节刻蚀剂浓度的高低以及温度的高低来进行，并且通过该方法所获得的产品比较纯，不需要后期进行任何处理。由于其具有许多优点，这个方法已经成为制备CDC中最常用的方法。目前，用于切割碳化物的物质主要有氯气、氯化氢、氟气、二氟化氙等[10]。

2.2" 高温热解法

高温热分解方法虽具有一些优点，但是其主要缺点在于，如果想要合成CDC的话，其对反应的要求较高，合成条件比较复杂，而且对硬质合金基础材料的要求比较高。不仅如此，对于它所需要发生的反应条件也有一定的要求，并且对于系统而言，要求系统同时提供一定的压力、保持真空以及高温环境。

2.3" 超临界水法

超临界水法有几个其他不同的名称，如水加热法或热液法。超临界水具有较强大的氧化能力，因此它可以在水中添加处理过程中留下的物质，并向其中投入氧气和过氧化物，这种物质将会被氧化和水解。而金属碳化物一旦遇到超临界水后，便会与之反应从而得到产物金属氧化物、CDC、一氧化碳和氢在其表面。该方法的缺陷在于其反应速度慢，不仅如此，它还需要系统保持一定的高温高压条件，才能保证实验的正常进行。反应条件相对其他的反应较为苛刻，该方法只能在表面生成一层细薄的碳，很难能够得到较高含量的产物。

2.4" 碳化钙无机盐反应法

由碳化钙所具有的化学性质可知，其可以对某些金属盐做出反应，而这些盐反过来也是钙盐和一些碳酸盐的产物，但是，这些盐类碳化物通常是不稳定的材料，随后得到的盐类碳化物被分解，最终的产物是元素碳和一些游离金属材料。在进行实验中，所经常使用的金属盐有氯化镁和氯化钠。碳化钙无机盐反应法的缺陷在于它虽然在反应中生成了所需要的CDC，与此同时，它还生成了其他的金属杂质，因此，不能得到纯碳，必须进行后期处理，以获得需要的纯净碳[7，10]。

2.5" 酸刻蚀法

酸刻蚀法其原理是利用碳化物前体的性质，将其用HF或者NaOH溶液长时间去浸泡，之后碳化物中的金属原子等杂质会与HF或NaOH溶液反应使得杂质被去除，进而便能获得所需要的CDC。酸刻蚀法的优点是成本低廉、操作过程较简单且反应要求较低。但与此同时，该方法也存在着一定的不足。在进行刻蚀的过程中，其所需要的时间周期较长，不仅如此，经过该方法所取得的产物还需要进行比较繁琐的后期处理过程，如进行超声、离心等过程。除此之外，经过酸刻蚀法所取得的碳化物其应用领域很窄，其产物容易遭到溶液分子动力学的重大影响，因此在反应过程中很难对其进行管制。这也成为该方法的一大缺陷。

3" 碳化物衍生碳的应用

3.1" 摩擦涂层

碳化物具有很多不同的物理性质，如抗腐性以及耐磨性，因为其拥有这些性质，被应用于摩擦涂层领域。对于不同结构涂层的摩擦性能，不同的研究者们也进行了一些相关的探索。CARROLL[11]等研究了湿度对CDC摩擦效率的影响，研究结果显示，在干氮的条件下，CDC的摩擦系数比较小，而在环境湿度为11%的空气当中，其摩擦系数较大一些。具体表现为，在干氮的环境下，其摩擦系数仅为0.05，在石墨中，具有相同的摩擦条件时，石墨工作得很好。ERDEMIR[12]等通过研究表明，CDC的低摩擦力的出现大部分原因是由于CDC纳米孔及富勒烯的存在，除此之外，通过氢后处理还减少了表面悬浮结合，为进一步减少摩擦力提供了一定的帮助。

3.2" 气体吸附

氢气是一种较为环保的理想清洁能源气体，且具有燃烧比热大的优点。碳材料也具有较好的物理性质，例如，其质量较轻、价格较低廉且具有环保的优势，因此其在储氢领域中一直受到重要关注。CDC由于其结构具有孔径分布窄并且精确可以调控的特点，GOGOTSI[13]等利用不同孔径的CDCs对H2吸附进行了研究。研究发现，碳材料的孔径大小能够巨大地影响其对于H2的吸附率，表现为：随着反应中的孔变得越来越小，则单位比表面的吸附量则越来越高。由于CDC具有一些特殊性质，因此CDC还可利用其特殊性质对不同吸附对象的吸附进行系统性研究。这对于对气体吸附领域具有重要意义[13-14]。

3.3" 催化剂载体

碳材料不仅具有良好的物理性能，而且还具有良好的化学性能。它的化学成分稳定，例如比表面较高，因为它有许多良好的化学性能以及其他特性，它常常被当成催化剂的载体。由于CDC具有较多的结构特点，如其孔径分布多样性即结构多样性的特点，基于这些特点，不同的研究者们选定CDC作为催化剂载体，进行了很多与之相关的实验。因此CDC对于催化剂载体具有极其重要的作用。

3.4" 超级电容器的电极材料

GAO[15]等将TiC纤维毡作为基本材料，通过氯化刻蚀的方法从而制备了超级电容器的电极材料，且这种电极材料具备一定的柔性。CHMIOLA[16]等通过研究表明，如果将块状CDC膜作为超级电容器的话，那么在电极时，它将会有一个非常高的容量比电容，所以CDC自然在许多领域都有重要的应用，如微型化微电子设备。因此CDC对于作为超级电容器的电极材料也具有极其重要的作用。

4" 结论与展望

本文通过对碳化物衍生碳作为主要研究对象，描述了CDC的特征、结构以及制备方法，并且概述了CDC在摩擦涂层、吸附气体、催化剂载体以及超级电容器等方面的重要作用。研究发现，碳化物衍生碳具有质量较轻、孔隙较多等优势，因此可以用于很多领域，如很多储能电池（包括超级电容器、锂离子电池、燃料电池等）、摩擦涂层领域、吸附领域和催化剂领域中，可推动我国在这些领域的快速发展。在基础化学中具有稳定性、孔径可以进行调控等的优势下，CDC的商业化可能性都很大。因为如果CDC被用作电极材料的话，它在提高电池性能方面将发挥着重要作用，所以为了能够呼应我国的碳中和、碳达峰的政策，国家对于扶持新能源汽车的发展做出了很多举措，因此对于碳化物衍生碳的研究与应用进展的了解具有极其重要的现实意义。

参考文献：

[1]MOHUN W A. A novel amorphous carbon： Proceedings of the 4th biennial conference oncarbon[C]. Oxford， 1960.

[2]徐斌，曹高萍. 碳化物衍生炭[J]. 新型炭材料，2008，23（1）：95-96.

[3]高飞，吕普军，刘维民. 碳化物衍生碳与石墨的摩擦磨损性能比较[J]. 摩擦学学报，2007，27（2）：102-105.

[4]眭剑，吕晋军. 碳化物衍生碳涂层/氮化硅摩擦副在水润滑下的摩擦学性能[J]. 摩擦学学报，2011，31（5）：498-503.

[5]段力群，马青松，陈朝辉. CDC法制备纳米多孔碳研究进展[J]. 无机材料学报，2013（10）：1051-1056.

[6]戴春岭，王先友，黄庆华，等. 新型多孔碳材料--碳化物骨架碳[J]. 化学进展，2008，20（1）：42-47.

[7] ZHANG R J， ZHOU B. Review of a new carbon material： carbide-derived carbon[J]. Journal of Yanshan University， 2011， 35（4）： 283-289.

[8] 魏寿昆.关于“碳”与“炭”规范用法的讨论：统一名词应考虑科学涵义及习惯用法一再论“碳”“炭”二词的用法[J]. 科技术语研究，2002，4（4）：13-16.

[9]HAUKE C， KAI B， JAN G， et al. Mesoporous and crystalline carbide-derived carbon： towards a genaral correlation on synthesis temperature and precursosr structure Influence[J]. Carbon， 2021，175： 215-222.

[10]唐金琼，孔勇，沈晓冬. 碳化物衍生碳的制备及其应用研究进展[J]. 化工进展，2022，41（2）：791-802.

[11]周海朝.碳化钛衍生碳的微观结构及摩擦学性能研究[D]. 秦岛： 燕山大学，2012.

[12]CARROLL B， GOGOTSI Y， KOVALCHENKO A， et al. Effect of humidity on the tribological properties of carbide-derived carbon（CDC） films on silicon carbide[J]. Tribology Letters， 2003， 15（1）：51-55.

[13]ERDEMIR A， KOVALCHENKO A， GOGOTSI Y， et al. Synthesis and tribology of carbide-derived carbon films[J]. International Journal of Applied Ceramic Technology， 2006， 3（3）：236-244.

[14]GOGOTSI Y， PORTET C， OSSWALD S， et al. Importance of pore size in high-pressure hydrogen storage by porous carbons[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2009，34（15）：6314-6319.

[15]PRESSER V， MCDONOUGH J， YEON S， et al. Effect of pore size on carbon dioxide sorption by carbide derived carbon [J]. Energyamp; Environmental Science， 2011， 4（8）：3059.

[16]GAO Y， PRESSER V， ZHANG J， et al. High power supercapacitor electrodes based on flexible TiC-CDC nano-felts[J]. Journal of Power Sources， 2012，201：368-375.

[17]CHMIOLA J， LARGEOT C， TABERNA P， et al. Monolithic carbide- derived carbon films for micro-supercapacitors[J]. Science， 2010， 328： 480-483

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