کربن فعال یا کربن اکتیو (Carbon Active) ماده ای بر پایه کربن که دارای مساحت سطحی بالایی می باشد. این ماده به طریق پیرولیز مواد بر پایه کربنی تهیه می گردد و اکتیو کردن آن توسط موادی همچون روی کلرید و پتاسیم هیدروکسید قابل انجام است.

کربن فعال از نظر اندازه، شکل و تنوع تخلخل منحصر به فرد هستند. کربن فعال دارای قویترین نیروهای جذب فیزیکی با بیشترین حجم تخلخل جاذب از هر مادهای است که برای بشر شناخته شده است. کربن فعال می تواند سطح بیش از 1000 متر مربع در گرم داشته باشد. این بدان معناست که 5 گرم کربن فعال می تواند سطح یک زمین فوتبال را داشته باشد.

خصوصیات کربن اکتیو

کربن فعال یا کربن اکتیو در واقع یک پودر شیمیایی کامال سیاه رنگ و بدون مزه و بو هست که از زغال یعنی مواد دارای کربن مثل چوب ساخته می شود. کربن فعال زغال حاصل از موادی مثل زغال سنگ، پوست نارگیل، پوست بامبو، پوست پسته و گردو است که طی عملیاتی خاص در اثر حرارت، فشار و شسشتو، اصطلاحاً فعال می شود. یعنی با ایجاد حفره هایی، سطح تماس آن و در نتیجه توانایی جذب سطحی آن زیاد می شود. کربن فعال به دو صورت پودری و گرانوله تولید می شود. کربن فعال گرانوله از خوشه های کوچکی از اتم های کربن که روی یکدیگر انباشته شده اند، ساخته شده است و در اثر نبود اکسیژن ماده ای با محتوای کربن بالا تولید می کند، با حرارت دادن منابع کربن (ذغال سنگ، لیگنین، چوب، پوست نارگیل و پسته یا ذغال سنگ نارس) تولید می شود. کربن فعال گرانوله دارای یک ساختار متخلخل تصادفی است، شامل طیف گستردهای از اندازه ها، منافذ یا شکاف ها قابل مشاهده تا ابعاد مولکولی می باشد.کربن فعال، از ساختار متخلخل خود برای حذف آلاینده های محلول در آب در فرآیندی که به عنوان جذب شناخته می شود، استفاده می کند.

تولید کربن اکتیو

کربن فعال را می توان از مواد کربنی تولید کرد. فرآیند تولید شامل دو مرحله کربن سازی و فعال سازی است. فرآیند کربن سازی شامل خشک کردن و سپس گرمایش برای جداسازی محصوالت جانبی، از جمله تارها و سایر هیدروکربنها، از مواد اولیه و همچنین برای دفع گازهای تولید شده است. فرآیند کربن شدن با حرارت دادن مواد در دمای 400-600 درجه سانتیگراد در شرایط کمبود اکسیژن، کامل می شود. ذرات کربنیزه با قرار گرفتن در معرض یک ماده فعال کننده مانند بخار یا موادی همچون پتاسیم هیدروکسید و روی کلرید در دمای بالا دوباره فعال می شوند. بخار باعث تجزیه محصولات تجزیه شده از مرحله کربن شدن می شود و یک ساختار شبکه گرافیتی سه بعدی متخلخل ایجاد می کند. هرچه مواد مدت زمان طولانی تری در معرض حرارت باشند اندازه منافذ بزرگتر می شود.

 

کاربردهای کربن فعال

کربن فعال به دلیل مساحت سطحی بالا توانایی جذب بالایی دارد بنابراین در زمینه تصفیه آب و هوا استفاده می گردد. در ضمن به دلیل همین مساحت بسیار عالی و ظرفیت خازنی بالا در ابرخازن ها وباتری ها کاربرد زیادی دارد. علاوه بر این در موارد زیر کاربرد دارد:

• ذخیره سازی متان و هیدروژن
• تصفیه هوا
• تصفیه طلا
• استخراج فلز
• تصفیه آب و فاضلاب
• داروسازی
• فیلترهای هوا در ماسک های گاز و دستگاه تنفس
• به عنوان ماده الکترودی در ابرخازن ها و باتری ها
• به عنوان ماده الکترودی در ساخت کاتد باتری های فلز-هوا و پیل های سوختی
• و بسیاری کاربردهای دیگر

کاربرد کربن اکتیو در ذخیره سازی انرژی الکتروشیمیایی

یکی کاربردهای بالقوه کربن اکتیو در باتری های فلز-هوا و ابرخازن ها می باشد. در حال حاضر ابرخازن ها تجاری بر پایه کربن اکتیو هستند. کربن اکتیو به دلیل مساحت سطحی زیاد قادر به ذخیره سازی بالای بار الکتریکی می باشد بنابراین دارای ظرفیت بالایی است. علاوه بر این به دلیل بی اثر بودن شیمیایی در همه محیط های قلیایی و اسیدی و همچنین الکترولیت های آلی قابل استفاده است. در اکثر کارهای تحقیقاتی حوزه ابرخازن از کربن اکتیو به عنوان قطب منفی (آند) استفاده می شود.

همچنین در باتری های فلز-هوا از کربن اکتیو در سمت کاتد که به لایه نفوذ اکسیژن معروف است استفاده می شود. کربن اکتیو به علت مساحت بالا و خاصیت کاتالیستی مطلوب یکی از اصلی ترین اجزا باتری های فلز-هوا می باشد.

کربن اکتیو با مشخصات زیر مناسب ابرخازن ها و باتری ها می باشد: