Kohlenstoff ist ein magisches Element. Als grundlegender Baustein dient es als Skelettelement aller Lebewesen auf der Erde und ist das wichtigste Element im menschlichen Körper. Kohlenstoffmaterialien sind einzigartig in ihrer Fähigkeit, Gegensätze und Einheit zu vereinen. Sie können so dünn wie ein Haar, so leicht wie eine Feder und stärker als Stahl sein. Kohlenstoffmaterialien sind sowohl Isolatoren als auch Leiter, sowohl wärmeisolierend als auch wärmeleitend, und sowohl vollständig lichtabsorbierend als auch vollständig lichtdurchlässig. Diese Vielseitigkeit macht Kohlenstoffmaterialien in ihren Eigenschaften und Anwendungen stets wandelbar und einzigartig.
Der Unterschied zwischen „Holzkohle“ und „Kohlenstoff“
Kohlenstoff bezieht sich auf Materialien, das sind feste Stoffe mit Kohlenstoff als Hauptbestandteil. Die chemisch Zusammensetzung ist unrein und enthält oft andere Verunreinigungen, wie Kohle, Ruß, Cola usw.
Kohlenstoff bezieht sich auf das Element, und es werden Wörter verwendet, die sich auf Kohlenstoffatome und Kohlenstoffelemente beziehen, wie etwa Karbid, Kohlenstoffebenennetzwerk, Karbonat usw.
Klassifizierung von Kohlenstoffmaterialien
Kohlenstoffmaterialien Kohlenstoffmaterialien haben eine lange Geschichte und eine große Vielfalt. Sie lassen sich in drei Kategorien unterteilen: traditionelle Kohlenstoffmaterialien (Classic Carbon), spezielle Kohlenstoffmaterialien (Special Carbon) und Nano-Kohlenstoffmaterialien (Nano Carbon). Nano-Kohlenstoffmaterialien und spezielle Kohlenstoffmaterialien werden zusammenfassend als neue Kohlenstoffmaterialien bezeichnet, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.
Aktivkohle
Aktivkohle ist eine speziell verarbeitete Kohlenstoffart, die eine ausgeprägte Porenstruktur und eine große Oberfläche aufweist. Sie verfügt über ein starkes Adsorptionsvermögen und eine hohe spezifische Oberfläche. Die innere Porenstruktur ist gut ausgeprägt, die Schüttdichte gering. Aktivkohle wird häufig zur Wasserreinigung, Entschwefelung, Denitrifikation, Lösungsmittelrückgewinnung, Notfalladsorption und Quecksilberentfernung eingesetzt. Sie wird auch als Katalysator oder Katalysatorträger bei der Gasaufbereitung und -reformierung verwendet.
Fulleren
Fulleren ist ein hohles Molekül, das vollständig aus Kohlenstoff besteht. Es kann kugelförmig, ellipsoid, zylindrisch oder röhrenförmig sein. Fulleren besitzt gute Elektronentransporteigenschaften. Es kann als Akzeptormaterial in organischen Solarzellen eingesetzt werden. Wasserlösliches Fulleren besitzt oxidative Eigenschaften. Es kann verschiedene Formen reaktiver Sauerstoffspezies produzieren. Fulleren ist ein starker Photosensibilisator. Es kann Triplett-Sauerstoff in aktiven Singulett-Sauerstoff umwandeln. Fulleren hat eine faltenhemmende, aufhellende, entzündungshemmende und reparierende Wirkung. Es verursacht keine nennenswerten Schäden im menschlichen Körper.
Kohlenstoffnanoröhren
Kohlenstoffnanoröhren sind eindimensionale Nanomaterialien. Sie zeichnen sich durch hohe Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit aus. Sie werden häufig in Branchen wie Fahrzeugen mit alternativen Antrieben, digitalen 3C-Produkten, Halbleitern und der Energieinfrastruktur eingesetzt. Der größte kommerzielle Bedarf an Kohlenstoffnanoröhren kommt aus der Lithiumbatterie- und leitfähigen Kunststoffindustrie. Über 801 TP3T der Nachfrage stammen aus der Lithiumbatterieindustrie.
Nanodiamanten
Nanodiamanten sind Diamantmaterialien im Nanometerbereich. Sie teilen einige hervorragende Eigenschaften mit massiven Diamanten, wie Verschleißfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit. Nanodiamanten werden häufig als Beschichtungen für Materialien wie Metalle, Gummi, Kunststoffe und Glas verwendet. Sie dienen auch als Schmiermittel und Feinschleifmittel. Forscher haben Nanodiamanten eingesetzt, um das Dendritenwachstum in Lithiumbatterien zu unterdrücken und so einen stabilen Batteriebetrieb zu gewährleisten. Nanodiamanten haben vielversprechende Anwendungen in der Kaltkathodenfeldemission, elektrochemischen Elektroden, optischen Fenstern, der Quantenkommunikation und der Arzneimittelverabreichung.
Poröser Kohlenstoff
Poröser Kohlenstoff weist unterschiedliche Porengrößen auf. Er ist ein Kohlenstoffmaterial mit unterschiedlichen Porenstrukturen. Poröser Kohlenstoff weist eine hohe chemische Stabilität, Beständigkeit gegen Säure- und Alkalikorrosion sowie eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf. Er ist kostengünstig und wird häufig in der Gastrennung, Wasseraufbereitung, Katalyse und solarthermischen Entsalzung eingesetzt. Er wird auch in der Luft- und Raumfahrt als Wärmeschutzmaterial mit integrierter Wärmedämmung und Widerstandsfähigkeit eingesetzt.
Graphen
Graphen ist ein zweidimensionales Kohlenstoffmaterial. Es besteht aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen, die in einem Wabengitter angeordnet sind. Es ist das grundlegende Strukturelement anderer Kohlenstoffalotrope wie Graphit, Diamant, Kohlenstoffnanoröhren und Fullerene. Graphen verfügt über hervorragende optische, elektrische und mechanische Eigenschaften. Es birgt großes Potenzial in Bereichen wie Materialwissenschaft, Mikro-Nano-Verarbeitung, Energie und biomedizinischen Anwendungen. Graphen gilt als revolutionäres Material der Zukunft.