Eine Kohlenstoffanode ist ein positiv geladener Rezeptor auf einer Kohlenstoffelektrode. Es zieht Elektronen an, die geladene molekulare Partikel sind, und arbeitet normalerweise in Verbindung mit einer Kathode, einem negativ geladenen Rezeptor. Anode und Kathode tragen zusammen eine elektrische oder elektrochemische Ladung, die in einer Reihe von unterschiedlichen Anwendungen nützlich ist. Einige der ersten Batterien verwendeten Kohlenstoffelektroden und Anoden spielten eine entscheidende Rolle dabei, diesen Batterien zu helfen, Energie zu speichern und zu leiten. In der heutigen Zeit sind kohlenstoffbasierte Elemente in elektrischen Kondensatoren sowie in der Industrie bei der großtechnischen Produktion von Chlor und bestimmten anderen Chemikalien häufiger anzutreffen. Diese Art von Komponenten sind auch für die Funktion von Brennstoffzellen sehr wichtig.
Kohlenstoffelektroden im Allgemeinen verstehen
Ganz allgemein ist eine „Elektrode“ jede Oberfläche, über die elektrische Ladungen getragen, eingefangen oder geleitet werden. Elektroden sind die festen Oberflächen, an denen elektrochemische Reaktionen in Flüssigkeiten stattfinden. Die Anode hat eine positive Ladung und zieht Elektronen an, während die Kathode eine negative Ladung hat und die positiven Ionen anzieht. In den meisten Fällen ist es der Elektronenaustausch von der Kathode zur Anode, der einen elektrischen Strom erzeugt.
Eine speziell aus Kohlenstoff bestehende Elektrode besteht normalerweise aus elementarem Kohlenstoff oder verwendet Kohlenstoff als primären Leiter. Elektrochemische Reaktionen beinhalten den Transport von Elektronen von einem Ort zum anderen und liefern bei entsprechender Konfiguration nützliche elektrische Ströme. Strom kann in den Reaktionen gespeichert, produziert oder verbraucht werden. Kohlenstoff kann sowohl als Anode als auch als Kathode dienen; Bei beiden Anwendungen wird Kohlenstoff jedoch normalerweise mit anderen Elementen kombiniert, um seine natürliche Leitfähigkeit zu erhöhen.
Elektrochemische Eigenschaften
In der organischen Chemie wird Kohlenstoff oft in Form seiner Kohlenwasserstoffmoleküle betrachtet, den Schlüsselverbindungen der lebenden und ehemals lebenden Materie. Elektrochemiker denken an Kohlenstoff in seinem festen Zustand von Graphit und anderen fast reinen Kohlenstoffformen. Kohlenstoff, der fast ausschließlich an andere Kohlenstoffatome gebunden ist, erreicht einen hohen Grad an delokalisierten Elektronen, die ihn zu einem guten Leiter machen. Eine Anode aus oder mit Kohlenstoff ist auch aus anderen Gründen, einschließlich Ungiftigkeit, geringen Kosten und Flexibilität, eine bevorzugte Wahl in der Elektrochemie.
Elektronische Kondensatoren aus Kohlenstoff speichern elektrische Ladung zwischen doppelten Kohlenstoffelektroden von immenser Oberfläche. Eine Seite der Doppelschicht fungiert als Kohlenstoffkathode und die andere als Anode. Die positiv geladenen Ionen haften an der kathodischen Seite und die negativen Ladungen an der anodischen Seite. Beim Entladen werden Elektronen an den Stromkreis abgegeben.
Frühe Anwendungen
Die erste dokumentierte Verwendung von Kohlenstoff als kathodisches Material erfolgte 1792, als Graphit in einigen experimentellen frühen Batterien erfolgreich Metalle ersetzte. In einer Batterie wird Energie im elektrochemischen Potential der Reaktanten gespeichert und bei Bedarf wieder abgegeben. Die meisten modernen Batterien verlassen sich nicht auf Kohlenstoff, und diejenigen, die das Element enthalten, tun dies normalerweise mit so vielen anderen Materialien und Verbindungen, dass die Anoden nicht richtig als „Kohlenstoff“ bezeichnet werden könnten.
Rolle in der Chlorproduktion
Bei der Großproduktion von Chlor, Aluminium und Silizium wird häufig eine geformte Anode aus künstlichem Graphit verwendet. Bei der Herstellung von Calciumcarbid, gelbem Phosphor und Ferrolegierungen werden Kohlenstoffanoden verwendet. Diese Prozesse benötigen Energie. Die Kohlenstoffanode wird dabei nach und nach verbraucht und verliert Kohlenstoff als Kohlendioxid. Die Anoden verlieren an Effizienz, wenn sie sich zersetzen, was den Einsatz von Metalloxidanoden in modernen Chlorherstellungsanlagen veranlasst.
Brennstoffzellen
Brennstoffzellen sind ein weiterer, immer häufiger anzutreffender Ort, um Anoden auf Kohlenstoffbasis zu finden. In Brennstoffzellen wird Strom direkt von der Anode der elektrochemischen Reaktion bezogen – eine sehr effiziente Umwandlung im Vergleich zu Energie, die indirekt durch die Verbrennung von Brennstoffen zum Antrieb mechanischer Geräte erzeugt wird. Der Brennstoff ist normalerweise Wasserstoffgas und das Oxidationsmittel ist Sauerstoff aus der Luft. Die Anoden-Elektrolyt-Mix-Kathoden-Zelle ist sehr dünn und wird in Blöcken von mehr als 400 in Reihe geschalteten Zellen verpackt. Die Kohlenstoffanode erfüllt eine elektrochemische Funktion, dient aber auch als Dispergiermittel für teure Metallkatalysatoren.