Un anodo di carbonio è un recettore caricato positivamente su un elettrodo di carbonio. Attira gli elettroni, che sono particelle molecolari cariche, e di solito funziona in combinazione con un catodo, un recettore caricato negativamente. Insieme, l’anodo e il catodo trasportano una carica elettrica o elettrochimica, utile in diverse applicazioni. Alcune delle prime batterie utilizzavano elettrodi di carbonio e gli anodi giocavano un ruolo cruciale nell’aiutare quelle batterie a trattenere e condurre energia. Nei tempi moderni gli elementi a base di carbonio sono più comuni nei condensatori elettrici, così come nell’industria quando si tratta della produzione su larga scala di cloro e alcune altre sostanze chimiche. Questi tipi di componenti sono anche molto importanti nel funzionamento delle celle a combustibile.
Comprensione generale degli elettrodi al carbonio
In un senso molto generale, un “elettrodo” è qualsiasi superficie su cui vengono trasportate, intrappolate o condotte cariche elettriche. Gli elettrodi sono la superficie solida sulla quale avvengono le reazioni elettrochimiche del fluido. L’anodo ha una carica positiva e attrae gli elettroni, mentre il catodo ha una carica negativa e attrae gli ioni positivi. Nella maggior parte dei casi è lo scambio di elettroni dal catodo all’anodo che stabilisce una corrente elettrica.
Un elettrodo di carbonio specifico è solitamente uno che è fatto di carbonio elementare o che utilizza il carbonio come conduttore primario. Le reazioni elettrochimiche comportano il trasporto di elettroni da un luogo all’altro e, se configurate in modo appropriato, producono come risultato correnti elettriche utili. L’elettricità può essere immagazzinata, prodotta o consumata nelle reazioni. Il carbonio può fungere sia da anodo che da catodo; tuttavia, in entrambe le applicazioni, il carbonio viene solitamente combinato con altri elementi per aumentarne la conduttività naturale.
Proprietà elettrochimiche
Nella chimica organica, il carbonio è spesso considerato in termini di molecole di idrocarburi, i composti chiave della materia vivente e prima vivente. Gli elettrochimici pensano al carbonio nei suoi stati solidi di grafite e altre forme di carbonio quasi puro. Il carbonio legato quasi esclusivamente ad altri atomi di carbonio raggiunge un alto grado di elettroni delocalizzati che lo rendono un buon conduttore. Un anodo fatto di o con carbonio è anche una scelta preferita in elettrochimica per altri motivi tra cui non tossicità, basso costo e flessibilità.
Condensatori elettronici fatti di carica elettrica di deposito di carbonio tra doppi elettrodi di carbonio di immensa superficie. Un lato del doppio strato funge da catodo di carbonio e l’altro da anodo. Gli ioni con carica positiva si aggrappano al lato catodico e gli ioni con carica negativa si aggrappano al lato anodico. Quando vengono scaricati, gli elettroni vengono rilasciati nel circuito.
Usi precoci
Il primo uso documentato del carbonio come materiale catodico avvenne nel 1792, quando la grafite sostituì con successo i metalli in alcune prime batterie sperimentali. In una batteria, l’energia viene immagazzinata nel potenziale elettrochimico dei reagenti e rilasciata secondo necessità. La maggior parte delle batterie moderne non si basa sul carbonio e quelle che includono l’elemento in genere lo fanno con così tanti altri materiali e composti che gli anodi non potrebbero essere chiamati correttamente “carbonio”.
Ruolo nella produzione di cloro
Un anodo modellato in grafite artificiale viene spesso utilizzato nella produzione su larga scala di cloro, alluminio e silicio. La produzione di carburo di calcio, fosforo giallo e ferroleghe utilizza anodi di carbonio. Questi processi richiedono energia. L’anodo di carbonio viene gradualmente consumato nel processo, perdendo carbonio sotto forma di anidride carbonica. Gli anodi perdono efficienza mentre si degradano, spingendo l’uso di anodi di ossido di metallo nei moderni impianti di produzione di cloro.
Celle a combustibile
Le celle a combustibile sono un altro luogo sempre più comune per trovare anodi a base di carbonio. Nelle celle a combustibile, l’elettricità viene prelevata direttamente dall’anodo della reazione elettrochimica, una conversione molto efficiente rispetto all’energia generata indirettamente attraverso la combustione di combustibili per azionare apparecchiature meccaniche. Il carburante è solitamente gas idrogeno e l’ossidante è ossigeno dall’aria. La cella anodo-elettrolita mix-catodo è molto sottile ed è confezionata in blocchi di oltre 400 celle disposte in serie. L’anodo di carbonio svolge una funzione elettrochimica, ma serve anche come mezzo per disperdere costosi catalizzatori metallici.