Une anode en carbone est un récepteur chargé positivement sur une électrode en carbone. Il attire les électrons, qui sont des particules moléculaires chargées, et fonctionne généralement en conjonction avec une cathode, un récepteur chargé négativement. Ensemble, l’anode et la cathode portent une charge électrique ou électrochimique, ce qui est utile dans un certain nombre d’applications différentes. Certaines des premières batteries utilisaient des électrodes en carbone, et les anodes jouaient un rôle crucial en aidant ces batteries à conserver et à conduire l’énergie. À l’époque moderne, les éléments à base de carbone sont plus courants dans les condensateurs électriques, ainsi que dans l’industrie lorsqu’il s’agit de la production à grande échelle de chlore et de certains autres produits chimiques. Ces types de composants sont également très importants dans le fonctionnement des piles à combustible.
Comprendre les électrodes de carbone en général
Dans un sens très général, une « électrode » est toute surface sur laquelle des charges électriques sont transportées, piégées ou conduites. Les électrodes sont la surface solide sur laquelle se produisent les réactions électrochimiques fluides. L’anode a une charge positive et attire les électrons, tandis que la cathode a une charge négative et attire les ions positifs. Dans la plupart des cas, c’est l’échange d’électrons de la cathode vers l’anode qui établit un courant électrique.
Une électrode spécifiquement en carbone est généralement une électrode en carbone élémentaire ou qui utilise du carbone comme conducteur principal. Les réactions électrochimiques impliquent le transport d’électrons d’un endroit à un autre et, si elles sont configurées de manière appropriée, produisent des courants électriques utiles en conséquence. L’électricité peut être stockée, produite ou consommée dans les réactions. Le carbone peut servir à la fois d’anode ou de cathode ; cependant, dans les deux applications, le carbone est généralement combiné avec d’autres éléments pour augmenter sa conductivité naturelle.
Propriétés électrochimiques
En chimie organique, le carbone est souvent considéré en termes de ses molécules d’hydrocarbures, les composés clés de la matière vivante et auparavant vivante. Les électrochimistes pensent au carbone dans ses états solides de graphite et d’autres formes de carbone presque pur. Le carbone qui est lié presque exclusivement à d’autres atomes de carbone atteint un degré élevé d’électrons délocalisés qui en font un bon conducteur. Une anode en ou avec du carbone est également un choix privilégié en électrochimie pour d’autres raisons, notamment la non-toxicité, le faible coût et la flexibilité.
Les condensateurs électroniques en carbone stockent la charge électrique entre des électrodes doubles en carbone d’une immense surface. Un côté de la double couche agit comme une cathode en carbone et l’autre comme une anode. Les ions chargés positivement s’accrochent au côté cathodique et les charges négatives s’accrochent au côté anodique. Une fois déchargés, des électrons sont libérés dans le circuit.
Premières utilisations
La première utilisation documentée du carbone comme matériau cathodique a eu lieu en 1792, lorsque le graphite a remplacé avec succès les métaux dans certaines des premières batteries expérimentales. Dans une batterie, l’énergie est stockée dans le potentiel électrochimique des réactifs et libérée si nécessaire. La plupart des batteries modernes ne reposent pas sur le carbone, et celles qui incluent l’élément le font généralement avec tant d’autres matériaux et composés que les anodes ne pourraient pas être correctement appelées « carbone ».
Rôle dans la production de chlore
Une anode moulée en graphite artificiel est souvent utilisée dans la production à grande échelle de chlore, d’aluminium et de silicium. La production de carbure de calcium, de phosphore jaune et de ferroalliages utilise des anodes de carbone. Ces processus nécessitent de l’énergie. L’anode de carbone est progressivement consommée dans le processus, perdant du carbone sous forme de dioxyde de carbone. Les anodes perdent de leur efficacité à mesure qu’elles se dégradent, ce qui incite à utiliser des anodes en oxyde métallique dans les usines modernes de fabrication de chlore.
Réservoirs de carburant
Les piles à combustible sont un autre endroit de plus en plus courant pour trouver des anodes à base de carbone. Dans les piles à combustible, l’électricité est tirée directement de l’anode de la réaction électrochimique – une conversion très efficace par rapport à l’énergie générée indirectement par la combustion de carburants pour entraîner des équipements mécaniques. Le carburant est généralement de l’hydrogène gazeux et l’oxydant est l’oxygène de l’air. La cellule mixte anode-électrolyte-cathode est très fine et est conditionnée en blocs de plus de 400 cellules disposées en série. L’anode de carbone remplit une fonction électrochimique, mais sert également de moyen de disperser des catalyseurs métalliques coûteux.