Μια άνοδος άνθρακα είναι ένας θετικά φορτισμένος υποδοχέας σε ένα ηλεκτρόδιο άνθρακα. Προσελκύει ηλεκτρόνια, τα οποία είναι φορτισμένα μοριακά σωματίδια, και συνήθως λειτουργεί σε συνδυασμό με μια κάθοδο, έναν αρνητικά φορτισμένο υποδοχέα. Μαζί η άνοδος και η κάθοδος φέρουν ένα ηλεκτρικό ή ηλεκτροχημικό φορτίο, το οποίο είναι χρήσιμο σε μια σειρά από διαφορετικές εφαρμογές. Μερικές από τις πρώτες μπαταρίες χρησιμοποιούσαν ηλεκτρόδια άνθρακα και τα ανόδια έπαιξαν καθοριστικό ρόλο στο να βοηθήσουν αυτές τις μπαταρίες να διατηρούν και να μεταφέρουν την ενέργεια. Στη σύγχρονη εποχή, τα στοιχεία με βάση τον άνθρακα είναι πιο κοινά στους ηλεκτρικούς πυκνωτές, καθώς και στη βιομηχανία όταν πρόκειται για μεγάλης κλίμακας παραγωγή χλωρίου και ορισμένων άλλων χημικών ουσιών. Αυτά τα είδη εξαρτημάτων είναι επίσης πολύ σημαντικά για τη λειτουργία των κυψελών καυσίμου.
Κατανόηση των ηλεκτροδίων άνθρακα γενικά
Με μια πολύ γενική έννοια, ένα «ηλεκτρόδιο» είναι οποιαδήποτε επιφάνεια πάνω από την οποία μεταφέρονται, παγιδεύονται ή διεξάγονται ηλεκτρικά φορτία. Τα ηλεκτρόδια είναι η στερεά επιφάνεια στην οποία συμβαίνουν ηλεκτροχημικές αντιδράσεις ρευστού. Η άνοδος έχει θετικό φορτίο και έλκει ηλεκτρόνια, ενώ η κάθοδος έχει αρνητικό φορτίο και έλκει τα θετικά ιόντα. Στις περισσότερες περιπτώσεις είναι η ανταλλαγή ηλεκτρονίων από την κάθοδο στην άνοδο που δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα.
Ένα ειδικά ηλεκτρόδιο άνθρακα είναι συνήθως αυτό που είναι κατασκευασμένο από στοιχειακό άνθρακα ή που χρησιμοποιεί άνθρακα ως κύριο αγωγό του. Οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις περιλαμβάνουν τη μεταφορά ηλεκτρονίων από το ένα μέρος στο άλλο και, εάν διαμορφωθούν κατάλληλα, αποδίδουν χρήσιμα ηλεκτρικά ρεύματα ως αποτέλεσμα. Η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να αποθηκευτεί, να παραχθεί ή να καταναλωθεί στις αντιδράσεις. Ο άνθρακας μπορεί να χρησιμεύσει και ως άνοδος ή ως κάθοδος. Ωστόσο, και στις δύο εφαρμογές, ο άνθρακας συνήθως συνδυάζεται με άλλα στοιχεία για να αυξήσει τη φυσική του αγωγιμότητα.
Ηλεκτροχημικές ιδιότητες
Στην οργανική χημεία, ο άνθρακας θεωρείται συχνά ως προς τα μόρια του υδρογονάνθρακα, τις βασικές ενώσεις της ζωντανής και προηγουμένως ζωντανής ύλης. Οι ηλεκτροχημικοί σκέφτονται τον άνθρακα στις στερεές του καταστάσεις του γραφίτη και άλλες σχεδόν καθαρές μορφές άνθρακα. Ο άνθρακας που είναι συνδεδεμένος σχεδόν αποκλειστικά με άλλα άτομα άνθρακα επιτυγχάνει υψηλό βαθμό μετατοπισμένων ηλεκτρονίων που τον καθιστούν καλό αγωγό. Μια άνοδος από άνθρακα ή με άνθρακα είναι επίσης μια προτιμώμενη επιλογή στην ηλεκτροχημεία για άλλους λόγους, όπως η μη τοξικότητα, το χαμηλό κόστος και η ευελιξία.
Ηλεκτρονικοί πυκνωτές από άνθρακα αποθηκεύουν ηλεκτρικό φορτίο μεταξύ διπλών ηλεκτροδίων άνθρακα τεράστιας επιφάνειας. Η μία πλευρά του διπλού στρώματος λειτουργεί ως κάθοδος άνθρακα και η άλλη ως άνοδος. Τα θετικά φορτισμένα ιόντα προσκολλώνται στην καθοδική πλευρά και τα αρνητικά φορτία προσκολλώνται στην ανοδική πλευρά. Όταν εκφορτίζονται, τα ηλεκτρόνια απελευθερώνονται στο κύκλωμα.
Πρώιμες χρήσεις
Η πρώτη τεκμηριωμένη χρήση του άνθρακα ως καθοδικού υλικού συνέβη το 1792, όταν ο γραφίτης αντικατέστησε επιτυχώς τα μέταλλα σε μερικές πειραματικές πρώιμες μπαταρίες. Σε μια μπαταρία, η ενέργεια αποθηκεύεται στο ηλεκτροχημικό δυναμικό των αντιδρώντων και απελευθερώνεται όπως απαιτείται. Οι περισσότερες σύγχρονες μπαταρίες δεν βασίζονται στον άνθρακα και αυτές που περιλαμβάνουν το στοιχείο συνήθως το κάνουν με τόσα άλλα υλικά και ενώσεις που οι άνοδοι δεν θα μπορούσαν να ονομαστούν σωστά «άνθρακας».
Ρόλος στην παραγωγή χλωρίου
Μια χυτευμένη άνοδος από τεχνητό γραφίτη χρησιμοποιείται συχνά στη μεγάλης κλίμακας παραγωγή χλωρίου, αλουμινίου και πυριτίου. Η παραγωγή καρβιδίου του ασβεστίου, κίτρινου φωσφόρου και σιδηροκράματα χρησιμοποιεί ανόδους άνθρακα. Αυτές οι διαδικασίες απαιτούν ενέργεια. Η άνοδος άνθρακα καταναλώνεται σταδιακά στη διαδικασία, χάνοντας άνθρακα ως διοξείδιο του άνθρακα. Οι άνοδοι χάνουν την αποτελεσματικότητά τους καθώς αποικοδομούνται, προκαλώντας τη χρήση ανοδίων μεταλλικών οξειδίων σε σύγχρονες μονάδες παραγωγής χλωρίου.
Κύτταρα καυσίμου
Οι κυψέλες καυσίμου είναι ένα άλλο ολοένα και πιο κοινό μέρος για την εύρεση ανοδίων με βάση τον άνθρακα. Στις κυψέλες καυσίμου, η ηλεκτρική ενέργεια αντλείται απευθείας από την άνοδο της ηλεκτροχημικής αντίδρασης — μια πολύ αποτελεσματική μετατροπή σε σύγκριση με την ενέργεια που παράγεται έμμεσα μέσω της καύσης καυσίμων για την κίνηση μηχανικού εξοπλισμού. Το καύσιμο είναι συνήθως αέριο υδρογόνο και το οξειδωτικό είναι το οξυγόνο από τον αέρα. Το στοιχείο ανάμειξης ανόδου-ηλεκτρολύτη-καθόδου είναι πολύ λεπτό και συσκευάζεται σε μπλοκ με περισσότερα από 400 στοιχεία διατεταγμένα σε σειρά. Η άνοδος άνθρακα εκτελεί ηλεκτροχημική λειτουργία, αλλά χρησιμεύει επίσης ως τρόπος διασποράς ακριβών μεταλλικών καταλυτών.