相关背景 煅烧是制备石墨产品的一个重要过程，煅烧后的石油焦是如锂离子电池负极、钢铁冶炼热电偶、稀土电解槽槽体和铝电解炭阳极等炭素材料的优质原料。 现有研究已表明，煅烧会使石油焦的物理和化学性质发生一系列的变化：焦体中的挥发物和水分被大量去除，导致体积收缩、密度增加；芳香烃在煅烧过程中先后经历热解、聚合和重新排列，导致导电性提高； H、O、N和S等杂质元素也可在高温下脱除，导致焦体骨架抗氧化性提高。 然而，现有的关于温度对煅烧焦的影响的研究，大多数是基于传统实验，演变规律的探究主要基于对实验结果的推测。对于不同温度段煅后焦微观结构特征的演变规律，需要通过更先进的检测方法进行深入分析。建立精确的微观模型，是进一步利用材料计算模拟方法探究微观反应机理的基础。 研究亮点 中南大学仲奇凡教授课题组基于HRTEM检测，分析了不同温度段煅后焦晶格条纹的长度、堆叠、方向和曲率的变化。发现温度在289~1873 K间，平均条纹长度、堆叠占比、45度集中分布频率和弯曲条纹占比的值分别从7.36 Å、10.26%、44.91%和58.74%变化到12.03 Å、50.63%、98.71%和36.13%。数学拟合被用来连续和定量地分析微观结构特征的变化规律。在873~1873 K的温度区间内，微观结构特征的变化规律与Logistic回归模型拟合良好。根据拟合曲线的趋势，尽管大多数微观结构特征在873 K以下经历了轻微的不良变化，但在873 K以上，微观结构特征进行了较大程度的有益演变，提高了结构有序度。此外，拟合曲线的数学方程可以可靠地计算出给定温度段下的各项特征值。 图1 基于HRTEM对多温度段煅后焦微观结构特征演变进行分析 通过HRTEM图像引导的自动化建模、AMS软件中ADF模块的结构优化和ReaxFF模块的分子动力学驰豫等方法，成功建立了煅后焦的分子尺度（约70个原子）模型、微晶尺度（3990个原子）三维模型和纳米尺度（31909个原子）三维模型。模型中的H/C比率、官能团比例、微量金属含量、真实密度和结构特征等与实际数据相似。利用ADF模块计算出煅后焦分子模型的FT-IR图谱，再利用芳香族H和脂肪族H的峰面积之比可计算出分子模型的芳香度，其值与实际检测结果相近，利用相关脚本可计算得到三维模型的XRD图谱，其特征峰位置与实际图谱基本一致。以上多方面验证证明了所建模型的合理性，这样的多尺度模型精确表征了煅后焦的微观结构，并可应用于碳材料反应过程的计算模拟研究。 参考文献 Microstructural features transformation at various temperature stages and multi-scale atomistic representations of calcined petroleum coke based on HRTEM, ZihanYou, JinXiao, QiuyunMao, XiuzhenZhang, QifanZhong, Fuel, 2022, Volume 330, 125521 感谢中南大学仲奇凡教授课题组犹子涵博士供稿！