开发廉价、高效、稳定的钠离子电池用碳负极材料是电化学储能领域的重要研究方向之一。以针状焦为碳源，升华硫为硫源，通过机械球磨结合硫掺杂的两步工艺制备了硫掺杂针状焦基多孔碳材料（S-NC），并应用于钠离子电池的负极。电化学测试结果显示，当掺杂温度为600 ℃时，制备的硫掺杂碳（S-NC-600）表现出优异的储钠性能。在电流密度为0.05 A/g时，S-NC-600的比容量为487.3 mAh/g；在2 A/g高电流密度下，比容量为275.5 mAh/g，并且经1 000次循环充放电后，容量保持率为90.7%，展现出良好的倍率性能和循环稳定性，可为高效钠离子电池用碳负极的制备提供理论支撑。
硫掺杂针状焦基多孔碳的制备及其储钠性能
肖 雪,李佳纯,孟祥桐,邱介山
北京化工大学 化学工程学院
1） 本研究工作以石油焦为碳源，报道了一种简单、高效、可批量制备硫掺杂多孔碳负极（S-NC）的制备策略，建立了材料表面缺陷和孔隙结构精细化可调新方法；
2） 揭示了S-NC的缺陷位和缺陷位密度对储钠性能的影响规律，为低值碳资源的高值化利用及高性能钠离子电池（SIBs）碳负极的设计、构筑提供了新思路。
研究背景
针状焦（Needle Coke）因其成本低、均匀性高和杂质含量少等方面的优势，其在电网规模储能领域的应用潜力亟待开发。根据焦化过程中采用的原料进行分类，针状焦被分为石油系和煤系两类。油系针状焦是石油的减压渣油经延迟焦化和煅烧等工艺得到的固体焦炭（生焦），是制造人造石墨最重要的原材料。然而，针状焦的高附加值利用仍是限制其规模化转化的主要瓶颈之一。基于针状焦产量巨大、碳含量高、质地均一等特点，以其为碳源，通过分子化学工程策略制备钠离子电池负极材料是有效提高针状焦附加值的重要途径。
研究内容
以石油焦为碳源、升华硫为硫源，采用简单的机械球磨结合热处理方法制备了硫掺杂针状焦基多孔碳材料（S-NC），将其用于SIBs的负极并探究了相应的储钠性能。XPS表征结果表明，硫掺杂有助于碳骨架中形成—C—S—C—键，促进钠离子的吸附，并扩大S-NC的碳层间距；另一方面，氮气吸脱附测试表明S-NC富含微孔和介孔结构，这种分级孔隙结构可增强电解质的渗透，加速钠离子的扩散，赋予材料高比容量、长循环寿命以及优异的倍率性能。
研究结论
1）以针状焦为碳源，升华硫为硫源，使用简单的机械球磨结合热处理策略制备了硫掺杂针状焦基多孔碳材料（S-NC）。通过改变掺杂温度，可对掺杂碳材料的缺陷密度进行合理调控，从而使材料具有更多的储钠活性位点。
2）通过SEM、TEM和氮气吸脱附等表征手段，研究揭示了S-NC具有粒度变小、层间距增大、缺陷程度高、活性位点增多、孔道丰富和导电性增强等优点。这有利于提高碳材料的储钠容量，促进电解液的渗透，减小电荷传输电阻，提升倍率性能。
3）当将在600 ℃下制备的掺杂碳（S-NC-600）作为钠离子电池负极材料时，表现出优异的储钠能力，显著优于未掺杂碳材料（NC-600）。在电流密度为0.05 A/g时，S-NC-600的比容量为487.3 mAh/g，2 A/g下为275.5 mAh/g，并且具有良好的循环稳定性。在2 A/g电流密度下，循环充放电1 000次，S-NC-600的比容量仍保持在250.0 mAh/g。该项工作为低值碳资源的高值化利用及高性能SIBs负极碳材料的设计、构筑提供了理论指导。
图1 硫掺杂针状焦基多孔碳的制备示意
图2 各样品的倍率性能以及在0.05和2.00 A/g下的循环性能
引用格式：
肖雪,李佳纯,孟祥桐,等.硫掺杂针状焦基多孔碳的制备及其储钠性能[J].洁净煤技术,2023,29(9):162-170.
XIAO Xue,LI Jianchun,MENG Xiangtong,et al.Preparation of sulfur-doped needle coke-based porous carbon for robust sodium-ion storage[J].Clean Coal Technology,2023,29(9):162-170.
通讯作者
邱介山，现任北京化工大学化工学院教授，博士生导师。国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者特聘教授、全国化工优秀科技工作者、全国百篇优秀博士论文指导教师、“科睿唯安”全球高引科学家及Elsevier中国高被引学者、国家重点研发计划项目首席科学家。主要从事材料化工和能源化工等领域研究，多项技术实现规模化应用，创造了显著的经济效益和社会效益；研究获德国拜尔、瑞士加铝、日本三菱、中国香港中华煤气公司等名企资助。在Nature Mater.、Adv. Mater.等刊物发表论文800余篇，论文总引55 800余次(单篇引用≥100次论文120余篇)，h-index 120 (Google scholar)；煤基碳材料的论文数量世界第一(Web of SCI.)，引领了煤化学化工领域的新发展方向。申请及授权发明专利160余件；参加完成“煤焦化焦油加工工程设计标准”等多项国家标准的制定或修订。获教育部自然科学一等奖（2项）、辽宁省自然科学一等奖、中国化工学会科学技术奖一等奖等省部级科技奖励18项。
孟祥桐，北京化工大学优秀青年教师，化学工程学院副教授、硕士生导师。从事太阳能利用 (光热/光电转换)、电催化制备精细化学品等领域的碳基关键材料开发研究。2018年于大连理工大学获得博士学位；2016—2018年在佐治亚理工学院交流学习。以第一或通讯作者身份在物理化学学报、Angew. Chem.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Func. Mater.、ACS Catal.、Nano Energy等国内外刊物上发表论文20余篇，授权发明专利4件。2019年获得首届京博博士论文奖铜奖；2021年获得石化联合会-Clariant可持续发展青年创新奖；Journal of Materials Chemistry A杰出审稿人。目前担任Green Carbon、《燃料化学学报(中英文)》《洁净煤技术》等学术刊物的青年编委。作为项目负责人，目前主持国家自然科学基金青年基金、广西省自然科学基金面上项目等项目。
课题组简介
北京化工大学“石油和化工行业新型碳基功能材料重点实验室”创建于2018年，实验室负责人为国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者特聘教授邱介山教授，核心成员包括教授2人、副教授3人。团队的研究工作面向能源材料化工的学科发展前沿及国家在能源材料化工技术领域的重大需求，全体同仁秉承“追求卓越、止于至善”之理念，坚持“做前人未做之事、洋人未做之事”的创新精神，在材料化工、能源化工、环境化工、等离子体化学与化工、催化等多个领域开展了系统深入的创新研究。邱介山教授领导的团队已培养指导培养博士生70余名，博士后16名。毕业博士生中，1人获全国百篇优秀博士论文，1人获全国百篇优秀博士论文提名，11人获辽宁省优秀博士论文奖，3人获“化学化工与材料京博优秀博士论文奖”；3人入选“中组部青年人才计划”，4人获得国家自然科学基金委员会优秀青年基金，3人入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”，2人2022年入选“科睿唯安”全球高被引科学家榜单；多人/次入选教育部长江学者特聘教授、教育部“长江学者奖励计划”青年学者、国家“万人计划”领军人才等国家和省部级人才工程。
