研究背景
煤沥青（Coal Tar Pitch, CTP）因其资源丰富、成本低廉和碳含量高等优点，被视为制备高性能炭材料的理想前驱体。然而，其固有热塑性导致在热处理过程中易发生熔融变形和结构坍塌，限制了其在柔性纳米碳纤维领域的应用。氧化不熔化是影响纤维形状和结构的关键工艺，但CTP与氧气的反应活性低、氧气在其中的扩散动力学缓慢，造成传统空气氧化法效率低下、耗时漫长。因此，实现CTP的高效、均质氧化不熔化是制备柔性纳米碳纤维的核心挑战。
文章简介
基于此，中国科学院山西煤炭化学研究所宋燕团队在国际知名期刊《Carbon》发表了题为“Benzenetricarboxylic acid assisted-air blowing oxidation on the efficient preparation of flexible coal tar pitch/polyacrylonitrile carbon nanofibers”的研究论文，该工作创新性地提出一种均苯三甲酸（BTC）辅助空气氧化的策略，用于高效制备柔性煤沥青/聚丙烯腈（PAN）基纳米碳纤维。通过系统研究BTC添加量对CTP/PAN纳米碳纤维结构性能的影响，结合TG、FT-IR、XPS等多尺度表征手段，深入揭示了BTC在降低氧化反应活化能和促进氧桥键/亚甲基桥形成的双重协同作用机制。研究表明，BTC的添加显著提升了氧化效率，同时优化了碳纤维的结构和性能，为实现柔性沥青基碳纤维的高效制备提供了依据。
本文要点
要点一：BTC辅助空气氧化策略的提出与验证
采用BTC辅助空气氧化策略，成功制备出结构性能优异的纳米碳纤维。与传统空气氧化法相比，该策略有效解决了CTP低反应性与氧气扩散缓慢的固有难题，实现了氧化工艺的高效优化。
要点二：BTC降低反应能垒与构建稳定交联网络的双重机制
BTC的添加对氧化不熔化过程具有双重促进作用：在动力学层面，降低氧化反应活化能（从62.70 kJ/mol至48.50 kJ/mol）；在结构层面，其羧基参与形成氧桥键，还可能通过自由基机制引入亚甲基桥，构建热稳定的三维交联网络。这种交联网络有效增强了前驱体的热稳定性，为后续炭化过程中纤维形貌的完整保持与微观结构的精准调控奠定了坚实基础。
要点三： BTC加入有助于提升所制碳纤维的柔韧性
随BTC含量的增加，所制碳纤维的结构有序度下降（ID/IG从1.55升至1.65），比表面积提升至442 m2/g。这种适度无序和高比表面积的结构，有助于分散应力，使碳纤维在保持一定力学强度（拉伸强度1.14 MPa）的同时具备较好的柔韧性（可反复多次弯折），为其在柔性领域的应用提供了材料基础。
文章链接
Benzenetricarboxylic acid assisted-air blowing oxidation on the efficient preparation of flexible coal tar pitch/polyacrylonitrile carbon nanofibers
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.121206
通讯作者简介
宋燕，中国科学院山西煤炭化学研究所研究员，博导，炭材料山西省重点实验室主任。作为项目负责人或首席科学家承担或完成了多项国家级和省部级科研项目。研究领域：沥青基炭材料、功能炭材料。中国科学院青年创新促进会会员，山西省学术技术带头人，山西省科技创新领军人才。任《新型炭材料》、《Nanomaterials》、《炭素》等期刊编委，山西省化工学会炭材料专委会主任委员。曾获中国科学院卢嘉锡青年人才奖、省国防科技工业科技创新一等奖1项、省自然科学二等奖2项；获授权国家发明专利19项；在材料化工主流学术刊物上发表研究论文一百七十余篇；多次受邀在重要国际/国内会议上作学术报告；培养了和正在培养硕、博士研究生多名。
