中国报告大厅网讯，随着 “双碳” 战略推进及新能源产业快速发展，石油焦在产业布局中的定位正从传统低附加值领域向高附加值方向转变。2024 年，石油焦在电解铝用预焙阳极领域的用量约 2730 万 t，占石油焦总量的 61%，仍是用量最大的产业;同时，锂离子电池负极材料成为石油焦新兴高附加值应用途径，2024 年人造石墨负极材料用量约 180 万 t，消耗石油焦约 270 万 t。当前，市场中已有负极材料企业针对中硫普通石油焦展开大规模筛选，用于生产高附加值负极材料和石墨涂层绝缘材料，未来该领域对优质石油焦资源的需求可能与电解铝行业形成竞争，进而影响石油焦价格走势。在此背景下，深入解析石油焦本征结构，建立其与应用性能的关联，对推动石油焦行业定向调控及高附加值利用具有关键意义。以下是2025年石油焦产业布局分析。
石油焦是一种黑色或暗灰色坚硬固体，带有金属光泽，其组分主要是碳氢化合物，碳的元素质量分数一般为 90%~97%，同时含有少量的氢、硫、氧、氮、硅元素和微量金属元素等。从外观和特征划分，石油焦可分为海绵状焦、针状焦和丸状焦(球状焦);根据硫的质量分数高低，可分为高硫焦(≥4%)、中硫焦(2%~4%)和低硫焦(≤2%);按加工方式又可分为煅烧焦和生焦。石油焦的组成、微观结构和性质取决于原料的性质和焦化工艺，其特殊的化学和物理性质，以及微观结构特征对其工业和商业用途至关重要。
《2025-2030年中国石油焦市场专题研究及市场前景预测评估报告》指出，在应用领域，石油焦的用途广泛，涵盖预焙阳极、燃料(玻璃、水泥窑、钛白粉)、锂电负极材料、还原剂、碳化硅、碳化钙制电石、增碳剂、合成气及高等级炭材料前驱体(如制备高性能活性炭、钠电负极材料、硅基负极材料及高纯石墨等)。其中，电解铝用预焙阳极长期占据石油焦最大用量领域，而锂电负极材料作为新兴领域，随着新能源汽车及储能市场的迅猛扩张，需求将持续上升，成为推动石油焦产业向高附加值转型的重要动力。
除标准 N/SH/T 0527-2015 中规定的元素含量测定(如 ICP)、密度及工业分析等宏观物性考察手段外，石油焦的微观结构表征需结合多种精密分析技术，形成从宏观到微观的完整分析体系。
在宏观及微观结构与孔道特征分析层面，扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)及 N₂吸脱附(BET)是核心技术。其中，BET 可定量表征石油焦的孔道结构参数，如比表面积、孔径分布;SEM 能直观观察石油焦的微观形貌及颗粒堆积状态;TEM 可提供石油焦晶体结构及纳米尺度微观特征;AFM 则能精准表征石油焦表面三维形貌及粗糙度。
在深入探索石油焦本征结构的微观层面，X 射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、X 射线光电子能谱(XPS)及拉曼光谱(Raman)发挥关键作用。XPS 用于分析石油焦的元素组成及化学价态;FTIR 可识别石油焦表面官能团类型及分布;拉曼光谱能表征石油焦碳质结构的石墨化程度及缺陷特征;XRD 则可解析石油焦石墨微晶的堆积状态，如层间距、微晶尺寸。
石墨化碳的最强 XRD 特征峰为(002)峰，位于 2θ=25° 左右，天然石墨在 2θ=26° 左右出现强衍射峰对应于石墨的(002)衍射峰。石油焦经过煅烧处理后，其(002)峰比原料石油焦的(002)峰更加尖锐，表明煅烧后石油焦中无定形碳和脂肪族支链含量降低，芳族薄片取向度增加，石墨微晶单元生长，结晶度有所提高。
在不同煅烧温度下，石油焦的 XRD 特征峰呈现不同变化。将石油焦经 800℃煅烧，在 43° 附近发现(100)峰;1000℃煅烧在 44.5° 左右才发现(101)峰，(100)峰及(101)峰为理想石墨平面峰，说明 1000℃以上的高温才能使石油焦的无序乱层结构向类石墨结构转变。不同低硫石油焦石墨化样品在 2θ 为 26.4° 左右均呈现出尖锐的、典型的(002)特征峰，并出现石墨的典型峰(100)和(004);经 2800℃石墨化处理后的煤基石墨，XRD 图在～26.5° 有一个异常尖锐的(002)晶面衍射峰，54.54° 有一个明显的(004)晶面衍射峰，并在～42.4°、44.5° 和～77.4° 处分别出现(100)、(101)及(110)等石墨特征峰。
XRD 各特征峰的含义明确：(002)峰(2θ~25°)反映石油焦石墨微晶的片层间距离及片层数目，用于计算 Lc;(001)峰(2θ~10°)为氧化石墨的衍射峰;(100)峰(2θ40~45°)是无序结构向类石墨有序结构转变的标志，反映石油焦石墨微晶的宽度，用于计算 La;(004)峰(2θ50~55°)体现晶体的层状结构;(101)峰(2θ~44.5°)的存在表示物质的晶体结构是石墨烯。XRD 可快速准确地对石油焦中呈晶型的石墨微晶结构进行表征，系统研究石油焦碳质结构基础及其演变规律，对石油焦的石墨微晶含量进行半定量分析，计算石油焦石墨微晶尺寸 La(宽度)、Lc(厚度)及石墨化度，但仅能表征石油焦中的有序结构 —— 石墨微晶，需耦合其他分析手段研究石油焦中的无序结构。
FTIR 能够根据官能团的键能和原子在空间中的方向提供石油焦有关官能团的信息。在不同红外波长区域，石油焦存在多种官能团：波长为 3700~3600cm⁻¹ 之间，表明存在 - OH 基团;696cm⁻¹ 和 3620cm⁻¹ 处的尖锐小峰是石油焦中存在的水分和酚基 - OH 基团;波数为 3360cm⁻¹ 处表明石油焦存在醇、羧酸和苯酚;2948cm⁻¹ 处的峰表明存在 - CH₂基团;2600~2400cm⁻¹ 波长区域发现 S-H 键;1600cm⁻¹ 波长区域存在 C=C 烯烃双键;1060~1045cm⁻¹ 波长区域中出现 C-O 键;900~750cm⁻¹ 波长区域出现烷基亚砜 = SO 键;600~400cm⁻¹ 波长区域出现的众多峰表明存在金属氧化物。
原始石油焦中含有烷基、芳烃、羟基等官能团，这些官能团情况对石油焦在高附加值应用领域具有关键指导作用，石油焦的界面性质关系到后续加工过程中的工艺参数设定，还可作为媒介嫁接各种官能团，实现石油焦原料的功能化。在石油焦脱硫研究中，通过 FTIR 光谱分析发现，脱硫后石油焦在 744cm⁻¹ 处的噻吩特征峰消失，说明噻吩硫基本被脱除;863cm⁻¹ 处的 C-S 特征峰明显减弱甚至消失，可通过这一特征判断脱硫效果。
X 射线光电子能谱(XPS)作为一种表面分析技术，在石油焦本征结构研究中，常用于炭材料表面官能团识别、结构缺陷判定及表面组成结构识别，对石油焦性能调控具有重要指导意义。根据结合能的位置，可确定石油焦中各元素的峰类型及归属：
对于 C 1s，C-H、C-C 的结合能为 284.2~284.6eV，C-O 的结合能为 286.1eV，=CO、C-O-C 的结合能为 287.6eV，COO - 的结合能为 289.1eV，-=COO 的结合能为 286~290eV;对于 O 1s，=CO 的结合能为 531.3±0.2eV，C-O - 的结合能为 532.8±0.3eV，COO - 的结合能为 534.1±0.4eV;对于 N 1s，吡啶的结合能为 398.8±0.2eV，吡咯的结合能为 400.2±0.3eV;对于 S 2p，硫醇硫的结合能为 161.2~163.6eV，噻吩类硫的结合能为 164.0~164.4eV，亚砜类硫的结合能为 165.0~166.0eV，砜类硫的结合能为 167.0~168.3eV，无机盐类硫的结合能 > 168.4eV。
在石油焦研究中，XPS 更倾向于对 S、N 及 O 等关键杂原子的分析表征，其中石油焦中硫化物含量及赋存状态对后续应用影响较强，相关研究较多。高硫石油焦表面硫含量及存在形态与热解温度紧密关联，随着热解温度升高，表面硫含量在 700℃达到最大值，不同硫形态之间发生相互转化;原始石油焦中硫化物主要为噻吩类硫、亚砜类硫、硫醇硫、硫酸盐及砜类硫，部分研究中发现硫以噻吩和亚砜的形式存在于石油焦中。后续随着石油焦本征结构解析的深入，对石油焦碳谱、氮谱及氧谱的解析将日趋重要。
近年来发展的激光拉曼光谱分析技术包括傅里叶变换拉曼光谱、表面增强拉曼光谱、激光共振拉曼光谱、高温激光拉曼光谱、激光拉曼显微及激光拉曼遥测技术等，在材料、化工、石油等多个领域广泛应用，在石油焦本征结构研究中，可用于评估石墨微晶结构程度，分析非晶态结构与石墨微晶的交织及相互转换关系，这些结构变化会对石油焦的应用性能造成影响。
在拉曼光谱的分峰拟合方面，一阶谱中可细分为 G 峰、D1~D4 峰，每个峰对应独特的碳质结构意义。两峰分峰拟合中，石墨类样品在 1575~1620cm⁻¹ 和 1355~1380cm⁻¹ 区域有两个宽峰，称为 G(石墨)峰和 D(无序)峰，1575cm⁻¹ 处的拉曼峰存在于所有石墨样品中，部分晶体尺寸极小的样品中会出现向更高波长的轻微位移(15cm⁻¹)。1575cm⁻¹ 的峰归属于具有晶体对称性的 E₂g 石墨模式，1370cm⁻¹ 波段归属于 A₁g 模式，I_D/I_G 比值与石墨的 La 值相关联。
五峰分峰拟合中，D1 峰出现在 1350~1380cm⁻¹ 处，对应于 A₁g 对称的石墨点阵振动模式，归因于基本结构单元(BSU)之间的面内缺陷，也与苯环伸缩振动或苯环缩聚有关，具有 6 个或更多稠合苯环的芳族化合物会有助于 D1 峰形成，I_D1/I_G 与面内微晶尺寸 La 成反比，且对于 La，这一关联方程不再有效，此时 D1 峰强度与六重环团簇结构出现的概率成正比;1460~1530cm⁻¹ 处的宽 D3 峰仅存在于无序碳质材料中，起源于芳族层平面外的间隙缺陷(如四面体碳)，与苯环或稠合苯环的双环伸缩振动相关，反映活性位点(边缘碳)，代表具有 3~5 个稠合苯环及亚甲基和甲基的小芳环系统，也归因于形成随机分布的无序碳相的有机分子、片段或官能团;1620cm⁻¹ 处的 D2 峰归因为无序碳和不完美石墨，对应于石墨晶格模式 E₂g，在不完美石墨、烟灰和其他无序碳质材料中可观察到，当 D1 峰存在时 D2 峰总是存在，其强度随组织程度增加而降低，部分情况下与 G 峰难以分辨;1140~1190cm⁻¹ 处的 D4 峰存在于具有少量金刚石晶域的薄膜或组织极差的材料(如烟灰和炭)中，归因为多烯类物质的 sp²-sp³ 或 -=CC/CC 伸缩振动，或混合的 sp²-sp³、富含 sp³ 的碳结构(如烷基 - 芳基 C-C 结构、非晶或六方金刚石)。拉曼光谱可通过分峰拟合确定石油焦亚组分的碳质结构分类，是研究石油焦这一非均一组分石油系炭材料碳质结构亚组分的重要分析手段。
当前，石油焦产业应用已领先于理论研究，随着 “双碳” 战略确立及电动革命兴起，对石油焦的利用认知不断深化，开展石油焦系统性本征结构研究，既能解释产业界现有困惑，也能为未来发展指引方向。石油焦本征结构研究应遵循由外到内、由宏观到微观的思路，耦合现代分子炼油技术，向上游指导延迟焦化装置生产，向下游指导石油焦高附加值利用。
通过整合多技术分析体系，明确石油焦本征结构与应用性能的关联规律，可为石油焦定向调控及高附加值利用提供理论参考。其中，拉曼光谱与 XRD 的耦合联用，可对石油焦亚组分(如石墨微晶的晶粒尺寸、D1~D4 峰及 G 峰对应的特殊碳质结构)进行深入研究。后续结合焦化原料油的分子层级表征，建立其间的构效关系，将进一步完善石油焦本征结构研究，推动石油焦在锂电负极、高等级炭材料前驱体等领域的高附加值应用发展，助力 2025 年及未来石油焦产业布局优化。
本文围绕2025年石油焦产业布局，结合关键应用数据，系统阐述了石油焦的产业定位、基础属性、本征结构分析技术体系及关键分析方法。石油焦作为支撑多领域应用的炭材料，在传统预焙阳极领域用量稳定，同时在锂电负极等新兴高附加值领域需求增长迅速。从宏观到微观的多维度分析技术(如 SEM、TEM、XRD、拉曼光谱等)，可全面解析石油焦的形貌、孔道、晶体结构、官能团及缺陷特征，其中 XRD 能精准分析石墨微晶结构与有序度，FTIR 可识别官能团与脱硫效果，XPS 聚焦杂原子赋存状态，拉曼光谱则细分碳质结构与缺陷。未来通过多技术联用及构效关系建立，将推动石油焦行业定向调控与高附加值利用，优化产业布局，助力 “双碳” 战略与新能源产业发展。
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