杜兒坪2號(hào)煤結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建及其分子模擬.pdf

1、煤結(jié)構(gòu)研究一直是煤科學(xué)領(lǐng)域的核心環(huán)節(jié)。從物理角度看，煤是一種非晶態(tài)物質(zhì)，短程有序，長(zhǎng)程無序;從化學(xué)角度看，煤中各種化學(xué)鍵、次級(jí)鍵分布復(fù)雜。鑒于煤結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，煤結(jié)構(gòu)特征及其認(rèn)識(shí)是煤科學(xué)中最具挑戰(zhàn)性的問題之一，而深入全面理解煤的分子結(jié)構(gòu)特征又恰恰是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效利用的關(guān)鍵，因此長(zhǎng)期以來煤結(jié)構(gòu)研究一直是煤科學(xué)的核心與前沿。潔凈煤技術(shù)是從煤的大分子結(jié)構(gòu)和組成及其反應(yīng)性出發(fā)，對(duì)煤進(jìn)行梯級(jí)加工、低碳化利用，實(shí)現(xiàn)煤在精細(xì)化學(xué)品、潔凈燃料等方面的高

2、效和高選擇性轉(zhuǎn)化，延長(zhǎng)煤炭利用的生命周期，實(shí)現(xiàn)煤炭資源的清潔、高效、可持續(xù)發(fā)展。
　　本文運(yùn)用實(shí)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)模擬相結(jié)合的手段，構(gòu)建了杜兒坪2號(hào)煤的大分子模型，模擬其相關(guān)性質(zhì)，為理解煤的分子結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)煤的高效、清潔利用的目標(biāo)，探索新的研究思路與方法。
　　本文應(yīng)用紅外光譜、X射線衍射、高分辨率透射電子顯微鏡等手段對(duì)杜兒坪2號(hào)煤進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征，獲得了煤結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，采用計(jì)算機(jī)輔助分子設(shè)計(jì)（CAMD）的方法構(gòu)建了杜兒坪2號(hào)煤的大分

3、子結(jié)構(gòu)模型。在此基礎(chǔ)上，使用Materials Studio軟件對(duì)杜兒坪2號(hào)煤的大分子結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分子力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)、量子化學(xué)分析，模擬煤的紅外光譜、拉曼光譜等相關(guān)性質(zhì)。主要得出以下結(jié)論:
　　1.杜兒坪2號(hào)煤的X射線光電子能譜分析顯示，煤結(jié)構(gòu)中雜原子主要有氧、氮、硫，其中氧主要以醚氧鍵和酚羥基形式存在，氮主要以吡啶型氮和吡咯型氮形式存在，硫則主要以噻吩型硫形式為主。
　　2.高分辨率透射電子顯微鏡的結(jié)果表明，杜兒坪2號(hào)煤

4、縮合芳香環(huán)數(shù)以3×3以下為主，芳香環(huán)的縮合程度較低?；谏鲜龇治觯Ｐ椭械姆枷愎羌芤员?、萘、葸、菲等芳香基團(tuán)為主，4×4或5×5芳香基團(tuán)選取1～2個(gè)。
　　3.杜兒坪2號(hào)煤結(jié)構(gòu)的能量分析表明，結(jié)構(gòu)模型中勢(shì)能以非成鍵能為主，其中范德華能占主導(dǎo)地位。非成鍵能不含氫鍵能，表明單分子模型中氫鍵能不是主要的非共價(jià)鍵能。杜兒坪2號(hào)煤的立體模型中化學(xué)鍵的扭轉(zhuǎn)，特別是橋鍵和脂肪鏈的扭轉(zhuǎn)，使不同的芳香層片近似平行排列，不同芳香環(huán)之間的π-π相互作用

5、增強(qiáng)。
　　4.采用分子力學(xué)與分子動(dòng)力學(xué)的方法優(yōu)化了杜兒坪2號(hào)煤多分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，并模擬了杜兒坪2號(hào)煤的X射線衍射圖譜。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)圖譜和計(jì)算譜圖的100峰位一致，計(jì)算譜圖的002峰與實(shí)驗(yàn)圖譜相比，左側(cè)峰線明顯抬高，γ帶強(qiáng)度大，這與構(gòu)成聚集態(tài)的煤大分子數(shù)量有關(guān)
　　5.使用半經(jīng)驗(yàn)量子力學(xué)的方法模擬了杜兒坪2號(hào)煤的拉曼光譜。結(jié)果顯示，煤的一階拉曼光譜有兩個(gè)峰:D峰和G峰。D峰來自于煤中芳香族和脂肪族的共同作用，G峰則主要來自