杜儿坪2号煤结构模型构建及其分子模拟

煤结构研究一直是煤科学领域的核心环节。从物理角度看,煤是一种非晶态物质,短程有序,长程无序；从化学角度看,煤中各种化学键、次级键分布复杂。鉴于煤结构的复杂性,煤结构特征及其认识是煤科学中最具挑战性的问题之一,而深入全面理解煤的分子结构特征又恰恰是实现煤炭清洁高效利用的关键,因此长期以来煤结构研究一直是煤科学的核心与前沿。洁净煤技术是从煤的大分子结构和组成及其反应性出发,对煤进行梯级加工、低碳化利用,实现煤在精细化学品、洁净燃料等方面的高效和高选择性转化,延长煤炭利用的生命周期,实现煤炭资源的清洁、高效、可持续发展。 本文运用实验与计算机模拟相结合的手段,构建了杜儿坪2号煤的大分子模型,模拟其相关性质,为理解煤的分子结构,实现煤的高效、清洁利用的目标,探索新的研究思路与方法。 本文应用红外光谱、X射线衍射、高分辨率透射电子显微镜等手段对杜儿坪2号煤进行了结构表征,获得了煤结构的相关参数,采用计算机辅助分子设计(CAMD)的方法构建了杜儿坪2号煤的大分子结构模型。在此基础上,使用Materials Studio软件对杜儿坪2号煤的大分子结构模型进行分子力学和分子动力学、量子化学分析,模拟煤的红外光谱、拉曼光谱等相关性质。主要得出以下结论： 1.杜儿坪2号煤的X射线光电子能谱分析显示,煤结构中杂原子主要有氧、氮、硫,其中氧主要以醚氧键和酚羟基形式存在,氮主要以吡啶型氮和吡咯型氮形式存在,硫则主要以噻吩型硫形式为主。 2.高分辨率透射电子显微镜的结果表明,杜儿坪2号煤缩合芳香环数以3×3以下为主,芳香环的缩合程度较低。基于上述分析,模型中的芳香骨架以苯、萘、葸、菲等芳香基团为主,4×4或5×5芳香基团选取1-2个。 3.杜儿坪2号煤结构的能量分析表明,结构模型中势能以非成键能为主,其中范德华能占主导地位。非成键能不含氢键能,表明单分子模型中氢键能不是主要的非共价键能。杜儿坪2号煤的立体模型中化学键的扭转,特别是桥键和脂肪链的扭转,使不同的芳香层片近似平行排列,不同芳香环之间的π-π相互作用增强。 4.采用分子力学与分子动力学的方法优化了杜儿坪2号煤多分子聚集态结构,并模拟了杜儿坪2号煤的X射线衍射图谱。结果表明,实验图谱和计算谱图的100峰位一致,计算谱图的002峰与实验图谱相比,左侧峰线明显抬高,γ带强度大,这与构成聚集态的煤大分子数量有关 5.使用半经验量子力学的方法模拟了杜儿坪2号煤的拉曼光谱。结果显示,煤的一阶拉曼光谱有两个峰：D峰和G峰。D峰来自于煤中芳香族和脂肪族的共同作用,G峰则主要来自于芳香族的π电子的贡献。