不同变质程度煤中富勒烯的特征及其形成机制

The formation mechanism of fullerene in coal has large controversy. In this project, the study of this object is fullerene in different metamorphic degree. Based on fullerene state of different macerals, it is analyzed that characteristics of the fullerenes in coal and fullerene and its derivatives in the process of geological conditions, the geochemical mechanism of fullerenes formation in coal will be revealed. In this project we mainly focus on fullerene existence state of different macerals by HRTEM, and the influence of the coal formation environment and metamorphic conditions to the existence characteristics of fullerenes, the interaction between fullerene and coal structure evolution by molecular simulation. The predicting results include: fullerene existence characteristics in different macerals and the influence of hydrothermal conditions and metal particles. The innovation of this program is reveal the geochemical mechanism of fullerene formation through geological fluid and metal particles in the process of coalification, and provide new methods and ways on the mechanism of coalification.

煤中富勒烯的形成机制至今存在很大争议。本项目以不同变质程度煤中的富勒烯为研究对象，以不同煤岩组分中富勒烯的赋存状态为基础，分析煤中富勒烯的形成与煤化作用过程中形成富勒烯及其衍生物的地质条件，进而揭示煤中富勒烯形成的地质与地球化学机制。主要内容与研究方法为：应用HRTEM等技术分析不同煤岩组分中富勒烯的赋存状态，研究煤形成环境、变质条件与环境对富勒烯赋存特征的影响，采用分子模拟的方法分析煤结构演化与煤中富勒烯形成的关系。主要预期成果是了解富勒烯在不同煤岩组分中的赋存状态，煤化作用过程形成的水热条件与金属微粒对富勒烯形成演化的影响。主要特色与创新在于从煤化作用过程中地质流体、金属微粒的形成入手，探索煤变质环境对富勒烯及衍生物形成的影响，揭示煤中富勒烯的形成的地质地球化学机制，从而为煤化作用机制的深入理解提供新的思路与途径。

由于煤中富勒烯的形成机制至今存在很大争议。本项目从煤中特殊结构入手，在曹村2号煤的研究中发现了煤结构的特殊性，基于HRTEM图像处理方法，识别、分类、定量了煤中不同聚集态结构。将煤聚集态结构分为了三类，其条纹分别具有取向一致、类似环状、取向杂乱等分布；对不同区域条纹特征量化表明短条纹是构成弯曲条纹的主要部分，可能其中有非六元环或是晶格缺陷的存在；三类区域均发育微孔，取向一致的条纹区域中发育微小孔，孔径集中于0.4-0.5nm，而在取向杂乱的条纹区域中孔径整体稍大；通过对煤大分子结构的表征，结合红外，拉曼等测试技术，探讨了形成煤中不同聚集态结构机制：煤中聚集态即是不同的芳香结构，脂肪结构及其他分子之间形成的大分子团，再加上分子团内部的缺陷，孔隙等相互作用的结果。此外，构建了煤的大分子结构模型，并对屯兰2号煤的大分子结构模型进行分子模拟，主要模拟甲烷在煤中的吸附过程，分析了煤中的孔隙结构，对其孔隙率，比表面积以及孔径分布进行研究，得到该分子模型的最大孔径为1.3nm，总孔隙率为18.74%，利用氦气和氮气探针所测孔隙率分别为13.03%和9.27%，总的比表面积为1834.29m2/g，并探讨了甲烷的在煤的微孔吸附机制：甲烷吸附煤中的最小容纳孔为0.48nm；其优势吸附位与超微孔隙的孔径大小不存在明确的关系。